Επιλογές προσαρμογής για υδροηλεκτρικούς σταθμούς

Η παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας εξαρτάται, εξ ορισμού, από τη διαθεσιμότητα νερού και, ως εκ τούτου, επηρεάζεται από τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής στις λεκάνες απορροής, κυρίως μέσω δύο (αντίθετων) οδών. Η κλιματική αλλαγή μπορεί να οδηγήσει σε λειψυδρία, οδηγώντας σε χαμηλότερες ροές ποταμών και χαμηλότερη συσσώρευση νερού σε φράγματα και, ως εκ τούτου, σε μικρότερη ποσότητα νερού που μπορεί να διέλθει από ανεμογεννήτριες ή μονάδες απορροής ποταμών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αντιστρόφως, η κλιματική αλλαγή μπορεί να αυξήσει τη συχνότητα και την ένταση των ακραίων βροχοπτώσεων και να επιταχύνει την τήξη του χιονιού, οδηγώντας σε αυξημένο κίνδυνο πλημμύρας. Ορισμένες τοποθεσίες σε ολόκληρη την ΕΕ θα είναι πιο επιρρεπείς σε προβλήματα λειψυδρίας και άλλες σε αιφνίδια αφθονία νερού: συνήθως οι ξηρασίες αναμένεται να αποτελέσουν σοβαρή απειλή στις περισσότερες περιοχές εκτός της βόρειας Ευρώπης, και οι πλημμύρες που συμβαίνουν τώρα μία φορά τον αιώνα θα είναι συχνότερες σε όλες τις μεγάλες ευρωπαϊκές λεκάνες απορροής ποταμών (EEA, 2016). Ωστόσο, και τα δύο φαινόμενα μπορούν να συμβούν σε όλη την Ευρώπη, με μεταβαλλόμενες συχνότητες σε ένα μεταβαλλόμενο κλίμα.

Αυτή η μεταβλητότητα των αναμενόμενων υδρομετεωρολογικών αλλαγών σε ολόκληρη την Ευρώπη είναι το σκεπτικό για την πρώτη επιλογή προσαρμογής που εξετάζεται εδώ. Από την άποψη της προσαρμογής στην κλιματική αλλαγή, είναι ζωτικής σημασίας για τις επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας που λειτουργούν υδροηλεκτρικούς σταθμούς να κατανοήσουν λεπτομερώς τις μελλοντικές συνθήκες υπό τις οποίες θα λειτουργεί κάθε σταθμός. Η κλιματική αλλαγή θα έχει ως αποτέλεσμα την εποχιακή διακύμανση του υδάτινου κύκλου, με μεγαλύτερες περιόδους ξηρασίας κατά τις οποίες το νερό θα είναι πιο σπάνιο από το συνηθισμένο, νωρίτερα απόψυξη του χιονιού στις πλαγιές των βουνών στις πηγές και, ως εκ τούτου, νωρίτερα εμφάνιση μεγάλων εισροών λιωμένου νερού, καθώς και επιταχυνόμενη τήξη των παγετώνων που θα οδηγήσει σε αρχική αύξηση της διαθεσιμότητας νερού ακολουθούμενη από επιδείνωση της διαθεσιμότητας νερού. Ελλείψει υποδομών ελέγχου της ανάντη ροής, οι πρώιμες και πιο άφθονες εαρινές ροές μπορεί να είναι προβληματικές για τις μονάδες που λειτουργούν με ρεύμα, προκαλώντας αναντιστοιχία μεταξύ της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και της ζήτησης.

Όλα αυτά τα φαινόμενα θα απαιτήσουν διεξοδική αναθεώρηση του σχεδιασμού της λειτουργίας, της συντήρησης και, ενδεχομένως, των τεχνικών παρεμβάσεων θωράκισης έναντι της κλιματικής αλλαγής των υδροηλεκτρικών σταθμών. Επιπλέον, τα ακριβή σενάρια θα είναι καίριας σημασίας για την εξεύρεση κοινών λύσεων για ανταγωνιστικές χρήσεις σε περιόδους λειψυδρίας, συμβάλλοντας στη μέτρηση των πραγματικών αναγκών και του πιθανού χρονοδιαγράμματος των απαιτήσεων από τους διάφορους χρήστες εκτός από τις επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας: γεωργούς, αλιεία, οικιακή χρήση, μεταφορές νερού, αναψυχή κ.λπ. Ως εκ τούτου, μια πρώτη επιλογή προσαρμογής είναι η δημιουργία κλιματικών και υδρομετεωρολογικών σεναρίων υψηλής ανάλυσης για κάθε χώρο φράγματος και για τη λεκάνη απορροής ποταμού στην οποία ανήκουν, κατά τρόπο ώστε να είναι εύκολα προσβάσιμα και κατανοητά από τη διαχείριση των επιχειρήσεων κοινής ωφέλειας και από όλους τους άλλους χρήστες εντός της λεκάνης. Για τον σκοπό αυτό, μπορούν να σχεδιαστούν ειδικές υπηρεσίες για το κλίμα ώστε να παρέχουν ακριβείς προβλέψεις των σχετικών δεικτών σε προσβάσιμη μορφή.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι προβλεπόμενες κλιματικές συνθήκες μπορεί να υποδηλώνουν ότι η αναθεώρηση των προγραμματισμένων δραστηριοτήτων μπορεί να μην είναι αρκετή και ότι η προσαρμογή των υποδομών μπορεί να είναι σωστή. Αυτό ισχύει ιδίως όταν αναμένεται αυξημένη εμφάνιση ακραίων φαινομένων βροχόπτωσης, με αποτέλεσμα την αυξημένη εμφάνιση πλημμυρών σε τοποθεσίες φραγμάτων. Οι δυσμενείς επιπτώσεις των πλημμυρών φραγμάτων περιλαμβάνουν την υπερχείλιση, τις διακοπές λειτουργίας, τη ζημία στον εξοπλισμό και τις δυσμενείς κατάντη επιπτώσεις. Η αιφνίδια αφθονία νερού λόγω πλημμυρών πρέπει να απορρίπτεται με ασφάλεια, προκειμένου να ελαχιστοποιούνται οι ζημίες στον σταθμό και στα κατάντη οικοσυστήματα και στις ανθρώπινες υποδομές και δραστηριότητες. Τα ακραία φαινόμενα βροχοπτώσεων μπορούν επίσης να προκαλέσουν υδρομετεωρολογικές επιπτώσεις, όπως κατολισθήσεις ή υπερβολικές προσχώσεις, οι οποίες μπορούν να μειώσουν τον διαθέσιμο όγκο νερού εντός μιας δεξαμενής και/ή να φράξουν το σύστημα απόρριψης νερού.

Υπάρχουν διάφορες επιλογές μηχανικής που μπορούν να εφαρμοστούν για τη διαχείριση διαρροών φραγμάτων, οι οποίες μπορούν βασικά να ομαδοποιηθούν σε υπερχειλίσεις, περιφραγμένα συστήματα και βύσματα ασφαλειών.

Οι διαρροές μπορούν να έχουν διάφορα σχήματα σχεδιασμού με στόχο την ασφαλή διάχυση της ενέργειας του απορριπτόμενου νερού, εξασφαλίζοντας παράλληλα τους επιθυμητούς όγκους εκροής. Μπορούν να λειτουργήσουν αυτόματα όταν το νερό στο φράγμα φτάσει σε ένα δεδομένο επίπεδο ή μπορούν να συνδυαστούν με πύλες που εκτρέπουν τη ροή του νερού στον υπερχειλιστή. Τα σχήματα σχεδιασμού περιλαμβάνουν υπερχειλιστές αλεξίπτωτου, κλιμακωτούς υπερχειλιστές, υπερχειλιστές κουδουνιού-στόματος, υπερχειλιστές σιφώνιου, κορυφές ogee, πλευρικά κανάλια, υπερχειλιστές λαβύρινθου και φράγματα πιάνου-κλειδιού (PKW). Τα τεχνικά χαρακτηριστικά ενός φράγματος και η ορογραφία και η υδρολογία της γύρω περιοχής καθορίζουν τη συμβατότητα συγκεκριμένων τύπων υπερχειλιστών με το φράγμα: αυτό σημαίνει ότι δεν είναι όλα τα συστήματα υπερχειλιστών συμβατά με όλα τα φράγματα.

Τα κλιμακωτά συστήματα είναι μια σειρά πυλών που εγκαθίστανται κατά μήκος του τοίχου του φράγματος ή γύρω από τους διαύλους διάχυσης του κώδωνα του κινδύνου που μπορούν να ανοίξουν για τη διαχείριση της στάθμης του νερού της δεξαμενής και ιδίως για την απελευθέρωση πλεονάζοντος όγκου νερού κατάντη σε περίπτωση πλημμύρας. Και πάλι, μπορούν να συνδυαστούν με υπερχειλιστές για να διαχέουν με ασφάλεια την κινητική ενέργεια του απορριπτόμενου νερού. Υπάρχουν σε πολλά υπάρχοντα φράγματα για τη διαχείριση της ροής. Τα καλυμμένα συστήματα μπορούν να αποτύχουν σε περιπτώσεις κορεσμού λόγω υπερβολικών πλημμυρών.

Τα βουλώματα θρυαλλίδων είναι διαβρώσιμα τμήματα ενός χωματουργικού φράγματος που σχεδιάζονται για να πλυθούν έξω στις προκαθορισμένες συνθήκες πλημμύρας. Βασικά λειτουργούν ως απομονωτές που απορροφούν και επιβραδύνουν την υπερχείλιση και μπορούν να θυσιαστούν επειδή το κόστος ανοικοδόμησής τους είναι μόνο ένα μικρό κλάσμα του κόστους που θα έπρεπε να διατηρηθεί εάν το κύριο φράγμα είχε καταστραφεί. Μπορούν να εγκατασταθούν μόνο παρουσία κατάλληλων γεωγραφικών και γεωλογικών χαρακτηριστικών της τοποθεσίας και συμβατών κατάντη συνθηκών (π.χ. σέλα σε εύλογη απόσταση από το κύριο φράγμα κατά μήκος του χείλους του ταμιευτήρα για την απόρριψη πλεονάζοντος νερού· στερεή βάση βράχου για το βύσμα ώστε να αντέχει στη διάβρωση· κανάλι για την ασφαλή εκτροπή της υπερχείλισης από το βύσμα στον κύριο ποταμό για την προστασία των κατάντη δομών).

Συνήθως, η εγκατάσταση υπερχειλιστών και συστημάτων πυλών μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο κατά τη διάρκεια της φάσης κατασκευής του φράγματος, επομένως η μετασκευή γενικά δεν αποτελεί επιλογή. Αυτό δεν ισχύει για τα βύσματα θρυαλλίδων και τα συστήματα PKW. Μια περιπτωσιολογική μελέτη Climate-ADAPT σχετικά με τη διαχείριση των κινδύνων πλημμύρας για τους γαλλικούς υδροηλεκτρικούς σταθμούς εξετάζει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των PKW. Τα PKW έχουν ορισμένα σαφή πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς υπερχειλιστές και τα περιφραγμένα συστήματα, όπως η σκοπιμότητα εγκατάστασης ως μετασκευών εντός υφιστάμενων φραγμάτων και το γεγονός ότι παρέχουν υπερχείλιση ελεύθερης ροής χωρίς να περιορίζονται από ανώτατα όρια δυναμικότητας, ώστε να είναι σε θέση να αντιμετωπίζουν υψηλά επίπεδα ροής και να λειτουργούν σε ασφαλέστερες συνθήκες από τα περιφραγμένα συστήματα και με εντελώς αυτόματο τρόπο που δεν απαιτεί ανθρώπινη παρέμβαση.

Μια ακραία επιλογή προσαρμογής των υποδομών είναι η επέκταση της δυναμικότητας των εγκαταστάσεων με την κατασκευή μεγαλύτερων φραγμάτων. Αυτό μπορεί να έχει νόημα σε ειδικές περιπτώσεις στις οποίες αναμένεται να σημειωθεί μεγάλη αύξηση της απορροής υδάτων στο εγγύς μέλλον και για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα ώστε να καταστεί δυνατή η ανάκτηση του επενδυτικού κόστους. Αυτό μπορεί να συμβεί όταν αναμένεται η τήξη μεγάλων παγετώνων, όπως σε περιπτωσιολογική μελέτη από την Ισλανδία. Ωστόσο, η δυνατότητα εφαρμογής αυτής της επιλογής στην ΕΕ είναι πιθανώς πολύ περιορισμένη λόγω των πολύ διαφορετικών υδρομετεωρολογικών και παγετολογικών συνθηκών.

Για τις κλιματικές υπηρεσίες, αυτό που έχει σημασία είναι η συμμετοχή των σχετικών δυνητικών χρηστών στη διαδικασία από κοινού σχεδιασμού των υπηρεσιών. Επομένως, εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο προορίζεται η υπηρεσία: εάν θεωρηθεί εργαλείο σχεδιασμού για αυστηρούς σκοπούς παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας, η συμμετοχή των ενδιαφερόμενων μερών μπορεί να μην αποτελεί σημαντικό παράγοντα. Εάν, ωστόσο, υιοθετηθεί μια ευρύτερη προοπτική και η υπηρεσία σχεδιαστεί για να εξυπηρετεί όλους τους σχετικούς χρήστες της λεκάνης απορροής ποταμού, η διαδικασία από κοινού σχεδιασμού θα οδηγήσει σε αλληλεπίδραση μεταξύ εκπροσώπων όλων των σχετικών κατηγοριών χρηστών. Φυσικά, η πραγματική αναθεώρηση των προγραμματισμένων δραστηριοτήτων υπό το πρίσμα των αναμενόμενων επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής θα πρέπει στη συνέχεια να είναι όσο το δυνατόν πιο περιεκτική για την επιτυχή ελαχιστοποίηση των μελλοντικών συγκρούσεων.

Η κατασκευή νέων υποδομών, ιδίως η διεύρυνση των φραγμάτων, απαιτεί τη συμμετοχή όλων των χρηστών λεκανών απορροής ποταμών και την επίτευξη συμφωνίας μεταξύ τους σχετικά με τα δικαιώματα χρήσης των υδάτων και τις αποζημιώσεις.

Τα πλεονεκτήματα της παροχής σαφών και έτοιμων προς χρήση δεικτών για τον σχεδιασμό της χρήσης του νερού είναι αρκετά αυτονόητα, καθώς ο αποτελεσματικός σχεδιασμός μπορεί να βασίζεται μόνο σε ακριβείς και καλά κατανοητές πληροφορίες. Το κύριο ζήτημα εν προκειμένω είναι κοινό για όλες τις κλιματικές υπηρεσίες· έχει να κάνει με τη δυσκολία που είναι εγγενής, αφενός, στον προσδιορισμό των επιστημονικών πληροφοριών αιχμής που είναι πράγματι σημαντικές για τις δραστηριότητες των χρηστών και, αφετέρου, στη συσκευασία των πληροφοριών αυτών κατά τρόπο ώστε η μορφή και η γλώσσα που χρησιμοποιούνται για την παρουσίασή τους να είναι μη τεχνικές και αρκετά προσβάσιμες για τους χρήστες που δεν είναι εξοικειωμένοι με τους εφαρμοζόμενους επιστημονικούς κλάδους. Για τον σκοπό αυτό, το στάδιο του από κοινού σχεδιασμού είναι ζωτικής σημασίας.

Η προσαρμογή των υποδομών περιορίζεται στις περισσότερες περιπτώσεις από το γεγονός ότι τα περισσότερα συστήματα υπερχειλίσεων και πυλών μπορούν να κατασκευαστούν μόνο μαζί με το φράγμα και, ως εκ τούτου, αποτελούν έγκυρη επιλογή μόνο για μελλοντικά έργα υδροηλεκτρικής ενέργειας. Η κύρια εξαίρεση είναι το σύστημα PKW, του οποίου η ευελιξία και το σχετικά χαμηλό κόστος έχουν συζητηθεί σε σχετική γαλλική περιπτωσιολογική μελέτη, μαζί με τους (αναφερόμενους ως ήσσονος σημασίας) περιορισμούς του.

Οι κλιματικές υπηρεσίες για την υδροηλεκτρική ενέργεια είναι γενικά αρκετά φθηνές σε σύγκριση με τις επενδύσεις σε υποδομές. Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα σχετικά δεδομένα μπορούν να ανακτηθούν από έργα που δεν αναλαμβάνονται άμεσα από τις επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας που εκμεταλλεύονται τις μονάδες, για παράδειγμα από ερευνητικά έργα σε επίπεδο ΕΕ, τα οποία μπορούν να παρέχουν (σχεδόν) ελεύθερη πρόσβαση σε όλους τους σχετικούς χρήστες της ΕΕ. Οι συμβουλευτικές εταιρείες μπορούν να παρέχουν πιο εξατομικευμένα πακέτα με τις τιμές της αγοράς, αλλά το εύρος τιμών αυτών των συμβάσεων αναμένεται να είναι μεταξύ δεκάδων και εκατοντάδων χιλιάδων ευρώ. Τα οφέλη από τις κλιματικές υπηρεσίες περιορίζονται στην ελαχιστοποίηση της μελλοντικής έκθεσης σε κινδύνους και των συγκρούσεων με άλλους χρήστες νερού και στη βελτιστοποίηση του προφίλ παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ενόψει των αναμενόμενων αλλαγών στα προφίλ διαθεσιμότητας νερού.

Η μετασκευή των υποδομών για τον έλεγχο της πλεονάζουσας ροής του νερού μπορεί να κοστίσει από αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες ευρώ (200.000 για την PKW, όπως αναφέρεται στη γαλλική περιπτωσιολογική μελέτη) έως αρκετά εκατομμύρια ευρώ, ανάλογα με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του φράγματος, όσον αφορά τη θέση, τη δομή και τη ροή του νερού. Τα κύρια οφέλη είναι σαφώς η μείωση των αναμενόμενων ζημιών στην υποδομή του υδροηλεκτρικού σταθμού και στις κατάντη υποδομές και οικοσυστήματα, αλλά και η αυξημένη ικανότητα διαχείρισης της στάθμης των υδάτων εντός του ταμιευτήρα· ως εκ τούτου, η μετασκευή μπορεί να επιφέρει ομαλότερη λειτουργία του σταθμού, γεγονός που μπορεί να αυξήσει την κερδοφορία. Όταν η εγκατάσταση τέτοιων υποδομών οδηγεί σε υψηλότερους μέσους όγκους νερού που αποθηκεύονται εντός του ταμιευτήρα, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε υψηλότερη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, εάν το επιτρέπουν οι συνθήκες της αγοράς, αλλά και σε αυξημένο ρόλο του ταμιευτήρα ως ρυθμιστικού διαλύματος που μπορεί να βελτιώσει την ανθεκτικότητα ολόκληρης της λεκάνης απορροής ποταμού.

Οι μόνες δυνητικά σημαντικές νομικές πτυχές είναι εκείνες που σχετίζονται με τη διαδικασία αδειοδότησης για νέες υποδομές, όπως οι νέες υποδομές απόρριψης νερού που καταλαμβάνουν προηγουμένως παρθένα τμήματα της λεκάνης απορροής ποταμού και φυσικά η κατασκευή μεγαλύτερων φραγμάτων. Τα έργα αυτά υπόκεινται στους εθνικούς κανονισμούς για την αδειοδότηση νέων υποδομών.

Ορισμένες κλιματικές υπηρεσίες που σχετίζονται επίσης με τον σχεδιασμό και τη διαχείριση υδροηλεκτρικών σταθμών είναι ήδη διαθέσιμες στο πλαίσιο του Copernicus. Οι ad hoc συμβάσεις παροχής συμβουλών από μεσάζοντες μπορούν να παρέχουν σχετικούς κλιματικούς δείκτες σε λίγους μήνες. Για τις υποδομές αντιπλημμυρικού ελέγχου, ο χρόνος κατασκευής εξαρτάται από τα ειδικά χαρακτηριστικά του φράγματος και μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ λίγων μηνών και λίγων ετών. Λίγα χρόνια απαιτούνται για την κατασκευή μεγαλύτερων φραγμάτων.

Η διάρκεια ζωής των κλιματικών υπηρεσιών εξαρτάται από τη συνεχή επικαιροποίηση και συντήρηση των διεπαφών χρήστη, των βάσεων δεδομένων και των μοντέλων. Όσον αφορά τις μετασκευές υποδομών, δεν υπάρχει σαφής ένδειξη, αλλά εάν συντηρηθούν σωστά μπορεί να υποτεθεί ότι θα διαρκέσουν όσο η εναπομένουσα διάρκεια ζωής του φράγματος (συνήθως αρκετές δεκαετίες). Τα βουλώματα θρυαλλίδων υποτίθεται από το σχεδιασμό ότι ξεπλένονται μακριά στα μεγάλα γεγονότα πλημμυρών, και η περιοδική ανακατασκευή τους πρέπει να εξεταστεί στο σχεδιασμό της υδροηλεκτρικής υποδομής που ανήκουν. Η προσδοκία ζωής των νέων φραγμάτων είναι κατά μέσο όρο 50 έτη, αλλά μπορούν να διαρκέσουν έως και έναν αιώνα, αν και με αυξανόμενο κόστος συντήρησης και κινδύνους διαρθρωτικής σταθερότητας μετά από 50 έτη.