Shines – Nutzung der kinetischen Energie von Flüssen und Wasserkraftkanälen

Interreg-Projekt „Nordwesteuropa“

Während Europa bestrebt ist, seine Energiesouveränität zu stärken und den Anteil erneuerbarer Energien zu erhöhen, bleibt eine Ressource nach wie vor weitgehend ungenutzt: die kinetische Energie von Wasserströmen.

Im Gegensatz zur konventionellen Wasserkraft erzeugen hydrokinetische Technologien Strom direkt aus der Fließgeschwindigkeit des Wassers, ohne dass ein großer Höhenunterschied oder der Bau eines Staudamms erforderlich ist. So können Unterwasserturbinen in Flüssen, Gezeitenströmen oder bestimmten bestehenden Wasserbauwerken installiert werden.

Das europäische Projekt SHINES – Präsentation innovativer Lösungen im Bereich der hydrokinetischen Energie für die Energieunabhängigkeit Nordwesteuropas soll den Einsatz dieser Technologien im Nordwesten Europas beschleunigen. Ausgestattet mit einem Budget von etwa 10 Millionen Euro und wird vom Programm Interreg Nordwesteuropa kofinanziert; es vereint 14 Partner aus sechs Ländern. Drei innovative Technologien – RivGen, HydroWing und TidalKite – werden unter anderem unter realen Bedingungen in Frankreich und den Niederlanden getestet.

Ermittlung potenzieller Standorte für hydrokinetische Anlagen in der Schweiz

Bei SHINES ist der Hydro Alps Lab hat die Aufgabe, das hydrokinetische Potenzial des Schweizer Teils des Gebiets „North-West Europe“ zu bewerten, wobei der Schwerpunkt auf den Kantonen Wallis und Genf.

Die Studie befasst sich mit zwei Arten von Standorten:

• natürliche Flussabschnitte mit ausreichenden Fließgeschwindigkeiten; ;
• die künstlichen Infrastrukturen im Zusammenhang mit Wasserkraftanlagen, insbesondere Zufuhr- und Ableitungskanäle.

Diese zweite Kategorie ist in der Schweiz von besonderem Interesse. Das Land verfügt bereits über ein dichtes Wasserkraftnetz mit Anlagen, bei denen die Wasserführung relativ gleichmässig und gut zugänglich ist und die sich in der Nähe der bestehenden Strominfrastruktur befinden.

Vom Abfluss der Flüsse zur Kartierung des Energiepotenzials

Eine der Herausforderungen des Projekts besteht darin, von punktuell verfügbaren hydrologischen Daten zu einer räumlichen und zeitlichen Abschätzung des hydrokinetischen Potenzials entlang mehrerer hundert Kilometer Flusslauf zu gelangen.

Daher wurde vom HAL eine spezielle Methodik entwickelt. Diese kombiniert topografische und bathymetrische Daten, Abfluss- und Wasserstandsverläufe, die Zuflüsse aus natürlichen Nebenflüssen und aus Wasserkraftwerken sowie ein hydraulisches Modell, das mit HEC-RAS.

Für die Walliser Rhone stützt sich das Modell insbesondere auf mehrere hundert bathymetrische Abschnitte sowie auf die Messungen der hydrologischen Bundesmessstationen. Es ermöglicht, für jeden Flussabschnitt den Zusammenhang zwischen Abfluss, Wasserstand und Fließgeschwindigkeit zu ermitteln.

Anhand der Messdaten aus mehreren Jahren wird anschließend ein für das Jahr repräsentatives Tagesprofil erstellt. Dabei werden sowohl die Zuflüsse aus den natürlichen Nebenflüssen als auch die Rückflüsse aus den Wasserkraftwerken berücksichtigt, um die Abflussentwicklung entlang der Rhône nachzubilden.

In der Rhône konzentriert sich der Großteil des ermittelten Potenzials

Die ersten Ergebnisse zeigen, dass sich das untersuchte hydrokinetische Potenzial der Schweiz zum überwiegenden Teil auf den Rhône.

Zum jetzigen Zeitpunkt beläuft sich das ermittelte theoretische jährliche Energiepotenzial auf etwa 200 GWh, die sich hauptsächlich wie folgt aufteilen:

• ungefähr 160 GWh/Jahr an der Rhône im Wallis ;
• ungefähr 33 GWh/Jahr an der Rhône im Kanton Genf ;
• ungefähr 3 GWh/Jahr an der Arve ;
• Hinzu kommen mehrere GWh aus bestimmten künstlichen Wasserkraftanlagen.

Bei den untersuchten großen Flüssen weisen die interessantesten Abschnitte typischerweise ein theoretisches Potenzial in der Größenordnung von 1 bis 2 GWh pro Kilometer, auch wenn diese Werte in den nächsten Projektphasen noch verfeinert werden müssen.

Die bestehenden Wasserkraftanlagen – ein besonders vielversprechender Ansatz

Die Studie bestätigt zudem einen Ansatz, den das Hydro Alps Lab bereits in früheren Projekten untersucht hat: die verbleibende kinetische Energie in bestehenden Wasserkraftanlagen nutzen.

Zwei Werke aus dem Wallis stechen bei dieser ersten Analyse besonders hervor: das Zuführungskanal des Chippis-Rhône-Projekts und der Abflusskanal des Kraftwerks Lavey. Beide weisen ein erhebliches hydrokinetisches Potenzial auf und gehören zu den Standorten, die für eine eingehendere Untersuchung in Frage kommen.

Diese künstlichen Standorte können gegenüber natürlichen Flüssen mehrere Vorteile bieten: besser vorhersehbare hydraulische Bedingungen, einen leichteren Zugang für die Installation und Wartung sowie die Nähe zu bestehender Strominfrastruktur. Frühere Versuche des HAL in Lavey hatten bereits die Machbarkeit eines solchen Ansatzes unter realen Bedingungen gezeigt.

Vom theoretischen Potenzial zu tatsächlich nutzbaren Standorten

Die ermittelten rund 200 GWh/Jahr entsprechen einem theoretisches Potenzial. Sie stellen daher noch keine tatsächlich nutzbare Stromerzeugung dar.

Im weiteren Verlauf des Projekts werden die vielversprechendsten Standorte ausgewählt und anschließend schrittweise die technischen, ökologischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen berücksichtigt: Abmessungen und Leistung der Turbinen, Wassertiefe, nutzbarer Drehzahlbereich, Aufstellung der Anlagen, Wechselwirkungen zwischen den Turbinen, Erreichbarkeit, Wartung sowie Investitionskosten.

Dieser Ansatz wird es ermöglichen, vom theoretischen Potenzial zu einem realistisches technisch-wirtschaftliches Potenzial für die ausgewählten Standorte.

Auf dem Weg zu einem europäischen hydrodynamischen Atlas

Die im Rahmen von SHINES gewonnenen Daten werden auch dazu dienen, ein hydrokinetischer Atlas. Darin werden die wichtigsten hydrologischen Merkmale und Indikatoren für das Energiepotenzial in kartografischer Form zusammengefasst, um die Ermittlung von Standorten zu erleichtern, die für künftige Anlagen in Frage kommen.

Die nächsten Schritte des Projekts umfassen insbesondere die Auswahl der besten Abschnitte der Rhône und der Arve, die technisch-wirtschaftliche Bewertung der ausgewählten natürlichen und künstlichen Standorte sowie die Fertigstellung dieses Online-Atlas.

SHINES wird somit Aufschluss darüber geben, inwieweit die kinetische Energie von Fließgewässern und bestehenden Wasserkraftanlagen neben der konventionellen Wasserkraft zu einer lokale, erneuerbare und planbare Stromerzeugung.