Im Rahmen des nationalen Forschungsprogramms „Energiewende“ (NFP 70) ist es Wissenschaftlern der Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) erstmals gelungen, Trockenheitsperioden mit grosser räumlicher Genauigkeit über einen Zeitraum von mehr als drei Wochen hinweg vorherzusagen. Mit solchen langfristigen Trockenheitsprognosen lassen sich auch Optimierungspotentiale für die Wasserkraft schaffen.

Michaela war zu viel. Das Hochdruckgebiet, das damals die erste Hälfte des Augustes, hauptsächlich Mittel- und Südeuropa dominierte, machte den Sommer 2003 vollends zu einem Ereignis, das Eingang ins kollektive gesellschaftliche Gedächtnis gefunden hat. Noch lange wird man vom „Jahrhundertsommer“ sprechen, wenn man an die besagte Jahreszeit zurückdenkt. Die Kombination von hohen Temperaturen und wenigen Niederschlägen in den Sommermonaten wiederholte sich 2011, 2015 und 2018. Experten gehen davon aus, dass dieser Trend auch in Zukunft anhalten könnte. Das hat gesellschaftliche und wirtschaftliche Implikationen, auf die man in der Schweiz heute noch zu wenig vorbereitet ist.

In diesem Kontext entstanden in der jüngeren Vergangenheit neue Ansätze, wie man mit Teilaspekten dieser Entwicklung umgehen könnte. Ein Beispiel dafür ist die Vorhersage von Trockenheitsperioden über einen längeren Zeitraum hinweg mit einem hohen örtlichen Detaillierungsgrad. Im letzten Sommer endete das Projekt HEPS4Power der eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) und der MeteoSchweiz, mit dem gerade solche Vorhersagen erstellt werden sollen. Im Hinblick auf die Energiewende kommt den Erkenntnissen aus diesem Projekt insofern eine besondere Dimension zu, als dass sich mit ihnen die Wasserkraft als erneuerbare Energie in der Schweiz potentiell stärken lässt. Massimiliano Zappa, promovierter Hydrologe und Projektleiter von HEPS4Power meint dazu: „Erste Erfahrungen haben gezeigt, dass sich mit unserem hydrologischen Modell Mehrwerte generieren lassen können, mit denen das vorhandene Potential der Wasserkraft bei uns besser ausgeschöpft werden kann.“

Trockenheit – Vielleicht schon bald ein noch vertrauteres Phänomen im „Wasserschloss Europas“ – Hier die Töss bei Saland am 4. August 2018. Quelle: WSL

Trockenheit als komplexes Phänomen

Ausgeprägte Trockenheitsperioden sind sehr vielschichtige, komplexe Phänomene, die als Folge von zahlreichen, in Wechselwirkungen zueinander stehenden meteorologischen, klimatischen und hydrologischen Verhältnissen entstehen. Aber auch gesellschaftliche Faktoren können bei ihrem Auftreten eine nicht unbedeutende Rolle spielen.

In der Regel werden Trockenheiten anhand von Wasserabflüssen bestimmt. Aufgrund von Modellprognosen und Messungen schaut man dabei, wann die Abflüsse einen bestimmten Grenzwert unterschreiten. Der Grenzwert richtet sich dabei nach sogenannten Quantilen. Das sind Wiederkehrperioden, die entweder konstant oder saisonabhängig definiert sind. In der Schweiz üblich ist dabei der Grenzwert Q347. Er entspricht der Wassermenge, die in 95%, aller Fälle erreicht oder überschritten und nur in 5% aller Fälle unterschritten wird. Im letzteren Fall spricht man dann von einer hydrologischen Trockenheit. Mehr zum Thema Trockenheit und zu deren Hintergründen erfährt man im folgenden Bericht des OcCC (Organe consultatif sur les changements climatiques).

Klimawandel im „Wasserschloss“ Europas

Lange waren Trockenheitsperioden als Forschungsgegenstand im „Wasserschloss“ Europas gar kein Thema. Wissenschaftler gehen davon aus, dass das Gebiet der Schweiz in den vergangenen 500 Jahren lediglich vier ausgeprägte Dürrejahre (1540, 1603, 1669 und 1947), in absteigender Intensität, erlebt hat. Mit dem Klimawandel könnte sich das künftig ändern. „Wir beobachten bereits heute, dass die Wechsel zwischen trockenen und feuchten Phasen in der Schweiz länger werden.“ Das dahintersteckende Phänomen erklärt Zappa folgendermassen: „Durch die Erwärmung der Atmosphäre, als Folge des Klimawandels, kann die Luft heute mehr Feuchtigkeit aufnehmen und braucht dadurch auch länger bis sie gesättigt ist. Wenn das dann der Fall ist, fallen die Niederschläge dafür umso intensiver und länger aus.“

So rechnet auch MeteoSchweiz in seinen Klimaszenarien für die Schweiz, bei einem „ungebremst steigenden Treibhausgasausstoss mit vier Hauptveränderungen bis Mitte des laufenden Jahrhunderts: Mit trockeneren Sommern, heftigeren Niederschlägen, mehr Hitzetagen und schneeärmeren Wintern.“

Es wird wärmer und trockener bei uns. Diese Tendenz dürfte auch in Zukunft anhalten. Quelle: MeteoSchweiz

Als Folge dieser sich abzeichnenden Tendenz geriet das bis dahin in der Schweiz noch nicht untersuchte Phänomen länger andauernder Trockenheiten in den vergangenen Jahren vermehrt in den Fokus der Wissenschaft. Eine erste umfangreiche Untersuchung dazu fand zwischen 2010 und 2013 im Projekt „DROUGHT-CH“ im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms „Nachhaltige Wassernutzung“ (NFP 61) statt. Beteiligt daran waren Wissenschaftler des WSL, der ETH Zürich und der Universitäten Zürich und Freiburg im Breisgau und die MeteoSchweiz. „Wir wollten eine Möglichkeit der Früherkennung von kritischer Trockenheit schaffen, um damit deren wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Folgen in Zukunft adäquater begegnet zu können.“

Als Instrument dazu wurde 2011, mit Hilfe von MeteoSchweiz und dem Bundesamt für Umwelt (BAFU) die Informationsplattform trockenheit.ch ins Leben gerufen, in die die Forschungsergebnisse des NFP 61 in der Folge eingeflossen sind. Seit 2013 wird die Seite vom WSL weiter betrieben. Mittels aktueller Daten und langjährigen Klimatologien informiert die Website laufend über die aktuellen Trockenheitslagen in der Schweiz. „Ab 2012 haben wir dann damit begonnen auch Prognosen für zukünftige Trockenheitssituationen über wenige Tage hinaus zu erstellen.“ Anders als bei den Prognosen von Hochwassern, die in der Schweiz bereits eine längere Tradition haben, betraten die am NFP 61 und dem folgenden Nationalen Forschungsprogramm „Energiewende“ (NFP 70) beteiligten Forscher damit in der Schweiz wissenschaftliches Neuland.

Die Seite trockenheit.ch des WSL – Informiert über die aktuelle Trockenheitslage in der Schweiz und publiziert auch Prognosen dazu.

Energiewende und zusätzliche Dimension – Das Projekt HEPS4Power

Mit dem Ausstieg der Schweiz aus der Kernenergie kommt der verstärkten Energiegewinnung aus erneuerbaren Quellen die zentrale Rolle zu. In diesem Kontext starteten 2015 die beiden Forschungsprogramme „Energiewende“ (NFP 70) und „Steuerung des Energieverbrauchs“ (NFP 71) des Bundes, die diesen Transformationsprozess unterstützen sollten. Während sich das NFP 71 mit sozioökonomischen Fragestellungen im Rahmen der Energiewende befasst, stehen beim NFP 70 die naturwissenschaftlich-technologischen Aspekte der Energiewende und die damit verbundenen Umstellungen auf neue Energiesysteme im Zentrum.

Ein Teilprojekt des NFP 70, das im Februar 2015 begann und Ende Juli 2018 erfolgreich abgeschlossen werden konnte war das „Extended-range Hydrometeorological Ensemble Predictions for Improved Hydropower Operations and Revenues“, kurz HEPS4Power. „Das Ziel des Projekts war es herauszufinden, inwieweit hydrometeorologische Vorhersagesysteme über längere Zeiträume hinweg gewinnbringend bei der Nutzung der Wasserkraft eingesetzt werden können“, so Zappa. „Im speziellen wollten wir bei HEPS4Power untersuchen, wie die Energiegewinnung aus der Wasserkraft, durch die Prognose von künftig auftretenden Trockenperioden optimiert werden kann.“ Über die dafür notwendigen wissenschaftlichen Grundlagen verfügten die Forscher des WSL und der MeteoSchweiz aus den beim NFP 61 gesammelten Erfahrungen bereits.

Mit der Energiewende hatte die Forschung zum Thema Trockenheiten in der Schweiz damit eine zusätzliche Akzentuierung bekommen. Ging es anfänglich noch mehr darum ein Werkzeug zu schaffen, um den Folgen des Klimawandels begegnen zu können, soll gerade dieses nun gewinnbringend zur Unterstützung der Energiewende beitragen.

Prognosen für 57 verschiedene Regionen

Hydrologische Prognosen zu Niedrigwasser oder zu Bodenfeuchte über einen Zeitraum von mehr als fünf Tagen hinaus sind ein Novum in der Schweiz. „Anders als bei Gewittern oder sonstigen Niederschlägen sind sie aber möglich, weil die dahintersteckenden Prozesse in Wasserspeichern stattfinden, die weniger schnell auf Veränderungen reagieren.“

Wie aber werden solche Prognosen konkret möglich? Welche Daten und Voraussetzungen braucht es dafür? Und wie sehen die jeweiligen Schritte beim Erstellen einer solchen Prognose aus?

In einem ersten Forschungsschwerpunkt bei HEPS4Power wurden von MeteoSchweiz längerfristige meteorologische Vorhersagen für hydrologische Zwecke adaptiert. Wegen der unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Auflösung der Vorhersagetypen war das notwendig, damit auch für kleinstflächige Gebiete der Schweiz hydrologisch relevante Aussagen getroffen werden konnten. Grundlage für die Vorhersagen bildeten klimatologische Daten von MeteoSchweiz und vom Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW).

„Heute bekommen wir von MeteoSchweiz zwei Mal pro Woche spezifische Monatsvorhersagen, basierend auf Niederschlag und Temperatur. Diese Daten werden bei uns statistisch aufgearbeitet und optimiert und mit unserem hydrologischen Vorhersagemodell gerechnet. Jeweils am Dienstag und am Freitag erstellen wir dann für trockenheit.ch eine aktuelle Trockenheitsprognose für den folgenden Monat.“

Massimiliano Zappa vom WSL: „Gemäss unseren statistischen Auswertungen gehen wir heute davon aus, dass wir so über einen Zeitraum von bis zu drei Wochen im Voraus nützliche Informationen zu Niedrigwassern und Bodenfeuchte mit recht hoher lokaler Genauigkeit liefern können.“

Die Prognosen stellen vom hydrologischen Modell generierte Simulationen von natürlichen Abflüssen, von Bodenfeuchte, von Niedrigwasser und von Schneemengen für 57 unterschiedliche Regionen in der Schweiz dar. Zur Feststellung der effektiven Abweichungen in diesen Bereichen werden die generierten Werte mit den Durchschnittswerten der in den entsprechenden Gebieten seit 1981 gemessenen Werte abgeglichen. Die Referenzdaten dafür kommen wiederum von MeteoSchweiz. „Gemäss unseren statistischen Auswertungen gehen wir heute davon aus, dass wir so über einen Zeitraum von bis zu drei Wochen im Voraus nützliche Informationen zu Niedrigwassern und Bodenfeuchte mit recht hoher lokaler Genauigkeit liefern können.“

Beispiel einer Trockenheitsprognose für die Schweiz vom August 2018 über drei Wochen hinweg.

Die Erkenntnisse aus solchen Vorhersagen sind in vielen Bereichen wertvoll. So beispielsweise für die Landwirtschaft oder auch für die Binnenschifffahrt. Im Spezifischen könnten sie aber auch für die Energiegewinnung aus der Wasserkraft nützlich sein. Das Stichwort in diesem Zusammenhang heisst Optimierung.

Optimierungspotentiale für die Wasserkraft schaffen

Im Rahmen von HEPS4Power wurde im Sommer 2017 unter anderen auch eine 30-Tage-Prognose für den Klöntalersee im Kanton Glarus erstellt, wo sich das Wasserkraftwerk am Löntsch der Axpo befindet. „Die Vorhersagen wurden in den Produktionsprozess des Stausees einbezogen.“ Mit einem Betriebsmodell wurde ausgerechnet, wie man ohne die die Vorhersage produzieren, respektive wie man mit der Vorhersage produzieren könnte. „Erste Erfahrungen haben dabei gezeigt, dass mit den Prognosen gewisse lohnenswerte Mehrwerte für den Produktionsprozess geschaffen werden können.“

Bis anhin verlassen sich die Betreiber von Wasserkraftwerken in der Schweiz auf Statistiken zum mehrjährigen Mittel von Niederschlägen und Abflüssen. Mit den Resultaten aus HEPS4Power wären regelmässige Prognosen zu Wasserständen für den Folgemonat möglich. Damit könnte das vorhandene Wasser wirtschaftlich besser genutzt werden. Vor allem auch dann, wenn die aktuelle Nachfrage am Markt gerade hoch ist. „Besonders Sinn würde das machen, wenn ein Betreiber über verschiedene Produktionsstandorte verfügt. Zum Beispiel über mehrere Laufwasserkraftwerke und Stauseen. Mit der Monatsprognose für diese Standorte könnte er dann festlegen, wo der Produktionsschwerpunkt, je nach täglicher Wasserlage und Marktpreis, verstärkt an dem einen oder dem anderen Ort stattfinden soll.“ Damit würde Optimierungspotential geschaffen.

Mit längerfristigen Trockenheitsprognosen die Wasserkraft stärken – Eine von verschiedenen Möglichkeiten für das Gelingen der Energiewende. Quelle ewz

Nach wie vor spielt die Wasserkraft eine zentrale Rolle bei der Energieversorgung in der Schweiz und stellt unseren grössten Trumpf für das Gelingen der Energiewende dar. Knapp 60% des Schweizerischen Strombedarfs wird durch sie gegenwärtig gestellt. Gleichzeitig bleibt die Rolle der Wasserkraft in der Schweiz angespannt. Tiefe Marktpreis, die Diskussion um Subventionen und Wasserzinsen sowie konkurrierende erneuerbare Energien machen es ihr schwer. Gerade in diesem Zusammenhang können Ansätze, die die Produktion von Strom aus der Wasserkraft wirtschaftlich optimieren von Bedeutung und für die Wasserkraft insgesamt nützlich sein. Die Umsetzung der Ergebnisse von HEPS4Power könnte einen solchen Ansatz darstellen.

Remo Boretti