Hochwasserrisikomanagement für Wasserkraftwerke in Frankreich

Die sichere Ableitung von Wasser aus Dämmen bei Überschwemmungen oder Starkniederschlägen stellt eine kritische betriebliche Herausforderung dar. Frühere Trends zeigen eine Zunahme extremer täglicher Niederschläge in Südfrankreich, die zu Sturzfluten führen können. Dieser Trend dürfte sich auch in Zukunft fortsetzen. Es wird erwartet, dass sich Schnee und Gletscherschmelze auch längerfristig auf den Dammzu- und -abfluss auswirken werden. Der Gletschermassenverlust zeigt bereits eine gleichmäßige Beschleunigung über die Alpen.

Die Herausforderung für das Hochwassermanagement in Wasserkraftanlagen besteht darin, die Auswirkungen von Staudämmen auf nachgelagerte Gemeinden, Grundstücke, Landwirtschaft und Ökosysteme zu verhindern oder zu minimieren und gleichzeitig die Dämme selbst vor Betriebsausfällen und anderen Schäden zu schützen. Jeder Wasserkraftwerksdamm weist unterschiedliche Risikostufen auf, und die Wirksamkeit von PKW-Systemen muss jeweils separat bewertet werden.

Das PKW-System wurde als Reaktion auf aktualisierte hydrologische Studien von EDF entwickelt, die zeigten, dass extreme Überschwemmungen, die Wasserkraftdämme betrafen, häufiger und intensiver wurden. PKWs tragen dazu bei, die Staudammkapazität an die Auswirkungen des Klimawandels wie vermehrte Niederschläge und Überschwemmungen anzupassen. Ziel von PKW-Anlagen ist es, eine vergrößerte Oberfläche für den (Über-)Fluss von Wasser zu schaffen. Dies erhöht die Ableitungskapazität des Staudamms, ohne den maximalen Reservoirstand zu ändern. Der Hauptvorteil dieser Technologie besteht darin, Wasserkraftanlagen vor Schäden zu schützen und gleichzeitig die Betriebskosten im Vergleich zu alternativen Torsystemen zu senken. Weitere Vorteile sind die Verringerung der nachgelagerten Auswirkungen bei Starkniederschlagsereignissen sowie die Gewährleistung der Energieversorgungssicherheit während solcher Ereignisse durch reduzierte Betriebsausfälle.

Das Tal von Chassezac im Departement Ardèche in der Region Auvergne-Rhône-Alpes in Frankreich wurde in den 1950er Jahren als hydrologisches Becken mit hohem Potenzial identifiziert. Dies führte zur Entwicklung von fünf Wasserkraftwerken und vier Wasserkraftwerken, die alle zwischen 1961 und 1970 gebaut wurden. Einer davon, der Malarce-Staudamm, hat eine Höhe von 28,4 m, eine Länge von 111 m und eine Rückhaltekapazität von 2,3 hm³ (d. h. 2,3 Mio. m³). Es wurde 1968 in Betrieb genommen und hat eine Leistung von 16 MW.

Das PKW für den Malarce-Staudamm wurde beauftragt, seine maximale Ableitungskapazität um rund 600 m³/s auf insgesamt 4600 m³/s zu erhöhen. Wenn der Staudammwasserstand den Pegel in den Einlauftanks überschreitet, fließt das Wasser automatisch über das PKW in Auslauftanks, die direkt in den Auslaufkanal und stromabwärts laufen. Diese Technologie bietet ein Mittel zur Anpassung von Dämmen an die zunehmenden Hochwasserrisiken, die unter dem Klimawandel zu erwarten sind. Das PKW im Staudamm Malarce trägt dazu bei, das Risiko kostspieliger Schäden an der Staudamminfrastruktur und den nachgelagerten Gemeinden zu verringern.

Es gibt mehrere technische Optionen für die Verwaltung von Dammüberlauf. Labyrinth-Überlaufrohre können nur in bestimmten Arten von Dämmen installiert werden und müssen in der Regel in der frühesten Dämmplanungsphase installiert werden. Gated Systeme sind in vielen bestehenden Dämmen für das Flussmanagement vorhanden. Gated-Systeme können jedoch bei Sättigung aufgrund übermäßiger Überschwemmungen ausfallen. PKWs stellen oft die effektivste Option für das Hochwasserrisikomanagement an bestehenden Dämmen dar. PKWs haben keine maximale Kapazität, sondern bieten einen freien Durchfluss. PKWs können daher viel höhere Durchflussmengen verwalten und eine sicherere Lösung als geschlossene Systeme bieten, mit minimalem Fehlfunktionsrisiko und einfacherer Evakuierung von schwimmenden Trümmern. Im Gegensatz zu anderen Flow-Management-Techniken vermeiden PKWs auch menschliche Fehler, da sie keine menschlichen Bediener erfordern. Dies ist hilfreich in Notsituationen wie Sturzfluten und Erdrutschen, bei denen die Arbeiter nicht auf das Gelände zugreifen können.

Die wichtigsten europäischen Akteure in der PKW-Technologie sind Frankreich, die Schweiz und Belgien. EDF hat das PKW-System nicht patentiert. Stattdessen hat es kooperativ daran gearbeitet, die PKW-Technologie und Erkenntnisse mit anderen Akteuren der internationalen Wasserkraftgemeinschaft zu teilen. In der Tat, was auf die internationale Anerkennung der innovativen Technologie hinweist, installieren mehrere Entwickler auf der ganzen Welt (z.B. in Algerien, den USA und Südafrika) auch PKWs. 2015 erhielt EDF einen Climate Solutions Award des Rahmenübereinkommens der Vereinten Nationen über Klimaänderungen zum Thema Anpassung.

Da ein PKW eine kleine Komponente des Gesamtdamms darstellt, hat es keine explizite Wirkung, die für Stakeholder und NGOs sichtbar ist oder von ihnen kritisiert wird. Daher ist die Beteiligung von Stakeholdern nicht routinemäßig ein wichtiger Bestandteil der PKW-Installation. Wie bei allen großen Tiefbauprojekten unterliegen jedoch alle PKW strengen Umweltverträglichkeitsprüfungen und müssen von der Regierung genehmigt werden. Diese Folgenabschätzungsverfahren und Genehmigungen, beispielsweise über CODERST, umfassen Konsultationen von NRO und Interessenträgern.

Das PKW wurde weltweit in verschiedenen Wasserkraftwerken implementiert. Diese weite Verbreitung wurde durch die Entscheidung von EDF erleichtert, diese Technologie nicht zu patentieren. Der kollaborative Ansatz der ursprünglichen Entwickler, die die Technologie mit Stakeholdern in der gesamten Wasserkraftgemeinschaft teilten, ist einer der wichtigsten Erfolgsfaktoren der Technologie. PKW ist eine kostengünstige und einfach zu installierende Lösung im Vergleich zu anderen Überlaufmanagement-Technologien wie Gated Systems. Darüber hinaus ist die PKW-Technologie zuverlässig und belastbar, da kein bemannter Betrieb oder große Wartungsarbeiten erforderlich sind. Schließlich hat die Tatsache, dass das erste PKW von EDF gebaut wurde, einem bekannten Unternehmen, das im Wasserkraftsektor anerkannt ist, dazu beigetragen, andere Staudammbesitzer davon zu überzeugen, PKWs zu installieren.

Zu den Herausforderungen im Zusammenhang mit PKW gehören die Eignung und Zugänglichkeit bestimmter Staudammstandorte, insbesondere in Bergregionen. Darüber hinaus bedeutet die lange Lebensdauer der Wasserkraftinfrastruktur und die Dauer der Produktzyklen, dass die Verbreitung neuer Ideen und technologischer Lösungen in dieser Branche Zeit in Anspruch nimmt. Schließlich findet der Bau an Staudammstandorten in der Regel nur in den Sommermonaten statt, was die Installation von PKWs weiter erschwert.

Die Kosten für das PKW hängen von der bestehenden Staudammstruktur, der Lage und auch vom Umfang des Wasserflusses ab. Die Zugänglichkeit der Staudammstruktur und die damit verbundenen Ausrüstungsanforderungen wirken sich auch auf die Kosten aus. Je nach Staudamm kann es mehr oder weniger kostspielig sein, Modifikationen wie PKW zu installieren. Die Installation von PKW kann zwischen 200.000 und einigen Millionen Euro kosten. In jedem Fall kann das PKW kosteneffizient sein und einen relativ kleinen Teil der Gesamtkosten des Staudamms ausmachen. Beispiele für PKW-Installationen werden routinemäßig mit bis zu 30% der Gesamtkosten angegeben. Während die derzeitige Gated-System-Technologie manuell betrieben werden muss und eine teure regelmäßige Wartung erfordert, benötigen PKWs keine Betriebskraft und es ist nur eine geringe bis keine Wartung erforderlich.

Es gibt keine rechtliche Verpflichtung in Bezug auf PKW in Frankreich und eine Gesetzgebung in diesem Bereich ist nicht zu erwarten. Es liegt an den Dammbesitzern, die Technologie zu installieren. Ein verbessertes Hochwassermanagement in Wasserkraftanlagen steht jedoch im Einklang mit einigen der Grundsätze der Richtlinie 2007/60/EG über die Bewertung und das Management von Hochwasserrisiken.

EDF entwickelte das erste PKW von 2003 bis 2005 am Goulours-Staudamm (Pyrenées-Gebirge). Die PKW-Implementierungszeit variiert von Fall zu Fall. Kleinere Projekte können einige Monate in Anspruch nehmen, während größere Projekte einige Jahre in Anspruch nehmen können. In beiden Fällen ergeben sich Einschränkungen aufgrund des saisonalen Charakters der Staudammbauarbeiten. Die Genehmigungsfristen sind recht lang und umfassen Vorstudien, detaillierte Entwürfe, Ausschreibungen, Umweltstudien und die Genehmigung durch die Behörden.

Es ist schwierig, die Lebensdauer dieser Investitionen zu kommentieren, da die PKW-Technologie relativ neu ist und das Ende der Lebensdauer noch nicht erreicht wurde. Es wird erwartet, dass Betonkonstruktionen wie PKW die gleiche Lebensdauer haben wie Wasserkraftwerke oder andere große Tiefbauprojekte (d. h. 50-100 Jahre).

Francois Lemperiere
Initial innovator of the PKW system
E-mail: forms92@wanadoo.fr 
Tel.: +33 145344289

Ahmed Ouamane
Initial innovator of the PKW system
University of Biskra, Algeria
E-mail: a.ouamane@univ-biskra.dz 

Frederic Laugier
Dam Safety Engineer
Electricité de France (EDF)
E-mail: frederic.laugier@edf.fr  
Tel.: +33 479606245