Czy trzęsienia ziemi i wybuchy wulkanów zagrażają systemowi energetycznemu? [WYWIAD]

Łukasz Sakowski: Znacznie częściej, niż o wpływie wulkanów na elektrownie, słyszeliśmy o tym, że zatrzymywały kursy lotnicze, jak w 2010 roku po erupcji Eyjafjallajökull. Pomyślałem, że zanim uświadomisz Czytelnikom, na ile wulkanizm oddziałuje na elektrownie, może najpierw opowiesz trochę o tym, jak ma się do innych sektorów. Nie tylko lotniczego, ale szerzej transportowego?

Bartłomiej Krawczyk: Zagrożenia związane z erupcjami wulkanów są liczne. Co prawda skupię się na opadzie tefry, czyli popiołu z drobinami o średnicy mniej niż 2 mm, ale pokrótce opowiem także o innych niebezpieczeństwach związanych z wybuchami wulkanów. Zagrożenia wulkaniczne mogące pojawiać się w trakcie aktywności erupcyjnej danego wulkanu to przede wszystkim wylewy lawy, spływy piroklastyczne, lahary, charakterystyczne przede wszystkim dla Islandii powodzie glacjalne, osuwiska, opad popiołu, emisje gazów czy powstanie fal tsunami.

Potoki lawy emitowane w trakcie erupcji wulkanów, choć zazwyczaj powolne, to niszczą wszystko co stanie na ich drodze: pola uprawne, budynki, obiekty infrastruktury rolniczej i przemysłowej. Z taką sytuacją mieliśmy chociażby ostatnio do czynienia w trakcie erupcji Tajogaite w 2021 roku. Wylewy bazaltowej lawy potrafią przemieszczać się z prędkością kilkunastu kilometrów na godzinę i docierać na odległość kilku kilometrów. Temperatura law bazaltowych może sięgać 1200 stopni Celsjusza, natomiast andezytowych czy ryolitowych 1000 stopni. W ramach ciekawostki dodam, że najszybsze wylewy lawy zarejestrowano w trakcie erupcji wulkanu Nyiragongo w Demokratycznej Republice Konga w 1977 r. Mknęły one z prędkością dochodzącą 60 km/h.

Spływy piroklastyczne to mieszanina fragmentów skał i gazu o temperaturze 100-800 stopni Celsjusza, schodząca w dół zboczy wulkanu w trakcie erupcji eksplozywnej danego wulkanu np. Fuego w Gwatemali czy Merapi na Jawie, w Indonezji. Są niezwykle mobilne – ich prędkość to 110 km/h, a nawet dużo większa – i przemieszczają się dolinami. Stanowią ogromne zagrożenie dla miast i wsi u podnóża wielu wulkanów. Powstają wskutek grawitacyjnego zapadania się kolumny erupcyjnej, emitowanej przez wulkan, bądź wskutek niestabilności kopuły lawowej uformowanej w kraterze danego wulkanu. 8 maja 1902 roku spływ piroklastyczny z wulkanu Mount Pelee na Martynice zrównał z ziemią miasto Saint Pierre zabijając ponad 30 000 ludzi. Do ostatniej jak dotąd tragicznej w skutkach erupcji piroklastycznej doszło w grudniu 2021 roku, gdy wybuchł jawajski wulkan Semeru.

Użyłeś słowa „lahary". Co to dokładnie jest?

Lahary to potoki zimnego bądź gorącego błota, które są także niezwykle mobilne, gdyż potrafią przemieszczać się z prędkością dziesiątek kilometrów na godzinę. Powstają wskutek stopienia pokrywy śnieżnej wulkanu w trakcie jego erupcji, wyrzucenia jeziora kraterowego, tudzież wskutek ulewnych deszczów, które destabilizują luźny materiał wulkaniczny na zboczach wulkanu. 13 listopada 1985 roku lahar powstały w wyniku niewielkiej erupcji kolumbijskiego wulkanu Nevado del Ruiz pokrył całkowicie miasteczko Armero zabijając 23 tysiące ludzi. Był to najbardziej śmiercionośny lahar w historii wulkanologii. Lahary pokrywały także obecnie opuszczone miasto Plymouth w trakcie aktywności erupcyjnej karaibskiego wulkanu Soufriere Hills, znajdującego się na wyspie Montserrat.

Jest też coś takiego, jak powodzie glacjalne, po islandzkujökulhlaup. Powstają wskutek erupcji podlodowcowych wulkanów np. na Islandii (Katla, Grimsvötn). Wybuchy tych wulkanów topią pokrywę lodową, wskutek czego uwolniona zostaje ogromna ilość wody. Taka powódź glacjalna potrafi niszczyć drogi i mosty. Przykłady historyczne erupcji generujących powodzie glacjalne to wybuchy podlodowych wulkanów Katla w 1918 r. oraz Grimsvötn w 1996 r. Poza tym w trakcie erupcji wulkanów, ale też wskutek ulewnych deszczy zdarzają się osuwiska z ich zboczy, które są w stanie zdewastować rozległe obszary. Przykładem może być gigantyczna lawina z wulkanu Mount Saint Helens 18 maja 1980 r., której osunięcie się północnego zbocza zostało zainicjowane przez trzęsienie ziemi o magnitudzie 5.1.

Wulkany emitują jeszcze różnorodne gazy, również w stanie uśpienia. Na przykład dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, siarkowodór, itd. Gazy wulkaniczne potrafią być niebezpieczne dla zdrowia i życia człowieka w przypadku ich wdychania czy też kontaktu ze skórą i oczami. 21 sierpnia 1986 roku jezioro kraterowe Nyos w Kamerunie w trakcie tzw. erupcji limnicznej uwolniło wielki obłok CO₂, którzy zabił 1746 osób i setki zwierząt hodowlanych w okolicznych wioskach. Dodatkowo potężne erupcje wulkaniczne są w stanie przejściowo schłodzić klimat poprzez znaczną emisję SO₂ do stratosfery. Historyczne przykłady to m.in. erupcje wulkanów Tambora w 1815 r., Krakatau w 1883 r. (oba w Indonezji) oraz Pinatubo w 1991 r. (Filipiny).

Skoro mowa o powodziach, to czy wulkany mogą być też przyczyną fal tsunami?

15 stycznia 2022 roku potężna erupcja wulkanu Hunga Tonga-Hunga Ha'apai w Tonga wygenerowała fale tsunami na Pacyfiku. I choć powstanie tsunami wiąże się zazwyczaj z silnymi podmorskimi trzęsieniami ziemi czy z osuwiskami, to także silne podmorskie erupcje wulkaniczne są w stanie takie zabójcze fale wygenerować. Tsunami może także powstać w sytuacji zapadnięcia się części wulkanicznej struktury do morza, jak podczas erupcji wulkanu Anak Krakatau 22 grudnia 2018 roku, oraz w sytuacji, gdy spływy piroklastyczne z wulkanu, tudzież wspomniane lahary, docierają do morza.

To, co jeszcze chciałbym powiedzieć, to że opad popiołu emitowanego przez dany wulkan w trakcie erupcji niesie za sobą wiele negatywnych skutków. Przykładowo chmura popiołu blokuje promienie słoneczne powodując ciemność w okolicach wybuchającego wulkanu. Opad popiołu utrudnia jazdę pojazdami mechanicznymi ze względu na zredukowaną widoczność. Popiół zmieszany z wodą pochodzącą z deszczu staje się ciężki i zawala dachy budynków, zatyka rynny, grzebie rośliny i pozbawia drzewa gałęzi, zanieczyszcza zbiorniki wody pitnej. Może powodować podrażnienia oczu, nosa, płuc i problemy z oddychaniem. Wiatr może rozwiać chmurę popiołu z wulkanu na odległość setek, a nawet tysięcy kilometrów. Ścierny efekt popiołu wulkanicznego jest niebezpieczny dla silników odrzutowych i poszycia kadłubów samolotów.

Zdarzały się przypadki, gdy samoloty pasażerskie wlatywały w obłok popiołu wyemitowany przez wulkan. Przykładowo 24 czerwca 1982 roku Boeing 747-200 (lot z Kuala Lumpur do Perth) wleciał w obłok popiołu z wulkanu Galunggung. Wszystkie jego 4 silniki przestały działać i samolot zaczął obniżać pułap lotu. Na szczęście pilotom Boeinga udało je się zrestartować, jednak samolot musiał awaryjnie lądować w Dżakarcie. Erupcja islandzkiego wulkanu Eyjafjallajökull w kwietniu 2010 roku przyczyniła się do odwołania około 104 000 lotów i uziemienia blisko 10 milionów pasażerów na europejskich lotniskach. Straty sektora lotniczego oszacowano wówczas na 2,7 miliarda euro. Zakłócenia w lotach spowodowały przerwy w transporcie lotniczym leków, elektroniki użytkowej i żywności. Z powodu braku części czasowo wstrzymana została m.in. produkcja modeli Nissana, BMW i Hondy. Ucierpiał również import kwiatów i warzyw z krajów afrykańskich, takich jak Uganda, Zambia czy Kenia.

A co z gałęzią rolniczą albo przemysłową? Wiemy na przykład, że zbocza wulkanów są wspaniałym miejscem do upraw, ale skupmy się na efektach wybuchów.

Gruba warstwa popiołu pokrywa najbliższe miejscu erupcji pastwiska i pola uprawne i je niszczy. Zwierzęta hodowlane, odżywiając się przysypaną popiołem trawą, mogą zachorować na fluorozę szkieletową i umrzeć, jeśli fluor występuje w wysokich stężeniach. Udokumentowane są przypadki śmierci żywego inwentarza w trakcie erupcji islandzkich wulkanów Hekla w 1693 r. i Laki w 1783 r. Brak niezatrutej popiołem wody pitnej może przyczynić się do śmierci zwierząt gospodarskich z pragnienia. Efekt ścierny popiołu wulkanicznego może uszkodzić sprzęt maszynowy na farmach. Intensywny opad popiołu niszczy także młode lasy, a szczególnie drzewka w wieku mniej niż dwuletnim. W przypadku silnego opadu popiołu łamią się gałęzie dojrzałych drzew, może dojść także do utraty liści. Oprócz intensywnego opadu popiołu zagrożeniem dla upraw są również kwaśne deszcze powstałe wskutek interakcji wody deszczowej z wulkanicznymi gazami obecnymi w chmurze popiołu. W niektórych przypadkach przysypane popiołem pastwiska czy pola uprawne mogą zostać przekształcone w lasy.

Przejdźmy do głównego tematu, czyli elektrowni. Czy w tym 2010 roku stanęły któreś, w związku z wybuchem na Islandii? A może po gigantycznej katastrofie wulkanicznej z tego roku, w związku z erupcją Hunga Tonga-Hunga Ha'apai, która wywołała falę uderzeniową tak silną, że ludzie odczuli ją nawet tysiące kilometrów od miejsca zdarzenia?

Opady pyłu wulkanicznego mogą szybko doprowadzić do powszechnej utraty energii elektrycznej, co będzie miało wpływ na życie miejscowej społeczności, firm i lokalnych biznesów. Wytwarzanie, przesyłanie i dystrybucja oraz komponenty stacji i podstacji nowoczesnego systemu elektroenergetycznego są bardzo podatne na różne i specyficzne oddziaływania popiołu, w zależności od ich wyposażenia, na każdej fazie dostarczania energii.

Najczęściej pojawiające się problemy dobrze opisuje agencja United States Geological Survey. Są to przerwy w produkcji i dostawie energii spowodowane przepięciami na izolatorach stacyjnych bądź liniowych – wtedy spowodowane zanieczyszczeniem przez wulkaniczny popiół. Opad popiołu dodatkowo zmniejsza rezystancję pokrywy żwirowej stosowanej na rozdzielniach, stacjach i podstacjach, zmniejszając dodatkowo  tolerowane przez człowieka napięcia krokowe i dotykowe co czyni pracę na tych instalacjach ekstremalnie niebezpieczną. Należy przy tym pamiętać, że mokry pod wpływem opadów deszczu i zagęszczony popiół wulkaniczny odznacza się wysoką przewodnością i dodatkowo będzie potęgował te zjawiska.                                                                                                                                                    

Kolejna sprawa to zakłócenia w pracy elektrowni poprzez zanieczyszczenia stacji uzdatniania wody chłodzącej i wysiadająca wentylacja i klimatyzacja na skutek zapchania filtrów wlotowych bądź samych wentylatorów. Co gorsza, w przypadku intensywnego opadu popiołu może dojść do załamania konstrukcji dachowej elektrowni. Uszkodzeniu mogą wtedy ulec turbiny, generatory elektrowni, rurociągi itd.,  co będzie skutkowało całkowitym zatrzymaniem pracy elektrowni, a potem kontrolowanymi przestojami podczas czyszczenia instalacji z popiołu czy wymiany odsłoniętego sprzętu, który został przetarty pyłem. Opadający popiół gromadzi się także na drewnianych słupach i stalowych wieżach, może łamać gałęzie drzew, które opadną na linie energetyczne i je uszkodzą. Istnieje wówczas groźba wybuchu pożaru.

Warto tutaj dodać, że podmorskie erupcje wulkaniczne mogą generować niebezpieczne fale tsunami, a co za tym idzie uszkadzać podmorskie kable światłowodowe. Erupcja wulkanu Hunga Tonga-Hunga Ha'apai w Tonga 15 stycznia 2022 r. jest dobrym przykładem w tym miejscu, ponieważ uszkodziła podmorski kabel światłowodowy i doprowadziła do ponad miesięcznego komunikacyjnego blackoutu na 170 wyspach archipelagu. Z kolei opad popiołu uszkodził infrastrukturę elektroenergetyczną.

Czy błyskawice, pojawiające się czasem podczas erupcji, też powinno brać się pod uwagę?

Wskutek tarcia o siebie drobin popiołu w kolumnie erupcyjnej powstają wulkaniczne błyskawice, co miało miejsce np. w trakcie erupcji islandzkiego wulkanu Eyjafjallajökull w kwietniu 2010 roku. Istnieje zatem zagrożenie piorunowe dla elektrowni, podstacji, linii przesyłowych i dystrybucyjnych. W przypadku hipotetycznej erupcji superwulkanu, takiego jak kaldera Yellowstone o sile 7 bądź w 8 w skali Indeksu Eksplozywności Wulkanicznej, mogłoby dojść do awarii sieci energetycznej na niewiarygodną skalę. Miliony ludzi pozostałyby bez prądu.

Wyobrażam sobie, że mocny wybuch mógłby zniszczyć niekonwencjonalne elektrownie, czyli farmy wiatrowe lub solarne. Czy to faktycznie możliwe? I czy znasz jakieś przykłady?

Zgadza się. Intensywny opad popiołu może chociażby zablokować mechanizm ustawienia łopat wirnika, spowodować zatarcie łożysk wolnoobrotowego wału turbiny, czy też zablokować mechanizm obrotowy całego wiatraka. I jest żrący, gdy jest mokry, co stwarza niebezpieczeństwo uszkodzenia, zużycia się metalowych części sprzętu elektrycznego. Każda z wymienionych awarii wyłącza wiatrak z eksploatacji.

Natomiast co do paneli, to jeżeli opad popiołu będzie miał miejsce na farmie solarnej to wydajność paneli słonecznych spadnie do zera. Zatem trzeba je szybko oczyścić z popiołu – z zachowaniem zasad bezpieczeństwa. Wiem też, że lepki popiół może uszkodzić zainstalowane falowniki i urządzenia podpięte do fermy.

Najwięcej elektrowni wodnych znajdziemy w Chinach, Wietnamie, Kanadzie, Brazylii, Wenezueli, Norwegii, Rosji. Większość tych krajów nie ma szczególnych problemów z wybuchami wulkanów czy trzęsieniami ziemi, ale jednak, choćby w Chinach, się zdarzają. Czy mogą być niebezpieczne dla hydroelektrowni?

Warto tu wspomnieć jeszcze o Japonii, gdzie na elektrowniach wodnych zainstalowanych jest ponad 45GW mocy. To więcej niż całkowita moc wszystkich elektrowni w Polsce. I tak – w wybuchy wulkanów mogą być również niebezpieczne dla elektrowni wodnych. Może nie w takim samym stopniu, jak dla elektrowni cieplnych, bo bardzo często ich instalacje są schowane pod ziemią, ale również. W wyniku erupcji i emisji popiołu możliwe są uszkodzenia uszczelnień zastawek wlotowych, a także samych turbin i ich elementów, takich jak: łopatki wirnika, uszczelnienia labiryntowe, pierścienie ślizgowe.

Nawet elektrownie wodne zaprojektowane do radzenia sobie z dużymi ilościami osadów będą faworyzować zrzut wód zanieczyszczonych popiołem zamiast dalszej pracy. Stopień zagrożenia dla elektrowni wodnej ogółem zależał będzie od ilości wyrzuconego i zdeponowanego przez wulkan w trakcie wybuchu popiołu, szybkości jego osiadania w zlewni, stopnia jego ścieralności, wielkości zbiornika.  Oczywiście wszelkie zagrożenia związane z oddziaływaniem wybuchu wulkanu na część elektryczną takiej elektrowni również należy brać pod uwagę. 

Zapobieganie skutkom trzęsień ziemi i wybuchów wulkanów jest ściśle związane z inżynierią lądową, a w szczególności z mechaniką konstrukcji i polega generalnie na odpowiednim projektowaniu obiektów elektrowni i jej urządzeń hydro-mechanicznych w taki sposób, aby były one zdolne wytrzymać wstrząsy powstałe podczas trzęsień ziemi o założonej skali. Współcześnie praktycznie wszędzie uwzględniany jest tzw.seismic factor, czyli czynnik sejsmiczny. Na takich elektrowniach jest więcej żelbetu, a zastawki i dźwigi są bardziej masywne.

Najwięcej emocji wzbudzają elektrownie jądrowe w kontekście aktywności sejsmicznej i wulkanicznej, co przez katastrofę w Fukushimie 1 medialne narracje przypieczętowały. Przypomnijmy, że tamtejsza tragedia była następstwem trzęsienia ziemi i fal tsunami, które pochłonęły o wiele więcej ofiar, niż seria wypadków jądrowych w elektrowni. Ale czy może grozić nam gdzieś potencjalnie „Druga Fukushima", w sensie podobnej sekwencji zdarzeń, które doprowadziłyby do wypadku?

Elektrownie jądrowe także są zagrożone skutkami potencjalnych erupcji wulkanicznych. Przykładowo elektrownia jądrowa Sendai znajduje się w odległości 60 km od jednego z najaktywniejszych wulkanów na świecie, Sakurajima. Konsekwencje opadu popiołu na elektrownie jądrową mogą być następujące: obciążenie jej struktur, blokada systemu poboru wody chłodzącej czy też systemów wentylacyjnych.

Odwróćmy pytanie. Czy to elektrownie mają jakiś wpływ na aktywność wulkaniczną i sejsmiczną? Pytanie oczywiste, może i naiwne, ale nie każdy chodzi po świecie od kilku dekad.

Eksplozje nuklearne mogą czasami generować trzęsienia ziemi i wstrząsy wtórne, jednakże nic mi nie wiadomo na temat wpływu elektrowni na aktywność sejsmiczną i wulkaniczną. Natomiast obszary młodego wulkanizmu są źródłem energii geotermalnej np. na Islandii czy w Kalifornii. Eksploracja geotermalna raczej nie spowoduje erupcji wulkanicznej i nie wygeneruje trzęsień ziemi. Nie ma na to twardych dowodów. Odwierty geotermalne miały miejsce na wulkanach Unzen, Mauna Loa i Kilauea i nie wpłynęły na aktywność erupcyjną tych wulkanów.

Dziękuję za rozmowę.