Устойчиви на изменението на климата водноелектрически системи

Производството на водноелектрическа енергия по дефиниция зависи от наличието на вода и следователно е засегнато от въздействието на изменението на климата върху водните басейни, главно чрез два (противоположни) пътя. Изменението на климата може да доведе до недостиг на вода, което да доведе до по-ниски речни потоци и по-малко натрупване на вода в язовирите, а оттам и до по-малко количество вода, което може да премине през турбините или оттичането на речните централи, за да генерира електроенергия. От друга страна, изменението на климата може да увеличи честотата и интензивността на екстремните валежи и да ускори снеготопенето, което води до повишен риск от наводнения. Някои места в ЕС ще бъдат по-податливи на проблеми с недостига на вода, а други — на внезапно изобилие на вода: обикновено се очаква сушите да бъдат сериозна заплаха в повечето региони с изключение на Северна Европа и наводненията, които сега се случват веднъж на век, ще бъдат по-чести във всички големи европейски речни басейни (ЕАОС, 2016 г.). И двете явления обаче могат да се появят в цяла Европа с променящи се честоти в един променящ се климат.

Тази променливост на очакваните хидрометеорологични промени в цяла Европа е обосновката за първия вариант за адаптиране, разгледан тук. От гледна точка на адаптирането към изменението на климата е от решаващо значение предприятията за комунални услуги, които експлоатират водноелектрически централи, да получат подробно разбиране за бъдещите условия, при които всяка централа ще работи. Изменението на климата ще доведе до сезонни колебания на водния кръг, с по-дълги периоди на засушаване, през които водата ще бъде по-оскъдна от обикновено, по-ранно размразяване на снега по планинските склонове през пролетта и следователно по-ранна поява на големи притоци на топяща се вода, както и ускорено топене на ледниците, което ще доведе до първоначално увеличаване на наличието на вода, последвано от влошаване на наличието на вода. При липсата на инфраструктури за контрол на потоците нагоре по течението ранните и по-изобилни пролетни потоци могат да бъдат проблематични за заводите, които се движат по течението на реката, като причиняват несъответствие между производството и търсенето на електроенергия.

Всички тези явления ще изискват цялостно преразглеждане на планирането на експлоатацията, поддръжката и евентуално инженерните интервенции за осигуряване на климатичната устойчивост на водноелектрическите централи. Освен това точните сценарии ще бъдат от ключово значение, за да се намерят общи решения за конкурентни употреби по време на периоди на недостиг на вода, като се помогне да се преценят действителните нужди и вероятният график на търсенето от страна на различните потребители освен електрическите комунални услуги: земеделски стопани, рибарство, жилищно ползване, воден транспорт, отдих и т.н. Следователно първата възможност за адаптиране е да се създадат климатични и хидрометеорологични сценарии с висока разделителна способност за всяка язовирна площадка и за речния басейн, към който принадлежат, така че те да бъдат лесно достъпни и разбрани от ръководството на електрическите предприятия и от всички други потребители в басейна. За тази цел могат да бъдат разработени специфични услуги в областта на климата, за да се предоставят точни прогнози за съответните показатели в достъпен формат.

В някои случаи прогнозираните климатични условия може да предполагат, че преразглеждането на планираните дейности може да не е достатъчно и че може да е необходимо адаптиране на инфраструктурата. Такъв е по-специално случаят, когато се очаква по-голяма поява на екстремни валежи, което води до по-голяма поява на наводнения в язовирните площадки. Неблагоприятните последици от наводняването на язовирите включват претоварване, прекъсвания, повреда на оборудването и неблагоприятни въздействия надолу по веригата. Внезапното изобилие на вода, дължащо се на наводнения, трябва да бъде изхвърлено безопасно, за да се сведат до минимум щетите за централата и за екосистемите надолу по веригата, както и за човешките инфраструктури и дейности. Екстремните валежи могат също така да предизвикат хидрометеорологични въздействия, като например свлачища или прекомерно засмукване, което може да намали наличния обем вода в резервоара и/или да запуши системата за заустване на вода.

Има редица инженерни опции, които могат да бъдат приложени за управление на разливите на язовира, които могат основно да бъдат групирани в преливници, затворени системи и предпазители.

Разливите могат да имат различни дизайнерски форми, насочени към безопасно разсейване на енергията на заустената вода, като същевременно се гарантират желаните обеми на изтичане. Те могат да работят автоматично, когато водата в язовира достигне определено ниво или могат да бъдат съчетани с врати, които отклоняват водния поток в преливника. Дизайн форми включват улей преливници, стъпаловидни преливници, камбана-уста преливници, сифон преливници, гребени, странични канали, лабиринт преливници и пиано-ключови бентове (PKW). Техническите характеристики на язовира и на орографията и хидрологията на околния район определят съвместимостта на специфични видове преливници с язовира: това означава, че не всички преливни системи са съвместими с всички язовири.

Затворените системи са поредица от врати, монтирани по протежение на стената на язовира или около преливниците в устата на камбаната, които могат да бъдат отворени за управление на нивото на водата в резервоара, и по-специално за освобождаване на излишния воден обем надолу по течението в случай на наводнение. Отново, те могат да бъдат съчетани с преливници за безопасно разсейване на кинетичната енергия на изпуснатата вода. Те са разположени в много съществуващи язовири за управление на потока. Затворените системи могат да се повредят в случай на насищане поради прекомерно наводняване.

Запушалките за предпазители са ерозирали участъци от земен бент, които са проектирани да се измиват при предварително определени условия на наводняване. По принцип те действат като буфери, които абсорбират и забавят преливането и могат да бъдат пожертвани, тъй като разходите за възстановяването им са само малка част от разходите, които би трябвало да бъдат понесени, ако основният язовир е бил повреден. Те могат да бъдат инсталирани само при наличие на подходящи географски и геоложки характеристики на обекта и на съвместими условия надолу по течението (напр. седло на разумно разстояние от главния язовир по ръба на резервоара за изхвърляне на излишната вода; солидна скална основа за щепсела, за да издържи на ерозия; канал за безопасно отклоняване на преливника от щепсела към главната река, за да се защитят структурите надолу по течението).

Обикновено инсталирането на преливници и шлюзови системи може да се извърши само по време на фазата на изграждане на язовира, поради което модернизирането обикновено не е вариант. Това не се отнася за предпазители и PKW системи. В проучване на Climate-ADAPT относно управлението на риска от наводнения за френските водноелектрически централи се обсъждат предимствата и недостатъците на PKW. PKW имат някои очевидни предимства в сравнение с традиционните преливници и затворени системи, като например осъществимостта на инсталирането като преоборудване в рамките на съществуващите язовири и факта, че те осигуряват преливник за свободен поток, без да са ограничени от максималните граници на капацитета, като по този начин са в състояние да се справят с високи нива на потока и да работят при по-безопасни условия от затворените системи и по напълно автоматичен начин, който не изисква човешка намеса.

Екстремна възможност за инфраструктурна адаптация е разширяването на капацитета на централата чрез изграждане на по-големи язовири. Това може да има смисъл при определени обстоятелства, при които се очаква голямо увеличение на водния отток в близко бъдеще и достатъчно дълго, за да се даде възможност за възстановяване на инвестиционните разходи. Такъв може да бъде случаят, когато се очаква разтопяване на големи ледници, както в проучване на конкретен случай от Исландия. Приложимостта на този вариант за ЕС обаче вероятно е много ограничена поради много различните хидрометеорологични и глациологични условия.

По отношение на услугите в областта на климата от значение е участието на съответните потенциални ползватели в процеса на съвместно проектиране на услугите. Това зависи от начина, по който услугата е предназначена: ако се разглежда като инструмент за планиране за строги цели за производство на водноелектрическа енергия, участието на заинтересованите страни може да не е основен фактор. Ако обаче се възприеме по-широка перспектива и услугата е предназначена да обслужва всички съответни потребители на речния басейн, процесът на съвместно проектиране ще доведе до взаимодействие между представители на всички съответни категории потребители. Разбира се, действителното преразглеждане на планираните дейности в светлината на очакваните въздействия от изменението на климата ще трябва да бъде възможно най-приобщаващо, за да се сведат успешно до минимум бъдещите конфликти.

Изграждането на нови инфраструктури, по-специално разширяването на язовирите, изисква участието на всички ползватели на речните басейни и постигането на споразумение между тях относно правата за ползване на вода и компенсациите.

Предимствата на предоставянето на ясни и готови за използване показатели за планиране на потреблението на вода са съвсем очевидни, тъй като ефективното планиране може да се основава само на точна и добре разбрана информация. Основният въпрос тук е общ за всички услуги в областта на климата; тя е свързана с трудността, присъща, от една страна, на идентифицирането на най-съвременната научна информация, която действително е от значение за дейностите на потребителите, и от друга страна, на опаковането на тази информация по такъв начин, че форматът и езикът, използвани за представянето ѝ, да са достатъчно нетехнически и достъпни за потребители, които не са запознати с прилаганите научни дисциплини. За тази цел етапът на съвместно проектиране е от решаващо значение.

Инфраструктурната адаптация в повечето случаи е ограничена от факта, че повечето преливни и портални системи могат да бъдат изградени само заедно с язовира и следователно са валиден вариант само за бъдещи проекти за водноелектрическа енергия. Основното изключение е системата PKW, чиято гъвкавост и относително ниски разходи бяха обсъдени в свързан френски казус, заедно с нейните (според твърденията незначителни) ограничения.

Климатичните услуги за водноелектрическа енергия обикновено са доста евтини в сравнение с инфраструктурните инвестиции. В някои случаи съответните данни могат да бъдат извлечени от проекти, които не са пряко предприети от предприятията за комунални услуги, експлоатиращи централите, например от научноизследователски проекти на равнището на ЕС, които могат да осигурят (почти) свободен достъп за всички съответни потребители от ЕС. Консултантските фирми могат да предоставят по-индивидуализирани пакети по пазарни цени, но може да се очаква ценовият диапазон на такива договори да бъде в рамките на десетки до сто хиляди евро. Ползите от услугите в областта на климата се свеждат до свеждане до минимум на бъдещото излагане на риск и конфликтите с други потребители на вода и оптимизиране на профила на производството на електроенергия с оглед на очакваните промени в профилите на наличността на вода.

Преоборудването на инфраструктурите за контрол на излишния воден поток може да струва от няколкостотин хиляди евро (200 000 за PKW, както е посочено в проучването на френския случай) до няколко милиона евро в зависимост от специфичните характеристики на язовира по отношение на местоположението, структурата и водния поток. Основните ползи очевидно са намаляването на очакваните щети за инфраструктурата на водноелектрическите централи и за инфраструктурите и екосистемите надолу по веригата, но също така и повишената способност за управление на водните нива в резервоара; следователно модернизирането може да доведе до по-гладка експлоатация на инсталацията, което може да увеличи рентабилността. Когато инсталирането на такива инфраструктури води до по-високи средни обеми вода, съхранявана в резервоара, това може да доведе до по-голямо производство на електроенергия, ако пазарните условия го позволяват, но също така и до по-голяма роля на резервоара като буфер, който може да подобри устойчивостта на целия речен басейн.

Единствените потенциално значими правни аспекти са тези, свързани с процеса на издаване на разрешения за нови инфраструктури, като например нови инфраструктури за заустване на вода, заемащи по-рано девствени части от речния басейн, и, разбира се, изграждането на по-големи язовири. Тези проекти са предмет на националните разпоредби за издаване на разрешения за нови инфраструктури.

Някои услуги в областта на климата, които са от значение и за планирането и управлението на водноелектрически централи, вече са на разположение в рамките на „Коперник“. Посредническите ad hoc договори за консултантски услуги могат да предоставят съответните климатични показатели в рамките на няколко месеца. За инфраструктурите за контрол на наводненията времето за строителство зависи от специфичните характеристики на язовира и може да варира между няколко месеца и няколко години. Няколко години са необходими за изграждането на по-големи язовири.

Експлоатационният срок на услугите в областта на климата зависи от постоянното актуализиране и поддържане на потребителските интерфейси, базите данни и моделите. За инфраструктурните преоборудвания няма ясна индикация, но ако се поддържат правилно, може да се приеме, че те ще продължат толкова дълго, колкото е остатъчният живот на язовира (обикновено няколко десетилетия). Предпазителите по проект се очаква да бъдат отмити при големи наводнения и тяхната периодична реконструкция следва да бъде взета предвид при планирането на водноелектрическата инфраструктура, към която принадлежат. Продължителността на живота на новите язовири е средно 50 години, но те могат да продължат до един век, макар и с нарастващи разходи за поддръжка и рискове за структурната стабилност след 50 години.