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 (oppositivi). I cambiamenti climatici possono portare a 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 run- degli impianti fluviali per generare elettricità. Al contrario, i cambiamenti climatici possono aumentare la frequenza e l'intensità degli eventi di precipitazioni estreme e accelerare la fusione delle nevi, portando ad un aumento del rischio di alluvioni. Alcune località in tutta l'UE saranno più soggette a problemi di scarsità d'acqua e altre a un'improvvisa abbondanza di acqua: in genere ci si aspetta che la siccità rappresenti una grave minaccia nella maggior parte delle regioni, ad eccezione dell'Europa settentrionale, e le alluvioni una volta nel secolo saranno più frequenti in tutti i principali bacini idrografici europei (SEE, 2016). Tuttavia, entrambi i fenomeni possono verificarsi in tutta Europa, con il cambiamento delle frequenze in un clima che cambia.

Questa variabilità dei cambiamenti idrometeorologici attesi in tutta Europa è la logica per la prima opzione di adattamento discussa qui. 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 ciascun impianto opererà. Il cambiamento climatico si tradurrà in variazioni stagionali del cerchio dell'acqua, con periodi più asciutti durante i quali l'acqua sarà più scarsa del solito, lo scongelamento della neve sui pendii montani in primavera e quindi l'insorgenza di ampi afflussi di acqua sciolta e lo scioglimento accelerato dei ghiacciai che comporterà un iniziale aumento della disponibilità idrica seguita da un peggioramento della disponibilità di acqua. In assenza di infrastrutture di controllo dei flussi a monte, i flussi primaverili precoci e più abbondanti possono essere problematici per gli impianti di gestione del fiume, causando un disallineamento tra la produzione di energia elettrica e la domanda.

Tutti questi fenomeni richiederanno una revisione approfondita della pianificazione del funzionamento delle centrali idroelettriche, della manutenzione ed eventualmente degli interventi di ingegneria a prova di clima. Inoltre, scenari accurati saranno fondamentali per trovare soluzioni condivise per usi concorrenti durante i periodi di scarsità d'acqua, contribuendo a misurare le esigenze effettive e la probabile tempistica delle richieste da parte dei vari utenti oltre alle utenze elettriche: agricoltori, pesca, uso residenziale, trasporto idrico, ricreazione, ecc. A tal fine, specifici servizi climatici possono essere progettati 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 degli eventi di precipitazioni estreme, con conseguente aumento del verificarsi di inondazioni nei siti di diga. Gli effetti negativi delle inondazioni di dighe includono sovraccarico, interruzioni, danni alle attrezzature e impatti negativi a valle. L'improvvisa abbondanza di acqua dovuta alle inondazioni deve essere scaricata in modo sicuro per ridurre al minimo i danni all'impianto e agli ecosistemi a valle e alle infrastrutture e alle attività umane. Eventi di precipitazioni estreme 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 di ingegneria che possono essere applicate per gestire le fuoriuscite di dighe, che possono essere fondamentalmente raggruppate in fuoriuscite, sistemi gated e tappi fusibili.

Le fuoriuscite possono avere varie forme progettuali volte a dissipare in modo sicuro l'energia dell'acqua scarica, 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 distolgono il flusso d'acqua nella fuoriuscita. Le forme di design includono fuoriuscite di scivolo, fuoriuscite a gradini, fuoriuscite a campana, fuoriuscite del sifone, creste ogee, canali laterali, fuoriuscite labirintiche e stradine a pianoforte-chiavi (PKW). Le caratteristiche tecniche di una diga e dell'orografia e dell'idrologia dell'area circostante determinano la compatibilità di specifici tipi di fuoriuscita con la diga: ciò implica che non tutti i sistemi di fuoriuscita sono compatibili con tutte le dighe.

I sistemi gated sono una serie di cancelli installati lungo la parete della diga o attorno a fuoriuscite a campana che possono essere aperti per gestire il livello dell'acqua del serbatoio e in particolare per rilasciare a valle il volume dell'acqua in eccesso in caso di allagamento. Ancora una volta, possono essere accoppiati con fuoriuscite per dissipare in modo sicuro l'energia cinetica dell'acqua scaricata. Sono in vigore in molte dighe esistenti per la gestione del flusso. I sistemi gated possono fallire in caso di saturazione a causa di inondazioni eccessive.

Le spine del fusibile sono sezioni erodibili di una diga di terra che sono progettate per lavare fuori in condizioni di allagamento predeterminate. Fondamentalmente agiscono come tamponi che assorbono e rallentano l'overflow 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 adeguate caratteristiche geografiche e geologiche del sito e di condizioni compatibili a valle (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 modo sicuro l'overflow dalla spina al fiume principale al fine di proteggere le strutture a valle).

Di solito, l'installazione di fuoriuscite e sistemi di cancello può avvenire solo durante la fase di costruzione della diga, quindi il retrofitting 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 ei contro dei PKW. PKWS presenta alcuni chiari vantaggi rispetto ai tradizionali sistemi di fuoriuscita 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 di capacità massima, potendo così far fronte ad alti livelli di flusso e lavorare in condizioni più sicure rispetto ai sistemi gated, e in modo completamente automatico che non richiede l'intervento umano.

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

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Strutturale e fisico: ingegneria e costruzioni, Strutturale e fisico: opzioni tecnologiche

Partecipazione degli attori interessatI

Per i servizi climatici, ciò che conta è il coinvolgimento dei potenziali utenti pertinenti nel processo di co-progettazione dei servizi. Quindi dipende da come il servizio è destinato: se è visto come uno strumento di pianificazione per rigorosi scopi di produzione 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 destinato a 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 attesi sui cambiamenti climatici dovrà quindi essere il più inclusiva possibile per ridurre al minimo i conflitti futuri.

La costruzione di nuove infrastrutture, in particolare gli allargamenti delle dighe, richiede il coinvolgimento di tutti gli utenti dei bacini idrografici e che venga raggiunto un accordo sui diritti d'uso dell'acqua e sulle compensazioni.

Successo e fattori limitanti

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; essa ha a che fare con la difficoltà intrinseca, da un lato, di identificare le informazioni scientifiche all'avanguardia effettivamente rilevanti per le attività degli utenti e, dall'altro, di imballare tali informazioni in modo tale che il formato e il linguaggio utilizzato per presentarle siano sufficientemente non tecnici e accessibili per gli utenti che non hanno familiarità con le discipline scientifiche applicate. A tal fine la fase di co-progettazione è fondamentale.

L'adattamento infrastrutturale nella maggior parte dei casi è limitato dal fatto che la maggior parte dei sistemi di fuoriuscita e cancelli possono essere costruiti 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 di minore entità).

Costi e benefici

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

L'installazione a posteriori 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 posizione, struttura e flusso d'acqua. I vantaggi principali sono chiaramente la riduzione dei danni attesi all'infrastruttura della centrale idroelettrica e alle infrastrutture e agli ecosistemi a valle, ma anche una maggiore capacità di gestire i livelli dell'acqua all'interno del bacino idrico; pertanto, il retrofitting può portare a un funzionamento più agevole dell'impianto, il che può aumentare la redditività. Quando l'installazione di tali infrastrutture porta a volumi d'acqua medi più elevati immagazzinati all'interno del serbatoio, ciò potrebbe comportare una maggiore produzione di energia elettrica se le condizioni di mercato lo consentono, ma anche in un ruolo maggiore per il bacino idrico come tampone in grado di migliorare la resilienza dell'intero bacino idrografico.

Aspetti legali

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

Tempo di implementazione

Alcuni servizi climatici rilevanti anche per la pianificazione e la gestione delle centrali idroelettriche sono già disponibili all'interno di Copernicus. I contratti di consulenza ad hoc da parte di 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.

Durata

La durata dei servizi climatici è subordinata all'aggiornamento e alla manutenzione costanti delle interfacce utente, dei database e dei modelli. Per i retrofit infrastrutturali, non vi è alcuna indicazione chiara, ma se adeguatamente mantenuto si può presumere che dureranno fino alla durata residua della diga (di solito diversi decenni). I fusibili sono progettati per essere lavati via durante i principali eventi di alluvione e la loro ricostruzione periodica dovrebbe essere considerata nella pianificazione delle infrastrutture idroelettriche a cui appartengono. L' aspettativa di vita delle nuove dighe è mediamente 50 anni, ma possono durare fino a un secolo, anche se con costi di manutenzione crescenti e rischi di stabilità strutturale dopo 50 anni.

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