Hidroenergetski sustavi otporni na klimatske promjene

Proizvodnja hidroenergije po definiciji ovisi o dostupnosti vode i stoga je pogođena učincima klimatskih promjena na vodne bazene, uglavnom putem dvaju (suprotnih) putova. Klimatske promjene mogu dovesti do nestašice vode, što dovodi do nižih tokova rijeka i manje akumulacije vode u brane, a time i do manje količine vode koja može proći kroz turbine ili otjecanje riječnih elektrana za proizvodnju električne energije. S druge strane, klimatske promjene mogu povećati učestalost i intenzitet ekstremnih oborina i ubrzati topljenje snijega, što dovodi do povećanog rizika od poplava. Neke lokacije diljem EU-a bit će sklonije problemima nestašice vode, a druge iznenadnom obilju vode: obično se očekuje da će suše biti ozbiljna prijetnja u većini regija osim u sjevernoj Europi, a poplave koje se sada događaju jednom u stoljeću bit će češće u svim većim europskim riječnim slivovima (EEA, 2016.). Međutim, oba fenomena mogu se pojaviti diljem Europe, s promjenjivom učestalošću u promjenjivoj klimi.

Ta varijabilnost očekivanih hidrometeoroloških promjena diljem Europe razlog je za prvu opciju prilagodbe o kojoj se ovdje raspravlja. U perspektivi prilagodbe klimatskim promjenama ključno je da komunalne službe koje upravljaju hidroelektranama detaljno razumiju buduće uvjete u kojima će svaka elektrana raditi. Klimatske promjene rezultirat će sezonskim varijacijama vodenog kruga, s duljim suhim razdobljima tijekom kojih će voda biti oskudnija nego inače, ranijim odmrzavanjem snijega na planinskim padinama u izvorima, a time i ranijom pojavom velikih priljeva otopljene vode, kao i ubrzanim topljenjem ledenjaka, što će rezultirati početnim povećanjem dostupnosti vode nakon čega će uslijediti pogoršanje dostupnosti vode. U nedostatku infrastrukture za kontrolu protoka uzvodno, rani i obilniji proljetni tokovi mogu biti problematični za protočne elektrane jer uzrokuju neusklađenost između proizvodnje i potražnje električne energije.

Za sve te pojave bit će potrebna temeljita revizija planiranja rada, održavanja i eventualno inženjerskih intervencija za zaštitu od klimatskih promjena u hidroelektranama. Nadalje, točni scenariji bit će ključni za pronalaženje zajedničkih rješenja za konkurentne uporabe tijekom razdoblja nestašice vode tako što će pomoći u procjeni stvarnih potreba i vjerojatnog vremenskog okvira zahtjeva različitih korisnika uz električne komunalne usluge: poljoprivrednici, ribarstvo, stambena upotreba, vodni prijevoz, rekreacija itd. Stoga je prva mogućnost prilagodbe postavljanje klimatskih i hidrometeoroloških scenarija visoke razlučivosti za svako područje brane i za riječni sliv kojem pripadaju, tako da im se može lako pristupiti i razumjeti ih upravljanje električnim komunalnim uslugama i svi ostali korisnici u bazenu. U tu svrhu mogu se osmisliti posebne klimatske usluge kako bi se pružile točne projekcije relevantnih pokazatelja u pristupačnom formatu.

U nekim slučajevima predviđeni klimatski uvjeti mogu upućivati na to da revizija planiranih aktivnosti možda nije dovoljna i da bi infrastrukturna prilagodba mogla biti uredna. To je osobito slučaj kada se očekuje povećana pojava ekstremnih oborina, što dovodi do povećane pojave poplava na područjima brana. Štetni učinci poplava brana uključuju prelijevanje, prekide rada, oštećenja opreme i negativne utjecaje nizvodno. Iznenadno obilje vode zbog poplava mora se sigurno ispustiti kako bi se šteta nanesena biljci i ekosustavima na kraju proizvodnog lanca te ljudskoj infrastrukturi i aktivnostima svela na najmanju moguću mjeru. Ekstremne oborine mogu izazvati i hidrometeorološke utjecaje kao što su odroni tla ili prekomjerno muljenje, što može smanjiti količinu vode koja je dostupna u akumulaciji i/ili začepiti sustav za ispuštanje vode.

Postoji niz inženjerskih opcija koje se mogu primijeniti za upravljanje izlijevanjem brane, koje se u osnovi mogu grupirati u prolivene cijevi, ugrađene sustave i osigurače.

Prolijevanja mogu imati različite oblike dizajna usmjerene na sigurno rasipanje energije ispuštene vode uz osiguravanje željenih volumena odljeva. Oni mogu raditi automatski kada voda u bravi dosegne određenu razinu ili se mogu spojiti s vratima koja preusmjeravaju protok vode u proliveni kanal. Dizajnirani oblici uključuju izljeve padobrana, izljeve, izljeve zvona i usta, izljeve sifona, ogee grbove, bočne kanale, izljeve labirinta i piano-key weirs (PKW). Tehničke značajke brane te orografija i hidrologija okolnog područja određuju kompatibilnost određenih vrsta izljeva s branom: to znači da nisu svi sustavi prolijevanja kompatibilni sa svim branama.

Zalijepljeni sustavi niz su vrata postavljenih duž zida brane ili oko otvora za prolijevanje zvona koji se mogu otvoriti za upravljanje razinom vode u akumulaciji, a posebno za ispuštanje viška vode nizvodno u slučaju poplava. Opet, oni mogu biti povezani s prolivenim kanalima kako bi sigurno raspršili kinetičku energiju ispuštene vode. Nalaze se u mnogim postojećim branama za upravljanje protokom. Gated sustavi mogu propasti u slučajevima zasićenja zbog prekomjernih poplava.

Utikači osigurača su nagrizajući dijelovi zemljane brane koji su dizajnirani da se isperu u unaprijed određenim uvjetima naplavljivanja. Uglavnom djeluju kao puferi koji apsorbiraju i usporavaju prelijevanje i mogu se žrtvovati jer je trošak njihove ponovne izgradnje samo mali dio troškova koji bi se morali održati da je glavna brana oštećena. Mogu se ugraditi samo ako postoje odgovarajuća geografska i geološka obilježja lokacije i kompatibilni daljnji uvjeti (npr. sedlo na razumnoj udaljenosti od glavne brane duž ruba spremnika za ispuštanje viška vode; čvrsti kamen temeljac za utikač kako bi izdržao eroziju; kanal za sigurno preusmjeravanje prelijevanja s utikača na glavnu rijeku kako bi se zaštitile nizvodne strukture).

Obično se ugradnja prolijevanja i sustava vrata može odvijati samo tijekom faze izgradnje brane, tako da naknadna ugradnja općenito nije opcija. To se ne odnosi na osigurače i PKW sustave. U studiji slučaja Climate-ADAPT o upravljanju rizicima od poplava za francuske hidroelektrane raspravlja se o prednostima i nedostacima PKW-ova. PKW-ovi imaju neke jasne prednosti u usporedbi s tradicionalnim prolivenim sustavima, kao što je izvedivost ugradnje kao naknadna ugradnja unutar postojećih brana i činjenica da omogućuju prolijevanje slobodnog protoka bez ograničenja maksimalnim ograničenjima kapaciteta, čime se mogu nositi s visokim razinama protoka i raditi u sigurnijim uvjetima od ugrađenih sustava te na potpuno automatski način koji ne zahtijeva ljudsku intervenciju.

Ekstremna opcija infrastrukturne prilagodbe je proširenje kapaciteta postrojenja izgradnjom većih brana. To može imati smisla u posebnim okolnostima u kojima se očekuje veliko povećanje otjecanja vode u bliskoj budućnosti i dovoljno dugo kako bi se omogućio povrat troškova ulaganja. To može biti slučaj kada se očekuje topljenje velikih ledenjaka, kao u studiji slučaja s Islanda. Međutim, primjenjivost te opcije na EU vjerojatno je vrlo ograničena zbog vrlo različitih hidrometeoroloških i glacijalnih uvjeta.

Kad je riječ o klimatskim uslugama, važno je sudjelovanje relevantnih potencijalnih korisnika u postupku zajedničkog osmišljavanja usluga. Stoga ovisi o tome kako je usluga namijenjena: ako se smatra alatom za planiranje u stroge svrhe proizvodnje hidroenergije, sudjelovanje dionika možda neće biti glavni čimbenik. Međutim, ako se usvoji šira perspektiva i ako je usluga osmišljena tako da služi svim relevantnim korisnicima riječnog sliva, postupak zajedničkog osmišljavanja dovest će do interakcije među predstavnicima svih relevantnih kategorija korisnika. Naravno, stvarna revizija planiranih aktivnosti s obzirom na očekivane učinke klimatskih promjena morat će biti što uključivija kako bi se budući sukobi uspješno sveli na najmanju moguću mjeru.

Izgradnja nove infrastrukture, posebno proširenja brana, zahtijeva sudjelovanje svih korisnika riječnih slivova i postizanje dogovora među njima o pravima na upotrebu vode i naknadama.

Prednosti pružanja jasnih i spremnih pokazatelja za planiranje upotrebe vode prilično su jasne jer se učinkovito planiranje može temeljiti samo na točnim i dobro razumljivim informacijama. Ovdje je glavno pitanje zajedničko svim klimatskim službama; ima veze s poteškoćama koje su svojstvene, s jedne strane, utvrđivanju najnovijih znanstvenih informacija koje su stvarno relevantne za aktivnosti korisnika i, s druge strane, pakiranju takvih informacija tako da format i jezik koji se upotrebljava za njihovo predstavljanje budu netehnički i dostupni korisnicima koji nisu upoznati s primijenjenim znanstvenim disciplinama. U tu je svrhu ključna faza zajedničkog osmišljavanja.

Infrastrukturna prilagodba u većini je slučajeva ograničena činjenicom da se većina sustava prolijevanja i vrata može izgraditi samo zajedno s branom te su stoga valjana opcija samo za buduće hidroenergetske projekte. Glavna je iznimka sustav PKW, o čijoj se fleksibilnosti i relativno niskim troškovima raspravljalo u povezanoj francuskoj studiji slučaja, zajedno s njegovim (navodno manjim) ograničenjima.

Klimatske usluge za hidroenergiju općenito su prilično jeftine u usporedbi s infrastrukturnim ulaganjima. U nekim se slučajevima relevantni podaci mogu dobiti iz projekata koje ne provode izravno komunalna poduzeća koja upravljaju postrojenjima, na primjer iz istraživačkih projekata na razini EU-a kojima se može omogućiti (gotovo) besplatan pristup svim relevantnim korisnicima iz EU-a. Konzultantske tvrtke mogu ponuditi prilagođenije pakete po tržišnim cijenama, ali može se očekivati da će raspon cijena takvih ugovora biti unutar desetaka do sto tisuća eura. Koristi od klimatskih usluga svode se na smanjenje buduće izloženosti riziku i sukoba s drugim korisnicima vode te na optimizaciju profila proizvodnje energije s obzirom na očekivane promjene u profilima dostupnosti vode.

Naknadna ugradnja infrastrukture za kontrolu viška protoka vode može koštati od nekoliko stotina tisuća eura (200.000 za PKW, kako je navedeno u francuskoj studiji slučaja) do nekoliko milijuna eura, ovisno o posebnim značajkama brane, u smislu lokacije, strukture i protoka vode. Primarne koristi očito su smanjenje očekivanih šteta za infrastrukturu hidroelektrana i infrastrukturu i ekosustave na kraju proizvodnog lanca, ali i povećana sposobnost upravljanja razinama vode u akumulaciji; stoga naknadna ugradnja može dovesti do lakšeg rada postrojenja, što može povećati profitabilnost. Ako postavljanje takve infrastrukture dovede do većih prosječnih količina vode uskladištene u spremniku, to bi moglo dovesti do veće proizvodnje električne energije ako to dopuštaju tržišni uvjeti, ali i do veće uloge spremnika kao pufera koji može poboljšati otpornost cijelog riječnog sliva.

Jedini potencijalno relevantni pravni aspekti su oni povezani s postupkom odobravanja novih infrastruktura, kao što su nove infrastrukture za ispuštanje vode koje zauzimaju prethodno netaknute dijelove riječnog sliva i, naravno, izgradnja većih brana. Ti projekti podliježu nacionalnim propisima za izdavanje dozvola za nove infrastrukture.

Neke klimatske usluge relevantne i za planiranje hidroelektrana i upravljanje njima već su dostupne u okviru programa Copernicus. Ad hoc ugovori posrednika o savjetovanju mogu pružiti relevantne klimatske pokazatelje u nekoliko mjeseci. Kad je riječ o infrastrukturama za kontrolu poplava, vrijeme izgradnje ovisi o posebnim značajkama brane i može varirati od nekoliko mjeseci do nekoliko godina. Za izgradnju većih brana potrebno je nekoliko godina.

Životni vijek klimatskih usluga ovisi o stalnom ažuriranju i održavanju korisničkih sučelja, baza podataka i modela. Kad je riječ o infrastrukturnim naknadnim ugradbama, nema jasnih naznaka, ali ako se pravilno održavaju, može se pretpostaviti da će trajati onoliko dugo koliko traje preostali vijek trajanja brane (obično nekoliko desetljeća). Utikači za osigurače trebali bi biti isprani na velikim poplavama, a njihova redovita rekonstrukcija trebala bi se uzeti u obzir pri planiranju hidroenergetske infrastrukture kojoj pripadaju. Očekivani životni vijek novih brana u prosjeku je 50 godina, ali mogu trajati i do jednog stoljeća, iako uz sve veće troškove održavanja i rizike za strukturnu stabilnost nakon 50 godina.