Bachelorarbeit 2026 – Gregory Sauthier
In einem Stromnetz, in das ein immer größerer Anteil variabler erneuerbarer Energien eingespeist wird, spielt die Flexibilität von Wasserkraftwerken eine entscheidende Rolle für die Aufrechterhaltung des Netzgleichgewichts. Die Optimierung bestehender Anlagen stellt daher einen besonders interessanten Ansatz dar, um diese Flexibilität zu erhöhen, ohne dass neue Infrastrukturen gebaut werden müssen.
Diese Bachelorarbeit, die in Zusammenarbeit mit den Forces Motrices Valaisannes (FMV), befasst sich mit dem Wasserkraftwerk Mörel und untersucht verschiedene Möglichkeiten zur Verbesserung seines Betriebs und seines Beitrags zu den Systemdienstleistungen. Die Studie konzentriert sich insbesondere auf die Primär- und Tertiärregelung unter Berücksichtigung der hydraulischen und mechanischen Einschränkungen, die mit einem flexibleren Betrieb verbunden sind
Beschreibung des Kraftwerksbetriebs
Ein erster Teil der Arbeit bestand darin, Betriebsdaten aus mehreren Jahren zu analysieren, um die tatsächliche Funktionsweise der Anlage zu charakterisieren. Da eine Unstimmigkeit beim Durchflusssensor für den Zufluss festgestellt wurde, wurden die stündlichen Durchflussmengen für die Jahre 2023 bis 2025 anhand der Leistungs-Durchfluss-Beziehungen rekonstruiert, die bei Messungen vor Ort ermittelt wurden. Diese Analyse ermöglichte es insbesondere, eine minimale Betriebsdurchflussmenge zu bestätigen, die etwa 25 % der maximalen Durchflussmenge entspricht, und die Verfügbarkeit der Wasserressource im Laufe des Jahres besser zu charakterisieren.
Anschließend wurde die Fähigkeit des Kraftwerks zur Teilnahme an der Primärregelung bewertet, indem drei sich ergänzende Ansätze: 1D-Hydrauliksimulationen, Versuche an einem Modell und direkt am Kraftwerk durchgeführte Messungen im Rahmen des Projekts SmallFLEX Goms. Die Ergebnisse deuten auf eine primäre Einstellkapazität von 3 MW pro Aggregat, sofern im Eggen-Stausee ausreichend Wasser vorhanden ist.
Der Teillastbetrieb wirft zudem die Frage nach der Kavitation bei Francis-Turbinen auf. Durch Druck- und Geräuschmessungen in den Ansaugrohren konnten die besonders anfälligen Drehzahlbereiche ermittelt werden. Die Analyse zeigt insbesondere, dass die Anstieg des Wasserstands stromabwärts stellt einen interessanten Ansatz dar, um das Kavitationsrisiko ohne Änderung der Turbine zu verringern: Eine Anhebung des Pegels stromabwärts um einen Meter würde eine Erhöhung des Drucks am Laufradausgang um etwa 10 kPa ermöglichen.
Die Ausgleichsöffnungen für die Tertiärregelung nutzen
Ein weiterer untersuchter Ansatz besteht darin, die Tertiärregelkapazität des Kraftwerks zu erhöhen. Die vorgeschlagene Lösung basiert auf der Wiederverwendung der vorhandene Ausgleichsöffnungen als Bypass für die Turbinen. Es wurden drei Systeme für deren gesteuertes Öffnen entwickelt und dimensioniert: ein hydromechanisches, ein magnetisches und ein elektromechanisches System.
Der hydromechanische Antrieb scheint die interessanteste Lösung zu sein: Er bewahrt die ursprüngliche Sicherheitsfunktion der Ausgleichsöffnung, benötigt keine externe Energieversorgung und ermöglicht ein Schließen durch Schwerkraft. Diese Lösung wurde auch mit dem Bau eines neuen Bypasses verglichen, der mit einem Überdruckventil ausgestattet ist.
Ein erhebliches wirtschaftliches Potenzial
Schließlich konnte anhand eines Wirtschaftsmodells, das auf den tatsächlichen Produktionsdaten für den Zeitraum 2023–2025 und den Märkten für Systemdienstleistungen basiert, der Wert dieser zusätzlichen Flexibilität ermittelt werden.
Die Anhebung der Obergrenze für die tertiäre Regelung von 30 auf 60 % der Höchstleistung könnte zu einem Anstieg der Jahreseinnahmen um 1,4 bis 2,5 1. Quartal bis 3. Quartal, während die Einführung der Primärregelung Folgendes bewirken würde 0,6 bis 1,4 1. Quartal bis 3. Quartal zusätzliche Einnahmen. Die Kombination beider Dienste führt zu einem geschätzten Anstieg der Einnahmen um 2,4 bis 3,2 % pro Jahr.
Diese Arbeit zeigt somit, wie eine bessere Kenntnis des hydraulischen Verhaltens einer bestehenden Anlage in Verbindung mit gezielten Anpassungen ihrer Ausrüstung dazu beitragen kann, seine Flexibilität und seinen Wert für das Stromnetz zu steigern und gleichzeitig die bestehende Infrastruktur optimal zu nutzen.
