Bathymetrische Daten optimieren die Wasserkrafterzeugung in der Schweiz

Gewährleistung der Sicherheit und des Schutzes der Schweizer Fluss- und Stauseeinfrastruktur

Die Erfassung von Bathymetrie- und Sidescan-Daten ist für den Schweizer Energiekonzern Axpo von entscheidender Bedeutung, um seine Wasserkraftinfrastruktur aufrechtzuerhalten, insbesondere da Trümmer, die Gletscher in die Flüsse und Seen der Schweiz werfen, Maschinen schwer beschädigen können. Die Überwachung und Messung von Verschlammung und Auskolkung trägt dazu bei, eine optimale Stromerzeugung zu gewährleisten. Seit 2019 setzt die Abteilung Staudammsicherheit der Axpo für diese Zwecke ein interferometrisches Bathymetrie-Sonar ein. Im Jahr 2022 erhielt das Team ein neues KI-Upgrade für das Sonar, das bereits installiert wurde um sicherzustellen, dass das Wasser weiter fließt.

Heute werden mehr als 60 % des Schweizer Stroms durch Wasserkraft erzeugt, und es ist geplant, die Produktionskapazität zu erhöhen, um den wachsenden Verbrauch zu decken und eine potenzielle Energielücke zu schließen. Die neue Kapazität wird aus Großprojekten und kleineren Innovationen sowie Optimierungen und Erweiterungen stammen, die alle genaue Bathymetrie- oder Sidescan-Daten erfordern.

Als Beispiel für eine kleinere Innovation und im Bewusstsein, dass in Zukunft jede Kilowattstunde zählen wird, installierte Axpo eine kleine 2,5-MW-Turbine in der Wasserübertragungsleitung zwischen den Stauseen Curnera und Nalps. Diese bisher ungenutzte Ressource wurde Anfang 2022 in Betrieb genommen und soll bis zu 10 Millionen Kilowattstunden Strom pro Jahr produzieren, genug, um rund 2.200 Haushalte zu versorgen.

Während eindeutig neue Kapazitäten erforderlich sind, stellt die Aufrechterhaltung der bestehenden Kapazitäten eine große Herausforderung dar, insbesondere angesichts der Menge an Gletscherschutt, die in das Wassernetz gelangt und möglicherweise schwere Schäden an den Maschinen von Wasserkraftwerken verursacht und sich zusätzlich auf die Ökosysteme weiter flussabwärts auswirkt. Bathymetrische und Sidescan-Daten sind für die Überwachung der Bildung dieser Sedimente unerlässlich, damit Ingenieure über die beste Vorgehensweise entscheiden können.

Die Aufgabe der Axpo-Abteilung für Staudammsicherheit besteht darin, Daten zu sammeln, zu verteilen, zu speichern, zu analysieren, zu verarbeiten und darzustellen, die genau zeigen, wie sich Material rund um die Wassereinlässe der Wasserkraftwerke des Unternehmens ansammelt. Die Abteilung überwacht und misst die Verschlammung mit dem Ziel, Baggerarbeiten und andere Ingenieurarbeiten (einschließlich größerer Arbeiten wie die Erhöhung der Höhe von Wassereinlässen) zu unterstützen, um einen optimalen Wasserfluss mit möglichst wenig Fremdmaterial aufrechtzuerhalten.

Während es wichtig ist, die Stromerzeugungsanlagen zu schützen, um Abschaltungen zu vermeiden und langfristige Ermüdung zu reduzieren, helfen die gesammelten Daten den Ingenieuren auch bei der Feinabstimmung der Systeme auf der Grundlage der gemessenen Wassermengen.

Das Hauptwerkzeug der Abteilung für die Datenerfassung ist ein geoswath 4-bathymetrisches Sonar des britischen Herstellers GeoAcoustics, das bisher mehr als 200 km Vermessungslinien erfasst hat, die etwa 75 km Fluss- und Seegrund im gesamten Axpo-Netzwerk abdecken. Das Staudamm-Sicherheitsteam hat mehr als einen Monat an Einsatztagen damit verbracht, Gelegenheitsschiffe als Vermessungsplattform zu nutzen. Ab September 2022 war jedoch die gesamte Installation inklusive Instrumentierung in einem einzigen Bezugssystem auf einem neuen Boot installiert (Abb. 1).

Das Boot und das Sonar werden nun zur Überwachung der Schlickbildung rund um wichtige Infrastrukturen wie Wassereinlässe und den Wasserstraßenbereich rund um das Stromerzeugungsgebiet, einschließlich des Nalps-Reservoirs, eingesetzt. Der See liegt 1.908 m über dem Meeresspiegel und verfügt über einen 127 m hohen Doppelbogenbogendamm und eine 480 m hohe Dammkrone. Er hat ein Wasservolumen von 44,5 Millionen Kubikmetern. Diese neueste Zahl wurde durch eine Umfrage zur Berechnung des Verschlammungsniveaus sowie der vorhandenen Reservoir- und nutzbaren Wassermengen ermittelt, die zu den in Abbildung 2 dargestellten Ergebnissen führte.

Abbildung 3.1 zeigt die Ergebnisse einer anderen Untersuchung, bei der das Team mithilfe des bathymetrischen Sonars ziemlich detaillierte Daten über den Grad der Verschlammung an einem Wehr am Oberlauf eines Flusskraftwerks erfasste. Diese Daten haben sich hier und an vielen anderen ähnlichen Stellen in den vom Axpo-Team überwachten Flüssen und Seen als wirksames Instrument für Untersuchungen vor und nach dem Ausbaggern erwiesen. Die Daten werden sowohl für technische Zwecke als auch für die Überprüfung am Ende eines Baggerprojekts verwendet, wie in Abbildung 3.2 dargestellt.

Während das Sonar die Ansammlung von Schlick und Schutt an der Schnittstelle zwischen Fluss oder See und der Wasserkraftanlage misst, wird es vom Axpo-Team auch verwendet, um die Auswirkungen eines Phänomens zu messen, das als Kolkung an kritischen Stellen im gesamten Netzwerk bekannt ist . Das Hauptziel besteht darin, die Integrität wichtiger Infrastrukturen wie Wehre und Wasserzuläufe vor Schäden durch die ständige Bewegung von Wasser und Schutt zu schützen. Während die Auswaschung oft mit Sidescan-Sonar gemessen wird, bietet dasbathymetrische Sonar die erforderliche Auflösung und Qualität für eine genaue Sicht auf das Geschehen und ermöglicht Axpo die Überwachung und den Schutz der Unterwasserinfrastruktur an verschiedenen Standorten.

Die Abteilung für Staudammsicherheit hat kürzlich eine neue KI-Datenverarbeitungslösung für dasbathymetrische Sonar evaluiert, die Ausreißer in den Daten automatisch erkennt und eliminiert und so ein Echtzeit-Datenstreaming während einer Vermessung ermöglicht. Der Vorteil für das Axpo-Team liegt zum jetzigen Zeitpunkt vor allem darin, dass die Verarbeitung bis zum Endprodukt beschleunigt wird, da das KI-System qualitätskontrollierte Daten erzeugt, die einen erheblichen Vorsprung bei der Nachbearbeitung bieten. Axpo hat auch das Potenzial der KI zur Verbesserung der Vermessungseffizienz erkannt, da die gestreamten Daten den Piloten und Vermesser in Echtzeit über spezifische Merkmale unter dem Boot informieren können.

Das KI-System wurde in fortlaufender Zusammenarbeit mit KI-Spezialisten der University of East Anglia und dem Forschungs- und Entwicklungsteam von GeoAcoustics entwickelt. Bei der herkömmlichen Phasenmessungsdatenfilterung ist es in hohem Maße erforderlich, dass ein erfahrener Benutzer Filter für die Rohdaten einrichtet, um diese zu „bereinigen“. Daher machte sich das Team daran, einige sehr spezifische technische Aspekte des Datenerfassungsprozesses zu automatisieren. Das Ergebnis ist ein System, das Axpo dabei helfen wird, viel schneller saubere und vorzeigbare Daten zu erhalten.

Angesichts der Tatsache, dass neue Pläne zur Verbesserung der Wasserkraftkapazität in der gesamten Schweiz einen kontinuierlichen Fluss aktualisierterbathymetrischer Daten erfordern, ist jede Straffung der Erhebungsprozesse – wie beispielsweise der Einsatz von KI in der Datenverarbeitung – willkommen. Auch das neue Vermessungsboot von Axpo wird zu einer besseren Effizienz beitragen, da die Vermessungsingenieure es zu dem Fluss oder See schleppen können, der neue Daten benötigt oder vorhandene Daten verifizieren müssen, ohne vor der Installation des Hydroakustikpakets ein verfügbares Boot finden zu müssen.

Die Kombination aus dem neuen Boot des Teams und dem mit KI verbesserten Sonar wird weiterhin dazu beitragen, die Optimierung bestehender Erzeugungskapazitäten und den Aufbau neuer Kapazitäten angesichts der potenziellen Energielücke im Winter und des Ziels des Landes, den Netto-Nullpunkt zu erreichen, zu unterstützen Kohlenstoffemissionen bis 2050.

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Ephraim Friedli ist Ingenieur bei Axpo Power AG und dort für die Bathymetriemessung verantwortlich.

Francisco J. Gutierrez ist Produktspezialist für die Systeme GeoSwath 4, Pulsar und TOPAS von GeoA...