Swiss Competence Centre for Energy Research – Supply of Electricity (SCCER-SoE)

Die acht “Swiss Competence Centers for Energy Research“ (SSCERs) sind Forschungsnetzwerke zur Förderung der Energieforschung in der Schweiz. Sie werden durch die Kommission für Technologie und Innovation finanziert. Ihr Ziel ist die Entwicklung von innovativen Lösungen zu technischen, sozialen und politischen Herausforderungen, welche sich aus den Zielen der Energiestrategie 2050 des Bundes ergeben.

Das SCCER Supply of Electricity (SCCER-SoE) befasst sich mit den Themen Wasserkraft und Geoenergie (Tiefengeothermie und geologische Speicherung von Kohlendioxid). Die Eawag leitet die Arbeitsgruppe 2.4 des SCCER-SoE, welche sich mit den Umweltauswirkungen der erwarteten zukünftigen Entwicklungen im Wasserkraftsektor in der Schweiz befasst.

Ziele der Arbeitsgruppe 2.4

  • Ökologische Auswirkungen von Kleinwasserkraftwerken
    Ein Teil der in der Energiestrategie 2050 geplanten Erweiterung der Wasserkraftproduktion soll mit dem Zu- und Ausbau von zahlreichen Kleinwasserkraftwerken abgedeckt werden. Was sind die Auswirkungen dieser Kraftwerke auf das Fliessgewässernetz, und welche Massnahmen können getroffen werden, um diese Auswirkungen möglichst klein zu halten?

  • Restwasser
    Welches sind die besten Strategien für die Dotierung von Restwasser unterhalb von Talsperren? Ziel dieser Analysen ist es, funktionsfähige und dynamische Fliessgewässer-Ökosysteme in Restwasserstrecken zu ermöglichen, ohne die Wasserkraftproduktion übermässig einzuschränken.
  • Schwall/Sunk und Thermopeaking
    Schwall-Sunk und Thermopeaking sind plötzliche, durch einen dynamischen Kraftwerksbetrieb verursachte Änderungen in Abfluss und Temperatur in Fliessgwässern. Wie wirkt sich die veränderte zeitliche Dynamik der Wasserkrafterzeugung und der Klimawandel  auf den Schwall-Sunkbetrieb und das Thermopeaking aus? Wie können die Auswirkungen dieser Entwicklung auf die Ökosysteme möglichst gering gehalten werden?

Die Forschung an der Eawag fokussiert auf den Zielkonflikt zwischen der Stromproduktion von Kleinwasserkraftwerken, der Biodiversität und von Ökosystem-Dienstleistungen.

Die Energiestrategie 2050 sieht vor, dass die jährliche Stromproduktion aus kleinen Laufwasser-Kraftwerken (<10 MW) um 2200 GWh  angehoben wird. Solche kleinen Kraftwerke stehen im Ruf, nur kleine ökologische Auswirkungen zu haben. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass die Auswirkungen grösser sind als bisher angenommen. Entsprechende Studien sind allderdings nicht verfügbar. Es besteht ein Bedarf an aussagekräftigen Instrumenten, die solche negativen Auswirkungen abschätzen können, sowohl an betroffenen Flussabschnitten, wie auch auf das Gewässernetzwerk.

Forschungsziele

  • Erarbeiten einer Palette von Methoden für die Standortevaluation von potentiellen Klein-Kraftwerken, basierend auf fundierten Erkenntnissen über lokale und netzwerkweite Auswirkungen.
    In der bisherigen Praxis werden geeignete Standorte meist auf der Basis von lokalen Auswirkungen evaluiert. Um komplexe, netzwerkweite Auswirkungen zu untersuchen, werden Werkzeuge benötigt, die aufgrund von vielfältigen Kriterien die Wahl von geeigneten Standorten unterstützt. Zu den möglichen Kriterien gehören die Biomasse des Fischbestandes in Abhängigkeit von Verfügbarkeit und Diverstiät der Habitate, artspezifische Ansprüche an die Vernetzung von Lebensräumen, der Schutz von standortgebundenen Arten und das Erhalten der Funktion eines Ökosystems. Als langfristiges Ziel soll eine hohe genetische Vielfalt angestrebt werden, die es Lebensgemeinschaften erlaubt, sich an sich ändernde Umweltbedingungen anzupassen. Es ist anzunehmen, dass Barrieren in einem Flussnetzwerk diese genetische Vielfalt in Frage stellen.
  • Eine Methodik um einen angemessenen Restwasserabfluss von Kleinwasserkraftwerken zu gewährleisten.
    Regeln für dynamische Restwassermengen wurden bisher nur für grosse Speicherseen festgelegt. Da die Wasserentnahmen von Kleinwasserkraftwerken in der Regel nicht aktiv gesteuert sind, müssen dynamische Restwassermengen während der Planungsphase vorweggenommen werden. Es besteht zum Beispiel die Möglichkeit, den Restwasserabfluss proportional zum natürlichen Abfluss zu gestalten.

Forschungsprojekte an der Eawag

1. Lokale Auswirkungen von Kleinwasserkraftwerken auf das Funktionieren von Ökosystemen

Die augenfälligsten Auswirkungen von Kleinwasserkraftwerken finden sich in der Restwasserstrecke, zwischen der Entnahme und der Wasserrückgabe, wo kleine Abflüsse und ein geändertes Sediment-Regime vorherrschen. Der daraus folgende Qualitätsverlust des Lebensraumes äussert sich unter Anderem in der Besiedlungsdichte von Fischen und deren Allgemeinzustand, der Zusammensetzung der Fischpopulation und den Funktionen des Ökosystems, wie der Verwertung von organischem Material. Die genauen Mechanismen in der gesamten Nahrungskette sind aber noch wenig untersucht.

Deshalb werden der Zustand des Ökosystems unterhalb von Wasserentnahmen anhand der Struktur und den Funktionen der Nahrungskette untersucht. Erste Resultate zeigen, dass der Verlust der Habitate den körperlichen Zustand von Bachforellen beeinträchtigt. Die in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse sollen in wirksame Sanierungsmassnahmen umgesetzt werden.

2. Optimale Positionierung von mehreren Kleinwasserkraftwerken in einem Flussnetzwerk

Besonders in alpinen Gebieten, wo eine Wasserentnahme den Abfluss über längere Strecken beeinträchtigt, können die negativen Auswirkungen von Laufwasser-Kraftwerken gross sein. Werden mehrere Kraftwerke in einem Einzugsgebiet gebaut, besteht die Gefahr von sich kumulierenden Auswirkungen, wie der Fragmentierung der Lebensräume, der Verlust von geeigneten Habitaten und die Unterbrechung von Wanderrouten durch kleine Abflüsse und Dämme. Bei der Wahl von geeigneten Standorten müssen diese kumulierten Effekte berücksichtigt werden. Es fehlt jedoch an Methoden, mit denen solche Effekte zuverlässig vorhergesagt werden können.

Unter Berücksichtigung der komplexen Zusammenhänge zwischen der Topologie und Abflussregime des Flusses, der Wanderung von Lebewesen und der Biodiversität, werden mittels einer Software Pareto-optimale Konfigurationen von Kraftwerken erarbeitet, die eine Grundlage für Standortentscheide bieten soll.

Es kann gezeigt werden, dass unter Berücksichtigung einer netzwerkweiten Perspektive, bestimmte Konfigurationen von Kraftwerken bevorzugt werden. Eine solche Bewertung kann anhand von lokalen Indikatoren nicht erreicht werden.

Verwandte Projekte

  • FLEXSTOR WP1: Assessing the performance of hydro-peaking remediation measures under future scenarios – Performance of Innertkirchen compensation basin with operation of Trift dam
  • Participation in NRP 70 projects (HyApp, HydroEnv).