Anpassungsoptionen für Wasserkraftwerke

Die Erzeugung von Wasserkraft hängt definitionsgemäß von der Verfügbarkeit von Wasser ab und ist daher von den Auswirkungen des Klimawandels auf die Wassereinzugsgebiete betroffen, hauptsächlich über zwei (gegenläufige) Wege. Der Klimawandel kann zu Wasserknappheit führen, was zu niedrigeren Flussflüssen und einer geringeren Ansammlung von Wasser in Staudämme und damit zu einer geringeren Wassermenge führt, die durch Turbinen oder den Betrieb der Flussanlagen passieren kann, um Strom zu erzeugen. Umgekehrt kann der Klimawandel die Häufigkeit und Intensität extremer Niederschlagsereignisse erhöhen und Schneeschmelzen beschleunigen, was zu einem erhöhten Hochwasserrisiko führt. Einige Standorte in der EU werden anfälliger für Wasserknappheitsprobleme und andere für plötzliche Wasserfülle sein: in der Regel wird davon ausgegangen, dass Dürren in den meisten Regionen mit Ausnahme von Nordeuropa eine ernsthafte Bedrohung darstellen, und die Überschwemmungen werden in allen wichtigen europäischen Einzugsgebieten häufiger auftreten (EWR, 2016). Allerdings können beide Phänomene in ganz Europa auftreten, mit wechselnden Frequenzen in einem sich wandelnden Klima.

Diese Variabilität der erwarteten hydrometeorologischen Veränderungen in ganz Europa ist der Grund 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 sein wird als üblich, früher das Auftauen von Schnee auf den Berghängen in den Quellen und damit das Auftreten großer Zuflüsse von Schmelzwasser sowie das beschleunigte 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 reichlichere Frühjahrsströme für Laufkraftwerke problematisch sein, da sie zu einem Missverhältnis zwischen Stromerzeugung und Nachfrage führen.

All diese Phänomene erfordern eine gründliche Überarbeitung der Planung von Betrieb, Wartung und eventuell klimasichernden technischen Eingriffen 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 voraussichtlichen Zeitpunkt der Anforderungen der verschiedenen Nutzer neben den Stromversorgern zu ermitteln: Landwirte, Fischerei, Wohnnutzung, Wassertransport, Erholung usw. Daher ist eine erste Anpassungsoption die Erstellung von hochauflösenden klimatischen und hydrometeorologischen Szenarien für jeden Staudammstandort und für das Einzugsgebiet, zu dem sie gehören, so dass sie von der Leitung der Elektrizitätswerke und von allen anderen Nutzern innerhalb des Beckens leicht zugänglich und verstanden werden können. Zu diesem Zweck können spezifische Klimadienstleistungen so konzipiert werden, dass sie genaue Prognosen der relevanten Indikatoren in einem zugänglichen Format liefern.

In einigen Fällen können projizierte Klimabedingungen darauf hindeuten, dass eine Überarbeitung der geplanten Aktivitäten möglicherweise nicht ausreicht und dass die Infrastrukturanpassung in Ordnung sein kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn ein erhöhtes Auftreten extremer Niederschlagsereignisse zu erwarten ist, was zu einem verstärkten Hochwasser an Staumauern führt. Zu den nachteiligen Auswirkungen von Staufluten gehören Überdeckungen, Ausfälle, Schäden an Ausrüstungen und nachteilige nachgelagerte Auswirkungen. Die plötzliche Wassermenge aufgrund von Überschwemmungen muss sicher abgeführt werden, um Schäden an der Anlage und den nachgelagerten Ökosystemen und menschlichen Infrastrukturen und Aktivitäten zu minimieren. Extreme Niederschlagsereignisse können auch hydrometeorologische Auswirkungen wie Erdrutsche oder übermäßiges Silting auslösen, was das für Wasser in einem Reservoir verfügbare Volumen reduzieren und/oder das Wasserableitungssystem verstopfen kann.

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

Verschüttungen können verschiedene Designformen haben, die darauf abzielen, die Energie des entladenen Wassers sicher abzuleiten und gleichzeitig die gewünschten Abflussvolumina sicherzustellen. Sie können automatisch arbeiten, wenn das Wasser im Damm ein bestimmtes Niveau erreicht oder mit Toren gekoppelt werden kann, die den Wasserfluss in die Überlaufbahn umleiten. Design-Formen umfassen Rutschenverschüttungen, Stufenverschüttungen, Glocken-Mund-Verschüttungen, Syphon-Verschüttungen, Ogee-Kämme, Seitenkanäle, Labyrinth-Verschüttungen und Klavier-Schlüssel-Wehre (PKW). Die technischen Merkmale eines Staudamms sowie die Orographie und Hydrologie der Umgebung bestimmen die Verträglichkeit bestimmter Überlaufarten mit dem Staudamm: dies bedeutet, dass nicht alle Verschüttungssysteme mit allen Staudämmen kompatibel sind.

Gated-Systeme sind eine Reihe von Toren, die entlang der Staumauer oder um Glockenmündungen installiert werden, die geöffnet werden können, um den Wasserstand des Reservoirs zu verwalten und insbesondere nachgelagertes überschüssiges Wasservolumen im Falle von Überschwemmungen freizusetzen. Auch hier können sie mit Verschüttungen gekoppelt werden, um die kinetische Energie des entladenen Wassers sicher abzuleiten. Sie sind in vielen bestehenden Staudämmen für das Flussmanagement vorhanden. Gated Systeme können bei Sättigung aufgrund übermäßiger Überschwemmungen scheitern.

Sicherungsstecker sind erodierbare Abschnitte eines Erddamms, die für das Auswaschen unter vorgegebenen Überschwemmungsbedingungen ausgelegt sind. Im Grunde fungieren sie als Puffer, die den Überlauf absorbieren und verlangsamen und geopfert werden können, da die Kosten für den Wiederaufbau nur ein kleiner Bruchteil der Kosten sind, die bei Beschädigung des Hauptdamms getragen werden müssten. Sie können nur bei Vorliegen geeigneter geografischer und geologischer Merkmale des Standorts und unter kompatiblen nachgelagerten Bedingungen installiert werden (z. B. ein Sattel in angemessener Entfernung vom Hauptdamm entlang des Randes des Stausees zur Einleitung von überschüssigem Wasser; ein solides Gesteinsfundament für den Stecker, um der Erosion standzuhalten; ein Kanal, um den Überlauf vom Stecker zum Hauptfluss sicher abzuleiten, um nachgelagerte Strukturen zu schützen).

In der Regel kann die Installation von Verschüttungen und Torsystemen nur während der Dammbauphase erfolgen, so dass eine Nachrüstung in der Regel keine Option ist. 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 hat gegenüber herkömmlichen Verschüttungen und Gated-Systemen einige klare Vorteile, wie z. B. die Durchführbarkeit der Installation als Nachrüstung innerhalb bestehender Staudämme und die Tatsache, dass sie einen freien Fluss bieten, ohne durch maximale Kapazitätsbegrenzungen eingeschränkt zu werden, so dass sie hohe Durchflussmengen bewältigen können und unter sichereren Bedingungen arbeiten als Gated-Systeme und auf eine völlig automatische Weise, die kein menschliches Eingreifen erfordert.

Eine extreme infrastrukturelle Anpassungsoption ist der Ausbau der Anlagenkapazität durch den Bau größerer Staudämme. Dies kann unter bestimmten Umständen sinnvoll sein, in denen in naher Zukunft ein erheblicher Anstieg des Wasserabflusses erwartet wird und lange genug, um die Investitionskosten zu decken. Dies kann der Fall sein, wenn die Kernschmelze großer Gletscher erwartet wird, wie in einer Fallstudie aus Island. Die Anwendbarkeit dieser Option auf die EU dürfte jedoch aufgrund der sehr unterschiedlichen hydrometeorologischen und glaziologischen Bedingungen sehr begrenzt sein.

IPCC -Kategorien

Strukturell und physisch: Design- und bautechnische Optionen, Strukturell und physisch: technologische Optionen

Stakeholderbeteiligung

Bei den Klimadienstleistungen kommt es darauf an, dass relevante potenzielle Nutzer in den Co-Design-Prozess der Dienste einbezogen werden. Es hängt also davon ab, wie der Dienst beabsichtigt ist: wenn es als Planungsinstrument für die strikte Wasserkrafterzeugung angesehen wird, ist die Einbeziehung der Interessenträger möglicherweise kein wichtiger Faktor. Wenn jedoch eine breitere Perspektive gewählt wird und der Dienst auf alle relevanten Nutzer des Einzugsgebiets ausgerichtet ist, wird das Mitgestaltungsverfahren zu einer Interaktion zwischen Vertretern aller relevanten Nutzerkategorien führen. Natürlich muss die tatsächliche Überarbeitung der geplanten Maßnahmen angesichts der erwarteten Auswirkungen des Klimawandels so umfassend wie möglich sein, um künftige Konflikte erfolgreich zu minimieren.

Der Bau neuer Infrastrukturen, insbesondere der Staudämmerweiterungen, erfordert die Einbeziehung aller Nutzer von Flusseinzugsgebieten und eine Vereinbarung zwischen ihnen über Wassernutzungsrechte und Entschädigungen.

Erfolgsfaktoren und Hemmnisse

Die Vorteile der Bereitstellung klarer und gebrauchsfertiger Indikatoren für die Wassernutzungsplanung sind durchaus selbstverständlich, da eine effiziente Planung nur auf genauen und gut verstandenen Informationen basieren kann. Das Hauptproblem ist allen Klimadienstleistungen gemeinsam; es hat mit der Schwierigkeit zu tun, einerseits die für die Tätigkeit der Nutzer tatsächlich relevanten wissenschaftlichen Informationen auf dem neuesten Stand der Technik zu ermitteln, und andererseits solche Informationen so zu verpacken, dass das Format und die verwendete Sprache für die Darstellung nicht technisch genug sind und den Nutzern, die mit den angewandten wissenschaftlichen Disziplinen nicht vertraut sind, ausreichend zugänglich sind. Zu diesem Zweck ist die Co-Design-Phase von entscheidender Bedeutung.

Die infrastrukturelle Anpassung ist in den meisten Fällen dadurch begrenzt, dass die meisten Überlauf- und Torsysteme nur zusammen mit dem Staudamm gebaut werden können und daher nur für zukünftige Wasserkraftprojekte gültig sind. Die Hauptausnahme ist das PKW-System, dessen Flexibilität und relativ niedrige Kosten in einer verwandten französischen Fallstudie diskutiert wurden, zusammen mit seinen (berichten zufolge geringfügigen) Einschränkungen.

Kosten und Nutzen

Klimadienstleistungen für Wasserkraft sind im Vergleich zu Infrastrukturinvestitionen im Allgemeinen recht preiswert. 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 allen relevanten EU-Nutzern (fast) freien Zugang bieten können. Beratungsunternehmen können maßgeschneidertere Pakete zu Marktpreisen anbieten, aber die Preisspanne solcher Verträge kann innerhalb von zehn bis hunderttausend Euro erwartet werden. Die Vorteile von Klimadienstleistungen zielen darauf ab, künftige Risiken und Konflikte mit anderen Wassernutzern zu minimieren und das Stromerzeugungsprofil angesichts der erwarteten Änderungen der Wasserverfügbarkeitsprofile zu optimieren.

Die Nachrüstung von Infrastrukturen zur Kontrolle des überschüssigen Wasserflusses kann von mehreren Hunderttausend Euro (200.000 für PKW, wie in der französischen Fallstudieberichtet) auf mehrere Millionen Euro kosten, abhängig von den spezifischen Merkmalen des Staudamms in Bezug auf Standort, Struktur und Wasserfluss. Die Hauptvorteile sind eindeutig die Verringerung der zu erwartenden Schäden an der Wasserkraftwerksinfrastruktur und den nachgelagerten Infrastrukturen und Ökosystemen, aber auch die verbesserte Fähigkeit, den Wasserstand innerhalb des Stausees zu steuern; daher kann eine Nachrüstung zu einem reibungsloseren Betrieb der Anlage führen, was die Rentabilität erhöhen kann. Wenn die Errichtung solcher Infrastrukturen zu höheren durchschnittlichen Wassermengen im Reservoir führt, könnte dies zu einer höheren Stromerzeugung führen, wenn die Marktbedingungen dies zulassen, aber auch zu einer größeren Rolle für das Reservoir als Puffer, der die Widerstandsfähigkeit des gesamten Flusseinzugsgebiets verbessern kann.

Rechtliche Aspekte

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

Umsetzungszeitraum

Einige Klimadienstleistungen, die auch für die Planung und Verwaltung von Wasserkraftwerken relevant sind, sind bereits in 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 einigen Jahren variieren. Ein paar Jahre sind erforderlich, um größere Staudämme zu bauen.

Lebensdauer

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

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