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FUGE: Gletscherrückgang – noch genügend Wasser für die Wasserkraftproduktion?

 

Mit verbesserten Methoden wurde das Schmelzen von 50 Schweizer Gletschern untersucht und modelliert. Die bis ins Jahr 2100 prognostizierten Abflüsse sind für Kraftwerke relevant. Zusammen mit Wasserkraftfirmen wurden Anpassungsstrategien für den Betrieb von Wasserkraftwerken entwickelt.

Projektbeschrieb (abgeschlossenes Forschungsprojekt)

Gletscher und das Klima sind sehr eng miteinander verbunden. Klimaveränderungen haben bekanntermassen eine starke Auswirkung auf das Abflussregime alpiner Flüsse und Bäche. Die Zielsetzung des Projekts war, (1) Gletscherveränderungen in der Schweiz zu bewerten und (2) eine Prognose der Entwicklung der Gletscher bis 2100 sowie ihrer Auswirkungen auf die Erzeugung von Wasserkraft und das Wasserinfrastrukturmanagement zu treffen.

Methoden

Zunächst wurde ein Massenbilanz- und Abfluss-Modell für Gletscher mit einer verbesserten Darstellung von Gletscherprozessen entwickelt. Es wurden neue Verfahren für die Modellierung der Massenbilanz von flächendeckenden Gletschern aufgelegt. Ausserdem wurden Methoden für die Umverteilung des Winterschnees entwickelt, eine der Schwächen in bestehenden Massenbilanz-Modellen. Auf der Grundlage von wiederholten LiDAR-Datensätzen vom Oberen Arollagletscher aus zwei verschiedenen Wintersaisons wurde eine Fraktalanalyse der Skalierungseigenschaften von Schneehöhenfeldern durchgeführt. Gletscherschmelze-Modelle unterschiedlicher Komplexität wurden verglichen, um den besten Ansatz für langfristig angelegte Simulationen zu ermitteln. Auf dieser Grundlage wurde die künftige Entwicklung der Gletscher in den Schweizer Alpen mit einem kombinierten Massenbilanz-/Eisdynamik-Modell modelliert. Der Abfluss wurde mit einem kombinierten Massenbilanz-/Abfluss-Modell modelliert. Um die Genauigkeit der Anfangsbedingungen der räumlichen Verteilung der Eisdicke und Topographie des Gletschergrundes zu erhöhen, wurde ein helikoptergestütztes Bodenradarsystem (Ground Penetrating Radar, GPR) verwendet. Mit diesem Radar konnten Eisdickenprofile auf verschiedenen Gletschern gemessen werden.

Die Ergebnisse des Gletscher-Modells flossen in eine ökonomische Analyse der mit Klima- und Gletscherveränderungen einher gehenden Umbrüche ein. Dafür wurde ein Management-Modell entwickelt. Dieses Modell basierte auf der Hypothese einer Ertragsmaximierung. Es stellt künftige Erträge für verschiedene Abfluss- und Strompreis-Szenarien dar. Auf dieser Grundlage wurde eine Investitionsanalyse mit Kapitalwert- und Realoptionsanalyse durchgeführt. Zusätzlich zu dieser rein sozioökonomischen Analyse wurde ein politikwissenschaftliches Experiment umgesetzt. Durch diese Analyse war die Bewertung der Auswirkungen wissenschaftlicher Beiträge auf politische, der Rechtfertigung dienende Erzählungen und auf die Reaktion der Akteure hinsichtlich neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse möglich.

Resultate

Die Ergebnisse der Fraktalanalyse unserer LiDAR-Aufzeichnungen vom Oberen Arollagletscher zeigen, dass die räumliche Verteilung von Schneeanhäufungen von einem Jahr zum nächsten konstant zu sein scheint, auch wenn die Schneehöhe in diesen beiden Jahren unterschiedlich ausfiel. Die Forschung machte deutlich, dass Massenbilanz-Modelle von mittlerer Komplexität die besten Ergebnisse liefern, wenn sie über lange Zeiträume eingesetzt werden, und bei langfristig angelegten Simulationen die genaueste Aussagekraft haben. Energiebilanz-Modelle und konzeptuelle Temperaturindex-Modelle reagieren zu stark auf Temperaturschwankungen und liefern daher weniger genaue Ergebnisse. Erstere funktionieren nur dann zuverlässig, wenn Input-Daten von guter Qualität verfügbar sind. Bei letzteren ist eine aufwändige Kalibrierung erforderlich. Die Kombination eines solchen Massenbilanz-Modells mit einem hochwertigen Gletscherfliess-Modell scheint sich für eine langfristig angelegte Modellierung von Gletscherveränderungen in der Zukunft am besten zu eignen. In der Fallstudie im Mauvoisin-Einzugsgebiet konnte gezeigt werden, wie wichtig vertiefte Kenntnisse der Geometrie des Gletschers und der räumlichen Verteilung der Eismassen für eine genaue Prognose der Gletscherveränderungen und -abflüsse sind.

Die Ergebnisse der ökonomischen Studie zeigen, dass die Auswirkungen des Klimawandels durch ein gutes Speicher-Management abgefangen werden können. Darüber hinaus wurde deutlich, dass Unsicherheiten in erster Linie mit den Strompreisen zusammenhängen, da diese sehr viel stärkeren Schwankungen unterworfen sind als die Abflüsse. Ausserdem ist darauf hinzuweisen, dass die gegenwärtige Marktsituation keine Investitionen in ein Pumpspeicherwerk in Mauvoisin rechtfertigt. Die Ergebnisse der ökonomischen Studie machen deutlich, dass die zu erwartenden Klimaveränderungen in der Schweiz in einigen Jahrzehnten unter Umständen zu einer neuen Form des Speicher-Managements führen werden. Ein weiterer Teil des Projekts bestand in der Untersuchung der jüngsten Tendenzen und Veränderungen des Wasserkonzessionssystems im Kanton Wallis auf der Grundlage verfügbarer Unterlagen und eines partizipativen Verfahrens.

Dieses Experiment führte zur Benennung von drei Arten von Strategien und Diskussionsthemen, die mit (1) der Zuordnung von Verantwortlichkeiten, (2) der Abgrenzung von Unsicherheiten und (3) der Harmonisierung von Zeithorizonten zu tun haben.

Bedeutung für Forschung und Praxis

Klima- und Gletscherveränderungen, die Liberalisierung des Strommarktes und das Ende der Wasserkonzessionen verursachen neue Herausforderungen. Entscheidungsträgern in öffentlichen und privaten Institutionen auf nationaler, kantonaler und lokaler Ebene konnten wichtige Ergebnisse an die Hand gegeben werden. Diese sind unabdingbar für die mittel- und langfristige Umsetzung einer kohärenten Politik und Strategie für Wassermanagement. Klima- und Gletscherveränderungen werden sich deutlich auf die Wasserzuflüsse in Speicher sowie die Energiegewinnung und Generierung von Umsätzen auswirken. Hinzu kommt, dass auf den Strommärkten seit den 1990er Jahren ein offener Wettbewerb herrscht. Das Management von Wasserspeichern wird in hohem Masse stärker von Strompreisschwankungen als von Abflussveränderungen beeinflusst werden. Zusammenfassend können vier Schlussfolgerungen gezogen werden:

  1. Die Ergebnisse zu Gletscher- und Abflussveränderungen sind optimistischer als ursprünglich erwartet. Die Akteure sind jedoch weiterhin von den Auswirkungen des Gletscherrückgangs betroffen, nicht nur im Hinblick auf die Verfügbarkeit von Wasser, sondern auch im Hinblick auf Sedimente und Risikomanagement, was sich sowohl auf die Stromproduktion als auch auf den Bevölkerungsschutz auswirken könnte.
  2. Der Gletscherrückgang hat nicht nur Auswirkungen auf die Erzeugung von Wasserkraft. Die Frage des Gletscherrückgangs wirft das grosse Thema der Verfügbarkeit von Wasser und Speicherkapazität für alle Nutzungsarten auf. Diese sollten deshalb ernst genommen werden und Gegenstand weiterer Untersuchungen sein: Landwirtschaft, Hochwasserschutz, Herstellung von Kunstschnee. Dies erinnert uns daran, dass es sich bei Wasser um eine Ressource handelt, die niemals nur eine Aktivität versorgt.
  3. Ein besseres Verständnis für die Herausforderungen der Verfügbarkeit von Wasser ist von grundlegender Bedeutung, da es eine bessere Planung der Priorisierung der Nutzungsformen in der Zukunft ermöglicht. Dieses Projekt hat einen Beitrag zu diesem Verständnis geleistet. Es bleibt aber noch viel zu tun. Wasserressourcen sollten auf kantonaler oder nationaler Ebene in einem integrierten Ansatz betrachtet werden.
  4. Der Klimawandel wird sich auf die Wasserkraft auswirken. Abflüsse sind jedoch von Treibhausgasemissions-Szenarien nur am Rande betroffen. Die grösste Unsicherheit liegt im Grosshandelspreis für Strom begründet. Preisunsicherheit ist deshalb eine wichtige Variable in der Energiepolitik. Neue Wasserkonzessionen sollten diesen Aspekt berücksichtigen und den potenziellen Investoren angemessene Flexibilität gewähren.

Aus wissenschaftlicher Sicht lieferte die physikalische Modellierungskomponente des Projekts ein bedeutsames Ergebnis: Die Art des verwendeten Modells für Gletscherreaktionen und die bei der Darstellung von Gletscherprozessen zu Grunde gelegten Modellannahmen können sich erheblich auf künftige Vorhersagen von Gletscherabflüssen auswirken. Hier ist eine kontinuierliche Verbesserung der diesen Prognosen zu Grunde liegenden Wissenschaft geboten. Gleichsam scheint es von grosser Bedeutung, die physikalischen Beschränkungen in einem interdisziplinären Ansatz eng mit ökonomischen Analysen zu verknüpfen.

Originaltitel

Future glacier evolution and consequences for the hydrology (FUGE)

Projektleitung

  • Prof. Dr. Martin Funk, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW), ETH Zürich
  • Dr. Andreas Bauder, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW), ETH Zürich
  • Prof. Dr. Paolo Burlando, Institut für Umweltingenieurwissenschaften, ETH Zürich
  • Dr. Martin Lüthi, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW), ETH Zürich
  • Dr. Francesca Pellicciotti, Institut für Umweltingenieurwissenschaften, ETH Zürich
  • Dr. Franco Romerio, Institut des sciences de l’environnement, Université de Genève

Weitere Informationen zu diesem Inhalt

 Kontakt

Prof. Dr. Martin Funk Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW)
ETH Zürich
Gloriastrasse 37/39 8092 Zürich +41 44 632 41 32 funk@vaw.baug.ethz.ch

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