Az éghajlatváltozás hatásaival szemben reziliens vízenergia-rendszerek

A vízenergia-termelés természeténél fogva a víz rendelkezésre állásától függ, ezért az éghajlatváltozás vízmedencékre gyakorolt hatásai befolyásolják, főként két (ellentétes) útvonalon keresztül. Az éghajlatváltozás vízhiányhoz vezethet, ami a folyók kisebb áramlásához és a gátakba történő kisebb vízfelhalmozódáshoz, és ezáltal kisebb mennyiségű vízhez vezethet, amely a turbinákon vagy a folyami erőműveken keresztül áramot termelhet. Ezzel szemben az éghajlatváltozás növelheti a szélsőséges csapadékesemények gyakoriságát és intenzitását, és felgyorsíthatja a hóolvadást, ami fokozott árvízkockázathoz vezet. Unió-szerte egyes helyszínek hajlamosabbak lesznek a vízhiánnyal kapcsolatos problémákra, mások pedig a hirtelen vízbőségre: Észak-Európa kivételével a legtöbb régióban várhatóan komoly fenyegetést jelentenek az aszályok, és a jelenleg évszázadonként egyszer előforduló árvizek gyakoribbak lesznek valamennyi nagyobb európai vízgyűjtő területen (EEA, 2016). Mindkét jelenség azonban Európa-szerte előfordulhat, és a változó éghajlat miatt a frekvenciák is változnak.

A várható hidrometeorológiai változások Európa-szerte tapasztalható változékonysága indokolja az itt tárgyalt első alkalmazkodási lehetőséget. Az éghajlatváltozáshoz való alkalmazkodás szempontjából alapvető fontosságú, hogy a vízerőműveket üzemeltető közművek részletesen megismerjék az egyes erőművek jövőbeli működési feltételeit. Az éghajlatváltozás a vízkör szezonális változását eredményezi, hosszabb száraz időszakokkal, amelyek során a víz a szokásosnál szűkösebb lesz, a hegyek lejtőin a forrásokban a hó korábbi olvadása, és így a nagy olvadóvíz beáramlásának korábbi előfordulása, valamint a gleccserek gyorsuló olvadása, ami a víz rendelkezésre állásának kezdeti növekedését eredményezi, majd a víz rendelkezésre állásának romlását. Az upstream áramlásszabályozó infrastruktúrák hiányában a korai és bőségesebb tavaszi áramlások problémát jelenthetnek a folyó menti erőművek számára, mivel nem felelnek meg a villamosenergia-termelés és a kereslet között.

Mindezek a jelenségek alapos felülvizsgálatot igényelnek a vízerőművek üzemeltetésének, karbantartásának és esetleg az éghajlatváltozás hatásaival szemben ellenálló műszaki beavatkozásainak tervezése során. Ezenkívül a pontos forgatókönyvek kulcsfontosságúak lesznek ahhoz, hogy közös megoldásokat találjanak a vízhiányos időszakokban versengő felhasználásokra, segítve a tényleges igények felmérését és a különböző felhasználók igényeinek várható időzítését az elektromos közművek mellett: mezőgazdasági termelők, halászat, lakossági felhasználás, vízi közlekedés, szabadidős tevékenységek stb. Ezért az első alkalmazkodási lehetőség nagy felbontású éghajlati és hidrometeorológiai forgatókönyvek kidolgozása minden egyes gátterületre és azon vízgyűjtőre vonatkozóan, amelyhez tartoznak, oly módon, hogy azok könnyen hozzáférhetők és érthetők legyenek az elektromos közművek vezetése és a vízgyűjtőn belüli összes többi felhasználó számára. E célból konkrét éghajlati szolgáltatásokat lehet úgy kialakítani, hogy hozzáférhető formátumban pontos előrejelzéseket nyújtsanak a releváns mutatókról.

Egyes esetekben az előre jelzett éghajlati viszonyok arra utalhatnak, hogy a tervezett tevékenységek felülvizsgálata nem elegendő, és hogy az infrastrukturális alkalmazkodás megfelelő lehet. Ez különösen igaz akkor, ha a szélsőséges csapadékesemények gyakoribb előfordulása várható, ami a gátaknál az áradások gyakoribb előfordulását eredményezi. A gátak elárasztásának káros hatásai közé tartozik a túltöltés, az üzemszünetek, a berendezések károsodása és a káros downstream hatások. Az áradások miatti hirtelen vízbőséget biztonságosan kell elvezetni annak érdekében, hogy a lehető legkisebbre csökkenjen az üzemet és a downstream ökoszisztémákat, valamint az emberi infrastruktúrákat és tevékenységeket érő kár. A szélsőséges csapadékesemények olyan hidrometeorológiai hatásokat is kiválthatnak, mint a földcsuszamlások vagy a túlzott iszapképződés, amelyek csökkenthetik a tározóban rendelkezésre álló víz mennyiségét és/vagy eltömíthetik a vízelvezető rendszert.

Számos mérnöki lehetőség alkalmazható a gátkiömlések kezelésére, amelyek alapvetően kiömlőcsatornákba, kapuzott rendszerekbe és biztosítékdugókba csoportosíthatók.

A kiömlőnyílások különböző kialakításúak lehetnek, amelyek célja a kibocsátott víz energiájának biztonságos eloszlatása, miközben biztosítják a kívánt kiáramlási mennyiségeket. Automatikusan működhetnek, amikor a gátban lévő víz elér egy adott szintet, vagy összekapcsolhatók olyan kapukkal, amelyek a vízáramlást a kiömlőnyílásba irányítják. A tervezési formák közé tartoznak az csúszda kiömlőnyílások, a lépcsőzetes kiömlőnyílások, a harang-száj kiömlőnyílások, a szifon kiömlőnyílások, az ogee címerek, az oldalcsatornák, a labirintus kiömlőnyílások és a zongora-kulcs gátak (PKW). A gát műszaki jellemzői, valamint a környező terület domborzati és hidrológiai jellemzői határozzák meg az egyes kiömlővíz-típusoknak a gáttal való kompatibilitását: ez azt jelenti, hogy nem minden kiömlőrendszer kompatibilis minden gáttal.

A rácsos rendszerek a gátfal mentén vagy a harangtorkolat kiömlőnyílásai körül elhelyezett kapuk sorozata, amelyek kinyithatók a tározó vízszintjének kezelése és különösen árvíz esetén a vízfelesleg lefelé történő felszabadítása érdekében. Ismét összekapcsolhatók kiömlőnyílásokkal, hogy biztonságosan eloszlassák a kibocsátott víz mozgási energiáját. Számos meglévő gáton működnek az áramláskezeléshez. A bevonatos rendszerek a túlzott elárasztás miatt telítettség esetén meghibásodhatnak.

A biztosítékdugók a földgát erodálható részei, amelyeket arra terveztek, hogy előre meghatározott árvízi körülmények között kimossák. Alapvetően pufferekként működnek, amelyek elnyelik és lelassítják a túlfolyást, és feláldozhatók, mert az újjáépítésük költsége csak egy kis töredéke azoknak a költségeknek, amelyeket a fő gát károsodása esetén kellene fenntartani. Ezek csak a helyszín megfelelő földrajzi és geológiai adottságai és a kapcsolódó feltételek (pl. a fő duzzasztógáttól ésszerű távolságra lévő nyereg a tározó pereme mentén a felesleges víz kibocsátása érdekében) mellett telepíthetők; szilárd sziklaalap a dugó számára, hogy ellenálljon az eróziónak; a túlfolyásnak a dugóból a főfolyóba történő biztonságos elvezetésére szolgáló csatorna a lejjebb lévő szerkezetek védelme érdekében).

A kiömlőcsatornák és kapurendszerek beszerelésére általában csak a gátépítési szakaszban kerülhet sor, így az utólagos felszerelés általában nem opció. Ez nem vonatkozik a biztosítékcsatlakozókra és a PKW rendszerekre. A francia vízerőművek árvízkockázat-kezeléséről szóló Climate-ADAPT esettanulmány a PKW-k előnyeit és hátrányait tárgyalja. A PKW-k egyértelmű előnyökkel rendelkeznek a hagyományos kiömlőnyílásokhoz és kapuzott rendszerekhez képest, mint például a meglévő gátakon belüli utólagos felszerelés megvalósíthatósága, valamint az a tény, hogy szabad kiömlőnyílást biztosítanak anélkül, hogy a maximális kapacitási határértékek korlátoznák őket, így képesek megbirkózni a magas áramlási szintekkel és biztonságosabb körülmények között dolgozni, mint a kapuzott rendszerek, és teljesen automatikus módon, amely nem igényel emberi beavatkozást.

Extrém infrastrukturális alkalmazkodási lehetőség az erőmű kapacitásának bővítése nagyobb gátak építésével. Ennek különösen olyan körülmények között lehet értelme, amikor a közeljövőben várhatóan jelentősen megnövekszik a vízhozam, és ez elég hosszú idő ahhoz, hogy a beruházási költségek megtérüljenek. Ez akkor fordulhat elő, ha nagy gleccserek olvadása várható, mint egy izlandi esettanulmányban. Ennek a lehetőségnek az EU-ra való alkalmazhatósága azonban valószínűleg nagyon korlátozott a nagyon eltérő hidrometeorológiai és glaciológiai körülmények miatt.

Az éghajlati szolgáltatások esetében az a fontos, hogy az érintett potenciális felhasználókat bevonják a szolgáltatások közös tervezési folyamatába. Ez a szolgáltatás rendeltetésétől függ: ha szigorú vízenergia-termelési célokra szolgáló tervezési eszköznek tekintik, az érdekelt felek bevonása nem lehet jelentős tényező. Ha azonban szélesebb perspektívát fogadnak el, és a szolgáltatást úgy alakítják ki, hogy a vízgyűjtő valamennyi érintett felhasználóját kiszolgálja, a közös tervezési folyamat az összes érintett felhasználói kategória képviselői közötti interakcióhoz vezet. Természetesen a tervezett tevékenységek tényleges felülvizsgálatának az éghajlatváltozás várható hatásainak fényében a lehető leginkluzívabbnak kell lennie a jövőbeli konfliktusok sikeres minimalizálása érdekében.

Az új infrastruktúrák kiépítéséhez, különösen a gátak bővítéséhez valamennyi vízgyűjtő-használó részvételére szükség van, és megállapodásra kell jutniuk a vízhasználati jogokról és a kompenzációkról.

A vízhasználat tervezésére vonatkozó egyértelmű és használatra kész mutatók biztosításának előnyei meglehetősen nyilvánvalóak, mivel a hatékony tervezés csak pontos és jól érthető információkon alapulhat. A fő kérdés valamennyi éghajlati szolgáltatás esetében közös; egyrészt a felhasználók tevékenységei szempontjából ténylegesen releváns legkorszerűbb tudományos információk azonosításának, másrészt az ilyen információk oly módon történő csomagolásának nehézségével függ össze, hogy a megjelenítéshez használt formátum és nyelv nem technikai jellegű, és elég hozzáférhető ahhoz, hogy a felhasználók ne ismerjék az alkalmazott tudományágakat. E célból döntő fontosságú a közös tervezési szakasz.

Az infrastrukturális alkalmazkodást a legtöbb esetben korlátozza az a tény, hogy a legtöbb átfolyási és kapurendszert csak a gáttal együtt lehet megépíteni, és ezért csak a jövőbeli vízenergia-projektek esetében érvényes lehetőség. A fő kivétel a PKW-rendszer, amelynek rugalmasságát és viszonylag alacsony költségeit egy kapcsolódó francia esettanulmány tárgyalta, annak (állítólag kisebb) korlátaival együtt.

A vízenergiával kapcsolatos éghajlati szolgáltatások általában meglehetősen olcsók az infrastrukturális beruházásokhoz képest. Egyes esetekben releváns adatok nyerhetők ki olyan projektekből, amelyeket nem közvetlenül az erőműveket működtető közművek hajtanak végre, például uniós szintű kutatási projektekből, amelyek (szinte) ingyenes hozzáférést biztosíthatnak valamennyi érintett uniós felhasználó számára. A tanácsadó cégek piaci áron személyre szabottabb csomagokat tudnak kínálni, de az ilyen szerződések ártartománya várhatóan tíz-százezer euró között lesz. Az éghajlati szolgáltatások előnyei a jövőbeli kockázati kitettség és a más vízhasználókkal való konfliktusok minimalizálására, valamint az energiatermelési profil optimalizálására irányulnak, tekintettel a víz rendelkezésre állási profiljainak várható változásaira.

A vízfelesleg szabályozására szolgáló infrastruktúrák utólagos telepítése több százezer eurótól (a francia esettanulmány szerint 200 000 PKW) több millió euróig terjedhet, a gát sajátos jellemzőitől függően, a helyszín, a szerkezet és a vízáramlás tekintetében. Az elsődleges előnyök egyértelműen a vízerőmű-infrastruktúrában, valamint a downstream infrastruktúrákban és ökoszisztémákban várható károk csökkentése, de a tározón belüli vízszint-gazdálkodás képességének növelése is; ezért az utólagos átalakítás az üzem zökkenőmentesebb működését eredményezheti, ami növelheti a jövedelmezőséget. Ha az ilyen infrastruktúrák telepítése nagyobb átlagos vízmennyiséget eredményez a tározóban, ez nagyobb villamosenergia-termelést eredményezhet, ha a piaci feltételek ezt lehetővé teszik, de a tározó pufferként betöltött szerepének növekedését is eredményezheti, amely javíthatja az egész vízgyűjtő rezilienciáját.

Az egyetlen potenciálisan releváns jogi szempont az új infrastruktúrák engedélyezési eljárásával kapcsolatos, mint például a vízgyűjtő korábban érintetlen részeit elfoglaló új vízelvezető infrastruktúrák, és természetesen a nagyobb gátak építése. Ezekre a projektekre az új infrastruktúrák engedélyezésére vonatkozó nemzeti szabályok vonatkoznak.

A Kopernikusz keretében már rendelkezésre állnak a vízerőművek tervezése és kezelése szempontjából is releváns éghajlati szolgáltatások. A közvetítők által kötött eseti tanácsadási szerződések néhány hónap alatt releváns éghajlati mutatókat nyújthatnak. Az árvízvédelmi infrastruktúrák esetében az építési idő a gát sajátos jellemzőitől függ, és néhány hónap és néhány év között változhat. A nagyobb gátak építéséhez néhány évre van szükség.

Az éghajlati szolgáltatások élettartama a felhasználói felületek, adatbázisok és modellek folyamatos frissítésétől és karbantartásától függ. Az infrastrukturális utólagos átalakítások esetében nincs egyértelmű jelzés, de megfelelő karbantartás esetén feltételezhető, hogy azok a gát fennmaradó élettartamáig (általában több évtizedig) tartanak. A biztosítékcsatlakozókat tervezésüknél fogva nagyobb áradások esetén el kell mosni, és időszakos rekonstrukciójukat figyelembe kell venni azon vízenergia-infrastruktúra tervezésekor, amelyhez tartoznak. Az új gátak várható élettartama átlagosan 50 év, de 50 év után akár egy évszázadig is eltarthatnak, bár növekvő karbantartási költségekkel és strukturális stabilitási kockázatokkal.