人工智能如何帮助实现水电的可持续发展

自 21 世纪初以来，水力发电一直引发争议。尽管水力发电被宣传为缓解气候变化的解决方案，但 2005 年研究人员发现水力发电大坝是造成大量温室气体排放的罪魁祸首，水力发电泡沫随之破灭。

水电大坝的堤坝限制了河流的流动，使河流变成了死水池。随着这些水库的老化，藻类生物量和水生植物等有机物质不断积累，最终分解并下沉。这种缺氧环境刺激了甲烷的产生。

水库表面和涡轮机随后向大气中释放甲烷。甲烷约占水电大坝排放的温室气体的 80%，在大坝生命周期的第一个十年达到峰值。

甲烷因在大气中滞留 12 年而臭名昭著，其效力至少是二氧化碳的 25 倍。研究人员估计，世界上至少有 10% 的水电站大坝每单位能源排放的温室气体与燃煤电厂一样多。在亚马逊盆地，现有的几座水坝的碳排放强度是燃煤电厂的十倍。

尽管如此，巴西亚马逊和喜马拉雅地区仍在大力推动建造新的水电大坝。“鉴于新水电大坝建设预计将出现热潮，确定未来的大坝是否会产生低碳能源至关重要，”一个国际研究小组在 2019 年《自然通讯》研究中写道。

利用人工智能规划更可持续的大坝

为了确定新水电站的环保地点，2019 年的团队利用了使用人工智能 (AI) 的复杂计算模型的数据。他们观察到，巴西（一个以低地为主的国家）的低地水坝往往拥有大型水库，碳排放强度明显较高。与玻利维亚、厄瓜多尔和秘鲁的山区相比，巴西亚马逊地区的碳排放密集型水坝数量最多。他们发现，海拔较高、地形陡峭的水力发电碳排放强度较低。

亚马逊地区至少有 351 个地点提出了新项目，该地区已经拥有 158 座水电站。为了找到解决方案以尽量减少这些项目对环境的影响，研究人员正在继续利用人工智能来利用数据。

[相关：这项百年技术可能是开启美国可再生能源未来的关键。]

在最近发表在《科学》杂志上的一项研究中 上周，一组研究人员利用人工智能来扩大亚马逊盆地的规模。他们发现，不协调的水电扩张导致生态系统利益丧失。此外，在其他地方有效布置水坝可以产生四倍以上的电力。

康奈尔大学计算机科学家、这项研究的作者卡拉·戈麦斯在一份新闻稿中说：“华尔街、社交媒体正在将人工智能用于各种目的——为什么不使用人工智能来解决可持续发展等严重问题呢？”

研究人员认为，在选择新项目场址时，必须考虑整个亚马逊流域的各种环境标准，例如河流流量和连通性、温室气体排放、鱼类多样性和泥沙输送。

虽然实施基于此类科学证据的政策对于建设可持续的水电大坝至关重要，但研究人员也在寻找通过甲烷提取减少现有项目温室气体排放的方法。

开采和利用储层甲烷

提取湖泊和水坝水库中积累的甲烷用于发电的想法并不新鲜。在东非，充满盐水的基伍湖拥有 60 立方公里的甲烷和 300 立方公里的溶解二氧化碳。使用气体分离器从湖的深水中提取甲烷，用于卢旺达的 KivuWatt 发电厂发电。

受这种可能性的启发，波兰科学院地球物理学家 Maciej Bartosiewicz 和他的同事建议使用名为沸石的固体矿物吸收剂从水库沉积物中分离甲烷。在发表于《环境科学与技术》杂志的一项研究中，他们设计了一种模型机制，用于部署可放置在水库底部的沸石和活性炭。

[相关：水坝水库可能是比我们想象的更大的碳排放源。]

到目前为止，科学家还无法从湖泊和水库等淡水水体中提取甲烷，因为甲烷的浓度要低得多。这使得提取少量甲烷的成本过于高昂。但 Bartosiewicz 表示，沸石价格低廉且随处可见，可以提供一个可行的解决方案。

Bartosiewicz 表示：“该系统包含一个气化组件，即盒子中的膜。然后沸石可以在去除二氧化碳后捕获甲烷。”安装泵送系统可以进一步提高提取率。

然而，从水库沉积物中提取甲烷并非没有生态后果。这一过程可能会影响处理沉积物中甲烷的细菌的生长，从而导致生态系统的生物组成发生重大破坏——最终影响食物网的生产力。在水库和湖泊底部甲烷含量高的地方，这些细菌是微小海洋动物的重要食物和能量来源。不过，Bartosiewicz 认为，水体具有非凡的自我调节能力。

“我们仍需开发下一代可再生能源生产解决方案。这可能是可行的，”他说。“并非所有水力发电水库都能提取甲烷。但如果我们能从这些甲烷中生产出哪怕 5% 的能源，它都会增加可再生能源的配额。”