Hochwasserrisikomanagement für Wasserkraftwerke in Frankreich

Die sichere Freisetzung von Wasser aus Dämmen bei Überschwemmungen oder Starkniederschlägen stellt eine kritische operative Herausforderung dar. Vergangene Trends zeigen eine Zunahme der extremen täglichen Niederschläge in Südfrankreich, die zu Überschwemmungen führen können. Dieser Trend dürfte sich auch in Zukunft fortsetzen. Es wird erwartet, dass Schnee- und Gletscherschmelzen längerfristig Auswirkungen auf den Dammein- und -abfluss haben werden. Gletschermassenverlust zeigt bereits eine konsequente 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 Betriebsversagen und anderen Schäden zu schützen. Jeder Wasserkraftdamm weist unterschiedliche Risikostufen auf und die Wirksamkeit von PKW-Systemen muss jeweils gesondert bewertet werden.

Das PKW-System wurde als Reaktion auf aktualisierte hydrologische Studien von EDF entwickelt, die zeigten, dass extreme Überschwemmungen, die Wasserkraftwerke betreffen, häufiger und intensiver wurden. PKWS trägt dazu bei, die Staudämmkapazitäten anzupassen, um den Auswirkungen des Klimawandels wie vermehrten Niederschlägen und Überschwemmungen gerecht zu werden. Ziel der PKW-Systeme ist es, eine erhöhte Oberfläche für den (Über-)Flow von Wasser zu schaffen. Dies erhöht die Entladekapazität des Staudamms, ohne den maximalen Stauraumpegel zu ändern. Der Hauptvorteil dieser Technologie besteht darin, Wasserkraftanlagen vor Schäden zu schützen und gleichzeitig die Betriebskosten im Vergleich zu alternativen Gatesystemen zu senken. Weitere Vorteile sind die Verringerung der nachgelagerten Auswirkungen bei Starkniederschlägen sowie die Gewährleistung der Energieversorgungssicherheit bei solchen Ereignissen durch reduzierte Betriebsausfälle.

Das Tal von Chassezac im Département Ardèche in der Region Auvergne-Rhône-Alpes in Frankreich wurde in den 1950er Jahren als ein hochpotenzielles hydrologisches Becken 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 Haltekapazität von 2,3 hm³ (d. h. 2,3 Millionen m³). Es wurde 1968 in Betrieb genommen und hat eine Leistung von 16 MW.

Der PKW für den Malarce-Staudamm wurde beauftragt, seine maximale^{Entladungskapazität}um rund 600 m 3/s auf^insgesamt4 600 m 3/s zu erhöhen. Diese Technologie bietet eine Möglichkeit, Staudämme an steigende Hochwasserrisiken anzupassen, die unter dem Klimawandel zu erwarten sind. Das PKW im Malarce-Staudamm trägt dazu bei, das Risiko kostspieliger Schäden an der Damminfrastruktur und den nachgelagerten Gemeinden zu reduzieren.

Es gibt mehrere Engineering-Optionen für die Verwaltung von Damm Spill Over. Labyrinthaustritte können nur in bestimmten Arten von Staudämmen installiert werden und müssen in der Regel in der frühesten Damm-Konstruktion installiert werden. Gated-Systeme sind in vielen bestehenden Staudämmen für das Durchflussmanagement vorhanden. Bei Sättigung aufgrund übermäßiger Überschwemmungen können jedoch geschlossene Systeme scheitern. PKWS stellt häufig die effektivste Option für das Hochwasserrisikomanagement an bestehenden Staudämmen dar. PKWS haben keine maximale Kapazität, sondern bieten einen Freilauf. PKWS kann daher viel höhere Durchflussmengen bewältigen und bietet eine sicherere Lösung als Gated-Systeme, mit minimalem Risiko von Fehlfunktionen und einfacherer Evakuierung von schwimmenden Trümmern. Im Gegensatz zu anderen Strömungsmanagement-Techniken vermeiden PKWs auch menschliches Versagen, da sie keine menschlichen Bediener erfordern. Dies ist in Notsituationen wie Blitzfluten und Erdrutschen hilfreich, bei denen die Arbeitnehmer nicht auf die Baustelle zugreifen können.

Die wichtigsten europäischen Akteure der PKW-Technologie sind Frankreich, die Schweiz und Belgien. EDF hat das PKW-System nicht patentiert. Stattdessen hat sie gemeinsam daran gearbeitet, die PKW-Technologie und Einblicke mit anderen Akteuren der internationalen Wasserkraftgemeinschaft zu teilen. In der Tat, was auf 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 einen kleinen Bestandteil des gesamten Staudamms darstellt, hat er keine explizite Wirkung, die für Interessenträger und NRO sichtbar oder kritisiert wird. Daher ist die Beteiligung der Stakeholder nicht routinemäßig ein wichtiger Bestandteil der PKW-Anlage. Wie bei allen großen Tiefbauprojekten folgen alle PKW jedoch strengen Umweltverträglichkeitsprüfungsverfahren und müssen von der Regierung genehmigt werden. Diese Folgenabschätzungsverfahren und Genehmigungen, z. B. durch CODERST, umfassen Konsultationen von Nichtregierungsorganisationen und Interessenträgern.

Der PKW wurde weltweit in verschiedenen Wasserkraftwerken eingesetzt. Diese breite 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 leicht zu installierende Lösung im Vergleich zu anderen Überlaufmanagementtechnologien, wie z. B. Gated Systems. Darüber hinaus ist die PKW-Technologie zuverlässig und belastbar, da kein bemannter Betrieb oder eine großflächige Wartung erforderlich ist. Schließlich hat die Tatsache, dass der erste PKW von EDF, einem bekannten Unternehmen, das im Wasserkraftsektor geschätzt wird, gebaut wurde, dazu beigetragen, andere Staudammbesitzer von der Installation von PKWs zu überzeugen.

Herausforderungen im Zusammenhang mit PKWs sind u. a. die Eignung und Erreichbarkeit bestimmter Stauanlagen, 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 erfordert. Schließlich findet der Bau an Staumauern in der Regel nur in den Sommermonaten statt, was der Installation von PKWs weitere Einschränkungen hinzufügt.

Die Kosten des PKW hängen von der bestehenden Dammstruktur, dem Standort und auch vom Umfang des Wasserflusses ab. Die Zugänglichkeit des Staudammaufbaus und der dazugehörige Ausrüstungsbedarf 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 einige Millionen Euro kosten. In jedem Fall kann der PKW kosteneffizient sein, was einen relativ kleinen Teil der Gesamtkosten des Staudamms darstellt. Beispiele für PKW-Anlagen werden routinemäßig als bis zu 30 % der Gesamtkosten angegeben. Während die aktuelle Gated-Systemtechnik manuell betrieben werden muss und eine teure regelmäßige Wartung erfordert, benötigen PKWs keine Arbeitskraft und nur wartungsarm.

Es gibt keine gesetzliche 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 entspricht jedoch einigen der Grundsätze der Richtlinie 2007/60/EG über die Bewertung und das Management von Hochwasserrisiken.

EDF entwickelte von 2003 bis 2005 den ersten PKW am Goulours-Staudamm (Pyrenées-Gebirge). Die PKW-Implementierungszeit variiert von Fall zu Fall. Kleine Projekte können einige Monate dauern, während größere Projekte einige Jahre dauern können. In beiden Fällen ergeben sich Einschränkungen aufgrund des saisonalen Charakters der Dammbauarbeiten. Die Genehmigungszeiten sind recht lang und umfassen Vorstudie, detaillierte Planung, Ausschreibung, Umweltstudien und die Genehmigung durch die Behörden.

Es ist schwierig, sich über die Lebensdauer dieser Investitionen zu äußern, da die PKW-Technologie relativ neu ist und das Ende der Lebensdauer noch nicht erreicht ist. Es wird erwartet, dass solche Betonkonstruktionen wie PKWs 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

Electricité de France website (EDF), including: web-site, fact sheets and interviews