Opzioni di adattamento per le centrali idroelettriche

La produzione di energia idroelettrica dipende, per definizione, dalla disponibilità di acqua ed è quindi influenzata dagli impatti dei cambiamenti climatici sui bacini idrici, principalmente attraverso due percorsi (opposti). I cambiamenti climatici possono causare scarsità d'acqua, portando a flussi fluviali più bassi e a un minore accumulo di acqua nelle dighe, e quindi a una minore quantità di acqua che può passare attraverso turbine o scorrimento degli impianti fluviali per generare elettricità. Al contrario, i cambiamenti climatici possono aumentare la frequenza e l'intensità degli eventi di precipitazione estrema e accelerare lo scioglimento delle nevi, portando a un aumento del rischio di alluvioni. Alcune località in tutta l'UE saranno più soggette a problemi di scarsità d'acqua e altre all'improvvisa abbondanza di acqua: in genere si prevede che la siccità rappresenti una grave minaccia nella maggior parte delle regioni, ad eccezione dell'Europa settentrionale, e che le inondazioni che si verificano una volta ogni secolo saranno più frequenti in tutti i principali bacini idrografici europei (AEA, 2016). Tuttavia, entrambi i fenomeni possono verificarsi in tutta Europa, con frequenze mutevoli in un clima che cambia.

Questa variabilità dei cambiamenti idrometeorologici attesi in tutta Europa è la logica alla base della prima opzione di adattamento qui discussa. In una prospettiva di adattamento ai cambiamenti climatici, è fondamentale per le utility che gestiscono centrali idroelettriche ottenere una comprensione dettagliata delle condizioni future in cui ogni impianto opererà. I cambiamenti climatici si tradurranno in variazioni stagionali del cerchio d'acqua, con periodi di siccità più lunghi durante i quali l'acqua sarà più scarsa del solito, lo scioglimento anticipato della neve sui pendii montuosi in primavera e quindi il verificarsi precoce di grandi afflussi di acqua di fusione e lo scioglimento accelerato dei ghiacciai che si tradurrà in un aumento iniziale della disponibilità di acqua seguito da un peggioramento della disponibilità di acqua. In assenza di infrastrutture di controllo dei flussi a monte, flussi primaverili precoci e più abbondanti possono essere problematici per gli impianti fluviali, causando uno squilibrio tra la produzione e la domanda di energia elettrica.

Tutti questi fenomeni richiederanno una revisione approfondita della pianificazione del funzionamento, della manutenzione e, eventualmente, degli interventi ingegneristici a prova di clima delle centrali idroelettriche. Inoltre, scenari accurati saranno fondamentali per trovare soluzioni condivise per usi concorrenti durante i periodi di scarsità d'acqua, aiutando a valutare le esigenze effettive e la probabile tempistica delle richieste da parte dei vari utenti accanto alle utenze elettriche: agricoltori, pesca, uso residenziale, trasporto per via d'acqua, attività ricreative, ecc. Pertanto, una prima opzione di adattamento è la creazione di scenari climatici e idrometeorologici ad alta risoluzione per ciascun sito di diga e per il bacino fluviale a cui appartengono, in modo che possano essere facilmente accessibili e compresi dalla gestione delle utenze elettriche e da tutti gli altri utenti all'interno del bacino. A tal fine, servizi climatici specifici possono essere concepiti per fornire proiezioni accurate degli indicatori pertinenti in un formato accessibile.

In alcuni casi, le condizioni climatiche previste possono suggerire che una revisione delle attività pianificate potrebbe non essere sufficiente e che l'adattamento infrastrutturale potrebbe essere in ordine. Ciò è particolarmente vero quando si prevede un aumento del verificarsi di eventi di precipitazione estrema, con conseguente aumento del verificarsi di inondazioni nei siti delle dighe. Gli effetti negativi dell'allagamento delle dighe comprendono il superamento, le interruzioni, i danni alle attrezzature e gli impatti negativi a valle. L'improvvisa abbondanza di acqua dovuta alle inondazioni deve essere scaricata in modo sicuro al fine di ridurre al minimo i danni all'impianto e agli ecosistemi a valle e alle infrastrutture e attività umane. Eventi di precipitazione estremi possono anche innescare impatti idrometeorologici come frane o insabbiamento eccessivo, che possono ridurre il volume disponibile per l'acqua all'interno di un serbatoio e / o intasare il sistema di scarico dell'acqua.

Ci sono una serie di opzioni ingegneristiche che possono essere applicate per gestire le fuoriuscite di diga, che possono essere fondamentalmente raggruppate in canali di scarico, sistemi gated e spine di fusibili.

I canali di scarico possono avere varie forme progettuali volte a dissipare in modo sicuro l'energia dell'acqua scaricata garantendo al contempo i volumi di deflusso desiderati. Possono funzionare automaticamente quando l'acqua nella diga raggiunge un determinato livello o possono essere accoppiati con cancelli che deviano il flusso d'acqua nello scarico. Le forme di design includono canali di scarico dello scivolo, canali di scarico a gradini, canali di scarico a bocca di campana, canali di scarico del sifone, creste di ogee, canali laterali, canali di scarico del labirinto e dighe di pianoforte-chiave (PKW). Le caratteristiche tecniche di una diga e l'orografia e l'idrologia dell'area circostante determinano la compatibilità di specifici tipi di canalizzazioni con la diga: ciò implica che non tutti i sistemi di canalizzazioni sono compatibili con tutte le dighe.

I sistemi a capanna sono una serie di porte installate lungo la parete della diga o intorno agli sfioramenti della bocca del campanile che possono essere aperte per gestire il livello dell'acqua del serbatoio e in particolare per rilasciare il volume di acqua in eccesso a valle in caso di allagamento. Ancora una volta, possono essere accoppiati con fuoriuscite per dissipare in modo sicuro l'energia cinetica dell'acqua scaricata. Sono presenti in molte dighe esistenti per la gestione del flusso. I sistemi a cappotto possono fallire in caso di saturazione a causa di inondazioni eccessive.

I tappi del fusibile sono sezioni erodibili di una diga di terra che sono progettate per lavarsi in condizioni di allagamento predeterminate. Fondamentalmente agiscono come tamponi che assorbono e rallentano il trabocco e possono essere sacrificati perché il costo della loro ricostruzione è solo una piccola frazione dei costi che dovrebbero essere sostenuti se la diga principale fosse danneggiata. Possono essere installati solo in presenza di caratteristiche geografiche e geologiche adeguate del sito e di condizioni a valle compatibili (ad esempio una sella a una distanza ragionevole dalla diga principale lungo il bordo del serbatoio per scaricare l'acqua in eccesso; una solida base rocciosa per la spina al fine di resistere all'erosione; un canale per deviare in sicurezza la tracimazione dalla spina al fiume principale al fine di proteggere le strutture a valle).

Di solito, l'installazione di canali di scarico e sistemi di cancelli può avvenire solo durante la fase di costruzione della diga, quindi l'ammodernamento non è generalmente un'opzione. Questo non si applica ai fusibili e ai sistemi PKW. Un caso di studio Climate-ADAPT sulla gestione del rischio di alluvioni per le centrali idroelettriche francesi discute i pro e i contro delle PKW. I PKW presentano alcuni chiari vantaggi rispetto ai tradizionali sistemi di scarico e gated, come la fattibilità dell'installazione come retrofit all'interno delle dighe esistenti e il fatto che forniscono una fuoriuscita a flusso libero senza essere vincolati da limiti massimi di capacità, potendo così far fronte a livelli di flusso elevati e lavorando in condizioni più sicure rispetto ai sistemi gated, e in modo completamente automatico che non richiede l'intervento umano.

Un'opzione di adattamento infrastrutturale estremo è l'espansione della capacità dell'impianto attraverso la costruzione di dighe più grandi. Ciò può avere senso in circostanze particolari in cui si prevede un forte aumento del deflusso idrico nel prossimo futuro e abbastanza a lungo da consentire il recupero dei costi di investimento. Ciò può verificarsi quando si prevede la fusione di grandi ghiacciai, come in un caso di studio dell'Islanda. Tuttavia, l'applicabilità di questa opzione all'UE è probabilmente molto limitata a causa delle condizioni idrometeorologiche e glaciologiche molto diverse.

Per i servizi climatici, ciò che conta è il coinvolgimento dei potenziali utenti pertinenti nel processo di co-progettazione dei servizi. Dipende quindi da come è inteso il servizio: se è visto come uno strumento di pianificazione per scopi rigorosi di generazione di energia idroelettrica, il coinvolgimento delle parti interessate potrebbe non essere un fattore importante. Tuttavia, se si adotta una prospettiva più ampia e il servizio è concepito per servire tutti gli utenti pertinenti del bacino idrografico, il processo di co-progettazione porterà a un'interazione tra i rappresentanti di tutte le categorie di utenti pertinenti. Naturalmente, l'effettiva revisione delle attività pianificate alla luce degli impatti previsti sui cambiamenti climatici dovrà quindi essere il più inclusiva possibile per ridurre al minimo i conflitti futuri.

La costruzione di nuove infrastrutture, in particolare l'ampliamento delle dighe, richiede il coinvolgimento di tutti gli utenti dei bacini idrografici e il raggiungimento di un accordo sui diritti di utilizzo dell'acqua e sulle compensazioni.

I vantaggi di fornire indicatori chiari e pronti all'uso per la pianificazione dell'uso dell'acqua sono abbastanza evidenti, poiché una pianificazione efficiente può essere basata solo su informazioni accurate e ben comprese. La questione principale è comune a tutti i servizi climatici; riguarda la difficoltà intrinseca, da un lato, di individuare le informazioni scientifiche all'avanguardia effettivamente pertinenti per le attività degli utenti e, dall'altro, di confezionare tali informazioni in modo tale che il formato e la lingua utilizzati per presentarle siano non tecnici e abbastanza accessibili per gli utenti che non hanno familiarità con le discipline scientifiche applicate. A tal fine è fondamentale la fase di co-progettazione.

L'adeguamento infrastrutturale è nella maggior parte dei casi limitato dal fatto che la maggior parte dei sistemi di scarico e di cancello può essere costruita solo insieme alla diga, e quindi sono un'opzione valida solo per i futuri progetti idroelettrici. L'eccezione principale è il sistema PKW, la cui flessibilità e costi relativamente bassi sono stati discussi in un caso di studio francese correlato, insieme alle sue limitazioni (riferite come minori).

I servizi climatici per l'energia idroelettrica sono generalmente piuttosto economici rispetto agli investimenti infrastrutturali. In alcuni casi, i dati pertinenti possono essere ricavati da progetti non intrapresi direttamente dai servizi pubblici che gestiscono gli impianti, ad esempio da progetti di ricerca a livello dell'UE che possono fornire un accesso (quasi) libero a tutti gli utenti pertinenti dell'UE. Le società di consulenza possono fornire pacchetti più personalizzati a tassi di mercato, ma ci si può aspettare che la fascia di prezzo di tali contratti sia compresa tra le decine e le centinaia di migliaia di euro. I vantaggi dei servizi climatici si riducono a ridurre al minimo l'esposizione al rischio futuro e il conflitto con altri utenti dell'acqua e ad ottimizzare il profilo di produzione di energia in vista dei cambiamenti attesi nei profili di disponibilità idrica.

L'installazione di infrastrutture per il controllo del flusso idrico in eccesso può costare da diverse centinaia di migliaia di euro (200 000 per PKW, come riportato nel caso di studio francese) a diversi milioni di euro a seconda delle caratteristiche specifiche della diga, in termini di ubicazione, struttura e flusso d'acqua. I benefici principali sono chiaramente la riduzione dei danni attesi alle infrastrutture della centrale idroelettrica e alle infrastrutture e agli ecosistemi a valle, ma anche una maggiore capacità di gestire i livelli idrici all'interno del serbatoio; pertanto, l'ammodernamento può portare a un funzionamento più agevole dell'impianto, che può aumentare la redditività. Quando l'installazione di tali infrastrutture porta a volumi medi di acqua più elevati stoccati all'interno del serbatoio, ciò potrebbe comportare una maggiore produzione di energia elettrica se le condizioni di mercato lo consentono, ma anche un maggiore ruolo del serbatoio come cuscinetto in grado di migliorare la resilienza dell'intero bacino idrografico.

Gli unici aspetti giuridici potenzialmente rilevanti sono quelli relativi al processo di autorizzazione di nuove infrastrutture, come le nuove infrastrutture di scarico delle acque che occupano porzioni precedentemente incontaminate del bacino idrografico e, naturalmente, la costruzione di dighe più grandi. Questi progetti sono soggetti alle normative nazionali per l'autorizzazione di nuove infrastrutture.

Alcuni servizi climatici pertinenti anche per la pianificazione e la gestione delle centrali idroelettriche sono già disponibili nell'ambito di Copernicus. I contratti di consulenza ad hoc degli intermediari possono fornire indicatori climatici pertinenti in pochi mesi. Per le infrastrutture di controllo delle inondazioni, i tempi di costruzione dipendono dalle caratteristiche specifiche della diga e possono variare da pochi mesi a pochi anni. Sono necessari alcuni anni per costruire dighe più grandi.

La durata dei servizi climatici dipende dal costante aggiornamento e manutenzione delle interfacce utente, dei database e dei modelli. Per i retrofit infrastrutturali, non vi è alcuna chiara indicazione, ma se adeguatamente mantenuti si può presumere che dureranno fino alla durata residua della diga (di solito diversi decenni). I tappi dei fusibili sono progettati per essere lavati via in occasione di grandi eventi alluvionali e la loro ricostruzione periodica dovrebbe essere presa in considerazione nella pianificazione delle infrastrutture idroelettriche a cui appartengono. Le aspettative di vita delle nuove dighe sono in media di 50 anni, ma possono durare fino a un secolo, anche se dopo 50 anni aumentano i costi di manutenzione e i rischi per la stabilità strutturale.