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WaterGisWeb AG
Donnerbühlweg 41CH-3012 Bern
Tel. 031 / 305 18 11Fax 031 305 18 14
Flächendeckende GIS-gestützte Identifikation des Kleinwasserkraftpotentials in der Schweiz
Entnahm e
Rückgabe
Dr. Udo Schröder
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Ziele, Auftraggeber
Je nach Auftraggeber unterscheiden sich die Fragestellungen zum hydroelektrischen Potential der Gewässer.
Grundlagen für politischeEntscheide
Hilfsmittel für Bewilligungs-verfahren
Gesamtübersicht über hydroelektrisches Potential
Vorevaluation möglicherKraftwerksstandorte
Ausweisen spezifischerKraftwerksleistungen
Erkennen attraktiverRegionen für Neubauten
Energieversorger Behörden
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Begriffsdefinitionen
Kleinwasserkraftwerk Bis 10 MW Leistung
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Die Idee
Das hydroelektrische Potential eines Gewässers wird bestimmt durch Abflussmenge und Fallhöhe.
P = ρ · g · Q · Δh · η
P Leistung [kg · m2 / s3], [W]ρ Dichte [kg / m3]g Erdbeschleunigung [m / s2]Q Abfluss [m3 / s]Δh Fallhöhe [m]η Wirkungsgrad
Zeit
Abfluss
Δh ΔL
A = 26 km Q = 1200 l/s
E ZG2
P = 500 kW
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Datengrundlage
• Mittlere monatliche Abflüsse (MQ-CH)
• Digitale Gewässernetze(GWN25, GN5)
• Digitale Höhenmodelle(DHM25, DHM25_10)
• Beeinflussende Faktoren(Auen, Hochmoore, Grundwasserschutz, Amphibien, …)
• Bestehende Kraftnutzung? (Konzessionierte Restwasserstrecken)
Erforderliche Geodaten sind beim Bund und bei den Kantonen in ausreichender Güte vorhanden
G eodatenbank
Z e it
A b fluss
N aturschu tz
Tourism us
G rundw asse r
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Abflussdaten MQ-CH
Rasterdatensatz der mittleren jährlichen und mittleren monatlichen Abflüsse über die ganze Schweiz
Periode 1981 – 2000
Fusion zweier
Datensätze unter-
schiedlicher
Auflösung
Validierung mit
realen Abflüssen
Quelle: BAFU und WSL, 2006: Rasterdatensatz mittlere Abflüsse der Schweiz für die Periode 1981-2000
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Abflussdaten MQ-CH
Natürliche Variabilität des Abflusses ist z.T. grösser als der Schätzfehler der modellierten mittleren Abflüssen
Quelle: BAFU und WSL, 2006: Rasterdatensatz mittlere Abflüsse der Schweiz für die Periode 1981-2000
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Einflussfaktoren
Schutzgebiete können die Kraftnutzung in einem Gewässer einschränken, resp. verhindern.
Verhinderung(Killerfaktoren)Einschränkung(Einflussfaktoren)
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Bestehende Kraftnutzung
Gewässerabschnitte mit bestehenden Wasserkraft-konzessionen können nicht mehrfach genutzt werden.
Bestehende Konzessions-mengen geben Aufschluss überden Ausnutzungsgrad des theoretischen Potentials.
Restwasserkarte(schweizweit)Wasserkraftrechtlich-relevanten Objekte (Kanton Bern)
Unterschiedliche Daten-
lage zwischen Bund
Und Kantone
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Konzeptueller Ansatz
• Diskrete Gewässerpunkte festlegen (50m)
• Einzugsgebiet ermitteln• Abfluss ermitteln• Standorteigenschaften
• Kennwerte
speichern
2
3
45 6
78
9
10
11
1213
1
h7
h8
h9
Höhe am Gewässerpunkt
Berechnen geographischer und hydrologischer Kennwerte für diskrete Gewässerpunkte
2
3
45 6
78
9
10
11
1213
12
3
45 6
7
8
9
10
11
1213
Jan
Feb
DezZeit
Abfluss
J J JF M MA A S O N D
1 2
3
45 6
Dh9
Q9
Q1 0
Q11
Dh1 0
Dh11
= Q × h × g11 11 D
= Q × h × g10 10 D
= Q × h × g9 9 D
= Q × h × g1 1D
g = 9.81 m/s 2
hydr. Potential des Gewässers = PiSi = 1
n
1
P9
P1
P10
P11
Auen
BLN
Moorlandschaften
Einflussfaktoren
Geodatenbank
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Problem Einzugsgebiet berechnen
Das digitalisierte Gewässernetz und die Tallinie eines Höhenmodells stimmen nicht überein.
Berechnung von Einzugsgebieten aufGewässernetz führtzu Fehler
Herleitung vonTallinie ausHöhenmodell
Berechnung vonEinzugsgebieten aufTallinie
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Abgleich DHM-Gewässernetz
Tallinie und digitalisiertes Gewässer müssen verknüpft werden.
?
Quelle
Mündung
Festlegen vonQuelle undMündung
Netzwerk-Routing
Speichern derZuordnungen
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Referenzpunkte zuordnen
Das Gewässernetz wird in diskrete Punkte aufgeteilt. Zu jedemPunkt auf dem Gewässernetz wird der korrespondierende Punkt auf der Tallinie ermittelt.
generic stream network
stream network
reference point
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Einzugsgebiet und Abfluss
Für jeden Gewässerpunkt wird das Einzugsgebiet und die modellierten Abflüsse (monatlich, jährlich) bestimmt.
Einzugsgebiete füralle Punkte ermitteln
Monatlichen und jährlichen Abflussfür jedes Einzugs-gebiet
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Standortanalyse
Ermittlung von Standort-Faktoren an jedemGewässerpunkt mittels geografischem Verschnitt
Aufteilung in Einflussklassen
B LN
N aturschutz
G rundw asser
DB
• Einflussfaktoren• Ausschlussfaktoren• Bestehende Kraftnutzung
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Vorhandene Nutzung
Berechnete Punkte
N icht berechnete Punkte
G ew ässer
R estw asserstrecke
R elevanzlänge
50 m
75 m
200 m
Länge der R estw asserstrecke: 200 mKonzession ierte Le istung: 350 kWSpezifische Leistung: 350 kW / 200 m = 1.75 kW /m
Leistung:1.75 kW /m * 75 m= 131.25 kW
Leistung:1.75 kW /m * 75 m= 131.25 kW
Leistung:1.75 kW /m * 50 m= 87.5 kW
75 m
Basierend auf derInformation vonRestwasserstreckenwird die konzessionierteNutzung pro Gewässer-Punkt ermittelt.
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Datenaufbereitung
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13Potential [kW ] Sum m eTheoretisch 140 125 95 70 90 100 120 75 80 90 105 75 60 1225G enutzt 40 40 40 40 160Verfügbar 140 125 95 70 90 100 80 35 40 50 105 75 60 1065K illerfak tor 70 90 50 210Nutzbar 140 125 95 0 0 100 80 35 40 0 105 75 60 855E influssfak tor 125 95 40 0 105 365Unbeeinflusst 140 0 0 0 0 100 80 35 0 0 0 75 60 490
Gew ässerpunkt
G ew ässerpunkt
G ew ässer
R estw asserstrecke (K raftnutzung)
K illerfaktor
E influssfaktor
1
2
3
4
56
7
8
9
10
11
1213
1
Das theoretischePotential wird in 4 Klassen aufgeteilt:
Genutzt Ausgeschlossen Limitiert Unbeeinflusst
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Software
Verwendung vonArcGIS als Framework.
Programmierung vonspezifischen Tools fürdie Berechnungen:
ca. 15 Tools ca. 30‘000 Zeilen Code
Schrittweite = 50 mMin. EZG = 10Leistung = 500 KWWirkungsgrad = 0.7
Programmsteuerung
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Speicherung
Alle berechneten Daten werden in einer relationalenDatenbank gespeichert und stehen für die weiterenAuswertungen zu Verfügung.
AbflussE inzugsgebiet
E in flussfaktoren
Potentia l p roG ew ässerpunkt
Potentia l p roG ew ässer
Potentia l p roG ew ässersystem
Abschnitts le istung
G ew ässer G ew ässerpunkt
Gewässer Gewässerpunkt
Potentia le
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Resultatdarstellung
• Klassische Darstellung (analog)- Potentialkarte- Standortbewertung
Aussagekräftige, bedürfnisorientierte Resultatdarstellung in unterschiedlichen Detaillierungsstufen
• GoogleEarth (digital)- Übersicht der Standorte- Detaillierter Standortbericht
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Potentialstudie Kanton Bern
Detailkarte 1:25‘000
Münsingen
1187
1187
1087
1107
1127
1147
1167
1105 1106 1108
1124 1125 1126 1128
1144 1145 1146 1148
1165 1166 1168 1169
1185 1186 1188 1189
1206 1207 1208 1209 1210 1211
1226 1227 1228 1229 1230 1231
1245 1246 1247 1248 1249 1250
1265 1266 1267 1268
1285 1286
Wasserkraft-PotenzialstudieK anton Bern
1:25
Ausgabe 2009
AWAAmt für Wasser und Abfall
Bau-, Verkehrs- undEnergiedirektiondes Kantons Bern
000
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Potentialstudie Kanton Bern
Übersichtkarte 1:100‘000
Blatt Süd
Wasserkraft-PotenzialstudieK anton Bern
1:100
Ausgabe 2009
AWAAmt für Wasser und Abfall
Bau-, Verkehrs- undEnergiedirektiondes Kantons Bern
000
Blatt Süd
Blatt Nord
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Standortanalyse Elektrizitätsversorger
Berechnung möglicher Kraftwerksstandorte für frei wählbare Leistungsklassen: 0.5 MW, 1.0 MW, 2.0 MW
Berücksichtigung technischen, ökologischen und ökonomischen Limitierungen: Wirkungsgrad (η = 0.7) Ausbauwassermenge (Q120) Maximale Länge Ausleitstrecke (Leistungsabhängig) Berücksichtigung der Abflussvariabilität (Q120 ± 20%)
Darstellung der Resultate: Hinweiskarten 1:25‘000 GoogleEarth
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Standortanalyse EVU
Hinweiskarte Potentielle Kraftwerksstandorte 1:25‘000
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Standortanalyse EVU
Mit der Berücksichtigung der Abflussvariabilität (Q120 ± 20%)kann die Robustheit der Standorte eruiert werden.
Standort detektiert bei:• Q120 + 20%• Q120 • Q120 - 20%
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Probleme und Restriktionen
Nicht analysierte Gewässerpunkte
Fehlende Übereinstimmung der Tallinie unddigitalisiertem Gewässernetz
Regionen mit schwachem Relief
Karstregionen
Veränderte Gewässerläufe
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Probleme und Restriktionen
Digitalisiertes Gewässer
Abflusslinie des generischen Gewässers
Anthropogen überprägte Regionen erschweren die korrekteBerechnung von Einzugsgebieten
Kanäle undDruckleitungen
Drainagen
Umleitungen
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Probleme und Restriktionen
Regionen mit (Pump-) Speicherkraftwerke besitzen ver-änderte hydrologische Regimes
BerücksichtigungVon Zu- undAbleitungen
Speicherbetriebverändert Abfluss-Charakteristikeines Gebietes
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Qualitätssicherung
Automatische und semiautomatische Prüfung der Resultate
Anwachsen von EZG und Abfluss
Zwiebelschalen-Prinzip
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Beteilige, aktuelle, weitere Arbeiten
BFE – Forschungsprojekt: Erhebung des Kleinwasserkraftpotentials der Schweiz
Potentialstudie Kanton Bern Sol-E suisse AG: Identifikation potentieller Standorte für
Kleinwasserkraftwerke BAFU: Darstellung von Einzugsgebieten und Abflüssen
in GEWISS Deutsche Mittelgebirge Gebirgsregionen ausserhalb Europas
Im Rahmen der weiteren Arbeiten werden verschiedensteSoftware- und Methodikverbesserungen vorgenommen.
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Fazit
Flächendeckende Informationen mit grosser Aussagekraft
Daten für weitere Analysen Problemorientierte Darstellung
Erarbeitung der Methodik mit Industriepartner Praxiserprobte Methodik Prüfung der Resultate im Feld
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Schlussbemerkung
Idee und Umsetzung wurden prämiert mit dem Swiss Mountain Water Award 2008
Python, nicht nur eine Skriptsprache