Aanpassingsopties voor waterkrachtcentrales

Waterkrachtopwekking is per definitie afhankelijk van de beschikbaarheid van water en wordt daarom beïnvloed door de gevolgen van klimaatverandering voor waterbekkens, voornamelijk via twee (tegenovergestelde) trajecten. Klimaatverandering kan leiden tot waterschaarste, wat leidt tot lagere rivierstromen en minder accumulatie van water in dammen, en dus tot een lagere hoeveelheid water die door turbines of doorloop van de rivierinstallaties kan gaan om elektriciteit op te wekken. Omgekeerd kan klimaatverandering de frequentie en intensiteit van extreme neerslaggebeurtenissen verhogen en de sneeuwsmelting versnellen, wat leidt tot een verhoogd overstromingsrisico. Sommige locaties in de EU zullen gevoeliger zijn voor problemen met waterschaarste en andere voor plotselinge overvloed aan water: doorgaans zullen droogtes naar verwachting een ernstige bedreiging vormen in de meeste regio’s, met uitzondering van Noord-Europa, en wat nu eenmalige overstromingen zijn, zal vaker voorkomen in alle grote Europese stroomgebieden (EEA, 2016). Beide verschijnselen kunnen zich echter in heel Europa voordoen, met veranderende frequenties in een veranderend klimaat.

Deze variabiliteit van de verwachte hydrometeorologische veranderingen in Europa is de reden voor de eerste aanpassingsoptie die hier wordt besproken. In het perspectief van aanpassing aan de klimaatverandering is het van cruciaal belang dat nutsbedrijven die waterkrachtcentrales exploiteren, een gedetailleerd inzicht krijgen in de toekomstige omstandigheden waarin elke installatie zal werken. Klimaatverandering zal resulteren in seizoensgebonden variatie van de watercirkel, met langere droge perioden waarin water schaarser zal zijn dan normaal, eerder ontdooien van sneeuw op de berghellingen in bronnen en dus eerder optreden van grote instromen van smeltend water en versneld smelten van gletsjers die zal resulteren in een eerste toename van de beschikbaarheid van water, gevolgd door een verslechtering van de beschikbaarheid van water. Bij gebrek aan stroomopwaartse stroombeheersinfrastructuren kunnen vroege en overvloedigere voorjaarsstromen problematisch zijn voor aanloop-van-de-riviercentrales, doordat ze een discrepantie tussen elektriciteitsopwekking en vraag veroorzaken.

Al deze verschijnselen vereisen een grondige herziening van de planning van de exploitatie, het onderhoud en mogelijk klimaatbestendige technische interventies van waterkrachtcentrales. Bovendien zullen nauwkeurige scenario’s van cruciaal belang zijn om gemeenschappelijke oplossingen te vinden voor concurrerend gebruik tijdens perioden van waterschaarste, door te helpen bij het inschatten van de werkelijke behoeften en de waarschijnlijke timing van de behoeften van de verschillende gebruikers naast elektriciteitsbedrijven: landbouwers, visserij, residentieel gebruik, watertransport, recreatie, enz. Een eerste aanpassingsoptie is dus het opstellen van klimaat- en hydrometeorologische scenario’s met een hoge resolutie voor elke damlocatie en voor het stroomgebied waartoe zij behoren, op een manier die gemakkelijk toegankelijk en begrijpelijk is voor het beheer van elektriciteitsbedrijven en voor alle andere gebruikers in het stroomgebied. Daartoe kunnen specifieke klimaatdiensten worden ontworpen om nauwkeurige prognoses van de relevante indicatoren in een toegankelijk formaat te verstrekken.

In sommige gevallen kunnen de verwachte klimaatomstandigheden erop wijzen dat een herziening van de geplande activiteiten mogelijk niet voldoende is en dat de aanpassing van de infrastructuur in orde kan zijn. Dit is met name het geval wanneer een toename van extreme neerslaggebeurtenissen wordt verwacht, wat leidt tot een toename van overstromingen op damlocaties. Nadelige effecten van damoverstromingen zijn onder meer overtopping, uitval, schade aan apparatuur en negatieve stroomafwaartse effecten. De plotselinge overvloed aan water als gevolg van overstromingen moet veilig worden geloosd om schade aan de installatie en aan de stroomafwaartse ecosystemen en menselijke infrastructuren en activiteiten tot een minimum te beperken. Extreme neerslaggebeurtenissen kunnen ook hydrometeorologische effecten veroorzaken, zoals aardverschuivingen of overmatig verzilten, waardoor het beschikbare volume voor water in een reservoir kan worden verminderd en/of het waterafvoersysteem kan worden verstopt.

Er zijn een aantal technische opties die kunnen worden toegepast om damlekkages te beheren, die in principe kunnen worden gegroepeerd in spillways, gated-systemen en zekeringstoppen.

Spillways kunnen verschillende ontwerpvormen hebben die gericht zijn op het veilig afvoeren van de energie van het geloosde water terwijl de gewenste uitstroomvolumes worden gewaarborgd. Ze kunnen automatisch werken wanneer het water in de dam een bepaald niveau bereikt of kan worden gekoppeld aan poorten die de waterstroom naar de overloop afleiden. Vormen van het ontwerp omvatten goot spillways, getrapte spillways, bel-mond spillways, syphon spillways, ogee toppen, zijkanalen, labyrint spillways en piano-key weirs (PKW). De technische kenmerken van een dam en van de orografie en hydrologie van het omliggende gebied bepalen de compatibiliteit van specifieke soorten overstromingswegen met de dam: dit betekent dat niet alle overstromingssystemen compatibel zijn met alle dammen.

Gesloten systemen zijn een reeks poorten die langs de damwand of rond de monding van de klok zijn geïnstalleerd en die kunnen worden geopend om het waterpeil van het reservoir te beheren en met name om stroomafwaarts overtollig watervolume vrij te maken in geval van overstromingen. Nogmaals, ze kunnen worden gekoppeld aan spillways om de kinetische energie van het geloosde water veilig af te voeren. Ze zijn aanwezig in veel bestaande dammen voor stroombeheer. Gesloten systemen kunnen falen in geval van verzadiging als gevolg van overmatige overstromingen.

Zekeringstoppen zijn erodeerbare delen van een aarddam die zijn ontworpen om uit te spoelen in vooraf bepaalde overstromingsomstandigheden. In principe fungeren ze als buffers die de overloop absorberen en vertragen en kunnen worden opgeofferd omdat de kosten van het herbouwen ervan slechts een kleine fractie zijn van de kosten die zouden moeten worden gedragen als de hoofddam werd beschadigd. Ze kunnen alleen worden geïnstalleerd in aanwezigheid van geschikte geografische en geologische kenmerken van de locatie en van compatibele stroomafwaartse omstandigheden (bv. een zadel op een redelijke afstand van de hoofddam langs de rand van het reservoir om overtollig water te lozen; een solide rotsfundering voor de stekker om erosie te weerstaan; een kanaal om de overloop van de stekker naar de hoofdrivier veilig af te leiden om stroomafwaartse structuren te beschermen).

Meestal kan de installatie van overloop- en poortsystemen alleen plaatsvinden tijdens de bouwfase van de dam, dus retrofit is over het algemeen geen optie. Dit geldt niet voor zekeringspluggen en PKW-systemen. Een Climate-ADAPT case study over overstromingsrisicobeheer voor Franse waterkrachtcentrales bespreekt de voor- en nadelen van PKW's. PKW's hebben een aantal duidelijke voordelen ten opzichte van traditionele spillways en gated systemen, zoals de haalbaarheid van installatie als retrofits in bestaande dammen en het feit dat ze een vrije doorstroming spillway bieden zonder te worden beperkt door maximale capaciteitslimieten, waardoor ze in staat zijn om te gaan met hoge doorstromingsniveaus en werken in veiligere omstandigheden dan gated systemen, en op een volledig automatische manier die geen menselijk ingrijpen vereist.

Een extreme aanpassingsoptie voor de infrastructuur is de uitbreiding van de installatiecapaciteit door de bouw van grotere dammen. Dit kan zinvol zijn in bijzondere omstandigheden waarin in de nabije toekomst een grote toename van de waterafvoer wordt verwacht en lang genoeg om de investeringskosten te kunnen terugverdienen. Dit kan het geval zijn wanneer de smelt van grote gletsjers wordt verwacht, zoals in een casestudy uit IJsland. De toepasbaarheid van deze optie op de EU is echter waarschijnlijk zeer beperkt vanwege de zeer uiteenlopende hydrometeorologische en glaciologische omstandigheden.

Wat klimaatdiensten betreft, is het van belang dat relevante potentiële gebruikers worden betrokken bij het co-ontwerpproces van de diensten. Het hangt dus af van hoe de dienst is bedoeld: als het wordt gezien als een planningsinstrument voor strikte waterkrachtopwekkingsdoeleinden, is de betrokkenheid van belanghebbenden misschien geen belangrijke factor. Als echter een breder perspectief wordt gekozen en de dienst is ontworpen om alle relevante gebruikers van het stroomgebied te bedienen, zal het co-ontwerpproces leiden tot een interactie tussen vertegenwoordigers van alle relevante gebruikerscategorieën. Natuurlijk moet de daadwerkelijke herziening van geplande activiteiten in het licht van de verwachte gevolgen van klimaatverandering dan zo inclusief mogelijk zijn om toekomstige conflicten met succes tot een minimum te beperken.

Voor de aanleg van nieuwe infrastructuur, met name de uitbreiding van dammen, moeten alle stroomgebiedgebruikers worden betrokken en moeten zij het eens worden over watergebruiksrechten en compensaties.

De voordelen van het verstrekken van duidelijke en gebruiksklare indicatoren voor watergebruiksplanning zijn vrij vanzelfsprekend, aangezien een efficiënte planning alleen kan worden gebaseerd op nauwkeurige en goed begrepen informatie. De belangrijkste kwestie is hier gemeenschappelijk voor alle klimaatdiensten; het heeft te maken met de moeilijkheid die inherent is aan, enerzijds, het identificeren van de meest recente wetenschappelijke informatie die daadwerkelijk relevant is voor de activiteiten van de gebruikers, en, anderzijds, het zodanig verpakken van dergelijke informatie dat het formaat en de taal die worden gebruikt om deze te presenteren, niet-technisch en toegankelijk genoeg zijn voor gebruikers die niet bekend zijn met de toegepaste wetenschappelijke disciplines. Hiertoe is de co-designfase van cruciaal belang.

De aanpassing van de infrastructuur wordt in de meeste gevallen beperkt door het feit dat de meeste overloop- en poortsystemen alleen samen met de dam kunnen worden gebouwd en daarom alleen een geldige optie zijn voor toekomstige waterkrachtprojecten. De belangrijkste uitzondering is het PKW-systeem, waarvan de flexibiliteit en de relatief lage kosten zijn besproken in een verwante Franse casestudy, samen met de (naar verluidt kleine) beperkingen ervan.

Klimaatdiensten voor waterkracht zijn over het algemeen vrij goedkoop in vergelijking met infrastructuurinvesteringen. In sommige gevallen kunnen relevante gegevens worden verkregen uit projecten die niet rechtstreeks worden uitgevoerd door de nutsbedrijven die de installaties exploiteren, bijvoorbeeld uit onderzoeksprojecten op EU-niveau die (bijna) gratis toegang kunnen bieden aan alle relevante EU-gebruikers. Adviesbureaus kunnen meer op maat gemaakte pakketten tegen markttarieven aanbieden, maar de prijsklasse van dergelijke contracten kan naar verwachting binnen tien- tot honderdduizend euro liggen. Voordelen van klimaatdiensten komen neer op het minimaliseren van toekomstige risicoblootstelling en conflicten met andere watergebruikers, en het optimaliseren van het stroomopwekkingsprofiel in het licht van de verwachte veranderingen in waterbeschikbaarheidsprofielen.

Retrofit-installatie van infrastructuur om overtollige waterstroom te beheersen kan enkele honderdduizenden euro (200 000 voor PKW, zoals gerapporteerd in de Franse casestudy) tot enkele miljoenen euro kosten, afhankelijk van de specifieke kenmerken van de dam, in termen van locatie, structuur en waterstroom. De belangrijkste voordelen zijn duidelijk de vermindering van de verwachte schade aan de infrastructuur van de waterkrachtcentrale en aan de stroomafwaartse infrastructuren en ecosystemen, maar ook een groter vermogen om de waterstanden in het reservoir te beheren. Wanneer de installatie van dergelijke infrastructuur leidt tot hogere gemiddelde watervolumes die in het reservoir zijn opgeslagen, kan dit leiden tot een hogere elektriciteitsproductie als de marktomstandigheden dit toelaten, maar ook tot een grotere rol voor het reservoir als buffer die de veerkracht van het hele stroomgebied kan verbeteren.

De enige mogelijk relevante juridische aspecten zijn die met betrekking tot het vergunningsproces voor nieuwe infrastructuren, zoals nieuwe waterlozingsinfrastructuren die voorheen ongerepte delen van het stroomgebied bezetten, en natuurlijk de bouw van grotere dammen. Deze projecten vallen onder de nationale regelgeving voor het toestaan van nieuwe infrastructuur.

Sommige klimaatdiensten die ook relevant zijn voor de planning en het beheer van waterkrachtcentrales, zijn al beschikbaar binnen Copernicus. Ad-hocadviescontracten van tussenpersonen kunnen binnen enkele maanden relevante klimaatindicatoren opleveren. Voor overstromingsbeheersingsinfrastructuren zijn de bouwtijden afhankelijk van de specifieke kenmerken van de dam en kunnen ze variëren tussen enkele maanden en enkele jaren. Een paar jaar zijn nodig om grotere dammen te bouwen.

De levensduur van klimaatdiensten is afhankelijk van het voortdurend bijwerken en onderhouden van de gebruikersinterfaces, databases en modellen. Voor infrastructurele retrofits is er geen duidelijke indicatie, maar als deze goed worden onderhouden, kan worden aangenomen dat ze net zo lang meegaan als de resterende levensduur van de dam (meestal enkele decennia). Zekeringstoppen moeten volgens het ontwerp worden weggespoeld bij grote overstromingen en hun periodieke reconstructie moet in aanmerking worden genomen bij de planning van de waterkrachtinfrastructuur waartoe ze behoren. De levensduurverwachting voor nieuwe dammen is gemiddeld 50 jaar, maar ze kunnen tot een eeuw meegaan, zij het met stijgende onderhoudskosten en structurele stabiliteitsrisico’s na 50 jaar.