NAWARE – Nachhaltige Speicherwasserkraft für ein resilientes Energiesystem der Zukunft

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502381
• Projekttitel Englisch: NAWARE – Sustainable storage hydropower for a resilient future energy system

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Seit Jahrzehnten ist die Wasserkraft ein wichtiger Pfeiler des Schweizer Stromsystems, sowohl für die flexible Erzeugung als auch Speicherung von elektrischer Energie. Parallel zum Einsatz neuer erneuerbarer Energien wie Solar- und Windenergie im Rahmen der Schweizer Energiestrategie 2050 sind erhebliche Anstrengungen erforderlich, um die Rolle der Wasserkraft als Rückgrat eines zunehmend volatilen Stromsystems zu erhalten. Unter anderem wirkt sich die Stauseeverlandung aber negativ auf die Speicherkapazität der Wasserkraft aus. Bis 2050 wird mit einem Verlust von ungefähr 7% der saisonalen Speicherkapazität der Schweizer Stauseen gerechnet. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Unsicherheiten bei der Bewertung der Verlandung von Stauseen durch numerische Langzeitsimulationen zu verringern, um die Auswirkungen verschiedener Sedimentmanagementstrategien zu modellieren. Dies wird zu besseren Informationen über die zukünftige Verfügbarkeit der Speicherkapazitäten der Wasserkraft führen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

For decades, hydropower has been an important pillar of the Swiss electric power system, flexibly providing both generation of electric energy and its storage. Simultaneously to the deployment of new renewables including solar and wind in line with the Swiss Energy Strategy 2050, considerable efforts are necessary to maintain hydropower’s role as the backbone of an increasingly volatile electric power system. Among other factors, reservoir sedimentation has a negative impact on hydropower storage capacities, however. An estimated loss of 7% of the seasonal storage capacity in Swiss reservoirs is anticipated until 2050. This project aims at reducing the uncertainties related to the assessment of reservoir sedimentation with long-term numerical simulations to model the effects of different sediment management strategies. This will lead to better information of the future availability of hydropower’s storage capacities.

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

https://doi.org/10.3929/ethz-c-000784021

Schlussbericht (Deutsch)

Seit Jahrzehnten ist die Wasserkraft ein wichtiger Pfeiler des Schweizer Stromsystems, da sie sowohl die Erzeugung als auch die Speicherung von elektrischer Energie flexibel ermöglicht. Parallel zum Ausbau neuer erneuerbarer Energien wie Solar- und Windenergie im Einklang mit der Schweizer Energiestrategie 2050 sind erhebliche Anstrengungen erforderlich, um die Rolle der Wasserkraft als Rückgrat eines zunehmend volatilen Stromsystems aufrechtzuerhalten. Unter anderem wirkt sich die Verlandung von Stauseen infolge Feststoffeintrags negativ auf die Speicherkapazitäten der Wasserkraft aus. Unter Verwendung einer aus früheren Studien abgeleiteten Verlandungsrate von 0.2% p.a. prognostizierte das Bundesamt für Energie (BFE) einen Verlust der Speicherkapazität der Wasserkraft von etwa 7% (~620 GWh) zwischen 2019 und 2050. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Unsicherheiten bei der Bewertung der Verlandung von Stauseen durch langfristige numerische Simulationen zu verringern, wobei die Auswirkungen des Klimawandels sowie verschiedener Strategien der Feststoffbewirtschaftung berücksichtigt werden.

Ein verbessertes 1D-Numerikmodell wird verwendet, um dynamische Prozesse der Verlandung in Stauseen zu untersuchen und die Wirksamkeit verschiedener Feststoffbewirtschaftungsstrategien zu bewerten. Die Effizienz eines Sedimentumleitstollens (engl. Sediment Bypass Tunnel, kurz: SBT) vom Typ B ist empfindlich gegenüber dem Stauseebetrieb und kann auf der Grundlage des Zeitpunkts der Öffnung des SBT-Einlasses im Verhältnis zu einer Hochwasserwelle optimiert werden. Für nicht vergletscherte Schweizer Einzugsgebiete wird geschätzt, dass der durchschnittliche Sedimenteintrag, der ausschließlich als Funktion des Zuflusses berechnet wird, mit zunehmendem Fortschritt des Klimawandels leicht zurückgehen wird. Allerdings bergen extreme Klimaszenarien das Risiko extremer Hochwasserereignisse und sind daher mit einer großen Unsicherheit behaftet. Eine gut geplante Feststoffbewirtschaftung (z. B. Umleitung, Sedimentverlagerung im Stausee, Aushub, adaptiver Betrieb) kann weitere Auswirkungen der Verlandung wirksam mindern, und es wird eine Methodik zur Quantifizierung der Wirksamkeit der Feststoffbewirtschaftung vorgestellt, die den Optimierungsprozess unterstützen kann.

Auf der Grundlage von Messwerten an Schweizer Stauseen und unterstützt durch numerische Simulationen wird eine erweiterte Methodik zur regionalen Schätzung der Verlandungsraten in Stauseen und der Speicherkapazitäten für Wasserkraft vorgeschlagen, die eine neue, mehrere Parameter berücksichtigende Gleichung für das Sedimentrückhaltevermögen umfasst. Für die 35 größten Schweizer Stauseen, die 95% der Wasserkraftspeicherkapazität ausmachen, wird die gewichtete durchschnittliche Verlandungsrate auf 0.059% p.a. geschätzt und das Wasserkraftspeicherpotenzial für 2025 unter Berücksichtigung des Verlusts an aktiver Speicherkapazität aufgrund Feststoffeintrags auf 8000 GWh berechnet. Die Speicherkapazitäts-verlustrate der Wasserkraft, die sich von der Bruttoverlandungsrate unterscheidet, wird auf 0.053% p.a. geschätzt, was einem Verlust von 1.59% bzw. 127 GWh in den nächsten 30 Jahren entspricht.

Schlussbericht (Englisch)

For decades, hydropower has been an important pillar of the Swiss electric power system, flexibly providing both generation of electric energy and its storage. Simultaneously to the deployment of new renewables including solar and wind in line with the Swiss Energy Strategy 2050, considerable efforts are necessary to maintain hydropower’s role as the backbone of an increasingly volatile electric power system. Among other factors, reservoir sedimentation has a negative impact on hydropower storage capacities. Using a sedimentation rate of 0.2% p.a. derived by previous studies, the Swiss Federal Office of Energy (SFOE) forecasted a loss in hydropower energy storage capacity of about 7% (~620 GWh) from 2019 to 2050. This project aims at reducing the uncertainties related to the assessment of reservoir sedimentation with long-term numerical simulations including the effects of climate change and different sediment management strategies.

An enhanced 1D numerical model is used to investigate dynamic processes of reservoir sedimentation and to evaluate the effectiveness of different sediment management strategies. The bypassing efficiency of a type-B Sediment Bypass Tunnel (SBT) is found to be sensitive to reservoir operation, and can be optimized based on the timing of opening of the SBT inlet relative to a flood wave. For non-glaciated Swiss catchments, the average sediment yield computed solely as a function of river discharge is estimated to decline slightly for increasing climate change severity. However, severe climate scenarios include the risk of extreme flood events, thus posing a wide range of uncertainty. A properly planned sediment management strategy (e.g., bypassing, sediment relocation within the reservoir, excavation, adaptive operation) can be effective in mitigating further impacts of sedimentation, and a methodology is demonstrated to quantify the sediment management effectiveness that can support optimization process.

Based on observed data from Swiss reservoir and enhanced by numerical simulations, an advanced methodology is proposed to conduct regional estimates of reservoir sedimentation rates and hydropower storage capacities, which includes a new multi-parameter equation for sediment trapping efficiency. For the largest 35 Swiss reservoirs accounting for 95% of hydropower storage capacity, the weighted average sedimentation rate is estimated as 0.059% p.a. and the hydropower storage potential as of 2025 is computed as 8000 GWh considering the loss of active storage due to sedimentation. The hydropower storage loss rate, distinguished from the gross sedimentation rate, is estimated as 0.053% p.a., forecasting a loss of 1.59% or 127 GWh in the next 30 years.

Zugehörige Dokumente

• Final report [PDF] 852 kB

Schlussbericht (Französisch)

Depuis des décennies, l'énergie hydraulique est un pilier important du système électrique suisse, assurant à la fois la production et le stockage d'énergie électrique de manière flexible. Parallèlement au déploiement de nouvelles énergies renouvelables, notamment solaire et éolienne, conformément à la stratégie énergétique suisse 2050, des efforts considérables sont nécessaires pour maintenir le rôle de l'énergie hydraulique en tant que pilier d'un système électrique de plus en plus volatile. Entre autres facteurs, la sédimentation des réservoirs a un impact négatif sur les capacités de stockage de l'énergie hydraulique. Sur la base d'un taux de sédimentation de 0.2 % par an, calculé à partir d'études antérieures, l'Office fédéral de l'énergie (OFEN) a prévu une perte de capacité de stockage d'énergie hydroélectrique d'environ 7% (~620 GWh) entre 2019 et 2050. Ce projet vise à réduire les incertitudes liées à l'évaluation de la sédimentation des réservoirs grâce à des simulations numériques à long terme incluant les effets de changement climatique et de différentes stratégies de gestion des sédiments.

Un modèle numérique 1D amélioré est utilisé pour étudier les processus dynamiques de sédimentation dans les lacs de retenue et évaluer l'efficacité de différentes stratégies de gestion des sédiments. L'efficacité de dérivation d'une gallerie de dérivation des sédiments (en anglais Sediment Bypass Tunnel, SBT) de type B est sensible à l’exploitation du réservoir et peut être optimisée en fonction du moment d'ouverture de vanne à l'entrée du SBT par rapport à une onde de crue. Pour les bassins versants suisses non glaciaires, on estime que le rendement sédimentaire moyen, calculé uniquement en fonction du débit fluvial, diminuera légèrement à mesure que le changement climatique s'aggravera. Cependant, les scénarios climatiques extrêmes comportent un risque d'inondations extrêmes et sont donc associés à une grande incertitude. Une stratégie de gestion des sédiments bien planifiée (par exemple, dérivation, déplacement des sédiments dans le réservoir, dragage, exploitation adaptative) peut atténuer efficacement les effets supplémentaires de la sédimentation, et une méthodologie permettant de quantifier l'efficacité de la gestion des sédiments est présentée, qui peut soutenir le processus d'optimisation.

Sur la base des mesures effectuées dans les lacs de retenue suisses et à l'aide de simulations numériques, une méthodologie avancée est proposée pour réaliser une estimation régionale des taux de sédimentation des réservoirs et des capacités de stockage hydroélectrique, qui comprend une nouvelle équation multiparamétrique pour l'efficacité de rétention des sédiments. Pour les 35 plus grands réservoirs suisses, qui représentent 95 % de la capacité de stockage hydroélectrique, le taux de sédimentation moyen pondéré est estimé à 0.059 % par an et le potentiel de stockage hydroélectrique à l'horizon 2025 est calculé à 8000 GWh, en tenant compte de la perte de stockage actif due à la sédimentation. Le taux de perte de stockage hydroélectrique, qui se distingue du taux de sédimentation brut, est estimé à 0.053 % par an, ce qui laisse prévoir une perte de 1.59 % ou 127 GWh au cours des 30 prochaines années.