SmallFlex: hydrologische Echtzeitvorhersagen für den flexiblen Betrieb eines alpinen Laufkraftwerks

Das Gesamtziel dieses Projekts war es, zu zeigen, wie ein kleines alpines Laufkraftwerk (hier am Beispiel Gletsch-Oberwald) durch kurzzeitiges Speichern des Wassers in der Anlage Spitzenenergie und Regelleistung für das Schweizer Netz produzieren kann. Damit könnte das Laufkraftwerk flexibler betrieben und zusätzliche Einnahmen erwirtschaftet werden.

Der Beitrag der Eidg. Forschungsanstalt WSL umfasste ein automatisiertes Vorhersagesystem mit sehr kurzfristigen (< 6 Std.), mittelfristigen (1-5 Tage) und langfristigen (1 Monat) Abflussvorhersagen für die Rhone bei der Fassung in Gletsch. Dabei wurden ein neues Nowcasting-Produkt von MeteoSchweiz (INCA), sowie detaillierte Schneeschmelz-Vorhersagen in einem hydrologischen Modell assimiliert. Die hydrologischen Vorhersagen erlaubten den Betreibern, die temporäre Speicherung des Wassers in der Anlage zu planen und durchzuführen.

Mit den berechneten Abflüssen konnte auch eine erste Abschätzung des Geschiebetransports im Fluss bei der Wasserfassung gemacht werden. Dieser schränkt den flexiblen Betrieb des Laufkraftwerks ein. Es zeigte sich aber, dass die Vorhersage von Geschiebetransport in diesem alpinen Fluss noch mit grossen Unsicherheiten verbunden ist und zusätzliche Messsysteme benötigen würde.

Weiterführende Informationen zum hydrologischen Vorhersagesystem:

Die Grundlage des implementierten Vorhersagesystems ist das INCA-CH-System, das alle in Echtzeit verfügbaren meteorologischen Informationen wie Stations-, Radar- und Satellitendaten zusammenführt und in die Zukunft extrapoliert. Diese Beobachtungsdaten werden zu einem Raster mit einer Auflösung von 1 km interpoliert und alle 10 Minuten aktualisiert und ergeben Vorhersagen für die nächsten 6 Stunden für die wichtigsten meteorologischen Variablen wie Niederschlag, Temperatur, Wind. Das hydrologische Modell PREVAH, das aus diesen meteorologischen Beobachtungs- und Vorhersagevariablen den Abfluss berechnet, läuft operationell mit einer räumlichen Auflösung von 100 m und mit stündlichen Zeitschritten. Daher müssen die INCA-CH-Prognosen zunächst herunterskaliert werden. In der Abbildung unten ist ein Beispiel einer INCA-CH-Temperaturvorhersage für das Gletsch-Einzugsgebiet dargestellt, wobei die unterschiedlichen räumlichen Auflösungen des 1km-Rasters des meteorologischen (in grau) und der 100m-Auflösung nach Anwendung von Downscaling-Verfahren innerhalb des Einzugsgebietes (in Farben) hervorgehoben sind.

An der WSL erfolgt die Kopplung der INCA -CH Nowcasts und des PREVAH Modells stündlich und liefert eine Abfluss- bzw. Zuflussvorhersage bei Gletsch für die nächsten 6 Stunden. Für die Vorhersagenbereiche von 6 Stunden bis mehrere Tage (Wochen) werden andere meteorologische Vorhersagesysteme von MeteoSchweiz nahtlos in die Abflussvorhersagen übernommen.

Im November 2018 wurde das Vorhersagesystem im Rahmen einer Feldkampagne bei Gletsch getestet und die WSL stellte den Projektpartnern zweimal täglich Vorhersagen in Echtzeit zur Verfügung.

Anwendung des hydrologischen Vorhersagesystems

Ein Beispiel für eine Prognose in der Woche einer Feldkampagne im November 2018 ist oben dargestellt. Schwarze Punkte zeigen den beobachteten Abfluss am Pegel und die blaue Linie ist die Vorhersage. Die grauen Punkte sind die beobachteten Werte, die nicht zum Vorhersagezeitpunkt verfügbar sind, aber zur Veranschaulichung der Vorhersagegüte dienen. Die roten Punkte sind Abflussbeobachtungen, die in der Zeitspanne zwischen der Initialisierung der meteorologischen Vorhersage und der Fertigstellung der hydrologischen Vorhersagen abgerufen werden.

Im letzten Projektjahr wurden verschiedene maschinelle Lernverfahren (z.B. Gradient Boosting und Random Forests) und Prognosekombinationsverfahren getestet, um die Fehler im Vorhersagesystem zu reduzieren. Diese Post-Processing-Methoden zeigen einige signifikante Verbesserungsmöglichkeiten.

Schneemodellierung für kleine alpine Einzugsgebiete

Ein weiterer WSL-Beitrag zum SmallFlex-Projekt bestand in der Verbesserung eines hochauflösenden Schneemodells, welches eine realistische Darstellung kleinskaliger Schneeprozesse im alpinen Gelände ermöglicht. Die Berücksichtigung der räumlichen Variabilität ist der Schlüssel zur genauen Beurteilung des Abflusses in kleinen Gebirgseinzugsgebieten. Das von uns gewählte Schneemodell löst die Energiebilanz an der Schneedeckenoberfläche direkt. Es verwendet eine herunterskalierte numerische Wettervorhersage (NWP) mit 250 m Auflösung als Input für die Vorhersage der Schneeschmelze. Um die besten Zustände der Schneedeckenbedingungen vor Beginn der Vorhersage zu erhalten, wurden die Messdaten im Modell assimiliert. Die Schneedichte wird an den Schneestationen modelliert und das Schneehöhensignal auf festen Niederschlag übertragen. Ein optimales Interpolationsschema wird verwendet, um Punktmessungen räumlich zu interpolieren und auch Messfehler sowohl bei den Niederschlagsmessern als auch bei den Schneehöhenmessungen zu berücksichtigen.

Da die Schneedecke in komplexem Gelände sehr variabel verteilt ist, ist eine lückenhafte Schneebedeckung ein typisches Merkmal in der Ablationssaison, welches die für den Abfluss verfügbare Schneeschmelze direkt beeinflusst. Daher wurde eine Subgrid-Parametrisierung des schneebedeckten Anteils (SCF) basierend auf der Oberflächenrauheit verwendet. Das Modell berücksichtigt die Fähigkeit des Schnees, Regen oder Schmelzwasser in der Schneedecke zu speichern, was den Zeitpunkt beeinflusst, zu dem das Wasser die Schneedecke verlässt.

Schließlich wurde der modellierte Oberflächenwassereintrag (SWI) dem hydrologischen Modell PREVAH zur Verfügung gestellt, um den Zufluss zu dem Wasserkraftwerk in Gletsch zu simulieren.

Die Vorhersagen der kombinierten Modellkette (d.h. Energiebilanz-Schneemodell und hydrologisches Modell PREVAH) werden auf unserer gemeinsamen Website visualisiert und können somit zur Beurteilung der Kraftwerkseingänge der nächsten Stunden verwendet werden, um eine flexible Steuerung des Kraftwerks zu ermöglichen.