Anpassningsalternativ för vattenkraftverk

Vattenkraftproduktionen är per definition beroende av tillgången på vatten och påverkas därför av klimatförändringarnas effekter på avrinningsområden, främst genom två (motsatta) vägar. Klimatförändringar kan leda till vattenbrist, vilket leder till lägre flodflöden och lägre ackumulering av vatten till dammar, och därmed till en lägre mängd vatten som kan passera genom turbiner eller avrinning av flodanläggningarna för att generera el. Omvänt kan klimatförändringarna öka frekvensen och intensiteten av extrema nederbördshändelser och påskynda snösmältningen, vilket leder till ökad översvämningsrisk. Vissa platser i EU kommer att vara mer utsatta för problem med vattenbrist och andra för plötsliga vattenmängder. Torka förväntas vanligtvis vara ett allvarligt hot i de flesta regioner utom norra Europa, och översvämningar som nu inträffar en gång per århundrade kommer att vara vanligare i alla större europeiska avrinningsområden (Europeiska miljöbyrån, 2016). Båda fenomenen kan dock förekomma i hela Europa, med förändrade frekvenser i ett föränderligt klimat.

Denna variation i förväntade hydrometeorologiska förändringar i Europa ligger till grund för det första anpassningsalternativ som diskuteras här. I ett klimatanpassningsperspektiv är det avgörande för allmännyttiga företag som driver vattenkraftverk att få en detaljerad förståelse för de framtida förhållanden under vilka varje anläggning kommer att drivas. Klimatförändringarna kommer att resultera i säsongsvariationer i vattencirkeln, med längre torrperioder under vilka vatten kommer att vara mindre än vanligt, tidigare upptining av snö på bergssluttningarna i källor och därmed tidigare förekomst av stora inflöden av smältvatten samt accelererad smältning av glaciärer som kommer att resultera i en initial ökning av vattentillgången följt av en försämring av vattentillgången. I avsaknad av infrastruktur för flödeskontroll i tidigare led kan tidiga och rikligare vårflöden vara problematiska för flodanläggningar, eftersom de orsakar en obalans mellan elproduktion och efterfrågan.

Alla dessa fenomen kommer att kräva en grundlig översyn av planeringen av vattenkraftverkens drift, underhåll och eventuellt klimatsäkra tekniska insatser. Noggranna scenarier kommer dessutom att vara avgörande för att hitta gemensamma lösningar för konkurrerande användningsområden under perioder av vattenbrist, genom att hjälpa till att mäta de faktiska behoven och den sannolika tidpunkten för de olika användarnas behov vid sidan av elnäten: jordbrukare, fiske, bostadsanvändning, vattentransport, rekreation osv. Ett första anpassningsalternativ är således att inrätta högupplösta klimat- och hydrometeorologiska scenarier för varje dammplats och för det avrinningsområde som de tillhör, på ett sätt som gör att de lätt kan nås och förstås av elnätens förvaltning och av alla andra användare i avrinningsområdet. I detta syfte kan särskilda klimattjänster utformas för att tillhandahålla korrekta prognoser av de relevanta indikatorerna i ett tillgängligt format.

I vissa fall kan prognostiserade klimatförhållanden tyda på att en översyn av planerade verksamheter kanske inte är tillräcklig och att infrastrukturanpassningen kan vara i sin ordning. Detta är särskilt fallet när en ökad förekomst av extrema nederbördshändelser förväntas, vilket leder till en ökad förekomst av översvämningar vid dammplatser. Negativa effekter av dammöversvämningar inkluderar övertäckning, avbrott, skador på utrustning och negativa nedströmseffekter. Den plötsliga vattenmängden på grund av översvämningar måste släppas ut på ett säkert sätt för att minimera skadorna på anläggningen och på ekosystemen nedströms och mänsklig infrastruktur och verksamhet. Extrema nederbördshändelser kan också utlösa hydrometeorologiska effekter såsom jordskred eller överdriven siltning, vilket kan minska den tillgängliga volymen för vatten i en reservoar och / eller täppa till vattenutsläppssystemet.

Det finns ett antal tekniska alternativ som kan tillämpas för att hantera dammutsläpp, som i princip kan grupperas i spillvägar, gated system och säkringspluggar.

Spillbanor kan ha olika designformer som syftar till att på ett säkert sätt avleda energin i det utsläppta vattnet samtidigt som de önskade utflödesvolymerna säkerställs. De kan fungera automatiskt när vattnet i dammen når en viss nivå eller kan kopplas till grindar som avleder vattenflödet i spillgången. Designformer inkluderar ränna spillways, steg spillways, bell-mouth spillways, syphon spillways, ogee crests, sidokanaler, labyrint spillways och piano-key weirs (PKW). De tekniska egenskaperna hos en damm och orografin och hydrologin i det omgivande området avgör kompatibiliteten mellan specifika spillwaytyper och dammen: detta innebär att inte alla spillwaysystem är kompatibla med alla dammar.

Grindsystem är en serie grindar som installeras längs dammväggen eller runt klockmunnens utlopp och som kan öppnas för att hantera reservoarens vattennivå och i synnerhet för att släppa ut överflödig vattenvolym nedströms i händelse av översvämning. Återigen kan de kopplas till spillvägar för att säkert skingra den kinetiska energin i det utsläppta vattnet. De finns på plats i många befintliga dammar för flödeshantering. Gated system kan misslyckas i fall av mättnad på grund av alltför stora översvämningar.

Säkringspluggar är eroderbara delar av en jorddamm som är utformade för att tvättas ut under förutbestämda översvämningsförhållanden. I grund och botten fungerar de som buffertar som absorberar och saktar ner överflödet och kan offras eftersom kostnaden för att återuppbygga dem bara är en liten del av de kostnader som skulle behöva upprätthållas om huvuddammen skadades. De kan endast installeras i närvaro av lämpliga geografiska och geologiska egenskaper på platsen och kompatibla nedströmsförhållanden (t.ex. en sadel på rimligt avstånd från huvuddammen längs reservoarens kant för att släppa ut överskottsvatten, en solid berggrund för pluggen för att motstå erosion, en kanal för att på ett säkert sätt avleda överflödet från pluggen till huvudfloden för att skydda nedströmsstrukturer).

Vanligtvis kan installation av spill- och grindsystem endast ske under dammkonstruktionsfasen, vilket innebär att eftermontering i allmänhet inte är ett alternativ. Detta gäller inte för säkringspluggar och PKW-system. En fallstudie från Climate-ADAPT om hantering av översvämningsrisker för franska vattenkraftverk diskuterar för- och nackdelarna med PKW. PKW har vissa tydliga fördelar jämfört med traditionella spillvägar och gated system, såsom genomförbarheten av installation som eftermontering i befintliga dammar och det faktum att de ger ett fritt flödesutsläpp utan att begränsas av maximala kapacitetsgränser, vilket innebär att de kan klara höga flödesnivåer och arbeta under säkrare förhållanden än gated system, och på ett helt automatiskt sätt som inte kräver mänsklig inblandning.

Ett extremt alternativ för infrastrukturanpassning är att utöka anläggningens kapacitet genom att bygga större dammar. Detta kan vara meningsfullt under särskilda omständigheter där en stor ökning av vattenavrinningen förväntas ske inom en nära framtid och tillräckligt länge för att investeringskostnaderna ska kunna täckas. Detta kan vara fallet när stora glaciärer förväntas smälta, som i en fallstudie från Island. Möjligheten att tillämpa detta alternativ på EU är dock förmodligen mycket begränsad på grund av de mycket olika hydrometeorologiska och glaciologiska förhållandena.

För klimattjänster är det viktiga att relevanta potentiella användare deltar i den gemensamma utformningen av tjänsterna. Det beror alltså på hur tjänsten är avsedd: om den ses som ett planeringsverktyg för strikt vattenkraftproduktion kan det hända att intressenternas deltagande inte är en viktig faktor. Om man emellertid antar ett bredare perspektiv och tjänsten är utformad för att betjäna alla relevanta användare av avrinningsområdet, kommer den gemensamma utformningen att leda till samverkan mellan företrädare för alla relevanta användarkategorier. Naturligtvis måste den faktiska översynen av planerade aktiviteter mot bakgrund av de förväntade klimatförändringarnas effekter vara så inkluderande som möjligt för att framgångsrikt minimera framtida konflikter.

Att bygga ny infrastruktur, särskilt dammutvidgningen, kräver att alla användare av avrinningsområden involveras och att en överenskommelse nås mellan dem om rättigheter och ersättningar för vattenanvändning.

Fördelarna med att tillhandahålla tydliga och färdiga indikatorer för vattenanvändningsplanering är ganska självklara, eftersom effektiv planering endast kan baseras på korrekt och välförstådd information. Huvudfrågan här är gemensam för alla klimattjänster. Den har att göra med svårigheten att å ena sidan identifiera den senaste vetenskapliga information som faktiskt är relevant för användarnas verksamhet och å andra sidan paketera sådan information på ett sådant sätt att det format och det språk som används för att presentera den är icke-tekniskt och tillgängligt nog för användare som inte känner till de vetenskapliga discipliner som tillämpas. För detta ändamål är fasen med gemensam utformning avgörande.

Infrastrukturanpassningen begränsas i de flesta fall av att de flesta spill- och grindsystem endast kan byggas tillsammans med dammen, och därför är ett giltigt alternativ endast för framtida vattenkraftsprojekt. Det främsta undantaget är PKW-systemet, vars flexibilitet och relativt låga kostnader har diskuterats i en relaterad fransk fallstudie, tillsammans med dess (enligt uppgift mindre) begränsningar.

Klimattjänster för vattenkraft är i allmänhet ganska billiga jämfört med infrastrukturinvesteringar. I vissa fall kan relevanta uppgifter hämtas från projekt som inte genomförs direkt av de allmännyttiga företag som driver anläggningarna, till exempel från forskningsprojekt på EU-nivå som kan ge (nästan) fri tillgång för alla relevanta EU-användare. Konsultföretag kan erbjuda mer skräddarsydda paket till marknadspriser, men prisintervallet för sådana kontrakt kan förväntas ligga inom tiotals till hundra tusen euro. Fördelarna med klimattjänster minskar till att minimera framtida riskexponering och konflikter med andra vattenanvändare, och optimerar kraftproduktionsprofilen med tanke på de förväntade förändringarna i vattentillgänglighetsprofilerna.

Eftermontering av infrastruktur för att kontrollera överflödigt vattenflöde kan kosta från flera hundra tusen euro (200 000 för PKW, enligt vad som rapporterats i den franska fallstudien) till flera miljoner euro beroende på dammens specifika egenskaper när det gäller läge, struktur och vattenflöde. De främsta fördelarna är helt klart en minskning av de förväntade skadorna på vattenkraftverkets infrastruktur och på infrastrukturer och ekosystem nedströms, men också en ökad förmåga att hantera vattennivåer i reservoaren. När installationen av sådan infrastruktur leder till högre genomsnittliga vattenvolymer som lagras i reservoaren kan detta leda till högre elproduktion om marknadsförhållandena tillåter det, men också till en ökad roll för reservoaren som en buffert som kan förbättra resiliensen i hela avrinningsområdet.

De enda potentiellt relevanta rättsliga aspekterna är de som rör tillståndsförfarandet för ny infrastruktur, såsom ny infrastruktur för vattenutsläpp som upptar tidigare orörda delar av avrinningsområdet, och naturligtvis byggandet av större dammar. Dessa projekt omfattas av nationella bestämmelser om tillstånd för ny infrastruktur.

Vissa klimattjänster som också är relevanta för planering och förvaltning av vattenkraftverk finns redan tillgängliga inom Copernicus. Konsultavtal för särskilda ändamål som ingås av mellanhänder kan tillhandahålla relevanta klimatindikatorer på några månader. När det gäller infrastruktur för översvämningskontroll beror byggtiderna på dammens särdrag och kan variera mellan några månader och några år. Några år krävs för att bygga större dammar.

Klimattjänsternas livslängd är beroende av att användargränssnitt, databaser och modeller ständigt uppdateras och underhålls. När det gäller eftermodifieringar av infrastruktur finns det ingen tydlig indikation, men om de underhålls på rätt sätt kan det antas att de kommer att vara så länge som dammens återstående livslängd (vanligtvis flera årtionden). Säkringspluggar är utformade för att tvättas bort vid större översvämningshändelser, och deras periodiska återuppbyggnad bör beaktas vid planeringen av den vattenkraftinfrastruktur de tillhör. De nya dammarnas förväntade livslängd är i genomsnitt 50 år, men de kan pågå i upp till ett sekel, om än med ökande underhållskostnader och risker för den strukturella stabiliteten efter 50 år.