Mit Wissenschaft die Schweizer Wasserkraft stärken

?Obwohl es sich bei der Schweizer Wasserkraft um eine bew?hrte Technologie handelt, m¨¹ssen wir sie st?ndig optimieren. Tun wir das nicht, droht die Stromproduktion und -speicherung aus bestehenden Werken langsam zu erodieren?, erkl?rt Robert Boes, der seit 2009 die Versuchsanstalt f¨¹r Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie an der ETH Z¨¹rich leitet. Denn vor allem Speicherseen haben eine nat¨¹rliche Tendenz, durch Ger?ll und Kies kleiner zu werden. Und Sedimente in den Wasserwegen f¨¹hren mit der Zeit unweigerlich zur Abnutzung der Turbinen.

Diesen und weiteren Herausforderungen wirken ETH-Forschende schon seit einigen Jahren mit ihrer Forschung entgegen: Sie entwickeln L?sungen f¨¹r ein effizientes Wassermanagement, berechnen Wartungsstrategien f¨¹r Turbinen und zeigen auf, an welchen Standorten das Potenzial f¨¹r Wasserkraft m?glichst wirksam und umweltschonend genutzt werden k?nnte. Damit tragen sie dazu bei, dass die Wasserkraft auch in Zukunft das R¨¹ckgrat der Schweizer Stromversorgung bleibt ¨C vor allem im Winter, wenn Photovoltaikanlagen weniger Strom liefern.

Besseres Wassermanagement f¨¹r Laufwasserkraftwerke

Auf den 36 Kilometern, die die Limmat vom Z¨¹richsee bis zur Aare zur¨¹cklegt, gibt es elf Laufwasserkraftwerke. Der Z¨¹richsee gleicht dabei einem grossen Kopfspeicher, ¨¹ber den Wasser in die Limmat abgelassen wird. ?ber die Wehranlage am Z¨¹rcher Platzspitz regulieren die Beh?rden den Z¨¹richseepegel und damit auch wie viel Wasser in die Limmat fliesst. Dieser Pegelstand ist neben dem Hochwasserschutz, der Schifffahrt und der ?kologie vor allem f¨¹r die Stromproduktion relevant.

Boes und sein Forschungsteam zeigten k¨¹rzlich in einer Studie, dass sich durch ein optimiertes Wehrreglement am Platzspitz rund zwei Prozent mehr Strom in den Limmatkraftwerken erzeugen liessen. M?glich w¨¹rde diesen Effizienzgewinn eine neue Steuerungsstrategie machen, die einerseits h?here Seewasserst?nde im heutigen Reglement erlaubt und andererseits mit Hilfe von Wettermodellen die Pegelregulierung des Z¨¹richsees besser auf die zu erwartenden Niederschlagsmengen und Zufl¨¹sse abstimmt.

F¨¹r Laufwasserkraftwerke gilt grunds?tzlich: Je gleichm?ssiger das Wasser fliesst, desto besser ist die Stromproduktion. Insbesondere bei kleineren und mittleren Hochwassern k?nnten die auftretenden Wassermengen durch das neue Reglement besser genutzt werden. ?Sagt das Wettermodell starken Regen vorher, w¨¹rde die smarte Wehranlage bereits vorab etwas mehr Wasser in die Limmat ablassen. Wenn es dann regnet, hat der See mehr Puffer und kann trotz der starken Niederschl?ge weiterhin gleichm?ssig Wasser an die Limmat abgeben?, erkl?rt der ETH-Professor. Dies w¨¹rde verhindern, dass die Turbinen durch zu viel Wasser ¨¹berlastet werden. Die Hochwasserbestimmungen sowie ?kologische und andere Auflagen m¨¹ssten selbstverst?ndlich weiterhin eingehalten werden.

?hnliche Anpassungen w?ren auch an anderen Schweizer Fl¨¹ssen im Mittelland unterhalb von Alpenrandseen m?glich. Boes und sein Team haben berechnet, dass sich die Stromproduktion aus Laufwasserkraftwerken durch eine kl¨¹gere Steuerung der Wehranlagen um rund 100 Gigawattstunden pro Jahr steigern liesse. Damit k?nnte der j?hrliche Strombedarf von rund 25¡¯000 Vier-Personen-Haushalten gedeckt werden.

Turbinen wirksamer gegen Sedimente sch¨¹tzen

Feine Sedimente, die Fl¨¹sse mit sich f¨¹hren, sind die nat¨¹rlichen Feinde jeder Wasserkraftturbine. Sie wirken wie Schmirgelpapier und f¨¹hren dazu, dass sich Turbinen mit der Zeit abn¨¹tzen und deutlich weniger Strom produzieren. Obwohl dieses Problem seit langem bekannt ist, ist es bis heute nicht vollst?ndig gel?st. Viele Kraftwerke verf¨¹gen zwar ¨¹ber sogenannte Entsanderbecken, doch diese k?nnen die winzigen Partikel im Wasser oft nur unzureichend reduzieren.

Um die Wirksamkeit dieser Sandfanganlagen zu erh?hen, die Turbinen zu schonen und Produktionsausf?lle zu vermeiden, untersuchten Boes und sein Team, welche Art von Becken besonders wirksam sind: ?Am besten funktionieren lange Becken mit einem sanften Sohlgef?lle, in denen das Wasser m?glichst langsam fliesst. Dort k?nnen sich die Partikel leichter am Boden absetzen?, sagt der ETH-Professor. Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde beispielsweise bereits der Sandfang des Wasserkraftwerks Susasca in Graub¨¹nden verbessert. Doch l?ngere Becken ben?tigen auch mehr Baumaterial und Platz und sind deshalb teuer. Daher gilt es von Kraftwerk zu Kraftwerk zu entscheiden, welche baulichen Anpassungen ?konomisch und technisch sinnvoll sind.

Ger?ll-Byp?sse f¨¹r Stauseen

Durch witterungs?bedingte Erosion gelangen Steine, Kies und andere Sedimente ¨¹ber den Wasserzufluss in die Stauseen und verringern deren Speicher?volumen. Dieses als Verlandung bekannte Problem k?nnte die Speicherkapazit?t von Schweizer Stauseen bis 2050 um rund sieben Prozent reduzieren. Bei kleineren und mittleren Speichern werden heute Umleitstollen als eine bauliche Massnahme gegen die Verlandung eingesetzt. ?hnlich einem Bypass f¨¹hren sie bei Hochwasser Steine, Kies und Sedimente an der Staumauer vorbei. Durch den starken Geschiebetransport kommt es aber an der Sohle des Umleitungsstollen mitunter zu ausgepr?gten Abn¨¹tzungen.

ETH-Professor Boes und sein Team besch?ftigten sich in den letzten Jahren immer wieder mit diesem Problem. Die Forschenden untersuchten zum Beispiel, welche Materialien sich am besten f¨¹r die Sohlauskleidung solcher Stollen eignen. Nach unz?hligen Tests kamen sie zum Schluss, dass bei besonders harschen Bedingungen hochfester Granit der starken Abn¨¹tzung am besten standh?lt. Aufgrund dieser Erkenntnis wurden seither mehrere Umleitstollen weltweit mit Granit ausgekleidet.

Die Forschenden konnten zudem am Beispiel des Solis-Stausees in Graub¨¹nden nachweisen, wie wirksam Umleit?stollen tats?chlich sind. Dank des Stollens konnte die j?hrliche Verlandung um ¨¹ber 80 Prozent gesenkt werden. Dies bedingt aber ein angepasstes Speichermanagement: Die Kraftwerksbetreiber k?nnen die Wirksamkeit der Stollen zus?tzlich steigern, indem sie den Wasserspiegel im Stausee tief genug absenken, da der einstr?mende Fluss so besonders viel Gestein und Sedimente mitreissen und ¨¹ber den Stollen abf¨¹hren kann. Diese Erkenntnisse sind auch f¨¹r die Betreiber zahlreicher anderer Kraftwerke relevant.

Mehr Strom durch eine optimierte Wartung der Turbinen

Zur Entlandung von Speichern k?nnen Feinsedimente alternativ auch gezielt ¨¹ber den Triebwasserweg und die Turbinen in unterhalb liegende Flussabschnitte geleitet werden. ?Das Problem dabei ist, dass die Turbinen st?rker verschlissen werden. Diese L?sung kann sich f¨¹r alpine Stauseen aber dennoch lohnen, wenn alternative Massnahmen wie zum Beispiel Umleitstollen zu teuer oder nicht machbar w?ren?, sagt Boes.

Um die Machbarkeit dieser Massnahme gegen Verlandung besser einsch?tzen zu k?nnen, m¨¹ssen die Kraftwerkbetreiber aber wissen, welche Sch?den die Sedimente an den Turbinen anrichten und wie stark sie deren Wirkungsgrad mindern. Dieses Problem analysierten Boes und sein Team in je einer Wasserkraftanlage im Wallis und Graub¨¹nden. Mit diesen Erkenntnissen entwickelten die Forschenden ein Modell, das vorhersagt, wann eine Turbine auf Grund der Abn¨¹tzung durch Sedimente an Leistung verliert und ersetzt werden sollte. Dadurch k?nnen Kraftwerksbetreiber die Wartung ihrer Anlagen optimieren und letztlich mehr Strom produzieren.

Das Potenzial der Schweizer Wasserkraft

Neben diesen konkreten L?sungen f¨¹r bestehende Wasserkraftwerke forschten ETH-Professor Boes und sein Team in den letzten Jahren auch intensiv zum Potenzial des Ausbaus der Schweizer Wasserkraft. So untersuchte seine Forschungsgruppe etwa, welche Gletscherr¨¹ckzugsgebiete sich am besten f¨¹r neue Stauseen eignen w¨¹rden, und welche Talsperren erh?ht werden k?nnten, um mehr Speichervolumen zu schaffen.

Die Ergebnisse dieser ETH-Studien wurden 2020 vom Bundesamt f¨¹r Energie aufgegriffen: Dieses machte die besten Standorte zur Grundlage f¨¹r einen runden Tisch, an dem sich Stromkonzerne, Umweltschutzverb?nde und Kantone auf eine Liste mit f¨¹nfzehn Projekten zum Aus- und Neubau von Wasserkraftwerken einigten. Einen Beitrag zur Kompromissfindung leistete damals auch der emeritierte ETH-Professor Michael Amb¨¹hl, der als Mediator zwischen den Parteien fungierte. Diese Projekte sind anschliessend in ein neues Stromversorgungsgesetz eingeflossen. Ob dieses in Kraft tritt, h?ngt letztlich vom Schweizer Stimmvolk ab, das im Juni ¨¹ber den Ausbau der Wasserkraft und anderer erneuerbarer Energietr?ger abstimmt.  

Robert Boes ist Mitglied des Energy Science Center (ESC) der ETH Z¨¹rich.