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Kurzgutachten zur Wärmeenerg ienutzung im Zugersee l
Ausgangslage
Die Konzession für die Nutzung von Seewasser aus dem Zugersee durch die
Quartierenergiezentrale IGIMO AG soll erneuert werden. Das Konzessionsgesuch
erlaubt eine maxiınale Wärmeentnahme von 800 kW und eine maximale Kuhlung des
Seewassers von 160 kW. Das Seewasser wird innerhalb der Zugerbucht in einer Tiefe von
15 rn entnornmen und in einer Tiefe von 13 m wieder eingeleitet. Vor der Einleitung wird
das Wasser um 2 °C erwärmt, beziehungsweise um 3 °C abgekühlt. Die Betreiber
prognostízieren einen jährlichen Wärmeentzug von 620'000 kWh, Wovon rund 500'000
kWh auf die Monate November bis März entfallen, und einen Wärmeeintrag von knapp
200'000 kl/Vh, hauptsächlich während der S ommermonate Juni bis August.
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Abbildung 1: Situationsplan der verschiedenen Wärmenutzungen in der Umgebung der
Zugerbucht. Die weinrot markierte Fläche ist knapp 100 'O00 m2 gross und hat eine mittlere Tiefe
von ungefähr 15 m; Dieses Volumen wird im Folgenden verwendet, um die lokalen
Auswirkungen der Warmenutzung auf die Zugerbucht abzuschatzen.
EAWAG
Rechtliche Bestimmungen
Nach Anhang 2 der Gewässerschutzverordnung (SR 814.201) gilt für Seen:
Durch Seeregulierungen, Wassereinleitungen und -entnahmen, Kühlwassernutzung und
Wiirmeentzug dürfen im Gewässer die natürlichen Temperaturverhaltnisse, die
Nährstoflfoerteilung sowie, insbesondere im llferbereich, die Lebens- und
Fortpflanzungsbedingungen für die Organismen nicht nachteilig verändert werden.
In diesem Artikel werden keine quantitativen Angaben über erlaubte Temperaturveränderungen gemacht. In einer früheren Publikation hat die EAWAG diese Bestimmung
so interpretiert, dass in einem See „...die Temperaturveränderungen gegenüber dem
Normalzustand nie und nirgends den Wert von 1 °C übersteigen sollen". (EAWAG,
1981).
Temperatur und Mischung im Zugersee
Das Amt für Umweltschutz des Kantons Zug misst regehnässig Temperaturprofile im
Südbecken des Zugersees. Abbildung 1 zeigt den Jahresverlauf der Temperatur im Jahr
2002, interpoliert mittels der gemessenen Profile.
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Abbildung 2: Iahresverlauf der Temperatur bis 40 m Tiefe im Südbecken des Zugersees im Iabr
2002, interpoliert aus den vom Amt für Umweltschutz des Kantons Zug gemessenen
Temperaturprofllen. Die weisse Linie markiert die Tiefe der Wasserrückgabe durch den
Konzessionär.
Der See beginnt sich im März zu stratifizieren. Während des Sornmerhalbjahrs ist das
Epilimnion (die nächtlich durchmischte Schicht an der Oberfläche) nur wenige Meter
dick, und die Rückgabestelle in 13 m Tiefe liegt innerhalb der Sprungschicht, wo die
Temperatur mit der Tiefe stark abnimmt. Im Herbst nimmt die Dicke des Epilimnions zu
und erreicht gegen Ende Oktober die Tiefe der Wasserrückgabestelle. Während der
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Monate November bis März liegt die Rückgabestelle innerhalb der durchmischten
Schicht, die im März eine maxiınale Tiefe von 60 bis 80 rn erreicht. Abbildung 3 zeigt den
typischen Iahresverlauf der Dicke des Epilimnions im Zugersee (Aeschbach-Hertig,
1994).
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Abbildung 3: Iahresoerlauf der Tiefe des Epilimnions im Zugersee. Die Quadrate zeigen die in
den Iahren 1991 bis 1993 gemessenen Tiefen, die ausgezogene Linie zeigt die für ein typisches
jahr modellierten Tiefen (aus Aeschbach-Hertig, 1994).
Situation in der Zugerbucht
Im Uferbereich verteilt sich die Energiezufuhr durch die Sonneneinstrahlung ebenso wie
der Energieverlust während der nächtlichen Abkühlung auf eine geringere Wassertiefe
als im offenen Wasserbereich. Es ist deshalb zu erwarten, dass in der Zugerbucht die!
Temperaturvariationen grösser sind als im offenen Wasser. Diese
Temperaturunterschiede führen zu horizontalen Dichtegradienten, weil die Dichte von
Wasser oberhalb von 4 °C mit der Temperatur abnimmt. Da zwischen der Bucht und
dem offenen Wasserbereich keine Barriere (Schwelle) besteht, führen solche V
Temperaturdifferenzen zu Ausgleichsströmungen. Das Wasser aus dem Uferbereich von
Seen wird deshalb normalerweise innerhalb einer Zeitskala von einem Tag ausgetauscht
(Sturman et al., 1999), selbst wenn die Uferzonen wesentlich schlechter mit dem offenen
Wasser verbunden sind als im Beispiel der Zugerbucht, reichen wenige Tage. In den
folgenden Abschätzungen rechnen wir mit einer Austauschzeit von einem Tag, das
heisst, dass das Wasser in der Zugerbucht innerhalb von einem Tag mit Wasser aus dem
tieferen Teil des Sees ersetzt wird.
Auswirkungen der Wärmeenergienutzung auf die Temperatur im Zugersee
a) Wärmeentzug im Winterhalbjahr
In den Monaten November bis März, wenn der Wärmeentzug durch die geplante
Nutzung am grössten ist, ist der See von der Oberfläche bis unterhalb der Tiefe der
Wassereinleitung in 13 m Tiefe vollständig durchmischt. Die Mischung ist in dieser
Iahreszeit im Epilimnion sehr aktiv, und das Epilimnion wird normalerweise praktisch
jede Nacht vollständig durchınischt. Es kann davon ausgegangen werden, dass sich die
eingetragene Wärmeenergie auf das gesamte Epilimnion verteilt.
Laut den Prognosen des Konzessionärs ist geplant, dem Zugersee während des ganzen
]ahres eine Energiemenge von 620'000 kWh zu entnehmen, davon entfallen 500'000 kl/Vh
auf die Monate November bis März. Verteilt über das gesamte Seevolumen oberhalb von
20 m Tiefe (bis im März wird der Wärmeverlust sogar über eine Tiefe von 60 bis 80 m
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EAWAG
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verteilt) ergibt dies bei einer Fläche von 38.2 km2 für den ganzen Zugersee eine
Temperaturdifferenz von weniger als 0.001 °C. Der Effekt auf das Ökosystem Zugersee
als Ganzes ist also mit Sicherheit vernachlässigbar. Erst die Installation von mehreren
Hundert Anlagen in der gleichen Grössenordnung könnte die Temperatur im Zugersee
merklich beeinflussen. Diese Schlussfolgerung entspricht in etwa einer früheren
Abschätzung, dass dem Zugersee bis zu 240 MW Wärme entnornmen werden könnten
(EAWAG, 1981), also 300 mal mehr als die Konzession für die IGIMO AG maximal
erlauben würde.
Lokal in der Zugerbucht sind die Auswirkungen etwas grösser. Für die folgende
Berechnung betrachten wir die Bucht als eine Zone mit einer Fläche von 100'000 mz
(Abbildung 1) und einer mittleren Tiefe von 15 m, also einem totalen Volumen von
1'500'000 mi. Nach dem Konzessionsgesuch ist ein maximaler Wärmeentzug von 800 kW
möglich. Bei diesem maxiınalen Wärmeentzug und einer Austauschrate von einem Tag
für das Wasser in der Zugerbucht ergäbe sich eine Abkühlung von etwa 0.01 °C. Diese
Temperaturdifferenz hat für die Zugerbucht keinerlei ökologische Folgen.
Direkt an der Stelle der Wasserrückgabe ist die Temperatur lokal um 2 °C erniedrigt, weil
das Wasser im Wärmetauscher um 2 °C abgekühlt wird. Bei einer strikten Interpretation
der Regel, dass die Temperatur nie und nirgends um mehr als 1 °C verändert werden
darf, dürfte das Wasser im Wärmetauscher lediglich um 1 °C abgekühlt werden. Es sind
aber auch durch diese lokal sehr beschränkte Veränderung keine negativen ökologischen
Folgen zu erwarten.
b) Wärmeeintrag im Sommerhalbjahr
Im Sommerhalbjahr ist der See im Bereich der Wassereinleitung stabil geschichtet, das
heisst, die Wassertemperatur nimmt mit der Tiefe ab. Das Wasser wird durch den
Wärmeeintrag um bis zu 3 °C erwärmt. Das eingeleitete Wasser ist also leichter als das
Umgebungswasser an der Einleitungsstelle. Es steigt auf und vermischt sich dabei mit
Umgebungswasser, bis es die Tiefe erreicht, in welcher seine Dichte mit derjenigen des
Umgebungswassers übereinstimmt. In dieser Tiefe wird es sich einschichten.
Selbst wenn wir annehmen, dass sich das Wasser über den ganzen Sommer in der
gleichen Tiefe einschichtet, wird es sich aufgrund der vertikalen turbulenten Diffusion
über eine gewisse Schichtdicke innerhalb der Sprungschicht verteilen. Die turbulente
Diffusion ist innerhalb der Sprungschicht am schwächsten, weil dort der Dichtegradient
am grössten ist und deshalb am meisten Energie für die Mischung benötigt wird. Der
vertikale Diffusionskoeffizient KZ innerhalb der Sprungschicht im Inneren des Sees sinkt
im Zugersee nicht unter 2-101 m2/s (Wüest, 1987). Das bedeutet, dass während einer Zeit
t eine vertikale Vermischung über eine Schichtdicke d = 2 ~ ¬/2 - KZ -t stattfindet. Der '
Wärmeeintrag findet vor allem während der Monate Iuni bis August statt. In dieser Zeit
werden nach den Prognosen des Konzessionärs total 160'000 kWh Wärme in den See
eingetragen. Innerhalb von diesen drei Monaten verteilt sich das eingetragene Wasser
über eine Tiefe von rund 10 Metern. Dazu kommt eine zusätzliche vertikale
Verbreiterung, welche sich dadurch ergibt, dass sich das eingeleitete Wasser aufgrund
der regelmässigen vertikalen Bewegungen des Wasserkörpers (Beckenschwingungen;
Seiche) natürlicherweise in unterschiedlichen Tiefen einschichtet. Verteilt auf die ganze
Seefläche ergibt sich aus dem Wärmeeintrag eine mittlere Erwärmung einer 10 m dicken
Schicht in der Grössenordnung von weniger als 0.001 °C. Die Auswirkungen auf das
Gesamtökosystem sind also auch während des Sommers vernachlässigbar.
EAWAG
Zur Abschätzung der maximalen Auswirkungen innerhalb der Zugerbucht rechnen wir
mit dem maximalen konzessionierten Wärmeintrag von 160 kW und einer lokalen
Einschichtung in einer Schicht von 1 m. Es ergibt sich (mit denselben Annahmen für die
Fläche und die Aufenthaltszeit wie bei der Berechnung der Abkühlung iin Winter) eine
Erwärmung von rund 0.03 °C. Auch hier sind keine negativen Auswirkungen auf das
Ökosystem zu erwarten.
Direkt an der Stelle der Wasserrückgabe ist die Temperatur lokal um maximal 3 °C
erhöht, weil das Wasser im Wärmetauscher um 3 °C erwärmt wird. Weil die
Rückgabestelle 2 m oberhalb der Wasserfassung liegt und die Temperatur im Sommer
mit der Tiefe stark abnimınt, ist die wirkliche Temperaturdifferenz kleiner. Wie bei der
Wärmeentnahme im Sommer handelt es sich auch hier um eine lokal sehr begrenzte
Veränderung, die über dem empfohlenen Maximum von 1 °C liegt. Ökologische
Auswirkungen sind nicht zu erwarten.
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Schlussfolgerungen
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Die Auswirkungen der geplanten Wärmenutzung im Zugersee sind sowohl lokal in der
Zugerbucht wie auch für den ganzen See gering. Es sind keine negativen ökologischen
Folgen zu erwarten.
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Die Unterschiede zwischen den Temperaturen im offenen Wasser und in der Bucht
können natürlicherweise um mehr als eine Grössenordnung über den zu erwartenden
Temperaturänclerungen aufgrund der Wärmeenergienutzung liegen. Ein Monitoring der
Temperatur in der Zugerbucht zur Bestimmung der Auswirkungen der
Wärmeenergienutzung auf die Temperatur in der Bucht macht deshalb keinen Sinn, auch
wenn in der näheren Umgebung noch einige weitere Anlagen mit ähnlicher Leistung
installiert würden.
Literatur
Aeschbach-Hertig, W (1994). Helium und Tritium als Tracer für physikalische Prozesse
in Seen. Dissertation Nr. 10714, ETH-Zürich, Zürich
EAWAG (1981). Wärmepumpen an Oberflächengewässern, Schriftenreihe BEW Nr. 19,
Bern.
Sturman, ].]., C.E. Oldham and G.N. Ivey (1999). Steady convective exchange flows down
slopes. Aquatic Sciences 61, 260-278.
Wüest, A. (1987). Ursprung und Grösse von Mischungsprozessen im Hypolimnion
natürlicher Seen. Dissertation Nr. 8350, ETH-Zürich, Zürich
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Kastanienbaum, 22. Februar 2004
Martin Schmid