Aanpassingsopties voor waterkrachtcentrales

De opwekking van waterkracht is per definitie afhankelijk van de beschikbaarheid van water en wordt daarom beïnvloed door de gevolgen van de klimaatverandering voor waterbekkens, voornamelijk via twee (tegengestelde) trajecten. Klimaatverandering kan leiden tot waterschaarste, wat leidt tot lagere rivierstromen en een lagere accumulatie van water in dammen, en dus tot een lagere hoeveelheid water die door turbines of run-of de riviercentrales kan passeren om elektriciteit op te wekken. Omgekeerd kan klimaatverandering de frequentie en intensiteit van extreme neerslaggebeurtenissen verhogen en het smelten van sneeuw versnellen, wat leidt tot een verhoogd overstromingsrisico. Sommige locaties in de EU zullen gevoeliger zijn voor waterschaarste en andere voor een plotselinge overvloed aan water: naar verwachting zullen droogten in de meeste regio’s, met uitzondering van Noord-Europa, een ernstige bedreiging vormen, en wat nu eens per eeuw overstromingen zijn, zullen 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 verwachte hydrometeorologische veranderingen in heel Europa is de reden voor de eerste aanpassingsoptie die hier wordt besproken. Met het oog op de 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 smeltwater en versneld smelten van gletsjers die zullen resulteren in een eerste toename van de beschikbaarheid van water, gevolgd door een verslechtering van de beschikbaarheid van water. Bij gebrek aan stroomopwaartse stroomcontrole-infrastructuren kunnen vroege en overvloedigere voorjaarsstromen problematisch zijn voor run-of-the-river-installaties, door een discrepantie tussen elektriciteitsopwekking en vraag te 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 gedeelde oplossingen te vinden voor concurrerende toepassingen tijdens perioden van waterschaarste, door te helpen bij het inschatten van de werkelijke behoeften en de waarschijnlijke timing van de eisen van de verschillende gebruikers naast elektrische nutsbedrijven: landbouwers, visserij, residentieel gebruik, vervoer over water, recreatie enz. Een eerste aanpassingsoptie is het opzetten van klimaat- en hydrometeorologische scenario’s in 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 de 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 misschien niet voldoende is en dat de aanpassing van de infrastructuur op orde is. Dit is met name het geval wanneer een toename van extreme neerslaggebeurtenissen wordt verwacht, wat resulteert in een toename van overstromingen op damlocaties. Negatieve effecten van overstromingen van dammen 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 de schade aan de installatie en aan de stroomafwaartse ecosystemen en de menselijke infrastructuur en activiteiten tot een minimum te beperken. Extreme neerslaggebeurtenissen kunnen ook hydrometeorologische effecten veroorzaken, zoals aardverschuivingen of overmatige verzanding, wat het beschikbare volume voor water in een reservoir kan verminderen en / of het waterafvoersysteem kan verstoppen.

Er zijn een aantal technische opties die kunnen worden toegepast om dam morsen te beheren, die in principe kan worden gegroepeerd in spillways, gated systemen en zekering pluggen.

Spillways kunnen verschillende ontwerpvormen hebben die gericht zijn op het veilig afvoeren van de energie van het geloosde water en tegelijkertijd zorgen voor de gewenste uitstroomvolumes. Ze kunnen automatisch werken wanneer het water in de dam een bepaald niveau bereikt of kunnen worden gekoppeld aan poorten die de waterstroom naar de overloop leiden. Vormen van het ontwerp zijn onder andere goot spillways, getrapte spillways, bell-mouth spillways, syphon spillways, ogee kuifjes, zijkanalen, labyrint spillways en piano-key stuwen (PKW). De technische kenmerken van een dam en van de orografie en hydrologie van het omliggende gebied bepalen de compatibiliteit van specifieke overlaattypen met de dam: Dit betekent dat niet alle overloopsystemen compatibel zijn met alle dammen.

Afgesloten 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 geven in geval van overstromingen. Nogmaals, ze kunnen worden gekoppeld aan spillways om veilig de kinetische energie van het geloosde water af te voeren. Ze zijn aanwezig in veel bestaande dammen voor stroombeheer. Gated systemen kunnen falen in gevallen van verzadiging als gevolg van overmatige overstromingen.

De zekeringsstoppen zijn erodeerbare secties van een aardedam die worden ontworpen om in vooraf bepaalde overstromingsomstandigheden uit te wassen. In principe fungeren ze als buffers die de overloop absorberen en vertragen en kunnen worden opgeofferd omdat de kosten van de wederopbouw ervan slechts een klein deel 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 af te voeren; een stevige rotsfundering voor de stekker om erosie te weerstaan; een kanaal om de overloop veilig van de stekker naar de hoofdrivier af te leiden om stroomafwaartse structuren te beschermen).

Gewoonlijk kan de installatie van overloop- en poortsystemen alleen plaatsvinden tijdens de bouwfase van de dam, dus retrofitten is over het algemeen geen optie. Dit geldt niet voor zekeringsstekkers en PKW-systemen. Een Climate-ADAPT-casestudie 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 binnen bestaande dammen en het feit dat ze een free flow spillway bieden zonder te worden beperkt door maximale capaciteitslimieten, waardoor ze kunnen omgaan met hoge stroomniveaus en werken in veiligere omstandigheden dan gated systemen, en op een volledig automatische manier die geen menselijke tussenkomst vereist.

Een extreme infrastructurele aanpassingsoptie is de uitbreiding van de installatiecapaciteit door de bouw van grotere dammen. Dit kan zinvol zijn in bepaalde omstandigheden waarin een grote toename van de afvloeiing van water in de nabije toekomst wordt verwacht en lang genoeg is om de investeringskosten te kunnen terugverdienen. Dit kan het geval zijn wanneer de smelting 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.