在全球范围内，水电被认为是一种清洁的可再生能源，长期以来作为低碳能源的重要组成部分。然而，尽管水电能有效减少温室气体排放，某些水电设施却因水库的有机物分解而释放大量甲烷，导致其碳排放强度接近或甚至超过一些燃煤电站。为了解决这一问题，近期的研究提出了一种创新的解决方案：通过将浮动光伏（FPV）技术与现有的水电设施相结合，降低水电设施的温室气体足迹。本文将详细介绍这一技术的全球减排潜力以及其在应对气候变化中的重要意义。
水电与温室气体排放：低碳能源中的隐形问题
水电作为全球最大的可再生能源形式之一，近年来在全球电力供应中占据了重要地位。其最大优势在于能够提供稳定的、可调节的电力输出。水电常被视为低碳电力来源，尤其是在与火力发电比较时，其温室气体排放远低于煤炭和天然气发电。
然而，水电设施并非完全无害。一些水电项目，特别是那些规模较大或水库面积较大的水电站，由于水库中的有机物和藻类在水中分解，释放出大量的甲烷等温室气体。这些温室气体的排放量，有时甚至与化石燃料发电站相当。根据研究，全球约10%的水电设施的温室气体排放强度（即每单位电力所产生的温室气体排放）高于风能和太阳能等其他可再生能源，接近于燃煤发电站的排放水平。因此，减少水电设施的温室气体排放，成为了一个迫切需要解决的问题。
图1a 展示了全球964座水电设施的温室气体排放强度分布。我们可以看到，这些水电设施的温室气体排放强度差异较大，有些水电站的排放强度超过了当前光伏系统的排放水平（即48 kg CO2/MWh）。图中数据表明，部分水电设施的排放强度较低，接近于风能和太阳能的排放水平，而另外一些设施的排放强度较高，接近燃煤发电的水平。
图1b 比较了在当前情境和未来去碳情境下，浮动光伏-水电混合系统的温室气体排放强度与现有水电设施的差异。可以看到，在未来情境下（即假设光伏完全去碳），浮动光伏-水电混合系统的排放中位值显著降低，这表明，随着光伏技术的低碳化，水电-浮动光伏混合系统的排放优势将更加明显。
浮动光伏技术的崛起：利用水面空间创造能源
近年来，浮动光伏（FPV）技术作为一种新兴的清洁能源技术，正逐步走向全球市场。FPV通过在水库等大型水体的表面安装光伏面板，利用水面资源产生电力。与传统的地面光伏发电相比，FPV有许多独特的优势：
减少土地占用：水面上安装光伏板可以避免占用有限的陆地资源，特别是在一些土地资源紧张的地区，FPV技术能够有效避免与农业、城市建设等需求的冲突。
提高光伏效率：水面温度较低，具有天然的冷却作用，可以提升光伏面板的发电效率。同时，水面上的光伏板还能够减少水体的蒸发，节约水资源，尤其是在干旱地区尤为重要。
减少温室气体排放：在浮动光伏系统的生产过程中，通常使用的材料和工艺比传统光伏更加环保，这使得FPV在生命周期内的温室气体排放大大低于传统能源生产方式。
水电与浮动光伏结合：减排潜力的全球评估
本研究对全球范围内964座容量超过10MW的水电设施进行了分析，评估了将浮动光伏技术与这些水电设施相结合的减排潜力。研究使用了全球水电设施的温室气体排放数据，并考虑了FPV的安装潜力和技术可行性。研究中假设在水库表面安装浮动光伏系统，覆盖面积可达到水库总面积的29%，甚至在一些大型水库中达到6.5平方千米。
研究显示，浮动光伏技术的引入能够显著降低水电设施的温室气体排放强度。特别是在一些高排放的水电设施中，浮动光伏的整合能够帮助其将排放强度降至低碳标准以下。例如，现有一些水电设施的温室气体排放强度超过100 kg CO2/MWh，这些设施通过添加浮动光伏系统后，排放强度可以大幅下降。研究发现，在未来完全去碳的情境下，水电和浮动光伏的混合系统能够将这些设施的温室气体排放强度降低50%以上。
此外，研究还表明，全球约50%的高排放水电设施在未来的情境下，能够通过结合浮动光伏技术，达到低排放的标准。这些水电设施的减排潜力不仅仅限于少数地区，而是具有全球性的适用性，尤其在一些小型水电设施中，浮动光伏的减排效果尤为明显。
持续监测与未来前景：全局规划与生态影响
虽然浮动光伏技术展示了巨大的减排潜力，但其推广和应用仍面临一些挑战。首先，虽然浮动光伏可以有效降低水电设施的碳足迹，但浮动光伏对水体的遮光效应可能会影响水中生物的生长，从而改变水体的生态环境。如何平衡能源生产和生态保护，将是未来浮动光伏应用中的一个重要议题。
此外，水电设施的环境影响不仅限于温室气体排放。水电大规模建设可能对周围的生态系统和人类生计造成影响，尤其是在一些生态敏感区域。因此，在推动水电与浮动光伏协同发电的同时，全球范围内需要进行更为全面的规划和环境影响评估，以确保这些项目不会对生态环境和社会产生负面影响。
图2a 展示了全球205座温室气体排放强度超过100 kg CO2/MWh的水电设施在安装浮动光伏系统后的减排潜力（绿色标识的设施表示可达到低排放标准）。我们可以看到，这些高排放的水电设施在全球各地广泛分布，尤其在一些较小的水电设施中，减排潜力尤为显著。
图2b 对比了高排放水电设施在安装浮动光伏系统前后的温室气体排放强度变化。研究表明，在205个高排放水电设施中，通过安装浮动光伏系统，可以使85%的设施达到或低于430 kg CO2/MWh的排放阈值。此外，在当前情境下，50%的设施能够达到低于100 kg CO2/MWh的低排放标准，而在未来情境下，这一比例可提升至75%。
图2c 将能够达到低排放标准的水电设施（绿色）和无法达标的设施（红色）按纬度、库区面积和发电容量分布进行展示。可以看到，库区面积较小的水电设施在安装浮动光伏后更易达标，这表明，浮动光伏的减排效果在小型水电设施中尤为显著。
结论：创新技术为气候变化应对带来新机遇
总体来看，浮动光伏与水电的结合为全球水电减排提供了新的解决方案。通过在水电设施中引入浮动光伏，不仅可以大幅减少温室气体排放，还能充分利用水面空间，优化能源生产与水资源管理。随着技术的进一步成熟和成本的下降，浮动光伏技术有望在全球范围内得到广泛应用，为应对气候变化、实现全球碳中和目标提供有力支持。
同时，未来的政策制定者和项目实施者需要考虑到浮动光伏技术的生态和社会影响，进行全面的环境评估和风险管理，以确保这一创新技术在全球范围内的可持续发展。
原文信息
Almeida, R.M., Chowdhury, AUH., Rodrigo, H. et al. Offsetting the greenhouse gas footprint of hydropower with floating solar photovoltaics. Nat Sustain 7, 1102–1106 (2024). https://doi.org/10.1038/s41893-024-01384-w
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内容：张权福
编辑：王佳雪
审核：邓京
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