Vodni sistemi, odporni na podnebne spremembe

Proizvodnja električne energije v hidroelektrarnah je po definiciji odvisna od razpoložljivosti vode, zato nanjo vplivajo vplivi podnebnih sprememb na povodja, predvsem po dveh (nasprotnih) poteh. Podnebne spremembe lahko povzročijo pomanjkanje vode, kar vodi do manjših rečnih tokov in manjšega kopičenja vode v jezovih, s tem pa tudi do manjše količine vode, ki lahko prehaja skozi turbine ali iztoke rečnih elektrarn za proizvodnjo električne energije. Nasprotno pa lahko podnebne spremembe povečajo pogostost in intenzivnost ekstremnih padavin ter pospešijo taljenje snega, zaradi česar se poveča tveganje poplav. Nekatere lokacije v EU bodo bolj izpostavljene težavam s pomanjkanjem vode, druge pa nenadnemu izobilju vode: običajno se pričakuje, da bodo suše resno ogrožale večino regij, razen severne Evrope, poplave, ki se zgodijo enkrat v stoletju, pa bodo pogostejše v vseh večjih evropskih povodjih ( EEA, 2016). Vendar se lahko oba pojava pojavita po vsej Evropi, pri čemer se frekvence v spreminjajočem se podnebju spreminjajo.

Ta spremenljivost pričakovanih hidrometeoroloških sprememb po Evropi je razlog za prvo možnost prilagajanja, ki je obravnavana tukaj. Z vidika prilagajanja podnebnim spremembam je bistveno, da javne službe, ki upravljajo hidroelektrarne, podrobno razumejo prihodnje razmere, v katerih bo vsaka elektrarna obratovala. Podnebne spremembe bodo povzročile sezonske spremembe vodnega kroga z daljšimi obdobji suše, v katerih bo vode manj kot običajno, zgodnejše odtajanje snega na gorskih pobočjih v izvirih in s tem zgodnejši pojav velikih pritokov talilne vode ter pospešeno taljenje ledenikov, kar bo povzročilo začetno povečanje razpoložljivosti vode, čemur bo sledilo poslabšanje razpoložljivosti vode. Ker ni infrastrukture za nadzor pretoka v zgornjem toku, so lahko zgodnji in obsežnejši spomladanski tokovi problematični za pretočne elektrarne, saj povzročajo neusklajenost med proizvodnjo električne energije in povpraševanjem po njej.

Za vse te pojave bo potrebna temeljita revizija načrtovanja obratovanja in vzdrževanja hidroelektrarn ter po možnosti inženirskih posegov, ki bodo odporni na podnebne spremembe. Poleg tega bodo natančni scenariji ključni za iskanje skupnih rešitev za konkurenčne uporabe v obdobjih pomanjkanja vode, saj bodo pomagali oceniti dejanske potrebe in verjeten časovni okvir zahtev različnih uporabnikov poleg električnih storitev: kmetje, ribištvo, stanovanjska raba, vodni promet, rekreacija itd. Prva možnost prilagoditve je torej vzpostavitev visokoločljivostnih podnebnih in hidrometeoroloških scenarijev za vsako območje jezu in za povodje, ki mu pripadajo, tako da so zlahka dostopni in razumljivi za upravljanje elektroenergetskih služb in vse druge uporabnike v povodju. V ta namen se lahko oblikujejo posebne podnebne storitve, da se zagotovijo točne projekcije ustreznih kazalnikov v dostopni obliki.

V nekaterih primerih lahko napovedane podnebne razmere nakazujejo, da revizija načrtovanih dejavnosti morda ne bo zadostovala in da bo morda potrebna prilagoditev infrastrukture. To še zlasti velja, kadar se pričakuje povečan pojav ekstremnih padavin, kar ima za posledico povečan pojav poplav na jezovih. Škodljivi učinki poplavljanja jezov vključujejo previs, izpade, poškodbe opreme in škodljive vplive nižje v verigi. Nenadno obilje vode zaradi poplav je treba varno odvajati, da se čim bolj zmanjša škoda, povzročena obratu in ekosistemom nižje v verigi ter človeški infrastrukturi in dejavnostim. Ekstremne padavine lahko sprožijo tudi hidrometeorološke vplive, kot so zemeljski plazovi ali prekomerno mulčenje, kar lahko zmanjša količino vode, ki je na voljo v zbiralniku, in/ali zamaši sistem za odvajanje vode.

Obstajajo številne inženirske možnosti, ki jih je mogoče uporabiti za upravljanje razlitja jezov, ki jih je mogoče v bistvu združiti v prelivne poti, zaprte sisteme in varovalke.

Razlitja imajo lahko različne oblikovne oblike, namenjene varnemu odvajanju energije izpuščene vode, hkrati pa zagotavljajo želene odtočne količine. Delujejo lahko samodejno, ko voda v jezu doseže določeno raven, ali pa se lahko povežejo z vrati, ki preusmerijo tok vode v preliv. Oblikovne oblike vključujejo žlebove, stopničaste prelivne poti, prelivalne poti z zvonci in usti, sifonske prelivne poti, ogee grebene, stranske kanale, labirintne prelivalne poti in jezove s klavirskimi ključi (PKW). Tehnične značilnosti jezu ter orografije in hidrologije okoliškega območja določajo združljivost posebnih tipov prelivalnih poti z jezom: to pomeni, da vsi pretočni sistemi niso združljivi z vsemi jezovi.

Sistemi z zapornicami so vrsta vrat, nameščenih vzdolž stene jezu ali okoli pretočnih poti z zvoncem, ki jih je mogoče odpreti za upravljanje vodostaja rezervoarja in zlasti za sproščanje presežne količine vode v smeri toka v primeru poplav. Ponovno se lahko združijo s pretočnimi kanali, da se varno razprši kinetična energija izpuščene vode. Uporabljajo se v številnih obstoječih jezovih za upravljanje pretoka. Sistemi z zamaškom lahko odpovejo v primerih nasičenosti zaradi prekomernega poplavljanja.

Varovalčni čepi so erodljivi deli zemeljskega jezu, ki so zasnovani tako, da se izperejo v vnaprej določenih poplavnih pogojih. V bistvu delujejo kot blažilniki, ki absorbirajo in upočasnjujejo prelivanje in jih je mogoče žrtvovati, ker so stroški njihove obnove le majhen del stroškov, ki bi jih bilo treba vzdrževati, če bi bil glavni jez poškodovan. Namestijo se lahko le ob prisotnosti ustreznih geografskih in geoloških značilnosti območja ter združljivih pogojev nižje v verigi (npr. sedež na razumni razdalji od glavnega jezu vzdolž roba zbiralnika za odvajanje odvečne vode; trdna kamnita podlaga za čep, da vzdrži erozijo; kanal za varno preusmeritev prelivanja iz vtiča v glavno reko, da se zaščitijo dolvodne strukture).

Običajno se lahko pretočne poti in sistemi vrat vgradijo le v fazi gradnje jezu, zato naknadno opremljanje na splošno ni možno. To ne velja za varovalke in PKW sisteme. Študija primera Climate-ADAPT o obvladovanju poplavne ogroženosti za francoske hidroelektrarne obravnava prednosti in slabosti PKW. PKW imajo nekaj jasnih prednosti v primerjavi s tradicionalnimi pretočnimi in zapornimi sistemi, kot sta izvedljivost namestitve kot naknadnega opremljanja znotraj obstoječih jezov in dejstvo, da zagotavljajo pretočno območje prostega pretoka, ne da bi jih omejevale največje omejitve zmogljivosti, s čimer se lahko spopadejo z visokimi ravnmi pretoka in delujejo v varnejših pogojih kot zaporni sistemi, ter na popolnoma samodejen način, ki ne zahteva človeškega posredovanja.

Skrajna možnost infrastrukturne prilagoditve je razširitev zmogljivosti obrata z gradnjo večjih jezov. To je lahko smiselno v posebnih okoliščinah, v katerih se pričakuje veliko povečanje odtekanja vode v bližnji prihodnosti in dovolj dolgo, da se omogoči povračilo stroškov naložbe. To se lahko zgodi, ko se pričakuje taljenje velikih ledenikov, kot v študiji primera z Islandije. Vendar je uporaba te možnosti v EU verjetno zelo omejena zaradi zelo različnih hidrometeoroloških in ledeniških razmer.

Za podnebne storitve je pomembno sodelovanje ustreznih potencialnih uporabnikov v postopku sooblikovanja storitev. Tako je odvisno od tega, kako je storitev namenjena: če se obravnava kot orodje za načrtovanje za strogo proizvodnjo električne energije v hidroelektrarnah, sodelovanje zainteresiranih strani morda ni glavni dejavnik. Če pa se sprejme širši vidik in je storitev zasnovana tako, da služi vsem zadevnim uporabnikom povodja, bo postopek sooblikovanja privedel do interakcije med predstavniki vseh ustreznih kategorij uporabnikov. Seveda bo morala biti dejanska revizija načrtovanih dejavnosti glede na pričakovane vplive podnebnih sprememb čim bolj vključujoča, da se uspešno zmanjšajo prihodnji konflikti.

Gradnja novih infrastruktur, zlasti širitev jezov, zahteva sodelovanje vseh uporabnikov povodij in sklenitev sporazuma med njimi o pravicah do uporabe vode in nadomestilih zanjo.

Prednosti zagotavljanja jasnih kazalnikov, pripravljenih za uporabo, za načrtovanje rabe vode so povsem samoumevne, saj lahko učinkovito načrtovanje temelji le na točnih in dobro razumljenih informacijah. Glavno vprašanje je skupno vsem podnebnim storitvam; povezana je s težavo, ki je po eni strani povezana z opredelitvijo najsodobnejših znanstvenih informacij, ki so dejansko pomembne za dejavnosti uporabnikov, po drugi strani pa z pakiranjem takih informacij tako, da sta oblika in jezik, ki se uporabljata za njihovo predstavitev, netehnična in dovolj dostopna za uporabnike, ki ne poznajo uporabljenih znanstvenih disciplin. V ta namen je faza sooblikovanja ključnega pomena.

Infrastrukturno prilagajanje je v večini primerov omejeno z dejstvom, da je večino prelivnih in vratnih sistemov mogoče zgraditi le skupaj z jezom in so zato veljavna možnost le za prihodnje projekte hidroelektrarn. Glavna izjema je sistem PKW, katerega prožnost in razmeroma nizki stroški so bili obravnavani v povezani francoski študiji primera, skupaj z njegovimi (domnevno manjšimi) omejitvami.

Podnebne storitve za vodno energijo so na splošno precej poceni v primerjavi z infrastrukturnimi naložbami. V nekaterih primerih je mogoče ustrezne podatke pridobiti iz projektov, ki jih ne izvajajo neposredno javne službe, ki upravljajo obrate, na primer iz raziskovalnih projektov na ravni EU, ki lahko zagotovijo (skoraj) brezplačen dostop za vse zadevne uporabnike EU. Svetovalna podjetja lahko zagotovijo bolj prilagojene pakete po tržnih cenah, vendar se lahko pričakuje, da bo cenovni razpon takih pogodb v razponu od deset do sto tisoč evrov. Koristi podnebnih storitev se zmanjšajo na zmanjšanje prihodnje izpostavljenosti tveganjem in konfliktov z drugimi uporabniki vode ter na optimizacijo profila proizvodnje električne energije glede na pričakovane spremembe profilov razpoložljivosti vode.

Naknadna namestitev infrastrukture za nadzor presežnega pretoka vode lahko stane od več sto tisoč EUR (200 000 EUR za PKW, kot je navedeno v francoski študiji primera) do več milijonov EUR, odvisno od posebnih značilnosti jezu v smislu lokacije, strukture in pretoka vode. Primarne koristi so nedvomno zmanjšanje pričakovane škode na infrastrukturi hidroelektrarn ter na infrastrukturah in ekosistemih nižje v verigi, pa tudi večja sposobnost upravljanja vodostajev v zbiralniku; zato lahko naknadno opremljanje omogoči nemoteno delovanje obrata, kar lahko poveča donosnost. Kadar se z namestitvijo take infrastrukture povečajo povprečne količine vode, shranjene v zbiralniku, lahko to povzroči večjo proizvodnjo električne energije, če to omogočajo tržne razmere, pa tudi večjo vlogo zbiralnika kot varovala, ki lahko izboljša odpornost celotnega povodja.

Edini potencialno pomembni pravni vidiki so tisti, ki so povezani s postopkom odobritve novih infrastruktur, kot so nove infrastrukture za odvajanje vode, ki zasedajo prej nedotaknjene dele povodja, in seveda gradnja večjih jezov. Za te projekte veljajo nacionalni predpisi za izdajo dovoljenj za nove infrastrukture.

Nekatere podnebne storitve, ki so pomembne tudi za načrtovanje in upravljanje hidroelektrarn, so že na voljo v okviru programa Copernicus. Priložnostne pogodbe o svetovanju, ki jih sklenejo posredniki, lahko v nekaj mesecih zagotovijo ustrezne podnebne kazalnike. Pri infrastrukturah za nadzor poplav so časi gradnje odvisni od posebnih značilnosti jezu in se lahko razlikujejo od nekaj mesecev do nekaj let. Za izgradnjo večjih jezov je potrebnih nekaj let.

Življenjska doba podnebnih storitev je odvisna od stalnega posodabljanja in vzdrževanja uporabniških vmesnikov, podatkovnih zbirk in modelov. Za infrastrukturne nadgradnje ni jasnih znakov, če pa so ustrezno vzdrževane, se lahko domneva, da bodo trajale do preostale življenjske dobe jezu (običajno več desetletij). Varovalni čepi naj bi se po zasnovi odplavili ob večjih poplavah, njihovo redno rekonstrukcijo pa je treba upoštevati pri načrtovanju hidroenergetske infrastrukture, ki ji pripadajo. Pričakovana življenjska doba novih jezov je v povprečju 50 let, vendar lahko trajajo tudi do sto let, čeprav se po 50 letih stroški vzdrževanja in tveganja za strukturno stabilnost povečajo.