Short description
(German)
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Die Wasserkraft in der Schweiz steht derzeit vor enormen Herausforderungen. Die Energiestrategie 2050 schreibt eine ehrgeizige Steigerung der jährlichen Produktion vor. Hinzu kommen immer anspruchsvollere Netzregulierungsdienste, da sich die erneuerbaren Energiequellen mit intermittierendem Charakter rasch ausbreiten. Viele Konzessionen werden in Kürze auslaufen, was einen erheblichen Modernisierungsbedarf nach sich zieht. Um diese Situation zu meistern, müssen wichtige technologische Entwicklungen umgesetzt werden, wobei die Auswirkungen der Anlagen auf die Umwelt so gering wie möglich gehalten werden müssen. HydroLEAP zeigt konkret, wie die Ergebnisse vergangener und aktueller Projekte angewendet werden können, um die Leistung einer repräsentativen Untergruppe des Schweizer Wasserkraftparks zu optimieren. Das Projekt sichert zudem die Existenz einer experimentellen Infrastruktur, die für die Forschung und Ausbildung der nächsten Generation von Ingenieuren von strategischer Bedeutung ist.
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Short description
(English)
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Hydropower in Switzerland is currently facing enormous challenges. The Energy Strategy 2050 prescribes an ambitious increase in annual production. In addition, grid regulation services are becoming increasingly demanding, as renewable energy sources of an intermittent nature are expanding rapidly. Many concessions are due to expire soon, resulting in a considerable need for modernization. To cope with this situation, important technological developments must be implemented while minimizing the impact of the installations on the environment. HydroLEAP shows concretely how the results of past and current projects can be applied to optimize the performance of a representative subset of the Swiss hydropower fleet. The project also ensures the existence of an experimental infrastructure that is of strategic importance for the research and training of the next generation of engineers.
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Short description
(French)
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L’hydroélectricité en Suisse se trouve actuellement face à d’énormes défis. La stratégie énergétique 2050 prescrit une augmentation de la production annuelle ambitieuse. À cela se rajoutent des services de régulation du réseau de plus en plus exigeants, vu la progression rapide des sources d’énergies renouvelables à caractère intermittent. Au final, un grand nombre de concessions arriveront à terme prochainement, impliquant des travaux de modernisation conséquents. Pour maîtriser cette situation, d’importants développements technologiques doivent être mises en oeuvre, tout en minimisant l’impact des aménagements sur l’environnement. HydroLEAP démontre concrètement comment les résultats des projets passés et présents peuvent être appliqués pour optimiser la performance d’un sous-ensemble représentatif du parc hydroélectrique Suisse. Il pérennise également l’existence d’une infrastructure expérimentale stratégique pour la recherche et la formation de la prochaine génération d’ingénieurs.
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Final report
(German)
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Die Schweizer Wasserkraftbranche steht derzeit vor enormen Herausforderungen. Die Energiestrategie 2050 sieht bis 2035 und 2050 einen sehr ambitionierten Anstieg der jährlichen Stromproduktion vor. Gleichzeitig gewinnen Netzdienstleistungen im Zuge der massiven Integration intermittierender erneuerbarer Energiequellen zunehmend an Bedeutung. Schließlich laufen in den nächsten drei Jahrzehnten zahlreiche bestehende Konzessionen aus, was umfangreiche Modernisierungen notwendig macht. Um all dem zu begegnen, bringt HydroLEAP die zentralen Akteure der Schweizer Wasserkraftbranche in einem Projekt zusammen, dessen Ergebnisse einen entscheidenden Schritt in Richtung Energiewende darstellen. Konkret werden die technologischen Entwicklungen, die notwendig sind, um das angestrebte Produktionsniveau der Wasserkraft zu erreichen, auf eine repräsentative Auswahl an Kraftwerken angewendet – mit dem Ziel, deren Einfluss auf eine gesteigerte Leistung, niedrigere Betriebskosten und eine geringere Umweltbelastung nachweislich zu demonstrieren. Beim Pumpspeicherkraftwerk FMHL wird durch die Optimierung des hydraulischen Kurzschlussbetriebs die Netzregelkapazität erheblich gesteigert, während gleichzeitig der Gesamtwirkungsgrad der Anlage durch den Austausch der Pelton-Laufräder im alten Kraftwerk verbessert wird. Zudem wird der Wartungszyklus durch die experimentelle und numerische Bestimmung der tatsächlichen Kosten eines Starts eines Aggregats optimiert. Diese werden in bestehende Algorithmen zur Anlagenbewirtschaftung integriert (Maintenance 4.0). Diese Maßnahmen werden auch am Demonstrator KW Ernen (Laufwasserkraftwerk mit Francis-Turbine) durchgeführt – dort zusätzlich mit der Bestimmung der optimalen Erneuerungsoption im Rahmen eines neuen Konzessionsantrags sowie der Simulation, Auslegung und Erprobung einer Batterie in hybrider Konfiguration zur Verbesserung der Netzregelung. Wie sich die Umweltwirkungen eines neuen Niederdruckkraftwerks mit hoher Abflussmenge minimieren lassen, wird am Laufwasserkraftwerks-Demonstrator Massongex-Bex-Rhône (MBR) mit Bulb-Turbinen gezeigt. Dort wird auch beraten, wie mit hohen Konzentrationen erosiver Schwebstoffe in der Planungs- und Ausschreibungsphase umgegangen werden sollte. Darüber hinaus adressiert HydroLEAP den Bedarf an hochmodernen Versuchsinfrastrukturen – nicht nur zur unabhängigen Verifizierung der Leistungssteigerungen und Optimierungen bei den drei Demonstratoren, sondern auch zur Durchführung komplexer Messungen, die für die Entwicklung fortschrittlicher prädiktiver Wartungsalgorithmen unerlässlich sind. Diese dienen auch dazu, die physikalischen Mechanismen besser zu verstehen und nicht zuletzt eine neue Generation von Wasserkraftfachleuten auszubilden. Solche Versuchsinfrastrukturen sind für die Industrie von grosser Bedeutung, da sie die Validierung und Risikominimierung innovativer Konzepte unter kontrollierten und reproduzierbaren Bedingungen ermöglichen – Bedingungen, die in kommerziellen Kraftwerken aufgrund betrieblicher und wirtschaftlicher Einschränkungen nicht realisierbar sind. Die Ansiedlung dieser Infrastruktur an einer öffentlichen Forschungseinrichtung gewährleistet Neutralität, langfristige Zugänglichkeit und die Möglichkeit, Ergebnisse sektorenübergreifend zu teilen, anstatt sie auf einzelne industrielle Akteure zu beschränken. Dies fördert die vorkompetitive Zusammenarbeit und beschleunigt den Technologietransfer in die gesamte Wasserkraftbranche. Künftig wird die Infrastruktur als nationale Referenzplattform für die Erprobung neuartiger hydraulischer Komponenten, digitaler Überwachungssysteme und hybrider Betriebsstrategien dienen und sowohl industriegetriebene F&E-Projekte als auch akademische Forschung unterstützen. Dies ist insbesondere für die Schweiz von zentraler Bedeutung, da die Wasserkraft das Rückgrat der Stromproduktion und der Bereitstellung von Flexibilität bildet. Die Aufrechterhaltung der technologischen Führungsposition und der betrieblichen Exzellenz in diesem Bereich ist entscheidend, um ein sicheres, nachhaltiges und wettbewerbsfähiges Energiesystem zu gewährleisten – insbesondere im Hinblick auf die zunehmende Integration fluktuierender erneuerbarer Energien und den wachsenden Bedarf an flexiblen Speicherlösungen. Diese wichtige Massnahme für einen nachhaltigen Wissenstransfer stellt sicher, dass die zentralen Projektergebnisse bis 2050 auf den gesamten Schweizer Kraftwerkspark übertragbar und multiplizierbar sind. Konkret umfasst dies: die Bestimmung idealer Erneuerungsmassnahmen zur Effizienz- und Produktionssteigerung, die Identifikation und Optimierung des hydraulischen Kurzschlussbetriebs für die Frequenzregelung in Pumpspeicherkraftwerken, die Optimierung von Systemdienstleistungen durch Batterie-Hybridisierung, die Reduktion der Betriebskosten durch fortschrittliche Wartungsalgorithmen sowie die Minimierung der Umweltwirkungen neuer Laufwasserkraftwerke.
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Final report
(English)
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The Swiss hydroelectricity sector is currently facing important challenges. The Energy Strategy 2050 is prescribing a very ambitious rise in annual production until 2035 and 2050. In the same context, grid regulation services are increasingly important in the course of a massive integration of intermittent renewable energy sources. Finally, a vast number of operating concessions will expire over the next three decades, leading to extensive refurbishment needs. To cope with all of this, HydroLEAP brings together key stakeholders from the Swiss hydropower industry, in a project whose outcomes represent a significant leap towards achieving the energy transition. More specifically, the technological developments necessary to bring the hydroelectric generation to the targeted levels are applied to a representative set of hydropower plants, in a goal of verifiably demonstrating their effect on increasing performance, decreasing the operating costs and minimizing the environmental impact. At the FMHL pumped storage demonstrator, the optimization of the hydraulic short-circuit operation leads to a significant expansion of the grid regulation capacities, while increasing the round-trip efficiency of the plant with a replacement of the Pelton runners at the old power house. Moreover, the maintenance cycle is improved by determining experimentally and numerically the true cost of a hydro unit’s start-up sequence, and by integrating it into existing asset management optimization algorithms (Maintenance 4.0). The latter is also performed at the KW Ernen run-of-river Francis turbine demonstrator, besides determining the optimal refurbishment choice in the application process for a new concession, and in parallel to simulating, sizing and testing a battery to be installed in a hybrid configuration for enhanced grid regulation services. Furthermore, the way in which the environmental impact of a new low-head, high-discharge power station can be minimized is illustrated on the Massongex-Bex-Rhône run-of-river bulb turbine demonstrator, where it is also advised how the presence of high concentrations of erosive silt particles should be approached in the planning and equipment tendering phases. Finally, HydroLEAP also addresses the need for state-of-the-art experimental infrastructures; not only for independently verifying the performance increase/optimization on all of the three demonstrators, but to perform the complex measurements which are instrumental to the development of advanced predictive maintenance algorithms, pushing the boundaries of our understanding of the involved physical mechanisms, and, last but not least, the education of a new generation of hydropower professionals. Such experimental infrastructure is of high significance for the industry, as it enables the validation and de-risking of innovative concepts under controlled and repeatable conditions that cannot be achieved in commercial power plants, where operational and economic constraints limit experimentation. Locating this infrastructure at a public research facility ensures neutrality, long-term accessibility, and the possibility to share results across the entire sector, rather than restricting them to a single industrial stakeholder. This fosters pre-competitive collaboration and accelerates technology transfer to all hydropower operators. In the future, the infrastructure will serve as a world reference platform for testing novel hydraulic components, digital monitoring systems, and hybrid operation strategies, supporting both industry-driven R&D projects and academic research. This is particularly key for Switzerland, where hydropower represents the backbone of electricity production and flexibility provision. Maintaining technological leadership and operational excellence in this field is essential for ensuring a secure, sustainable, and competitive energy system, especially in light of the increasing integration of variable renewable sources and the growing need for flexible, low-carbon storage solutions. This important measure for a sustainable knowledge transfer ensures that the main outcomes of the project are multipliable and applicable to the entire Swiss hydropower fleet until 2050. Namely, these outcomes are the determination of the ideal refurbishment choices for an efficiency and annual production increase, the identification and optimization of hydraulic short-circuit operation potential for frequency regulation in pumped storage power plants, the optimization of ancillary services provision through battery hybridization, the reduction of operating costs through advanced predictive maintenance algorithms, as well as the minimization of the environmental impact of new run-of-river power plants.
Related documents
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Final report
(French)
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Le secteur hydroélectrique suisse fait actuellement face à des importants défis. La Stratégie énergétique 2050 prévoit une augmentation très ambitieuse de la production annuelle d’ici 2035 et 2050. Dans ce même contexte, les services de régulation du réseau deviennent de plus en plus importants avec l’intégration massive de sources d’énergie renouvelable intermittentes. Enfin, un grand nombre de concessions en exploitation arriveront à expiration au cours des trois prochaines décennies, entraînant d’importants besoins de rénovation. Pour faire face à ces enjeux, HydroLEAP rassemble les principaux acteurs de l’hydroélectricité suisse dans un projet dont les résultats représentent un saut qualitatif vers la réussite de la transition énergétique. Plus précisément, les développements technologiques nécessaires pour atteindre les niveaux de production hydroélectrique fixés sont appliqués à un ensemble représentatif de centrales hydroélectriques, dans le but de démontrer de manière vérifiable leur impact sur l’amélioration des performances, la réduction des coûts d’exploitation et la minimisation de l’impact environnemental. Au démonstrateur de pompage-turbinage FMHL, l’optimisation du fonctionnement en court-circuit hydraulique permet une augmentation significative des capacités de régulation du réseau, tout en améliorant le rendement global de la centrale grâce au remplacement des roues Pelton de l’ancienne centrale. De plus, le cycle de maintenance est optimisé par la détermination expérimentale et numérique du véritable coût d’un démarrage d’un groupe hydroélectrique, intégré aux algorithmes existants d’optimisation de la gestion des actifs (Maintenance 4.0). Cette approche est également mise en oeuvre au démonstrateur de turbine Francis au fil de l’eau de KW Ernen, en parallèle à la détermination du choix optimal de rénovation dans le cadre d’une nouvelle demande de concession, et à la simulation, le dimensionnement et les essais d’une batterie installée en configuration hybride pour améliorer les services de régulation. Par ailleurs, la manière de minimiser l’impact environnemental d’une nouvelle centrale au fil de l’eau à faible chute et fort débit est illustrée sur le démonstrateur de turbine bulbe Massongex-Bex-Rhône (MBR), où des recommandations sont également formulées sur la manière d’aborder la présence de fortes concentrations de particules abrasives dans les phases de planification et d’appel d’offres. Enfin, HydroLEAP répond également au besoin d’infrastructures expérimentales de pointe, non seulement pour vérifier indépendamment les gains de performance et les optimisations sur les trois démonstrateurs, mais aussi pour réaliser les mesures complexes indispensables au développement d’algorithmes de maintenance prédictive avancés, pour faire progresser la compréhension des mécanismes physiques en jeu, et, enfin, pour former une nouvelle génération de professionnels de l’hydroélectricité. De telles infrastructures expérimentales présentent une importance majeure pour l’industrie, car elles permettent de valider et de réduire les risques liés à des concepts innovants dans des conditions contrôlées et reproductibles – conditions qui ne peuvent être atteintes dans les centrales commerciales, en raison de contraintes opérationnelles et économiques. Le fait d’implanter cette infrastructure au sein d’un établissement public de recherche garantit la neutralité, un accès à long terme et la possibilité de partager les résultats avec l’ensemble du secteur, plutôt que de les limiter à un seul acteur industriel. Cela favorise la collaboration précompétitive et accélère le transfert de technologies vers l’ensemble des exploitants hydroélectriques. À l’avenir, cette infrastructure servira de plateforme nationale de référence pour tester de nouveaux composants hydrauliques, des systèmes de surveillance numérique et des stratégies d’exploitation hybrides, en soutenant à la fois les projets de R&D industriels et la recherche académique. Cela revêt une importance particulière pour la Suisse, où l’hydroélectricité constitue la colonne vertébrale de la production d’électricité et de la fourniture de flexibilité. Maintenir une position de leader technologique et une excellence opérationnelle dans ce domaine est essentiel pour garantir un système énergétique sûr, durable et compétitif – notamment face à l’intégration croissante des énergies renouvelables variables et à la nécessité accrue de solutions de stockage flexibles. Cette mesure essentielle pour un transfert de connaissances durable garantit que les résultats principaux du projet puissent être reproduits et appliqués à l’ensemble du parc hydroélectrique suisse d’ici 2050. Concrètement, ces résultats sont : la définition des choix de rénovation idéaux pour augmenter le rendement et la production annuelle, l’identification et l’optimisation du potentiel de fonctionnement en court-circuit hydraulique pour la régulation de fréquence dans les stations de pompage-turbinage, l’optimisation des services auxiliaires par hybridation avec des batteries, la réduction des coûts d’exploitation grâce à des algorithmes avancés de maintenance prédictive, ainsi que la minimisation de l’impact environnemental des nouvelles centrales au fil de l’eau.
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