Ilmastokestävät vesivoimajärjestelmät

Vesivoiman tuotanto riippuu määritelmän mukaan veden saatavuudesta, ja siksi siihen vaikuttavat ilmastonmuutoksen vaikutukset vesistöalueisiin pääasiassa kahden (vastakkaisen) reitin kautta. Ilmastonmuutos voi johtaa veden niukkuuteen, mikä johtaa pienempiin jokivirtoihin ja veden vähäisempään kerääntymiseen patoihin ja siten pienempään vesimäärään, joka voi kulkea turbiinien tai jokivoimaloiden läpi sähkön tuottamiseksi. Toisaalta ilmastonmuutos voi lisätä äärimmäisten sadetapahtumien esiintymistiheyttä ja voimakkuutta ja nopeuttaa lumen sulamista, mikä lisää tulvariskiä. Jotkin paikat eri puolilla EU:ta ovat alttiimpia veden niukkuuteen liittyville ongelmille ja toiset äkilliselle veden runsaudelle: kuivuuden odotetaan tyypillisesti muodostavan vakavan uhan useimmilla alueilla Pohjois-Eurooppaa lukuun ottamatta, ja nyt vuosisadan aikana esiintyvät tulvat ovat yleisempiä kaikilla Euroopan suurimmilla vesistöalueilla (ETA, 2016). Kumpaakin ilmiötä voi kuitenkin esiintyä kaikkialla Euroopassa, kun taajuudet muuttuvat muuttuvassa ilmastossa.

Tämä odotettavissa olevien hydrometeorologisten muutosten vaihtelu eri puolilla Eurooppaa on tässä käsiteltävän ensimmäisen sopeutumisvaihtoehdon taustalla. Ilmastonmuutokseen sopeutumisen näkökulmasta on ratkaisevan tärkeää, että vesivoimalaitoksia käyttävät laitokset saavat yksityiskohtaisen käsityksen tulevaisuuden olosuhteista, joissa kukin laitos toimii. Ilmastonmuutos johtaa vesiympyrän kausivaihteluun, kun kuivat jaksot ovat tavallista pidempiä, jolloin vesi on niukempaa, lumen sulaminen vuoriston rinteillä on varhaisempaa ja näin ollen sulamisvettä tulee suuria virtauksia aikaisemmin ja jäätiköt sulavat nopeammin, mikä johtaa aluksi veden saatavuuden lisääntymiseen ja sen jälkeen veden saatavuuden heikkenemiseen. Koska tuotantoketjun alkupään virtauksenohjausinfrastruktuureja ei ole, varhaiset ja runsaammat kevätvirrat voivat olla ongelmallisia joen varrella sijaitseville laitoksille, koska ne aiheuttavat epäsuhtaisuutta sähköntuotannon ja -kysynnän välillä.

Kaikki nämä ilmiöt edellyttävät vesivoimalaitosten käytön, kunnossapidon ja mahdollisesti ilmastokestävyyden suunnittelun perusteellista tarkistamista. Lisäksi tarkat skenaariot ovat avainasemassa, jotta voidaan löytää yhteisiä ratkaisuja kilpaileviin käyttötarkoituksiin veden niukkuuden aikana, sillä ne auttavat arvioimaan eri käyttäjien todellisia tarpeita ja kysynnän todennäköistä ajoitusta sähkölaitosten lisäksi: viljelijät, kalastus, asuinkäyttö, vesiliikenne, virkistys jne. Ensimmäinen sopeutumisvaihtoehto on laatia korkearesoluutioiset ilmasto- ja hydrometeorologiset skenaariot kullekin patopaikalle ja vesistöalueelle, johon ne kuuluvat, siten, että ne ovat helposti sähkölaitosten johdon ja kaikkien muiden vesistöalueen käyttäjien saatavilla ja ymmärrettävissä. Tätä varten voidaan suunnitella erityisiä ilmastopalveluja, jotka tarjoavat tarkkoja ennusteita asiaankuuluvista indikaattoreista esteettömässä muodossa.

Joissakin tapauksissa ennustetut ilmasto-olosuhteet saattavat viitata siihen, että suunniteltujen toimien tarkistaminen ei ehkä riitä ja että infrastruktuurin mukauttaminen voi olla paikallaan. Näin on erityisesti silloin, kun äärimmäisten sademäärien odotetaan lisääntyvän, mikä lisää tulvien esiintymistä patopaikoilla. Patotulvien haittavaikutuksia ovat ylitys, seisokit, laitteiden vaurioituminen ja haitalliset vaikutukset alajuoksulla. Tulvista johtuva äkillinen veden runsaus on päästettävä turvallisesti vesistöön, jotta minimoidaan laitokselle ja tuotantoketjun loppupään ekosysteemeille sekä ihmisen infrastruktuureille ja toiminnoille aiheutuvat vahingot. Äärimmäiset sademäärät voivat myös aiheuttaa hydrometeorologisia vaikutuksia, kuten maanvyörymiä tai liiallista liettymistä, mikä voi vähentää säiliössä olevan veden määrää ja/tai tukkia vesijohtojärjestelmän.

On olemassa useita teknisiä vaihtoehtoja, joita voidaan soveltaa patovuotojen hallintaan, jotka voidaan periaatteessa ryhmitellä roiskeputkiin, gated-järjestelmiin ja sulaketulppiin.

Roiskeilla voi olla erilaisia muotoilumuotoja, joiden tarkoituksena on hävittää turvallisesti poistetun veden energia ja varmistaa samalla halutut ulosvirtausmäärät. Ne voivat toimia automaattisesti, kun padon vesi saavuttaa tietyn tason, tai ne voidaan yhdistää portteihin, jotka ohjaavat veden virtauksen valumatielle. Muotoiltuja muotoja ovat kourujen läikkymistiet, porrastetut läikkymistiet, kello-suu-läikkymistiet, syphon-läikkymistiet, ogee-harjat, sivukanavat, labyrintin läikkymistiet ja piano-avain-padot (PKW). Padon sekä ympäröivän alueen orografian ja hydrologian tekniset ominaisuudet määrittävät tiettyjen valumatietyyppien yhteensopivuuden padon kanssa: Tämä tarkoittaa, että kaikki vuotovesijärjestelmät eivät ole yhteensopivia kaikkien patojen kanssa.

Päällystetyt järjestelmät ovat patoseinään tai kellonsuun ympärille asennettuja portteja, jotka voidaan avata säiliön vedenkorkeuden hallitsemiseksi ja erityisesti ylimääräisen vesimäärän vapauttamiseksi alavirtaan tulvan sattuessa. Jälleen ne voidaan yhdistää roiskevesiin, jotta purkautuneen veden kineettinen energia haihtuu turvallisesti. Ne ovat käytössä monissa olemassa olevissa padoissa virtauksen hallintaa varten. Gated-järjestelmät voivat epäonnistua liiallisen tulvimisen aiheuttamassa kyllästymisessä.

Sulaketulpat ovat maapadon kuluvia osia, jotka on suunniteltu huuhtoutumaan ennalta määrätyissä tulvaolosuhteissa. Pohjimmiltaan ne toimivat puskimina, jotka imevät ja hidastavat ylivuotoa, ja ne voidaan uhrata, koska niiden uudelleenrakentamisen kustannukset ovat vain pieni osa kustannuksista, jotka olisi pidettävä yllä, jos pääpato vaurioituisi. Ne voidaan asentaa vain, jos paikalla on asianmukaiset maantieteelliset ja geologiset ominaisuudet ja jos alajuoksun olosuhteet ovat yhteensopivat (esim. satula, joka on kohtuullisella etäisyydellä säiliön reunaa pitkin sijaitsevasta pääpadosta ylimääräisen veden poistamiseksi; kiinteä kivipohja pistokkeelle eroosion kestämiseksi; kanava, joka ohjaa ylivuodon turvallisesti pistokkeesta pääjokeen alajuoksun rakenteiden suojelemiseksi).

Yleensä läikkymisteiden ja porttijärjestelmien asennus voi tapahtua vain padon rakennusvaiheessa, joten jälkiasennus ei yleensä ole vaihtoehto. Tämä ei koske sulaketulppia ja PKW-järjestelmiä. Ranskan vesivoimalaitosten tulvariskien hallintaa koskevassa Climate-ADAPT-tapaustutkimuksessa käsitellään mäntyankeroisten etuja ja haittoja. PKW:illä on joitakin selviä etuja perinteisiin valuma-alueisiin ja aidattuihin järjestelmiin verrattuna, kuten asennuksen toteutettavuus jälkiasennuksina olemassa oleviin patoihin ja se, että ne tarjoavat vapaan virtauksen valuma-alueen ilman, että enimmäiskapasiteettirajoitukset rajoittavat sitä, jolloin ne pystyvät selviytymään korkeista virtaustasoista ja toimimaan turvallisemmissa olosuhteissa kuin aidatut järjestelmät ja täysin automaattisella tavalla, joka ei edellytä ihmisen toimia.

Äärimmäinen infrastruktuurin mukauttamisvaihtoehto on laitoskapasiteetin laajentaminen rakentamalla suurempia patoja. Tämä voi olla järkevää tietyissä olosuhteissa, joissa hulevesien määrän odotetaan kasvavan huomattavasti lähitulevaisuudessa ja riittävän kauan, jotta investointikustannukset voidaan kattaa. Näin voi olla silloin, kun suurten jäätiköiden odotetaan sulavan, kuten Islannista tehdyssä tapaustutkimuksessa. Tämän vaihtoehdon soveltaminen EU:hun on kuitenkin todennäköisesti hyvin rajallista hyvin erilaisten hydrometeorologisten ja glasiologisten olosuhteiden vuoksi.

Ilmastopalvelujen osalta merkitystä on asiaankuuluvien potentiaalisten käyttäjien osallistumisella palvelujen yhteissuunnitteluprosessiin. Riippuu siis siitä, miten palvelu on tarkoitettu: Sidosryhmien osallistuminen ei välttämättä ole merkittävä tekijä, jos sitä pidetään suunnittelun välineenä vesivoiman tuotannon tiukkojen tavoitteiden saavuttamiseksi. Jos kuitenkin omaksutaan laajempi näkökulma ja palvelu on suunniteltu palvelemaan kaikkia asiaankuuluvia vesistöalueen käyttäjiä, yhteissuunnitteluprosessi johtaa vuorovaikutukseen kaikkien asiaankuuluvien käyttäjäryhmien edustajien välillä. Suunniteltujen toimien todellisen tarkistamisen odotettavissa olevien ilmastonmuutoksen vaikutusten valossa on tietenkin oltava mahdollisimman osallistavaa, jotta tulevat konfliktit voidaan minimoida onnistuneesti.

Uusien infrastruktuurien rakentaminen, erityisesti patojen laajentaminen, edellyttää kaikkien vesistöalueiden käyttäjien osallistumista ja sitä, että he pääsevät keskenään sopimukseen vedenkäyttöoikeuksista ja korvauksista.

Selkeiden ja käyttövalmiiden indikaattorien tarjoaminen vedenkäytön suunnittelua varten on varsin itsestään selvää, sillä tehokas suunnittelu voi perustua vain tarkkaan ja hyvin ymmärrettyyn tietoon. Tärkein kysymys koskee kaikkia ilmastopalveluja. se liittyy vaikeuteen, joka liittyy yhtäältä käyttäjien toiminnan kannalta tosiasiallisesti merkityksellisten uusimpien tieteellisten tietojen yksilöimiseen ja toisaalta tällaisten tietojen pakkaamiseen siten, että niiden esitysmuoto ja esittämiskieli ovat ei-teknisiä ja riittävän helposti saatavilla käyttäjille, jotka eivät tunne sovellettavia tieteenaloja. Tätä varten yhteissuunnitteluvaihe on ratkaisevan tärkeä.

Infrastruktuurin mukauttamista rajoittaa useimmissa tapauksissa se, että useimmat vuototie- ja porttijärjestelmät voidaan rakentaa vain yhdessä padon kanssa, joten ne ovat pätevä vaihtoehto vain tulevissa vesivoimahankkeissa. Tärkein poikkeus on PKW-järjestelmä, jonka joustavuutta ja suhteellisen alhaisia kustannuksia on käsitelty asiaan liittyvässä ranskalaisessa tapaustutkimuksessa yhdessä sen (vähäisten) rajoitusten kanssa.

Vesivoiman ilmastopalvelut ovat yleensä melko edullisia verrattuna infrastruktuuri-investointeihin. Joissakin tapauksissa asiaankuuluvat tiedot voidaan saada hankkeista, joita voimaloita hallinnoivat yleishyödylliset laitokset eivät ole suoraan toteuttaneet, esimerkiksi EU:n tason tutkimushankkeista, jotka voivat tarjota (lähes) ilmaisen pääsyn kaikille asiaankuuluville EU:n käyttäjille. Konsultointiyritykset voivat tarjota räätälöidympiä paketteja markkinahintaan, mutta tällaisten sopimusten hintahaarukan voidaan odottaa olevan kymmenistä satoihin tuhansiin euroihin. Ilmastopalvelujen hyödyt vähenevät siten, että minimoidaan tuleva riskialtistus ja konfliktit muiden vedenkäyttäjien kanssa ja optimoidaan sähköntuotantoprofiili veden käytettävyysprofiileissa odotettavissa olevia muutoksia silmällä pitäen.

Ylimääräisen veden virtauksen hallintaan tarkoitettujen infrastruktuurien jälkiasennus voi maksaa useista sadoista tuhansista euroista (200 000 euroa PKW:lle, kuten Ranskan tapaustutkimuksessa todettiin) useisiin miljooniin euroihin riippuen padon erityisominaisuuksista sijainnin, rakenteen ja veden virtauksen osalta. Ensisijaisia hyötyjä ovat selvästi vesivoimalaitosten infrastruktuurille ja tuotantoketjun loppupään infrastruktuureille ja ekosysteemeille aiheutuvien odotettujen vahinkojen väheneminen mutta myös paremmat valmiudet hallita vesisäiliön vedenpintaa; Näin ollen jälkiasennus voi sujuvoittaa laitoksen toimintaa, mikä voi lisätä kannattavuutta. Jos tällaisten infrastruktuurien asentaminen johtaa säiliöön varastoidun veden keskimääräisen määrän kasvuun, tämä voi johtaa suurempaan sähköntuotantoon, jos markkinaolosuhteet sen sallivat, mutta myös säiliön suurempaan rooliin puskurina, joka voi parantaa koko vesistöalueen häiriönsietokykyä.

Ainoat mahdollisesti merkitykselliset oikeudelliset näkökohdat liittyvät lupamenettelyihin, jotka koskevat uusia infrastruktuureja, kuten aiemmin koskemattomissa vesistöalueen osissa sijaitsevia uusia vesijohtoinfrastruktuureja, ja tietenkin suurempien patojen rakentamiseen. Näihin hankkeisiin sovelletaan kansallisia säännöksiä, jotka koskevat uusien infrastruktuurien hyväksymistä.

Copernicus-ohjelmassa on jo saatavilla joitakin ilmastopalveluja, jotka ovat merkityksellisiä myös vesivoimalaitosten suunnittelun ja hallinnan kannalta. Välittäjien tapauskohtaiset konsulttisopimukset voivat tarjota asianmukaisia ilmastoindikaattoreita muutamassa kuukaudessa. Tulvientorjunnan infrastruktuurien osalta rakennusajat riippuvat padon erityispiirteistä ja voivat vaihdella muutamasta kuukaudesta muutamaan vuoteen. Muutama vuosi tarvitaan suurempien patojen rakentamiseen.

Ilmastopalveluiden elinkaari riippuu käyttöliittymien, tietokantojen ja mallien jatkuvasta päivittämisestä ja ylläpidosta. Infrastruktuurin jälkiasennusten osalta ei ole selkeitä viitteitä, mutta asianmukaisesti huollettuna voidaan olettaa, että ne kestävät yhtä kauan kuin padon jäljellä oleva käyttöikä (yleensä useita vuosikymmeniä). Sulaketulpat on suunniteltu huuhtelemaan pois suurissa tulvissa, ja niiden säännöllinen uudelleenrakentaminen olisi otettava huomioon suunniteltaessa vesivoimainfrastruktuuria, johon ne kuuluvat. Uusien patojen elinkaariodotukset ovat keskimäärin 50 vuotta, mutta ne voivat kestää jopa vuosisadan, joskin kunnossapitokustannukset ja rakenteellisen vakauden riskit kasvavat 50 vuoden jälkeen.