导读 苏黎世联邦理工学院的研究人员在罗伯特·博斯​​(RobertBoes)的带领下，正在开发具体的解决方案，以优化瑞士水力发电厂的发电量。这将确保...

苏黎世联邦理工学院的研究人员在罗伯特·博斯​​(RobertBoes)的带领下，正在开发具体的解决方案，以优化瑞士水力发电厂的发电量。这将确保水力发电仍然是瑞士未来电力供应的支柱。

瑞士-说明性照片。

“尽管瑞士水力发电是一项经过验证的技术，但我们必须不断努力优化它。如果我们不这样做，现有发电厂的电力生产和储存将慢慢受到侵蚀，”自2009年以来担任苏黎世联邦理工学院水力学、水文学和冰川学实验室负责人的罗伯特·博斯​​(RobertBoes)解释道。这是因为水库尤其具有由于碎石和砾石的影响，自然会出现收缩的趋势。随着时间的推移，水道中的沉积物不可避免地会导致涡轮机的磨损。

苏黎世联邦理工学院的研究人员花了数年时间来应对这些和其他挑战：他们开发了高效水管理的解决方案，计算了涡轮机的维护策略，并展示了哪些地点有潜力最有效和最环保地利用水力发电。这就是他们如何确保水力发电仍然是瑞士未来电力供应的支柱——尤其是在冬季，此时光伏系统发电量较少。

更好地管理径流发电厂的水

利马特河从苏黎世湖流经阿勒河，沿途36公里长，共有11座径流式发电厂。苏黎世湖就像一个大水头水库，水通过它排入利马特河。当局利用苏黎世Platzspitz公园的堰系统来调节苏黎世湖的水位，从而调节流入河流的水量。除了在防洪、航运和生态方面发挥作用外，该水位与电力生产尤其相关。

Boes和他的研究团队最近在一项研究中表明，优化Platzspitz的堰调节可以使利马特河沿岸发电厂的发电量增加约2%。这种效率的提高将源于新的管理策略，该策略首先允许在当今的法规下提高湖泊水位，其次利用天气模型更好地调整苏黎世湖的水位调节以适应预期的降水和流入量。

一般来说，流入河流发电厂的水越均匀，它们产生的电力就越多。特别是在中小水位​​高水位的情况下，新法规将更好地利用现有的额外水量。“如果天气模型预测有大雨，智能堰系统会提前向利马特河释放更多的水。然后，当预计的降雨到来时，湖泊将有更多的缓冲作用，尽管降雨量很大，但仍可以继续均匀地将水排入利马特河，”博斯解释道。这将防止涡轮机因水过多而过载。当然，水资源管理者仍然必须遵守高水法规以及生态和其他要求。

瑞士高原高山湖泊下游的其他河流也可以进行类似的改造。Boes和他的团队计算出，如果堰系统得到更智能的管理，径流发电厂的发电量每年可增加约100吉瓦时。这足以满足约25,000个四人家庭每年的电力需求。

更有效地保护涡轮机免受沉积物的影响

河流携带的细泥沙是每台水力发电涡轮机的天敌。它的作用就像砂纸一样，导致涡轮机随着时间的推移而磨损，发电量显着减少。尽管这个问题早已为人所知，但仍未得到完全解决。虽然许多发电厂设有所谓的沙坑，但它们通常无法从水中去除足够的微小颗粒。

为了提高沙坑的有效性，从而保护涡轮机并避免生产损失，博斯和他的团队研究了哪些类型的沙坑特别有效：“底部坡度平缓的长沙坑，使水流尽可能缓慢，工作最好。它们让颗粒更容易沉降到地板上，”博斯说。这些发现已用于改善格劳宾登州苏萨斯卡水电站的沙坑。然而，较长的陷阱也需要更多的建筑材料并占用更多的空间，从而使其价格昂贵。因此，对于哪些结构调整具有经济和技术意义，不同电厂的决策会有所不同。

博尔德水库旁路

与天气相关的侵蚀导致石头、砾石和其他沉积物通过取水口进入水库并减少其存储量。这个被称为沉积的问题可能会导致瑞士水库的蓄水能力到2050年减少约7%。如今，中小型水库使用旁路隧道作为防止沉积的结构措施。这些隧道在洪水期间引导石头、砾石和淤泥通过坝墙。然而，由于洪水携带大量沉积物，旁路隧道的底部有时会受到明显的磨损。

博斯和他的团队近年来反复研究这个问题。例如，研究人员调查了哪些材料最适合衬砌此类隧道的地板。经过无数次测试，他们得出结论，高强度花岗岩最能承受特别恶劣的条件下的严重磨损。基于这一认识，世界各地的几条旁路隧道已采用花岗岩作为衬砌。

以格劳宾登州的索利斯水库为例，研究人员还能够证明旁路隧道实际上有多有效。该隧道已将索利斯的年沉积量减少了80%以上。然而，这需要对储存管理进行调整：发电厂的运营商可以通过将水库中的水位降低到足够低的水平来进一步提高隧道的效率，因为这使得流入的河流能够输送特别大量的岩石和沉积物，并通过隧道。这些发现也与许多其他发电厂的运营商相关。

通过优化涡轮机维护提供更多电力

处理水库淤泥堆积的另一种方法是通过引水道和涡轮机将细小的沉积物引导到河流的下游部分。“这样做的问题是它会导致涡轮机更多磨损。但如果旁路隧道等替代措施过于昂贵或不可行，那么对于高山水库来说，这仍然是一项值得采取的措施，”博斯说。

然而，为了更好地评估这种解决沉积问题的方法的可行性，发电厂运营商需要了解淤泥对涡轮机造成的损害以及它降低涡轮机效率的程度。博斯和他的团队在瓦莱州的一座水电站和格劳宾登州的另一座水电站分析了这个问题。研究人员利用他们的发现开发了一个模型，可以预测涡轮机何时会因沉积物磨损而失去输出并应该更换。这使得发电厂运营商能够优化其系统的维护并最终产生更多的电力。

瑞士水力发电的潜力

除了针对现有水力发电厂的这些具体解决方案之外，Boes和他在苏黎世联邦理工学院的团队近年来还对扩大瑞士水力发电的潜力进行了深入研究。例如，他的研究小组调查了哪些冰川退缩区域最适合建造新水库，以及哪些现有水坝可以加高以创造更多的存储容量。

2020年，瑞士联邦能源局将ETH在合适地点的研究结果作为圆桌讨论的基础，电力公司、环保组织和各州商定了15个水电站扩建和新建项目的清单。作为双方之间的调解人，苏黎世联邦理工学院名誉教授迈克尔·安布尔(MichaelAmbühl)也在帮助双方达成妥协方面发挥了作用。这些项目随后被纳入新的《电力供应法》。这项立法是否生效最终取决于瑞士选民，他们将于六月就扩大水电和其他可再生能源进行投票。