Zarządzanie ryzykiem powodziowym w elektrowniach wodnych we Francji

Bezpieczne uwalnianie wody z zapór podczas powodzi lub intensywnych opadów stanowi krytyczne wyzwanie operacyjne. Poprzednie tendencje wskazują na wzrost ekstremalnych dziennych opadów w południowej Francji, co może prowadzić do gwałtownych powodzi. Oczekuje się, że tendencja ta utrzyma się w przyszłości. Oczekuje się również, że śnieg i topnienie lodowców będą miały wpływ na napływ i odpływ zapór w dłuższej perspektywie. Utrata masy lodowca już wykazuje konsekwentne przyspieszenie w Alpach.

Wyzwaniem dla zarządzania powodziowego w elektrowniach wodnych jest zapobieganie skutkom przesadzania zapór lub minimalizowanie tych skutków dla społeczności, nieruchomości, rolnictwa i ekosystemów znajdujących się poniżej, przy jednoczesnej ochronie samych zapór przed awariami operacyjnymi i innymi szkodami. Każda elektrownia wodna przedstawia różne poziomy ryzyka, a skuteczność systemów PKW musi być oceniana oddzielnie w każdym przypadku.

System PKW został opracowany w odpowiedzi na zaktualizowane badania hydrologiczne przeprowadzone przez EDF, które wykazały, że ekstremalne powodzie wpływające na zapory wodne stają się coraz częstsze i bardziej intensywne. PKW pomagają dostosować zdolność zapór do radzenia sobie ze skutkami zmiany klimatu, takimi jak zwiększone opady i powodzie. Celem systemów PKW jest zapewnienie zwiększonej powierzchni dla (nad)przepływu wody. Zwiększa to zdolność rozładowania zapory bez zmiany maksymalnego poziomu zbiornika. Podstawową zaletą takiej technologii jest ochrona zasobów hydroenergetycznych przed uszkodzeniami, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów operacyjnych w porównaniu z alternatywnymi systemami bramowymi. Inne korzyści obejmują zmniejszenie skutków na dalszych etapach łańcucha dostaw podczas intensywnych opadów atmosferycznych, a także zapewnienie bezpieczeństwa dostaw energii podczas takich zdarzeń poprzez zmniejszenie liczby awarii operacyjnych.

Dolina Chassezac w departamencie Ardèche w regionie Auvergne-Rhône-Alpes we Francji została zidentyfikowana jako basen hydrologiczny o wysokim potencjale w latach 50. Doprowadziło to do rozwoju pięciu zapór wodnych i czterech elektrowni wodnych, które zostały zbudowane w latach 1961-1970. Jedna z nich, tama Malarce, ma wysokość 28,4 m, długość 111 m i zdolność zatrzymywania 2,3 hm³ (tj. 2,3 mln m³). Został uruchomiony w 1968 roku i ma moc 16 MW.

PKW dla zapory Malarce zlecono zwiększenie jej maksymalnej wydajności odprowadzania o około 600 m³/ s do łącznie 4600 m³/ s. Gdy poziom wody tamy przekracza poziom w zbiornikach wlotowych, woda automatycznie przepływa przez PKW do zbiorników wylotowych, które biegną prosto do kanału rozlewowego i w dół. Technologia ta umożliwia dostosowanie zapór do rosnącego ryzyka powodziowego oczekiwanego w związku ze zmianą klimatu. PKW w tamie Malarce pomaga zmniejszyć ryzyko kosztownych szkód w infrastrukturze tamy i społecznościach znajdujących się poniżej.

Istnieje kilka opcji inżynieryjnych dostępnych do zarządzania rozlaniem zapory. Wycieki labiryntu mogą być instalowane tylko w niektórych typach zapór i zwykle muszą być instalowane na najwcześniejszym etapie projektowania zapory. Systemy ogrodzone są stosowane w wielu istniejących tamach do zarządzania przepływem. Jednak systemy ogrodzone mogą zawieść w przypadkach nasycenia z powodu nadmiernego zalania. PKW często stanowią najskuteczniejszą opcję zarządzania ryzykiem powodziowym na istniejących tamach. PKW nie mają maksymalnej pojemności, ale zamiast tego zapewniają swobodny przepływ. PKW mogą zatem zarządzać znacznie wyższymi poziomami przepływu i zapewnić bezpieczniejsze rozwiązanie niż systemy ogrodzone, przy minimalnym ryzyku awarii i łatwiejszej ewakuacji pływających śmieci. W przeciwieństwie do innych technik zarządzania przepływem, PKW również unikają błędu ludzkiego, ponieważ nie wymagają ludzkich operatorów. Jest to pomocne w sytuacjach awaryjnych, w tym w przypadku gwałtownych powodzi i osuwisk, podczas których pracownicy nie mogą uzyskać dostępu do terenu.

Głównymi europejskimi graczami w technologii PKW są Francja, Szwajcaria i Belgia. EDF nie opatentowało systemu PKW. Zamiast tego współpracuje, aby dzielić się technologią PKW i spostrzeżeniami z innymi graczami w międzynarodowej społeczności hydroenergetycznej. Rzeczywiście, wskazując na międzynarodowe uznanie innowacyjnej technologii, kilku deweloperów na całym świecie (np. w Algierii, USA i RPA) również instaluje PKW. W 2015 r. EDF otrzymało nagrodę Climate Solutions Award przyznawaną przez Ramową konwencję Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu za temat przystosowania się do zmiany klimatu.

Ponieważ PKW stanowi niewielki element ogólnej zapory, nie ma wyraźnego wpływu, który jest widoczny dla zainteresowanych stron i organizacji pozarządowych lub przez nie krytykowany. W związku z tym udział zainteresowanych stron nie jest rutynowo ważną częścią instalacji PKW. Niemniej jednak, podobnie jak w przypadku wszystkich dużych projektów inżynierii lądowej i wodnej, wszystkie PKW przestrzegają rygorystycznych procedur oceny oddziaływania na środowisko i muszą uzyskać zgodę rządu. Te procedury oceny skutków i zatwierdzenia, na przykład za pośrednictwem CODERST, obejmują konsultacje z organizacjami pozarządowymi i zainteresowanymi stronami.

PKW został wdrożony w różnych elektrowniach wodnych na całym świecie. Tak szeroki zakres ułatwiła decyzja EDF o nieopatentowaniu tej technologii. Wspólne podejście oryginalnych deweloperów, którzy dzielili się technologią z interesariuszami w całej społeczności hydroenergetycznej, jest jednym z najważniejszych czynników sukcesu technologii. PKW to tanie i łatwe do zainstalowania rozwiązanie w porównaniu z innymi technologiami zarządzania przelewami, takimi jak systemy ogrodzone. Ponadto technologia PKW jest niezawodna i odporna, ponieważ nie ma potrzeby obsługi załogowej ani konserwacji na dużą skalę. Wreszcie fakt, że pierwszy PKW został zbudowany przez EDF, znaną firmę szanowaną w sektorze hydroenergetycznym, pomógł przekonać innych właścicieli zapór do zainstalowania PKW.

Wyzwania związane z PKW obejmują przydatność i dostępność niektórych zapór, zwłaszcza w regionach górskich. Ponadto długa żywotność infrastruktury wodnej i czas trwania cykli produktowych oznacza, że rozpowszechnianie nowych pomysłów i rozwiązań technologicznych wymaga czasu w tej branży. Wreszcie budowa zapór odbywa się zwykle tylko w miesiącach letnich, co dodatkowo ogranicza instalację PKW.

Koszt PKW zależy od istniejącej konstrukcji zapory, lokalizacji, a także od zakresu przepływu wody. Dostępność konstrukcji zapory i związane z nią potrzeby w zakresie wyposażenia również mają wpływ na koszty. W zależności od zapory instalacja modyfikacji takich jak PKW może być mniej lub bardziej kosztowna. Instalacja PKW może kosztować od 200 000 do kilku milionów euro. W każdym razie PKW może być opłacalny, stanowiąc stosunkowo niewielki składnik całkowitego kosztu zapory. Przykłady instalacji PKW są rutynowo podawane jako zajmujące do 30% całkowitego kosztu. Podczas gdy obecna technologia systemu ogrodzonego musi być obsługiwana ręcznie i wymaga kosztownej regularnej konserwacji, PKW nie wymagają siły roboczej i tylko niska lub żadna konserwacja jest potrzebna.

We Francji nie ma obowiązku prawnego dotyczącego PKW i nie oczekuje się przepisów w tej dziedzinie. Zainstalowanie tej technologii należy do właścicieli zapór. Lepsze zarządzanie powodziami w elektrowniach wodnych jest jednak zgodne z niektórymi zasadami dyrektywy 2007/60/WE w sprawie oceny ryzyka powodziowego i zarządzania nim.

EDF opracowało pierwszy PKW w latach 2003-2005 na tamie Goulours (Pireneje). Czas wdrożenia PKW różni się w zależności od przypadku. Małe projekty mogą potrwać kilka miesięcy, podczas gdy większe projekty mogą potrwać kilka lat. W obu przypadkach ograniczenia wynikają z sezonowego charakteru prac związanych z budową zapór. Czasy zatwierdzania są dość długie, obejmują wstępne badania, szczegółowy projekt, przetargi, badania środowiskowe i zatwierdzenie przez władze.

Trudno jest wypowiedzieć się na temat okresu eksploatacji tych inwestycji, ponieważ technologia PKW jest stosunkowo nowa, a wycofanie z eksploatacji nie zostało jeszcze osiągnięte. Oczekuje się, że takie konstrukcje betonowe jak PKW będą miały taki sam okres eksploatacji jak zapory wodne lub inne duże projekty inżynierii lądowej i wodnej (tj. 50–100 lat).

Francois Lemperiere
Initial innovator of the PKW system
E-mail: forms92@wanadoo.fr 
Tel.: +33 145344289

Ahmed Ouamane
Initial innovator of the PKW system
University of Biskra, Algeria
E-mail: a.ouamane@univ-biskra.dz 

Frederic Laugier
Dam Safety Engineer
Electricité de France (EDF)
E-mail: frederic.laugier@edf.fr  
Tel.: +33 479606245