小型水力發電為氣候變遷的解方：瓦倫西亞傳統灌溉系統的創新應用

在當前的氣候緊急情況和能源轉型背景下，利用跨學科領域的知識，如食物-水-能源聯結，是至關重要的。小型水力發電（Micro Hydropower, MHP）作為一種潛在的替代能源，逐漸受到關注。傳統灌溉渠道作為農業可持續性的重要組成部分，具有未開發的小型水力發電潛力，提供去中心化且可靠的電力來源。本文探討了在西班牙瓦倫西亞的傳統灌溉系統中，實施小型水力發電的技術可行性、潛在能源產量和環境效益。

►瓦倫西亞的傳統灌溉小水力發電系統

蒙卡達阿奎亞(Real Acequia de Moncada, RAM）灌溉系統是位於西班牙瓦倫西亞境內，一個擁有悠久的歷史和文化價值的傳統灌溉系統之一(圖1)。此灌溉系統不僅為當地農業提供了穩定的水源，還具有潛在的能源生產能力。通過在這些灌溉渠道中安裝阿基米德螺旋渦輪機（Archimedes Screw Turbines, AST），可以有效地回收水力能量，實現能源的可持續利用。

為了設置開發小型水力發電，當地水利主管機關收集了自1985年起灌溉系統的水流量數據，分析確認其水流量具有穩定性和連續性，適合安裝小型水力發電系統。其次，考察灌溉系統沿線的環境、地形高低差、及水位流速等，評估適合進行小水力發電場址，並選擇適合的發電設備渦輪機。阿基米德螺旋渦輪機因其高效能和適應性，被選為主要的發電設備。這種渦輪機能夠在低水頭和低流量條件下運行，非常適合瓦倫西亞的灌溉系統(圖2)。根據水流數據和渦輪機的技術參數，研究估算了潛在的能源產量。結果顯示，其發電系統每年發電量約可達520 MWh 到 5.3 GWh 之間不等的電力，滿足當地的能源需求，相當於每年100萬歐元經濟效益。這樣的成果不僅強化了當地傳統灌溉系統對於水資源、能源及糧食關係的連結，並促進了水資源與能源基礎設施的永續性轉型。

圖1. 西班牙蒙卡達阿奎亞灌溉系統之8處小水力發電評估點位

(地圖引用自https://paisatgesculturals-rsm.org/01C/la-real-acequia-de-moncada及Tommaso et al.(2024))

圖2. 阿基米德螺旋渦輪機結構

(引用自Land Cables, Available at: https://www.elandcables.com/the-cable-lab/faqs/faq-what-is-an-archimedean-screw)

►小水力發電的環境效益

關於蒙卡達阿奎亞小水力發電系統所產生能源的應用，並證實了灌溉系統的小水力發電裝置可作為永續的能源組合，並且具有巨大發展潛力。其對環境的效益主要為兩種：

這兩種情景都顯示出顯著的經濟和能源效益。特別是氫氣生產的減排潛力取決於國家的電力組合。這項開發結果對於與歐盟碳中和目標一致的去中心化能源模式理念，貢獻了一項巨大的進展，：

1.減少溫室氣體排放

小型水力發電系統的實施可以顯著減少溫室氣體排放。在兩種能源使用情景下，可避免的溫室氣體排放量，並且在這兩種情景下都具有顯著的減排效果：

(1)混和發電脫炭(Decarbonization of electricity mix generation)。根據估算，其發電效益可減少對化石燃料的依賴，從而降地碳排放。環境效益每年可減少年碳排放量約在 319 至 1713 噸二氧化碳當量之間，年平均約782 噸二氧化碳當量。相當於西班牙瓦倫西亞80 萬居民大城市的所有城市綠地每年捕獲的碳量。此外，產量最高年份的可避免排放量分別相當於同一城市城市軌道運輸和公共照明總消耗的 6% 和 8.3%。

(2)提供能源支持綠氫(green hydrogen)發電作為工業原料。利用發電的能量，透過電解技術生產綠氫的水力發電，預計每年可生產 14 至 88 噸的氫氣。該產能相當於全國灰氫(gray hydrogen)消費總量的0.003%至0.018%。因此，可避免的年排放量範圍在 180 至 1124 噸二氧化碳當量之間。平均排放量為 589 噸二氧化碳當量。

2.去中心化能源模式

小型水力發電系統的另一個重要環境效益是促進去中心化的能源模式。這種模式不僅有助於提高能源利用效率，還能減少對集中式能源系統的依賴，符合歐盟的碳中和目標。

►推動小水力發電的主要挑戰與改善建議

1.行政程序與法規框架

根據過去推動經驗，繁瑣的行政程序和不確定的法規框架是開發瓦倫西亞傳統灌溉系統的小型水力發電的最主要障礙。申請和安裝這些系統需要經過多個部門的審批，這使得農民感到困難和不便。為了解決這些問題，政府應該簡化申請和審批程序，並制定明確的法規框架，為農民提供清晰的法律指導。

2.氣候變遷的影響

氣候變遷可能對水資源的可用性和水流模式產生深遠影響，從而影響小型水力發電的效能。為了應對這一挑戰，需要進行氣候變遷情景的預測和分析，並根據預測結果調整發電系統的設計和運營策略。

3.經濟可行性

小型水力發電系統的經濟可行性也是一個重要挑戰。這些系統的初始投資成本較高，且市場環境複雜不穩定。為了提高經濟可行性，政府可以提供財政補貼和技術支持，並鼓勵建立能源社區計劃，實現資源的集體利用。

►西班牙蒙卡達阿奎亞小水力發電系統的未來展望

根據Tommaso et al.(2024)的研究指出，蒙卡達阿奎亞灌溉系統尚有許多未開發的能源潛力。這些潛力為未來的能源項目提供了廣闊的空間，特別是在推動可再生能源發展方面，需要政府及能源業者及當地民眾的支持與長期配合。未來發展方向有兩項：

1.持續的技術創新

為了進一步提高小型水力發電系統的效能，未來需要持續進行技術創新。例如，優化渦輪機設計、改進能源管理系統等，都可以提高系統的整體效能。

2.政策支持與推廣

政府和相關機構的政策支持對於小型水力發電系統的推廣至關重要。通過提供補貼和技術支持，可以鼓勵更多地區採用這一技術，從而實現更廣泛的環境和經濟效益。

結論

總結來說，小型水力發電系統在瓦倫西亞的傳統灌溉系統中具有顯著的技術可行性和環境效益。通過合理配置和持續創新，小型水力發電系統可以成為氣候變遷緩解和適應的重要工具。未來值得推廣此一技術的廣泛應用，並實現其在農業和能源領域的貢獻潛能。

參考文獻

Tommaso Brazzini, Edgar Lorenzo-Saez, Vicent Sales Martínez, Esther López Pérez, Mar V. Ortega-Reig, Guillermo Palau-Salvador, 2024, Is small-scale hydropower energy recovery a viable alternative for climate change mitigation and adaptation? The case of the traditional irrigation system in Valencia (Spain), Energy Reports, Volume 12. Pages 736-749.

What is a Hydropower Archimedean screw?, Land Cables, Available at: https://www.elandcables.com/the-cable-lab/faqs/faq-what-is-an-archimedean-screw (accessed on: 01.08.2024).

Paisatges Culturals a la Reial Séquia de Montcada s, Available at: https://paisatgesculturals-rsm.org/ (accessed on: 01.08.2024).