Anpassungsmöglichkeiten für Wasserkraftwerke

Die Erzeugung von Wasserkraft hängt definitionsgemäß von der Verfügbarkeit von Wasser ab und ist daher von den Auswirkungen des Klimawandels auf Wassereinzugsgebiete betroffen, hauptsächlich über zwei (gegensätzliche) Wege. Der Klimawandel kann zu Wasserknappheit führen, was zu geringeren Flussflüssen und einer geringeren Ansammlung von Wasser in Dämmen und damit zu einer geringeren Wassermenge führt, die durch Turbinen oder Flusskraftwerke geleitet werden kann, um Strom zu erzeugen. Umgekehrt kann der Klimawandel die Häufigkeit und Intensität extremer Niederschlagsereignisse erhöhen und die Schneeschmelze beschleunigen, was zu einem erhöhten Hochwasserrisiko führt. Einige Standorte in der EU werden anfälliger für Wasserknappheit und andere für plötzliche Wasserüberflutungen sein: In den meisten Regionen mit Ausnahme Nordeuropas werden Dürren in der Regel eine ernsthafte Bedrohung darstellen, und in allen großen europäischen Flusseinzugsgebieten werden Überschwemmungen häufiger auftreten (EWR, 2016). Beide Phänomene können jedoch in ganz Europa auftreten, wobei sich die Frequenzen in einem sich ändernden Klima ändern.

Diese Variabilität der erwarteten hydrometeorologischen Veränderungen in Europa ist die Begründung für die erste hier diskutierte Anpassungsoption. Aus Sicht der Anpassung an den Klimawandel ist es für Versorgungsunternehmen, die Wasserkraftwerke betreiben, von entscheidender Bedeutung, ein detailliertes Verständnis der zukünftigen Bedingungen zu erhalten, unter denen jede Anlage betrieben wird. Der Klimawandel wird zu saisonalen Schwankungen des Wasserkreises führen, mit längeren Trockenperioden, in denen das Wasser knapper als üblich ist, früherem Auftauen von Schnee an den Berghängen in Quellen und damit früherem Auftreten großer Zuflüsse von Schmelzwasser sowie beschleunigtem Schmelzen von Gletschern, was zu einer anfänglichen Erhöhung der Wasserverfügbarkeit führen wird, gefolgt von einer Verschlechterung der Wasserverfügbarkeit. In Ermangelung vorgelagerter strömungskontrollierender Infrastrukturen können frühe und häufigere Frühjahrsströme für Laufkraftwerke problematisch sein, da sie zu einer Diskrepanz zwischen Stromerzeugung und Nachfrage führen.

All diese Phänomene erfordern eine gründliche Überarbeitung bei der Planung des Betriebs, der Wartung und möglicherweise der klimaschutztechnischen Eingriffe von Wasserkraftwerken. Darüber hinaus werden genaue Szenarien von entscheidender Bedeutung sein, um gemeinsame Lösungen für konkurrierende Nutzungen in Zeiten der Wasserknappheit zu finden, indem sie dazu beitragen, den tatsächlichen Bedarf und den wahrscheinlichen Zeitpunkt der Anforderungen der verschiedenen Nutzer neben den Stromversorgern abzuschätzen: Landwirte, Fischerei, Wohnnutzung, Wassertransport, Erholung usw. Eine erste Anpassungsoption besteht daher darin, hochauflösende klimatische und hydrometeorologische Szenarien für jeden Staudammstandort und für das Flusseinzugsgebiet, zu dem sie gehören, so aufzustellen, dass sie für die Verwaltung der Stromversorger und für alle anderen Nutzer innerhalb des Einzugsgebiets leicht zugänglich und verständlich sind. Zu diesem Zweck können spezifische Klimadienste so konzipiert werden, dass sie genaue Projektionen der relevanten Indikatoren in einem zugänglichen Format bereitstellen.

In einigen Fällen können die prognostizierten klimatischen Bedingungen darauf hindeuten, dass eine Überarbeitung der geplanten Aktivitäten möglicherweise nicht ausreicht und dass die infrastrukturelle Anpassung in Ordnung sein könnte. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn mit einem vermehrten Auftreten extremer Niederschlagsereignisse gerechnet wird, was zu einem vermehrten Auftreten von Überschwemmungen an Staudammstandorten führt. Zu den nachteiligen Auswirkungen von Staudammüberschwemmungen gehören Überschwemmungen, Ausfälle, Schäden an Ausrüstungen und negative nachgelagerte Auswirkungen. Der plötzliche Überschwemmungsüberfluss muss sicher eingeleitet werden, um Schäden an der Anlage und den nachgelagerten Ökosystemen sowie an den menschlichen Infrastrukturen und Aktivitäten so gering wie möglich zu halten. Extreme Niederschlagsereignisse können auch hydrometeorologische Auswirkungen wie Erdrutsche oder übermäßige Verschlammung auslösen, die das für Wasser in einem Reservoir verfügbare Volumen reduzieren und / oder das Wasserabflusssystem verstopfen können.

Es gibt eine Reihe von Engineering-Optionen, die angewendet werden können, um Staudämme zu verwalten, die im Grunde in Spillways, Gated-Systeme und Sicherungsstecker gruppiert werden können.

Spillways können verschiedene Designformen haben, die darauf abzielen, die Energie des eingeleiteten Wassers sicher abzuführen und gleichzeitig die gewünschten Abflussmengen sicherzustellen. Sie können automatisch arbeiten, wenn das Wasser im Damm ein bestimmtes Niveau erreicht oder mit Toren gekoppelt werden, die den Wasserfluss in den Überlauf umleiten. Design-Formen umfassen Rutsche Spillways, Stufen Spillways, Glocke-Mund Spillways, Syphon Spillways, Ogee Wappen, Seitenkanäle, Labyrinth Spillways und Piano-Key Wehre (PKW). Die technischen Merkmale eines Staudamms sowie die Orographie und Hydrologie der Umgebung bestimmen die Kompatibilität bestimmter Überlaufarten mit dem Staudamm: Dies bedeutet, dass nicht alle Überlaufsysteme mit allen Staudämmen kompatibel sind.

Gated Systems sind eine Reihe von Toren, die entlang der Dammmauer oder um die Glockenöffnungen installiert sind und geöffnet werden können, um den Wasserstand des Reservoirs zu verwalten und insbesondere im Falle von Überschwemmungen überschüssiges Wasservolumen nachgelagert freizusetzen. Auch hier können sie mit Spillways gekoppelt werden, um die kinetische Energie des abgeleiteten Wassers sicher abzuführen. Sie sind in vielen bestehenden Dämmen für das Flussmanagement vorhanden. Gated Systeme können in Sättigungsfällen aufgrund übermäßiger Überschwemmungen ausfallen.

Sicherungsstopfen sind erodierbare Abschnitte eines Erddamms, die für das Auswaschen unter vorgegebenen Überschwemmungsbedingungen ausgelegt sind. Grundsätzlich fungieren sie als Puffer, die den Überlauf absorbieren und verlangsamen und können geopfert werden, da die Kosten für den Wiederaufbau nur ein kleiner Bruchteil der Kosten sind, die bei einer Beschädigung des Hauptdamms aufrechterhalten werden müssten. Sie können nur in Gegenwart geeigneter geografischer und geologischer Merkmale des Standorts und kompatibler stromabwärts liegender Bedingungen installiert werden (z. B. ein Sattel in angemessener Entfernung vom Hauptdamm entlang des Randes des Stausees, um überschüssiges Wasser abzuleiten; ein festes Gesteinsfundament für den Stecker, um Erosion zu widerstehen; ein Kanal, um den Überlauf vom Stecker zum Hauptfluss sicher umzuleiten, um stromabwärts liegende Strukturen zu schützen).

Normalerweise kann die Installation von Überlauf- und Torsystemen nur während der Dammbauphase erfolgen, daher ist eine Nachrüstung in der Regel keine Option. Dies gilt nicht für Sicherungsstecker und PKW-Systeme. Eine Climate-ADAPT-Fallstudie zum Hochwasserrisikomanagement für französische Wasserkraftwerke diskutiert die Vor- und Nachteile von PKWs. PKWs haben einige klare Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Spillways und Gated-Systemen, wie die Durchführbarkeit der Installation als Retrofits innerhalb bestehender Dämme und die Tatsache, dass sie eine freie Durchfluss-Spillway bieten, ohne durch maximale Kapazitätsgrenzen eingeschränkt zu werden, wodurch sie in der Lage sind, hohe Durchflussmengen zu bewältigen und unter sichereren Bedingungen als Gated-Systeme zu arbeiten, und dies auf eine völlig automatische Weise, die kein menschliches Eingreifen erfordert.

Eine extreme infrastrukturelle Anpassungsoption ist die Erweiterung der Anlagenkapazität durch den Bau größerer Dämme. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn in naher Zukunft mit einem starken Anstieg des Wasserabflusses zu rechnen ist, der so lang ist, dass die Investitionskosten gedeckt werden können. Dies kann der Fall sein, wenn wie in einer Fallstudie aus Island mit einer Kernschmelze großer Gletscher gerechnet wird. Die Anwendbarkeit dieser Option auf die EU dürfte jedoch aufgrund der sehr unterschiedlichen hydrometeorologischen und glaziologischen Bedingungen sehr begrenzt sein.

Für Klimadienste kommt es auf die Einbeziehung relevanter potenzieller Nutzer in den Co-Design-Prozess der Dienste an. Es hängt also davon ab, wie die Dienstleistung beabsichtigt ist: Wenn sie als Planungsinstrument für strenge Zwecke der Wasserkrafterzeugung angesehen wird, ist die Einbeziehung der Interessenträger möglicherweise kein wichtiger Faktor. Wenn jedoch eine breitere Perspektive gewählt wird und der Dienst so konzipiert ist, dass er allen relevanten Nutzern des Flusseinzugsgebiets dient, wird das Verfahren der gemeinsamen Gestaltung zu einer Interaktion zwischen Vertretern aller relevanten Nutzerkategorien führen. Natürlich muss die tatsächliche Überarbeitung der geplanten Aktivitäten im Lichte der erwarteten Auswirkungen des Klimawandels dann so inklusiv wie möglich sein, um zukünftige Konflikte erfolgreich zu minimieren.

Der Bau neuer Infrastrukturen, insbesondere die Erweiterung des Staudamms, erfordert die Einbeziehung aller Nutzer der Einzugsgebiete und eine Einigung zwischen ihnen über Wassernutzungsrechte und Ausgleichszahlungen.

Die Vorteile der Bereitstellung klarer und gebrauchsfertiger Indikatoren für die Wassernutzungsplanung liegen auf der Hand, da eine effiziente Planung nur auf genauen und gut verstandenen Informationen basieren kann. Das Hauptproblem ist hier allen Klimadiensten gemeinsam; es hat mit der Schwierigkeit zu tun, einerseits die für die Tätigkeiten der Nutzer tatsächlich relevanten wissenschaftlichen Informationen auf dem neuesten Stand der Technik zu ermitteln und andererseits diese Informationen so zu verpacken, dass das Format und die Sprache, in der sie präsentiert werden, nicht technisch und für Nutzer zugänglich genug sind, die mit den angewandten wissenschaftlichen Disziplinen nicht vertraut sind. Hierfür ist die Co-Design-Phase entscheidend.

Die infrastrukturelle Anpassung wird in den meisten Fällen durch die Tatsache eingeschränkt, dass die meisten Überlauf- und Torsysteme nur zusammen mit dem Damm gebaut werden können und daher nur für zukünftige Wasserkraftprojekte eine gültige Option sind. Die wichtigste Ausnahme ist das PKW-System, dessen Flexibilität und relativ niedrige Kosten in einer entsprechenden französischen Fallstudie zusammen mit seinen (angeblich geringfügigen) Einschränkungen erörtert wurden.

Klimadienstleistungen für Wasserkraft sind im Vergleich zu Infrastrukturinvestitionen in der Regel recht kostengünstig. In einigen Fällen können relevante Daten aus Projekten abgerufen werden, die nicht direkt von den Versorgungsunternehmen durchgeführt werden, die die Anlagen betreiben, beispielsweise aus Forschungsprojekten auf EU-Ebene, die (fast) freien Zugang für alle relevanten EU-Nutzer bieten können. Beratungsunternehmen können maßgeschneidertere Pakete zu Marktpreisen anbieten, aber die Preisspanne solcher Verträge liegt voraussichtlich zwischen zehn- und hunderttausend Euro. Die Vorteile von Klimadienstleistungen laufen darauf hinaus, die zukünftige Risikoexposition und Konflikte mit anderen Wassernutzern zu minimieren und das Stromerzeugungsprofil im Hinblick auf die erwarteten Änderungen der Wasserverfügbarkeitsprofile zu optimieren.

Die nachträgliche Installation von Infrastrukturen zur Kontrolle des überschüssigen Wasserflusses kann von mehreren hunderttausend Euro (200.000 Euro für PKW, wie in der französischen Fallstudie berichtet) bis zu mehreren Millionen Euro kosten, abhängig von den spezifischen Merkmalen des Staudamms in Bezug auf Standort, Struktur und Wasserfluss. Die Hauptvorteile sind eindeutig die Verringerung der erwarteten Schäden an der Infrastruktur der Wasserkraftwerke und an den nachgelagerten Infrastrukturen und Ökosystemen, aber auch eine erhöhte Fähigkeit, den Wasserstand innerhalb des Reservoirs zu verwalten; daher kann die Nachrüstung zu einem reibungsloseren Betrieb der Anlage führen, was die Rentabilität erhöhen kann. Wenn die Installation solcher Infrastrukturen zu höheren durchschnittlichen Wassermengen führt, die im Reservoir gespeichert sind, könnte dies zu einer höheren Stromerzeugung führen, wenn die Marktbedingungen dies zulassen, aber auch zu einer größeren Rolle des Reservoirs als Puffer, der die Widerstandsfähigkeit des gesamten Flusseinzugsgebiets verbessern kann.

Die einzigen potenziell relevanten rechtlichen Aspekte sind diejenigen im Zusammenhang mit dem Genehmigungsverfahren für neue Infrastrukturen, wie neue Wassereinleitungsinfrastrukturen, die zuvor unberührte Teile des Flusseinzugsgebiets besetzen, und natürlich der Bau größerer Dämme. Diese Projekte unterliegen den nationalen Vorschriften für die Genehmigung neuer Infrastrukturen.

Einige Klimadienste, die auch für die Planung und das Management von Wasserkraftwerken relevant sind, sind bereits im Rahmen von Copernicus verfügbar. Ad-hoc-Beratungsverträge von Vermittlern können in wenigen Monaten relevante Klimaindikatoren liefern. Bei Hochwasserschutzinfrastrukturen hängen die Bauzeiten von den Besonderheiten des Staudamms ab und können zwischen wenigen Monaten und wenigen Jahren variieren. Ein paar Jahre sind erforderlich, um größere Dämme zu bauen.

Die Lebensdauer von Klimadienstleistungen hängt von der ständigen Aktualisierung und Pflege der Benutzeroberflächen, Datenbanken und Modelle ab. Für infrastrukturelle Nachrüstungen gibt es keine eindeutigen Hinweise, aber bei ordnungsgemäßer Wartung kann davon ausgegangen werden, dass sie so lange wie die Restlebensdauer des Staudamms (in der Regel mehrere Jahrzehnte) halten werden. Sicherungsstecker sollen bei großen Überschwemmungen weggespült werden, und ihre periodische Rekonstruktion sollte bei der Planung der Wasserkraftinfrastruktur, zu der sie gehören, berücksichtigt werden. Die Lebenserwartung neuer Dämme beträgt im Durchschnitt 50 Jahre, kann aber bis zu einem Jahrhundert andauern, wenn auch mit steigenden Instandhaltungskosten und strukturellen Stabilitätsrisiken nach 50 Jahren.