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Wasserkraftpotential in den (vergletscherten) Schweizer Alpen
Robert Boes, ETH Zürich
Annual Conference, 13.09.2018
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2Annual Conference 2018 – Hydropower
Inhalt
• Einleitung
- Energiestrategie 2050
- Herausforderungen und Chancen betreffend Wasserkraft
• Wasserkraftpotential im vergletscherten Umfeld
• Produktionsverlagerung in den Winter mit Talsperrenerhöhungen
• Schlussfolgerungen und Ausblick
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3Annual Conference 2018 – Hydropower
Elektrizitätserzeugung und -nachfrage
≈ 30 TWh/a
Szenarien:Weiter wie bisher (WWB)Politische Massnahmen (POM)Neue Energiepolitik (NEP)
Quelle: Prognos (2012)
EnG, Art. 2, Abs. 1:≥ 37.4 TWh/a aus Wasserkraft anzu-streben (+1.1 TWh)
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4Annual Conference 2018 – Hydropower
Ausbau erneuerbarer Energien
4 (3) TWh
14 (11) TWh
4 (4) TWh
3 (4) TWh6 (4) TWh
_____________________Summen: ETHZ 31 TWh
(BFE 26 TWh)
PrognosenETHZ (BFE)
Quellen: ETH Zürich (2011),Werte in Piot (2014)
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5Annual Conference 2018 – Hydropower
Elektrizitätsexporte und -importe
Quelle: BFE (2016) Schweizerische Elektrizitätsstatistik
2003 - 2015Importsaldo~3 TWh/Winter
Importsaldo zukünftig 3 - 10 TWh/WinterPiot (2014)
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6Annual Conference 2018 – Hydropower
Klimaerwärmung: Entwicklung
“Radiative forcing quantifies the change in energy fluxes caused by changes in drivers of climate change [like CO2 or CH4] for 2011 relative to 1750.”
IPCC (2013)
RepresentativeConcentrationPathway
SpecialReport onEmissionScenarios
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7Annual Conference 2018 – Hydropower
Klimaerwärmung:Typische Auswirkungen auf Abflussregime
Abflu
ss
Winter Frühling Sommer Herbst
Aktuell
Zukunft
① Weniger Abfluss im Sommer
③ Hohe Abflüsse früher im Jahr
② Mehr Abfluss im Winter
Addor et al. (2014)
Dämpfung
Verschiebung
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8Annual Conference 2018 – Hydropower
Gletscherschmelze
Oberer Grindelwaldgletscher
Sammlung Gesellschaft für ökologische Forschung / Daniela Grosse / Wolfgang Zängl [2]
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9Annual Conference 2018 – Hydropower
Quelle: Linsbauer et al. (2012)
Geländesenken, die infolge Gletscherrückzug frei werden könnten
Mitt
lere
Tief
e[m
]
Fläche [km2]
Bildung von proglazialen Seen
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10Annual Conference 2018 – Hydropower
Proglaziale Seen und GletschervorfelderMöglichkeiten für neue Speicher und hydraulische Systeme
Triftgletscher 30. Juni 2004 (Quelle: VAW) Triftgletscher 3. Juli 2014 (Quelle: VAW)
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11Annual Conference 2018 – Hydropower
Herausforderungen Energiestrategie 2050
Lässt sich die Elektrizitätsproduktion aus Wasserkraft steigern, unter Berücksichtigung zukünftiger Änderungen der Nachfrage, des Klimas und des Betriebs?- Neue Grosswasserkraftanlagen in hohen Lagen im Umfeld
(ehemaliger) Gletscher periglaziale Wasserkraft- Ausbau bestehender Stauseen mittels Talsperrenerhöhungen
(v.a. erhöhte Wasserkraftproduktion im Winter)
Wie können wir langfristig unsere Wasserkraftinfrastruktur für allezufriedenstellend erhalten, verbessern und betreiben?- Effizienzsteigerungen (z.B. Verbesserungen betreffend
Turbinenabrasion)- Erhöhte Flexibilität (z.B. neue Pumpspeicherkraftwerke)- Erhöhte Akzeptanz (z.B. ökologische Massnahmen)
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12Annual Conference 2018 – Hydropower
Inhalt
• Einleitung
• Energiestrategie ES 2050
• Herausforderungen und Chancen betreffend Wasserkraft
• Wasserkraftpotential im vergletscherten Umfeld
• Produktionsverlagerung in den Winter mit Talsperrenerhöhungen
• Schlussfolgerungen und Ausblick
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13Annual Conference 2018 – Hydropower
Energiewende –Nationales Forschungsprogramm 70
Electricity supply
Building and settlement
Next generation photovoltaics
Industrial processes Transport and mobility
Software-based real-time grid control
Sustainable decentralised power generation
Assessing future electricity markets (AFEM)
SwiSS solid-state SiC transformer
Electricity storage via adiabatic air compression
The future of Swiss hydropower
Perovskites for solar energy
Trade-offs in switching to renewable electricity
Hybrid HVAC / HVDC overhead lines in Switzerland
Sustainable floodplain management and hydropower
Hydropower and geo-energy
Design optimization of Alpine desanding facilities
Hydropower potential and reservoir sedimentation in the periglacial environment under climate change
Exploration and characterization of deep underground reservoirs
Modelling permeability and stimulation for deep heat mining
Optimizing Environmental Flow Releases under Future Hydropower Operation (HydroEnv)
Risk Governance of Deep Geothermal and Hydro Energy
HEPS4Power - Extended-range HydrometeorologicalEnsemble Predictions for Improved Hydropower Operations
and Revenues
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14Annual Conference 2018 – Hydropower
Periglaziale Wasserkraft:Methodik zur Potentialabschätzung
① Abflussprognosen bis 2100• 1576 Gletscherteileinzugsgebiet • 14 Globale Zirkulationsmodelle• 3 Emissionsszenarien
② Ausgewählte Beispiele mit mittlerem Jahresabfluss >10 hm3
③ Systematische Bewertung von62 Standorten mittels Evaluationsmatrix (Doktorarbeit D. Ehrbar 2018, Studentenarbeiten 2017)
④ Schätzung des Potentials neuer periglazialer Reservoire zur Elektrizitätserzeugung
⑤ Auflistung der vielversprechendsten möglichen Standorte/Anlagen
Source: Farinotti et al. (2012)
z.B. Rhonegletscher Abfluss
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15Annual Conference 2018 – Hydropower
Periglaziale Wasserkraft: Bewertungsmatrix
WIRTSCHAFT (60%)
Installierte Leistung (10%) Stromproduktion (10%) Investitionskosten (11%) Zuflussentwicklung (3%) Speicherverlandung (7%) Erdbeben (3%) Impulswellen (3%) Hochwasserschutz (3%) Flexibilität und
Speicherkapazität (10%)UMWELT (25%)
Sichtbarkeit von Siedlungen aus (3%) Restwasser (7%) Sedimentdurchgängigkeit (10%) Schwall/Sunk und Thermopeaking (5%)
GESELLSCHAFT (15%)
Schutzzonen (7%) Landnutzung (5%) Tourismus (3%)
1 - 3 Punkte für jedes Kriterium, mit folgender Gewichtung
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16Annual Conference 2018 – Hydropower
50 km
N
Chur
Bern
Zürich
Periglaziale Wasserkraft: Resultate
© swisseduc [1]
1
2
3
4
5
6
7
Gletscher(alphabetisch)
Speicher-volumen
[hm3]
Jahres-produktion
[GWh]
1 Aletsch 181 218
2 Gorner 168 235
3 Grindelwald 71 85
4 Hüfi 36 105
5 Rhône 46 88
6 Roseg 78 231
7 Trift 85 145
Total 665 1108
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18Annual Conference 2018 – Hydropower
Inhalt
• Einleitung
• Energiestrategie ES 2050
• Herausforderungen und Chancen betreffend Wasserkraft
• Wasserkraftpotential im vergletscherten Umfeld
• Produktionsverlagerung in den Winter mit Talsperrenerhöhungen
• Schlussfolgerungen und Ausblick
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19Annual Conference 2018 – Hydropower
Talsperrenerhöhung Mauvoisin (1989-1991)
Quelle: rhonefm.ch
+ 13.5 m (+6%)
Storage volume+30 hm3 (+20%)
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20Annual Conference 2018 – Hydropower
Talsperrenerhöhung Luzzone (1997–1998)
Foto: A. Michael
+ 17 m (+8%)
Storage volume+20 hm3 (+23%)
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21Annual Conference 2018 – Hydropower
Talsperrenerhöhung Vieux Emosson(2012–2015)
Foto: http://verticalp-emosson.ch
+ 21.5 m (+39%)Storage volume+25 hm3 (+100%)
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22Annual Conference 2018 – Hydropower
Talsperrenerhöhungen in der Schweiz
Grundlagenkarte: swisseduc [1]Informationen zu Talsperren und deren Erhöhungen gemäss www.swissdams.ch, Fachartikeln und Zeitungsartikeln
N
Bern
Zürich
1
2
3
4
5
6
7
9
8
Ausgeführte Beispiele (chronologisch)1 Muslen (1981):
+5 m (+21%), <0.01 hm3
2 Mauvoisin (1991):+13.5 m (+6%), +30 hm3 (+20%)
3 Luzzone (1999):+17 m (+8%), +20 hm3 (+23%)
4 Barcuns (2014): +5 m (+17%), +0.1 hm3 (+83%)
5 Vieux-Emosson (2014):+21.5 m (+39%), +25 hm3 (+100%)
6 Muttsee (2016):+35 m, +23.4 hm3 (war natürlicher See)
Option in Planung:7 Spitallamm + Seeuferegg (Grimselsee)
+23 m (+20%), +75 hm3 (+79%)
Frühere Projektstudien (nicht aktuell)8 Göscheneralp
+8 m (+5%), +11 hm3 (+15%)9 Lago Bianco (Mauern Nord und Süd)
+4.3 m (+17%), +8 hm3 (+44%)
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23Annual Conference 2018 – Hydropower
Talsperrenerhöhungen: Methodik zur Potentialabschätzung
① Aufstellen einer Bewertungsmatrix
② Systematische Bewertung der 38 grössten Schweizer Wasserkraftspeicher
(> ca. 20 hm3) für drei relative Erhöhungsmasse:
5%, 10% und 20% der bestehenden Höhe der (Haupt-)Sperre
③ Abschätzung der erreichbaren zusätzlichen Speichervolumina und der
Elektrizitätsproduktion, die zusätzlich in den Winter umgelagert werden kann,
in zwei Szenarien mit unterschiedlicher Realisierungswahrscheinlichkeit
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24Annual Conference 2018 – Hydropower
Talsperrenerhöhungen: Bewertungsmatrix
KRAFTWERKSSYSTEM (46%)
Genügende Zuflüsse (9%) Anpassungen hydr. System (9%) Produktionsumlagerung
in den Winter (28%)
SPERRE (27%)
Bautechnische Eignung (9%)
Relativer Aufwand (18%)
ZUKÜNFTIGER STAURAUM UND SPERRSTELLE (27%)
Schutzzonen (9%) Landnutzung, Siedlung (9%) Infrastrukturanpassungen (9%)
0 - 4 Punkte für jedes Kriterium (0 = Ausschlusskriterium), mit folgender Gewichtung
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25Annual Conference 2018 – Hydropower
Talsperrenerhöhungen: Resultate1 Lago d’Albigna2 Lago Bianco3 Lago di Cavagnoli4 Lac de Cleuson5 Lai da Curnera6 Lac des Dix (Gde. D.)7 Lac d’Emosson8 Gigerwaldsee9 Griessee10 Grimselsee11 Lac d’Hongrin12 Klöntalersee13 Lago di Lei14 Limmernsee15 Lago di Lucendro16 Lago di Luzzone17 Lai da Marmorera18 Mattmarksee19 Lac de Mauvoisin20 Lac de Moiry21 Lai da Nalps22 Lago del Naret23 Oberaarsee24 Lago Ritom25 Lac de Salanfe26 Lago del Sambuco27 Lai da Santa Maria28 Lac des Toules29 Zervreilasee
• 16 Anlagen «interessant» (Szenario 1)
Von 38 untersuchten Speichern…
• 13 Anlagen «eventuell möglich»• 9 Anlagen ausgeschlossen
nach Leimgruber (2018)
29 Anlagen(Szenario 2)
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26Annual Conference 2018 – Hydropower
Talsperrenerhöhungen: Resultate
Anzahl Speicher
Total Erhöhung um 5% 10% 20%
Szenario 1 1.7 TWh/a 16 3 6 7
Szenario 2 2.8 TWh/a 29 2 8 19
0
100
200
300
400
500
600
Albi
gna
Bian
coCa
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Cleu
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Curn
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Wh/
Jahr
]
Szenario 1
Zusätzlich in Szenario 2
Umlagerung in den Winter
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27Annual Conference 2018 – Hydropower
Zusammenfassung
Sommer: 11.1 … Winter: 10.0 TWh/a
0 5 10 15 20 25
Mit Talsperrenerhöhungen: 1.7 bis 2.8 TWh/a vom Sommer in den Winter
BFE (2016), Mittelwert der Jahre 2006 -2016
Bestehende Speicherwasserkraftwerke : 21.1 TWh/a
0 5 10 15 20 25
z.B. 7 neue WKA im proglazialen Umfeld: + 1.1 TWh/a (+5%)
Sommer: 8.9 bis 10 TWh/a Winter: 12.2 bis 13.3 TWh/a
ca. 2 bis 3.5 TWh/a mehr im Winter
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28Annual Conference 2018 – Hydropower
Schlussbemerkungen und Ausblick
• (Speicher-)Wasserkraft spielt weiterhin die tragende Rolle in der Elektrizitätsversorgung der Schweiz
• Gletscherrückzug gibt Möglichkeiten für neue Speicher-wasserkraftanlagen in hohen Lagen
• Talsperrenerhöhungen ermöglichen eine Produktions-verlagung in den Winter, um Importe zu reduzieren
• Vergrösserte Speicher sind auch wichtig für die Integration neuer erneuerbarer Energien und als Mehrzweckanlagen(Bewässerung, Wasserversorgung)
• Massnahmen zur Förderung des Speicherausbaus prüfen• Weitere Studien und Projektvorschläge, welche die
anlagespezifischen Eigenheiten genauer berücksichtigen
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29Annual Conference 2018 – Hydropower
Danke für Ihre Aufmerksamkeit
Foto: www.myswitzerland.comEhrbar et al. (2018)