机械技术员亚历克斯·康恩（Alex Conn）正在制作FishSafe Restoration涡轮机的比例模型。图片来源：NATEL
水力发电是世界领先的可再生电力来源。2022年，水力发电量超过所有其他可再生能源的总和。虽然水力发电正在帮助清理我们的电网，但对鱼类来说，水力发电的影响可能并不总是积极的。
水坝可以改变生物的栖息地。对于某些物种，尤其是那些长距离迁徙的物种，水电设施可能会造成非常危险或不可逾越的障碍。在世界某些地区，包括美国、加拿大和欧洲，政府已经采取措施以保护生态系统免受水电的潜在危害。
新的环境法规可能会让老旧设施面临昂贵的翻新，或者迫使其彻底关闭。这是一个大问题，因为将水电站从电网中撤出就会失去一种灵活的、低排放的电力来源，而这种电力来源有助于应对气候变化的进展。包括鱼类安全涡轮机在内的新技术可以帮助电力公司和监管机构在河流生态系统健康和全球气候目标之间取得平衡。
这就是Natel Energy这类公司的用武之地。Natel的联合创始人兼首席商务官吉娅·施耐德（Gia Schneider）说，该公司成立之初有两大目标，即高性能和鱼类生存。
该公司正在对水力发电厂的涡轮机进行新的设计，因为水流会冲刷设备并带动叶片运动。施耐德说，传统涡轮叶片的移动速度可达每秒30米，即每小时60到70英里。“当这些叶片以如此快的速度移动并击中鱼类时，很明显不会出现什么好结果。”她说。
Natel对涡轮机的设计侧重于防止快速移动的设备与鱼类发生致命接触。叶片的前缘较厚，能将水推到叶片前方，形成一个停滞区，或者可以说“是鱼的安全气囊”，施耐德说。叶片也是弯曲的，因此即使鱼被击中，也不会受到直接打击。
该公司已经用一系列物种对其设计的涡轮机进行了测试，包括美洲鳗鱼、金目鲷和虹鳟鱼。在最近对美洲鳗鱼进行的一项研究中，超过99%的鳗鱼在通过Natel设备48小时后都存活下来。相比之下，2010年的一项研究发现，仅有40%被标记的欧洲鳗鱼能够通过水电站的涡轮机，尽管存活率在很大程度上取决于鳗鱼和相关设备的大小。
改变涡轮机的设计并不能帮助所有发电厂的鱼类存活下来，例如，在一些拥有最高水坝的大型发电厂，水压的急剧变化会导致鱼类死亡。但施耐德表示，该公司的技术可以应用到美国现有的半数水电站，让水电站对鱼类更加安全。
水力发电是世界上历史最悠久的可再生能源之一。根据国际能源机构的数据，到2030年，全球20%以上的发电机组的运行年龄将超过55年。目前，美国水电站的平均运行年龄约为65年。
在美国，私营水电站由一个名为联邦能源管理委员会的机构颁发许可证，有效期最长为50年。根据美国国家水电协会（National Hydropower Association）的数据，到2035年，约有价值1 700万千瓦的水电设施（足以为1 300万户家庭供电）需要获取重新许可。
自从这些设施启动以来，环境需求发生了重大变化，一些水电站可能会面临高昂的成本和艰巨的工程才能在遵守新的环境法规的条件下保持运行。在某些情况下，在水电站的进水口加装滤网以过滤鱼类是一种潜在的解决方案，但这种系统的安装和维护都会增加大量成本。施耐德说，Natel的技术是一种替代方案。
Natel公司已在缅因州、俄勒冈州和奥地利安装了几个项目。施奈德说，这些项目用的都是相对较小的涡轮机，但该公司正准备承接更大的项目，为一家工厂提供直径三米的涡轮机。该公司还将向制造商授权其鱼类安全的涡轮机设计。
鱼类安全设计是否被采用可能取决于它对效率的影响，或者说对特定水流所能捕获能量的影响。施耐德说，在某些情况下，Natel的涡轮机设计效率会略低于目前的传统设计，但这种差异微乎其微，而且仍可能有所改进。
虽然有时需要在鱼类安全设计和效率之间作出权衡，但并非所有新型涡轮机都能做到这一点。美国陆军工程兵部队2019年的一项研究发现，有一种新型设计在提高鱼类安全的同时，还能产生更多电力。
不过，在水电站中安装新的涡轮机并不能解决与该技术相关的所有环境问题。例如，新设备只适用于下游洄游，比如鳗鱼从淡水河洄游到海洋繁殖。所以仍然需要其他解决方案来为上游迁移提供出路。
挪威自然研究所高级研究科学家安娜·席尔瓦（Ana T. Silva）说，对许多植物而言，最理想的解决方案可能是天然旁路或斜坡，可以让许多物种双向自由通过。但由于空间要求，这些设施并不总能安装或使用。
Natel首席技术官亚伯·施耐德（Abe Schneider）在俄勒冈州马德拉斯市的门罗水电站拿着一条通过鱼类安全测试的大鳟鱼。图片来源：NATEL
美国国家海洋和大气管理局（NOAA Fisheries）的高级公共事务官员迈克尔·米尔斯坦（Michael Milstein）说，长期以来，人们一直在努力改善鱼类通道。目前的解决方案包括鱼梯，鱼类可以通过鱼梯游到或跃过一系列不断增高的水池从而通过水坝。但也有一些水坝太高，无法使用这种方法，只能捕捉鱼类，然后装上卡车绕过水坝。
米尔斯坦说，挑战在于“每条河流都不一样，每个水坝也都不一样”。他补充说，解决方案需要适应每种情况，当没有旁路时，鱼类只能选择径直通过设施，这时鱼类安全涡轮机就显得尤为重要。
保护生态系统和为鱼类提供安全通道的问题引发了对美国西部和世界各地现有水电项目的激烈争论。
米尔斯坦说：“即使采用当前最先进的技术，也不一定能提供足够的通道。”由于对当地生态系统的影响，俄勒冈州和加利福尼亚州北部的克拉玛斯河（Klamath River）上的几座大坝目前正被拆除。这些大坝极大地改变了河流，破坏了当地鲑鱼、钢头鱼和灯鱼的栖息地，并为寄生虫创造了理想条件，使鱼类数量锐减。
施耐德指出，虽然水电设施会对环境造成负面影响，但气候变化也会对野生动物造成极大伤害。如果关闭过多的水电站，就会留下缺口，让更多的化石燃料留在电网上，从而使那些为了应对气候变化而作出的努力付诸东流。
降低水电站对当地环境的影响有助于确保更多的水电站能继续运行，继续产生可再生电力，这至关重要。“鱼类安全涡轮机不能解决一切问题——我们的河流中存在太多的问题，”施耐德说，“但我们必须着手解决所有这些问题，鱼类安全涡轮机是其中一个工具。”
原文以“How fish-safe hydropower technology could keep more renewables on the grid”为标题，发表在MIT Technology Review上。
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