Entwicklung eines Decision Support Systems zur Beurteilung der Wechselwirkungen zwischen Klimawandel, Energie aus Wasserkraft und Ökologie

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1 Entwicklung eines Decision Support Systems zur Beurteilung der Wechselwirkungen zwischen Klimawandel, Energie aus Wasserkraft und Ökologie DSS_KLIM:EN Endbericht BOKU-Met

2 Auftraggeber Kommunalkredit Austria AG Türkenstraße Wien Gefördert vom Klima- und Energiefonds Gumpendorferstraße 5/ Wien Projektleitung Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Helmut Habersack Universität für Bodenkultur Wien Department für Wasser Atmosphäre Umwelt Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und konstruktiven Wasserbau CD Labor für Innovative Methoden in Fließgewässermonitoring, Modellierung und Flussbau Projektpartner Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Stefan Schmutz Universität für Bodenkultur Wien Department für Wasser Atmosphäre Umwelt Institut für Hydrobiologie und Gewässermanagement Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Herbert Formayer Universität für Bodenkultur Wien Department für Wasser Atmosphäre Umwelt Institut für Meteorologie Mag. Dr. Franz Prettenthaler Joanneum Research Graz Forschungsgruppe Regionalpolitik, Risiko- und Ressourcenökonomik Zitiervorschlag: Habersack, H., Wagner, B., Hauer, C., Jäger, E., Krapesch, G., Strahlhofer, L., Volleritsch, M., Holzapfel, P., Schmutz, S., Schinegger, R., Pletterbauer, F., Formayer, H., Gerersdorfer, T., Pospichal, B., Prettenthaler, F., Steiner, D., Köberl, J., Rogler, N. (2011): DSS_KLIM:EN: Entwicklung eines Decision Support Systems zur Beurteilung des Wechselwirkungen zwischen Klimawandel, Energie aus Wasserkraft und Ökologie. Endbericht. Studie im Auftrag der Kommunalkredit Austria AG, gefördert vom Klima- und Energiefonds. Wien, 132 S. Titelbild: BOKU-Met (links oben), BOKU-IWHW (links unten), Verbund (rechts oben), Sandra Beckefeldt (rechts unten) 2 BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz

3 Bearbeitung WP1 WP3 WP6 Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Helmut Habersack (Projektleitung) Dipl.-Ing. Beatrice Wagner Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Christoph Hauer Dipl.-Ing. Elisabeth Jäger Dipl.-Ing. Gerald Krapesch Dipl.-Ing. Lukas Strahlhofer BSc Margit Volleritsch Patrick Holzapfel WP2 Dipl.-Ing. Rafaela Schinegger Dipl.-Ing. Florian Pletterbauer Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Stefan Schmutz WP4 Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Herbert Formayer Dipl.-Ing. Thomas Gerersdorfer Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Bernhard Pospichal Met WP5 Mag. Dr. Franz Prettenthaler Mag. Daniel Steiner Mag. Judith Köberl BSc Nikola Rogler Projektstrukturplan WP 2 WP 3 WP 4 WP 5 KLIMAWANDEL ENERGIEWASSER- WIRTSCHAFT ÖKOLOGIE SOZIOÖKONOMIE WP 1 KOORDINATION IWHW BOKU BOKU-Met IWHW BOKU IHG BOKU IWHW BOKU Joanneum Research WP 6 DSS_KLIM:EN Einbindung der Stakeholder über Workshops und Expertengespräche BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz 3

4 Kurzfassung Die Wasserkraft bildet das Rückgrat der Stromerzeugung in Österreich und deckt derzeit etwa 60% des Strombedarfs. Sie ist nahezu CO 2 neutral und liefert einen bedeutenden Beitrag zur Erreichung von Klimaschutzzielen (z.b. Kyoto-Protokoll). Gleichzeitig kann der Klimawandel, z.b. durch die Änderung der Niederschlags- und Abflussverhältnisse oder den starken Rückgang der Gletscher, einen wesentlichen Einfluss auf die Stromerzeugung aus Wasserkraft haben. Der weitere Ausbau der Wasserkraft ist ökonomisch, ökologisch und z.t. auch gesellschaftlich aufgrund hoher Investitionskosten, Umweltauflagen und z.t. Widerständen in der Bevölkerung schwieriger geworden. Die gegenwärtige Existenz zweier gesellschaftspolitischer Interessen, dem Klimaschutz und dem Gewässerschutz, gibt Anlass zur grundlegenden Auseinandersetzung und Analyse der gegebenen Wechselwirkungen zwischen den Sektoren Klimawandel, Energiewasserwirtschaft, Ökologie (inkl. Feststoffhaushalt / Flussmorphologie) und Sozioökonomie. Eine Anpassungsstrategie an den Klimawandel sowie die Umsetzung der Energiestrategie Österreich ohne Berücksichtigung der gegenseitigen Beeinflussungen könnte zu schwerwiegenden Konflikten führen. Ziel des Projektes DSS_KLIM:EN war es, eine objektive Daten- und Diskussionsbasis zu schaffen sowie ein web-basiertes Decision Support System (Web-DSS) zur Beurteilung der Wechselwirkungen zu entwickeln. Dazu wurden auf sektoraler Ebene Grundlagendaten erarbeitet und fachgebietsbezogene Analysen durchgeführt. So wurde beispielsweise im WP Klimawandel eine GIS-basierte Datengrundlage zur Analyse der Klimasensitivität verschiedener Wasserkraftwerkstypen erstellt. Im WP Energiewasserwirtschaft wurde ein Klassifikationsschema der österreichischen Wasserkraftwerke definiert und eine Kraftwerksdatenbank entwickelt. Zudem wurden Szenarien des zukünftigen theoretischen Wasserkraftausbaus gebildet. Aufbauend auf der IST-Situation des ökologischen Zustands der österreichischen Fließgewässer, wurde im WP Ökologie das Modell Staueinfluss entwickelt, mit dessen Hilfe zukünftige Ausbauszenarien ökologisch, bezogen auf den Staueinfluss als beispielhaften Eingriff in Fließgewässer, beurteilt werden können. Auf sozioökonomischer Ebene wurden verschiedene Kraftwerkstypen hinsichtlich ökonomischer Kriterien untersucht. Im Zuge der integrativen Bearbeitung wurden zunächst Kriterien der Sektoren Klimawandel, Energiewasserwirtschaft, Ökologie, Feststoffhaushalt / Flussmorphologie und Sozioökonomie definiert. Darauf aufbauend wurden Kraftwerks-Steckbriefe für jeden Sektor erarbeitet, die eine objektive Beurteilung existierender Wasserkraftwerkstypen ermöglichen. Zudem wurden Werkzeuge, wie z.b. eine Vernetzungsmatrix zur Analyse der sektoralen Wechselwirkungen und Darstellung der Vernetzungen, entwickelt. Durch Einrichtung eines Web-DSS werden ab Herbst 2011 ausgewählte Projektsergebnisse und Online Tools, wie z.b. ein Wasserkraft Kalkulator oder GIS-Kartendarstellungen, für den User verfügbar sein. Die Ergebnisse des Projektes DSS_KLIM:EN bilden eine Informationsgrundlage für die Umsetzung der nationalen Klimawandelanpassungsstrategie, der Energiestrategie Österreich sowie der Wasserrahmenrichtlinie und können zur Unterstützung zukünftiger Entscheidungsprozesse herangezogen werden. Beispielsweise kann mit Hilfe des Wasserkraft Kalkulators erstmals berechnet werden, wie viele neue Wasserkraftwerke auf Basis der derzeitigen Kraftwerksverteilung in Österreich für bestimmte Ausbauziele erforderlich wären und welchen Beitrag diese zur Deckung von Ausbauzielen haben. 4 BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz

5 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung Einleitung und Problemstellung Zielsetzung Methodik Sektorale Analysen Klimawandel Allgemeines zu Klimaszenarien für Österreich und deren Unsicherheiten Erarbeitung einer GIS-basierten Datengrundlage Energiewasserwirtschaft Erhebung der Wasserkraftwerke in Österreich Entwicklung einer GIS-gestützten Kraftwerksdatenbank Bildung theoretischer Ausbauszenarien Ökologie Fließgewässerstrecken in Schutzgebieten Modell Staueinfluss Ausbauszenarien mit unterschiedlichen Kraftwerkstypen Sozioökonomie Definition einer Bewertungsmethodik Datenaufbereitung und Parameterdefinition Überprüfung der Signifikanz Integrative Bearbeitung Definition von sektoralen Kriterien zur integrativen Bearbeitung Erarbeitung einer Analysemethodik zur Beurteilung der Wechselwirkungen zwischen Klimawandel, Energie aus Wasserkraft und Ökologie Charakterisierung der Wasserkraftwerkstypen durch Entwicklung von Steckbriefen GIS-basierte Analysen Ergebnisse Sektorale Analysen Klimawandel Sektorbezogene Ergebnisse der Berechnung von Klimaszenarien für Österreich GIS-basierte Datengrundlage Energiewasserwirtschaft Klassifikationsschema der Wasserkraftwerke Kraftwerks-Datenbank Darstellung der Wasserkraft-Situation in Österreich Wasserkraftpotenzial in Österreich Analyse der Ausbauszenarien Diskussion möglicher Auswirkungen des Klimawandels auf die Wasserkraft Ökologie Darstellung der IST-Situation des ökologischen Zustandes der Fließgewässer in Österreich auf Basis der EU-WRRL unter Berücksichtigung der Wasserkraftnutzung Ausbauszenarien mit unterschiedlichen Kraftwerkstypen Sozioökonomie Betriebswirtschaftliche Erlöse je Kosten Gesamtökonomischer Nutzen versus Kosten Arbeitsplatzeffekte BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz 5

6 3.2. Integrative Bearbeitung Sektorale Kriterien zur integrativen Bearbeitung Klimawandel Energiewasserwirtschaft Ökologie Feststoffhaushalt / Flussmorphologie Sozioökonomie Wechselwirkungen zwischen Klimawandel, Energie aus Wasserkraft und Ökologie Vernetzungsmatrix Diskussion kausaler Zusammenhänge GIS-basierte Kartendarstellungen Steckbriefe der Wasserkraftwerkstypen Web-basiertes Decision Support System Überblick über den Inhalt Funktionen Kraftwerkstypen und Steckbriefe Dynamische Vernetzungsmatrix Online Tools Wasserkraft Kalkulator GIS-Kartendarstellungen Downloads Diskussion und Schlussfolgerungen Sektorale Analysen Klimawandel Energiewasserwirtschaft Ökologie Sozioökonomie Schlussfolgerungen aus der integrativen Bearbeitung Danksagung Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz

7 1. Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung 1.1. Einleitung und Problemstellung Die Wasserkraft bildet das Rückgrat der Stromerzeugung in Österreich und deckt derzeit etwa 60% des Strombedarfs (BMWFJ und BMLFUW, 2010). Sie ist nahezu CO 2 neutral und liefert einen bedeutenden Beitrag zur Erreichung von Klimaschutzzielen (z.b. Kyoto-Protokoll). Gleichzeitig kann der Klimawandel, z.b. durch die Änderung der Niederschlags- und Abflussverhältnisse oder den starken Rückgang der Gletscher, einen wesentlichen Einfluss auf die Stromerzeugung aus Wasserkraft haben. Die Analyse des Dürresommers 2003 in Österreich, im Rahmen des Projektes StartClim 2004.D, verdeutlichte die Sensitivität der Energiewasserwirtschaft gegenüber Klimaänderungen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Dürre insbesondere bei Laufkraftwerken zu einer bedeutenden Reduktion der Stromerzeugung führte (Habersack et al., 2006). Auf gesetzlicher Ebene wurden durch das Inkrafttreten relevanter europäischer Richtlinien und deren Umsetzung auf nationaler Ebene Rahmenbedingungen geschaffen, die zukünftige Maßnahmen in den Bereichen Energie-, Umwelt- und Klimapolitik entscheidend beeinflussen. Gemäß der Erneuerbare-Energien-Richtlinie EE-RL (2009/28/EC) soll bis 2020 der EU-Anteil erneuerbarer Energien am Bruttoendenergieverbrauch auf 20% steigen. Österreich ist entsprechend dem im Dezember 2008 verabschiedeten Klima- und Energiepaket der EU dazu verpflichtet, den Anteil erneuerbarer Energieträger bis 2020 auf 34% zu erhöhen. Im aktuellen Regierungsprogramm der österreichischen Bundesregierung ist das Ziel verankert, das Wasserkraftpotenzial künftig noch stärker nutzbar zu machen (Republik Österreich, 2008). Die Energiestrategie Österreich (2010) sieht durch gegebene energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen und Anreize im Ökostromgesetz eine Ausbaugröße der Klein-, Mittel- und Großwasserkraftwerke von 12,6 Petajoule (PJ) oder 3,5 Terrawattstunden (TWh) vor. 0,7 TWh können davon durch Effizienzsteigerungen und Revitalisierungen bestehender Standorte nach modernen Standards erreicht werden. Somit wird eine realistische Ausbaugröße mit mindestens 2,8 TWh angenommen (BMWFJ und BMLFUW, 2010). Durch Verankerung des öffentlichen Interesses zukünftiger UVP-pflichtiger Energieprojekte in der aktuellen Novelle des Elektrizitätswirtschafts- und Organisationsgesetzes ElWOG (2010) wurden zusätzliche Weichenstellungen für große Kraftwerksprojekte geschaffen. Fast gleichzeitig mit der Energiestrategie Österreich (2010) wurde der Nationale Gewässerbewirtschaftungsplan NGP (2009) im Rahmen der Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie EU-WRRL (2000/60/EC) veröffentlicht. Erstmalig liegt eine umfassende Beurteilung des ökologischen Zustands der Fließgewässer Österreichs (> 10 km² Einzugsgebiet) vor (BMLFUW, 2010a). Hierbei entsprechen 37% der Fließgewässer laut NGP dem Umweltziel sehr guter und guter Zustand bzw. gutes Potenzial. Die restlichen 63% weisen einen schlechteren ökologischen Zustand auf, was zu 94% auf die belastungsspezifischen Ergebnisse der Qualitätskomponenten Fische und Makrozoobenthos zurückzuführen ist (BMLFUW, 2010a). Insbesondere der starke Ausbaugrad der Wasserkraft wird als wesentliche Ursache für den unbefriedigenden ökologischen Zustand österreichischer Fließgewässer angesehen (Jungwirth et al., 2003). Ein weiterer Ausbau könnte bekannte ökologische und flussmorphologische Auswirkungen, wie z.b. eine Beeinträchtigung der Gewässerstrukturen und der Habitatqualität BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz 7

8 oder einen negativen Einfluss auf die Feststoffdurchgängigkeit haben. Dies steht im Widerspruch zu den Vorgaben der EU-WRRL (Verschlechterungsverbot bzw. Verbesserungsgebot). Die zwei gesellschaftspolitischen Interessen, Klimaschutz und Gewässerschutz, geben Anlass zur grundlegenden Auseinandersetzung und Analyse der gegebenen Wechselwirkungen zwischen den Bereichen Klimawandel, Energiewasserwirtschaft, Ökologie (inkl. Feststoffhaushalt / Flussmorphologie) und Sozioökonomie. Eine Anpassungsstrategie an den Klimawandel sowie die Umsetzung der Energiestrategie Österreich ohne Berücksichtigung der gegenseitigen Beeinflussungen könnte zu schwerwiegenden Konflikten führen. Während derzeit einzelne sektorale Grundlagen vorliegen (z.b. energiewirtschaftliche und/oder ökonomische Studien; Stigler et al., 2005; Pöyry, 2008), fehlt eine systematische Darstellung der Wechselwirkungen sowie eine Methodik, diese objektiv und vor allem integrativ zu diskutieren. Weiters existieren keine zusammengefassten und nachvollziehbar gegenübergestellten Grundlagen und Werkzeuge für Entscheidungsträger, um nach Vorliegen der regionalen Klimaänderungsszenarien eine umsetzbare Strategie in den Bereichen Klimawandelanpassung, Energiewasserwirtschaft und Ökologie festzulegen. 8 BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz

9 1.2. Zielsetzung Übergeordnetes Ziel des Projektes DSS_KLIM:EN ist die Schaffung einer Daten- und Diskussionsbasis sowie die Entwicklung eines web-basierten Decision Support Systems (Web- DSS) für die Beurteilung der Wechselwirkungen zwischen Klimawandel, Energiewasserwirtschaft, Ökologie (inkl. Feststoffhaushalt / Flussmorphologie) und Sozioökonomie. Für den Sektor Klimawandel sind folgende Detailziele zu nennen: Analyse der Klimaszenarien für Österreich und deren Unsicherheiten Erarbeitung einer GIS-basierten Datengrundlage zur Analyse der Klimasensitivität der Wasserkraft in Österreich Der Sektor Energiewasserwirtschaft umfasst die Detailziele: Übersicht über den Status Quo der Wasserkraftwerke in Österreich Schaffung einer GIS-gestützten Datenbank der österreichischen Wasserkraftwerke als Bearbeitungs- und Analysegrundlage Analyse und Diskussion theoretischer Wasserkraftausbau-Szenarien Darstellung der Bedeutung bzw. Sensitivität der Wasserkraft in Bezug auf den Klimawandel Detailziele des Sektors Ökologie sind: Darstellung der IST-Situation des ökologischen Zustandes der Fließgewässer in Österreich auf Basis der EU-WRRL unter Berücksichtigung der Wasserkraftnutzung Beurteilung der zukünftigen Entwicklung der österreichischen Fließgewässer hinsichtlich ihres ökologischen Zustandes bei unterschiedlichen Wasserkraftausbau-Szenarien Analyse und Diskussion der ökologischen Auswirkungen verschiedener Wasserkraftwerkstypen (besondere Berücksichtigung des Eingrifftyps Stau ); Entwicklung des Modells Staueinfluss Der Sektor Sozioökonomie (wirtschaftliche Aspekte) umfasst folgendes Detailziel: Ökonomische Bewertung unterschiedlicher Wasserkraftwerkstypen (inkl. Überprüfung der Signifikanz und Sensitivitätsanalyse) BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz 9

10 2. Methodik Die durchgeführten Forschungsarbeiten gliedern sich in drei Ebenen. Im ersten Teil des Projektes wurden im Zuge der sektoralen Analyse (Kapitel 2.1) Grundlagendaten erarbeitet und fachgebietsbezogene Analysen durchgeführt. So wurde beispielsweise im WP Klimawandel eine GIS-basierte Datengrundlage zur Analyse der Klimasensitivität verschiedener Wasserkraftwerkstypen erstellt. Im WP Energiewasserwirtschaft wurde eine Kraftwerksdatenbank der österreichischen Wasserkraftwerke entwickelt, die als Basis für GIS-basierte Kartendarstellungen oder zur Bildung theoretischer Wasserkraftausbau- Szenarien herangezogen wurde. Aufbauend auf der IST-Situation des ökologischen Zustands der österreichischen Fließgewässer wurde im WP Ökologie die ökologische Auswirkung (besondere Berücksichtigung des Eingrifftyps Stau ) verschiedener Wasserkraftwerkstypen analysiert (Entwicklung des Modells Staueinfluss ). Auf sozioökonomischer Ebene wurden verschiedene Kraftwerkstypen hinsichtlich ökonomischer Kriterien untersucht. Der zweite Teil des Projektes umfasste die integrative Bearbeitung (Kapitel 2.2). Wie in Abb. 1 veranschaulicht, wurden zunächst Kriterien der Sektoren Klimawandel, Energiewasserwirtschaft, Ökologie, Feststoffhaushalt / Flussmorphologie und Sozioökonomie definiert. Darauf aufbauend wurden sogenannte Kraftwerks-Steckbriefe für jeden Sektor erarbeitet. Zudem wurden Werkzeuge, wie z.b. eine sog. Vernetzungsmatrix zur Analyse der sektoralen Wechselwirkungen und Darstellung der Vernetzungen, entwickelt. Im dritten Projektsteil wurde auf Basis der sektoralen Analyse und der integrativen Bearbeitung ein web-basiertes Decision Support System (Web-DSS) entwickelt (Kapitel 4). Ab Herbst 2011 werden ausgewählte Projektsergebnisse und Online Tools, wie z.b. Wasserkraft Kalkulator oder GIS-Kartendarstellungen online verfügbar sein. Sektorale Analyse Klimawandel Energiewasserwirtschaft Ökologie Sozioökonomie Analyse der Klimaszenarien für Österreich (inkl. Unsicherheiten) Erarbeitung einer GIS-basierten Datengrundlage Erhebung der Wasserkraftwerke in Österreich Entwicklung einer GIS-gestützten Kraftwerksdatenbank Bildung theoretischer Ausbauszenarien als Grundlage für den Wasserkraft Kalkulator Darstellung der IST-Situation des ökologischen Zustands der österreichischen Fließgewässer Analyse und Diskussion ökologischer Auswirkungen verschiedener Wasserkraftwerkstypen (bes. Berücksichtigung des Eingrifftyps Stau ; Entwicklung des Modells Staueinfluss ) Ökonomische Bewertung unterschiedlicher Wasserkraftwerkstypen (inkl. Überprüfung der Signifikanz und Sensitivitätsanalyse) Integrative Bearbeitung Definition von sektoralen Kriterien Erarbeitung von Kraftwerks-Steckbriefen Analyse der Wechselwirkungen Energiewasserwirtschaft Ökologie Feststoffhaushalt / Flussmorphologie Sozioökonomie Vernetzungsmatrix Kausalkettenanalyse GIS Karten Web-basiertes Decision Support System (Web-DSS) Kraftwerkstypen & Steckbriefe Sektorale Wechselwirkungen Online Tools (Wasserkraft Kalkulator, GIS) Abb. 1: Ablaufschema der schrittweisen Vorgehensweise zur Entwicklung des web-basierten Decision Support Systems. 10 BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz

11 2.1. Sektorale Analysen Klimawandel Allgemeines zu Klimaszenarien für Österreich und deren Unsicherheiten Klimamodelle simulieren mit mathematischen Gleichungen das Klimasystem der Erde auf Grundlage von physikalischen Gesetzen und können daher auch zur Berechnung von Veränderungen eingesetzt werden. Sie stellen die Komponenten des Klimasystems und ihre komplexen Wechselwirkungen vereinfacht dar und sind damit kein exaktes Abbild der Realität. Abhängig von den eingesetzten Näherungen können sich die Ergebnisse der einzelnen Modelle unterscheiden. Die Erde wird mit einem fiktiven dreidimensionalen Gitternetz überzogen und für die Gitterpunkte werden die meteorologischen Größen wie Temperatur, Feuchte, Wind und die Meeresströmungen berechnet. Die Maschenweite wird durch die Rechenleistung der Computer limitiert. Je enger die Punkte zusammen liegen, desto größer ist die räumliche Auflösung, aber auch die benötigte Rechenleistung. Die räumliche Auflösung gekoppelter Klimamodelle liegt derzeit bei einigen hundert Kilometern. Um verschiedene zukünftige Entwicklungen erfassen zu können, müssen Annahmen über die zukünftige Entwicklung der Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre gemacht werden. Hierzu werden unterschiedliche Emissionsszenarien von anthropogenen Treibhausgasen entwickelt, welche auf verschiedenen Annahmen zur Entwicklung der Weltbevölkerung, der technischen Entwicklung, aber auch der Bereitschaft für ökologisches Handeln beruhen. Im letzten IPCC-Bericht (IPCC, 2007) wurden speziell drei Szenarien B1, A1B und A2 untersucht. B1 ist hierbei ein optimistisches Szenario, in dem es gelingt, bis Ende des Jahrhunderts die CO 2 -Konzentration auf 550 ppm zu stabilisieren. A1B ist ein realistisches Szenario mit einem weiteren Anstieg der Emissionen bis zur Mitte des Jahrhunderts, aber einer deutlichen Reduktion durch technischen Fortschritt in der zweiten Jahrhunderthälfte. A2 kann als weitermachen wie bisher interpretiert werden, wobei es der Menschheit auch nicht gelingt, das Bevölkerungswachstum in den Griff zu bekommen. Basierend auf diesen Szenarien für die Treibhausgaskonzentrationen können Globale Klimamodelle (GCMs) Projektionen für die Zukunft berechnen. In Abb. 2 und Abb. 3 sind die gemittelten Ergebnisse aller im IPCC verwendeten GCMs für Temperatur und Niederschlag zusammengestellt. Bei der Temperatur zeigen alle Modelle klare räumliche Verteilungsmuster. Generell ist die Temperaturzunahme in den Tropen und über den Ozeanen geringer als in den mittleren und höheren Breiten und über den Kontinenten. Auch erwärmt sich die Nordhemisphäre rascher als die Südhemisphäre. Bis etwa 2020 (Abb. 2, A) zeigen sich noch keine Unterschiede zwischen den verschiedenen Emissionsszenarien. Dieser Temperaturanstieg ist also unabhängig von unserem Verhalten und kann daher nicht mehr verhindert werden. Er beträgt global etwa ein Grad. Bis zum Ende des Jahrhunderts zeigen sich jedoch gravierende Unterschiede zwischen den Emissionsszenarien von mehr als einem Grad in Mitteleuropa. Aussagen über die Niederschlagsentwicklung im 21. Jahrhundert sind wesentlich unsicherer als jene zur Temperatur. Dies liegt daran, dass für die Niederschlagsproduktion verschiedene Prozesse in Frage kommen, wie etwa kleinräumige Wärmegewitter oder großräumige frontale Niederschläge. Da der Großteil der für die Niederschlagsproduktion relevanten Prozesse unter der Auflösung der GCMs liegt, müssen diese parametrisiert werden. So spielen sich Vorgänge bei der Wolkentröpfchenbildung auf der Skala von einigen Mikrometern ab und die turbulenten Vorgänge in einer Gewitterwolke haben eine Größenordnung von einigen hundert Metern. Da diese Parametrisierungen in den verschiedenen GCMs unterschiedlich sein können, zeigen sich BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz 11

12 beim Niederschlag auch deutlich größere Unterschiede zwischen den GCMs. Dennoch ergeben sich in Europa zwei Regionen mit signifikanten Niederschlagsänderungen (gepunktete Gebiete in Abb. 3). Im Mittelmeerraum und der Iberischen Halbinsel zeigt sich eine markante Niederschlagsabnahme in allen Jahreszeiten. In Skandinavien und Nordrussland hingegen sieht man eine Zunahme des Niederschlags. Für den Alpenraum ergibt sich bei den GCMs keine signifikante Änderung, jedoch dürfte der Alpenraum im Winter eher eine Niederschlagszunahme erfahren und im Sommer eine Abnahme. Durch die Lage der Alpen zwischen diesen beiden Polen der Niederschlagsentwicklung in Europa, scheint eine Zunahme der interannualen Variabilität wie es einige Studien zeigen (z.b. Seneviratne et al. 2006) durchaus plausibel. In Jahren mit stärkerem Mittelmeereinfluss kommt es zu trockeneren und im Sommer heißeren Verhältnissen als bisher gewohnt; in Jahren mit stärkerem Einfluss aus Skandinavien hingegen kann es im Sommer sogar feuchter sein als derzeit, jedoch ebenfalls warm. A B C Abb. 2: Entwicklung der Jahresmitteltemperatur im 21. Jahrhundert für drei verschiedene Emissionsszenarien. Mittel über alle Modelle (IPCC, 2007). Darstellungen von Ensemblemitteln unterdrücken die Unterschiede, welche bei den einzelnen Modellen auftreten. Speziell beim Niederschlag auf regionaler Skala können diese Unterschiede, sowohl aufgrund von Modellfehlern, als auch durch Unsicherheiten bei Trends sehr groß sein. Um dies zu verdeutlichen, sind in Abb. 4 die Einzelergebnisse aller im IPCC-Bericht (2007) verwendeten GCMs für die Alpensüdseite dargestellt. Erst bei Mittelung aller Ensembleergebnisse eines Emissionsszenarios zeigen sich klare Trends beim Niederschlag in den einzelnen Jahreszeiten. Dass für den Alpenraum jedoch bei fast allen Studien sehr ähnliche Niederschlagsszenarien, mit einer Niederschlagsreduktion im Sommerhalbjahr, einer Niederschlagszunahme im Winter und Frühling und einem Gleichbleiben der Jahresniederschlagssumme verwendet werden, liegt daran, dass die drei aktuellen europäischen GCMs beim Niederschlag sehr ähnliche Ergebnisse liefern. 12 BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz

13 Abb. 3: Entwicklung des Niederschlags nach den A1B Szenarien für die letzten 20 Jahre des 21. Jahrhunderts. Links: Winter (DJF), Rechts: Sommer (JJA). Die gepunkteten Bereiche kennzeichnen signifikante Änderungen. Mittel über alle Modelle (IPCC, 2007). Abb. 4: Niederschlagsergebnisse aller globalen Modelle des IPCC-Berichtes (2007) für Norditalien (inkl. Alpenraum). Dargestellt sind die saisonalen Abweichungen in Prozent aller Einzelmodelle und Szenarien und gemittelt über das jeweilige Emissionsszenario. BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz 13

14 Die für den Alpenraum typische kleinräumige Differenzierung durch das Gebirge kann von den globalen Modellen wegen ihrer geringen räumlichen Auflösung nicht richtig wiedergegeben werden. Um lokale bis regionale Aussagen ableiten zu können, müssen Regionalisierungsansätze nachgeschaltet werden. Dies kann mittels statistischer Verfahren erfolgen, oder durch die Verwendung Regionaler Klimamodelle (RCM). Derzeitige RCMs rechnen mit einer räumlichen Auflösung von 10 km und bilden damit den Alpenhauptkamm und ansatzweise die großen alpinen Täler bereits ab. Daher ist speziell die Niederschlagsverteilung in und um den Alpenraum bei Verwendung von RCMs deutlich besser als in den GCMs. Auch die niederschlagsproduzierenden Einflüsse der Gebirge werden teilweise bereits aufgelöst, wodurch die Ergebnisse der RCMs vertrauenswürdiger sind als jene der GCMs. Dennoch muss darauf hingewiesen werden, dass die RCMs Mängel der GCMs (z.b. zu hoher Feuchtetransport vom Atlantik zum Alpenraum) nicht korrigieren können. Ergebnisse derartiger RCMs für den Niederschlag, jedoch noch mit 50 km Auflösung, sind in Abb. 5 zusammengestellt. Für den Winter (Abb. 5, A) zeigen alle Modelle in Mitteleuropa eine Zunahme des Niederschlags, der Niederschlagshäufigkeit und auch der mittleren Niederschlagsintensität. Bei den Starkniederschlägen zeigt sich jedoch kein einheitliches Bild. Im Sommer (Abb. 5, B) zeigen alle Modelle eine deutliche Abnahme des Niederschlags und der Niederschlagshäufigkeit, bei der Niederschlagsintensität und den Indikatoren für Starkniederschläge hingegen tendenziell eine Zunahme. A B Abb. 5: Niederschlagsergebnisse der regionalen Klimamodelle des Projektes PRUDENCE für die letzten 30 Jahre des 21. Jahrhunderts für Mitteleuropa. Dargestellt ist das Verhältnis zwischen Szenario- und Kontrollläufen für die Niederschlagshäufigkeit (fre), den Mittelwert (mea), die mittlere Niederschlagsintensität, 90% Perzentile (q90), 5-tägige Niederschlagssumme mit 5-jährlicher Wiederkehrwahrscheinlichkeit und 5-tägige Niederschlagssumme mit 50-jährlicher Wiederkehrwahrscheinlichkeit (IPCC, 2007). Alle bisher besprochenen Klimaszenarien, einschließlich der Unsicherheiten, gehen von einer kontinuierlichen Entwicklung in den Komponenten des Klimasystems im 21. Jahrhundert aus. Die Szenarien des IPCC-Berichts (2007) ergeben eine Bandbreite der Erwärmung von 1,1 bis 6,4 Grad bis zum Ende des Jahrhunderts ohne jedoch externe Rückkopplungsprozesse zu berücksichtigen. Dennoch sind einige Rückkopplungsprozesse bekannt, welche die Erwärmung stark beschleunigen oder aber den Klimawandel stark modifizieren könnten. Ein Forschungsteam (Lenton et al., 2008) hat eine Zusammenstellung all dieser potenziellen Rückkopplungsprozesse zusammengestellt. Zu diesen zählen Vorgänge wie der Zusammenbruch des Golfstromes oder die potenzielle Umwandlung des Amazonasurwaldes in Steppe aufgrund der Niederschlagsreduktion in diesem Gebiet. 14 BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz

15 Allen diesen Prozessen ist gemeinsam, dass sie möglich sind, wir aber nicht wissen, ab wann diese in Gang gesetzt werden. Für das Vorkommen mancher dieser Prozesse in der Vergangenheit gibt es wissenschaftliche Evidenz. Die Wahrscheinlichkeit, dass sie gestartet werden, steigt aber, je stärker die globale Erwärmung ausfällt. Dies ist mit ein Grund, warum die Wissenschaft dringend empfiehlt, durch gesellschaftliche Maßnahmen, eine Zunahme der globalen Mitteltemperatur um nicht mehr als 2 Grad über das Niveau vor der Industriellen Revolution zuzulassen Erarbeitung einer GIS-basierten Datengrundlage In diesem Projekt werden die RCM Ergebnisse des Modells REMO-UBA (Jacob et al., 2008) verwendet. Bei diesem RCM wird nur die Region Deutschland, Schweiz, Österreich gerechnet, wodurch eine räumliche Auflösung von 10 km erreicht werden konnte. In Abb. 6 und Abb. 7 sind die gemittelten Ergebnisse von REMO-UBA für das ganze 21. Jahrhundert und den drei Emissionsszenarien B1, A1B und A2 gemittelt über Österreich dargestellt. Bei der Temperatur zeigen alle drei Szenarien einen Anstieg, wobei das A1B und das A2 Szenario sehr ähnlich sind und bis zum Ende des Jahrhunderts einen Temperaturanstieg von mehr als 3 Grad ergeben, beim B1 Szenario beträgt der Anstieg hingegen nur knapp 2 Grad. Bei der Jahresniederschlagssumme zeigen alle drei Szenarien keinen Trend, die Modelle zeigen jedoch Schwankungen auf dekadischer Zeitskala von einigen Prozent. Jahresmitteltemperaturentwicklung in Österreich nach REMO-UBA (relativ zu ; geglättet 30 Jahre; 3 Szenarien) Abb. 6: Entwicklung der Jahresmitteltemperatur in Österreich (relativ zu ) nach drei verschiedenen Emissionsszenarien des RCM REMO-UBA bis Ende BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz 15

16 Jahresniederschlagsentwicklung in Österreich nach REMO-UBA (relativ zu ; geglättet 30 Jahre; 3 Szenarien) Abb. 7: Entwicklung der Jahresniederschlagssumme (relativ zu ) in Österreich nach drei verschiedenen Emissionsszenarien des RCM REMO-UBA bis Ende Abb. 8: Änderung der Jahresmitteltemperatur in Österreich (relativ zu ) nach dem A1B Szenario des RCM REMO-UBA für die Periode BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz

17 Abb. 9: Änderung der Jahresniederschlagssumme in Österreich (relativ zu ) nach dem A1B Szenario des RCM REMO-UBA für die Periode Für die Aufbereitung der Klimaszenarien mittels GIS wurden jeweils die Ergebnisse des A1B Laufes von REMO-UBA verwendet. Hintergrund dafür ist, dass das B1 Szenario immer geringere Klimaänderungssignale aufweist wie A1B und das A2 Szenario zumindest im 21. Jahrhundert sehr ähnliche Klimaänderungssignale liefert. Zudem handelt es sich beim A1B Szenario um ein realistisches Szenario, dass von einem starken Emissionsanstieg bis zur Mitte des 21. Jahrhundert ausgeht und danach eine deutliche Abnahme der Emissionen. Folgende Klimaänderungssignale wurden für ganz Österreich zusammengestellt: Perioden , , ; jeweils minus Saisonen Sommer (JJA), Winter (DJF) und Jahr Parameter Temperatur und Niederschlag Trockenperioden (April-September) Bei der Temperatur und dem Niederschlag wurden jeweils die saisonalen bzw. jährlichen Mittelwerte bzw. Summen verglichen. Bei den Trockenperioden wurde einerseits die Änderung der mittleren Länge der Trockenperioden bestimmt, andererseits wurde die Anzahl der Tage in Trockenperioden die mindestens eine Woche lang sind, untersucht. In beiden Fällen wurde jeweils die relative Änderung dargestellt. Als trockene Tage werden Tage verwendet, wo der Tagesniederschlag unter 1 mm liegt. Die Berechnung der österreichischen Gletscherflächen beruht auf der Arbeit von Zemp (2006), welche die klimatische Akkumulationsfläche ( ) in Relation zu der erwarteten Temperaturänderung setzt. Wir unterstellen, dass die Änderung der Akkumulationsfläche unter Gleichgewichtsbedingungen direkt proportional der Änderung der Gesamtgletscherfläche ist. Als Ausgangsfläche wird die Gesamtfläche der österreichischen Gletscher im Jahr 2000 gewählt, wie sie im Hydrologischen Atlas Österreich (Kuhn und Lambrecht, 2007) verwendet werden. Für die Gletscherflächen ergeben sich folgende Gleichgewichtsflächen je Temperaturanstieg (Tab. 1): BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz 17

18 Tab. 1: Gletscherszenario. Szenario Fläche [km²] Basis (2000) T + 1º T + 2º T + 3º 98.8 T + 4º 56.4 Um die Gletscherflächen räumlich explizit zu reduzieren, wurde ein digitales Höhenmodell mit 50 m Auflösung verwendet. Aus den Gletscherumrissen des Jahres 2000 wurde die Flächenhöhenverteilung errechnet (in 50 m Stufen). Mittels der akkumulierten Flächenhöhenverteilung wurde die Höhe bestimmt, bis wohin die Gletscherumrisse abgetrennt werden. Die restliche Fläche wurde mittels der Funktion Buffer vom Rand der Umrisse entfernt. Mit dieser Vorgehensweise kann eine Flächen/Höhenverteilung des Rückgangs der Gletscherfläche erreicht werden, die annähernd der Beobachtung (Abermann et al., 2009) entspricht. Zur Erstellung der neuen Umrisse wurde das Programm ArcGIS verwendet. Hier die Zusammenstellung der verwendeten Höhenstufen und Bufferweiten: Umrisse T+1 (~ 2025): 25 m Buffer Umrisse höher als m Glätten mit 10 m Umrisse T+2 (~ 2050): 25 m Buffer Umrisse höher als m 10 m Buffer Glätten mit 10 m Umrisse T+3 (~ 2075): 25 m Buffer Umrisse höher als m 10 m Buffer Glätten mit 10 m Umrisse T+4 (~ 2100): 25 m Buffer Umrisse höher als m 20 m Buffer Glätten mit 10 m 18 BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz

19 Energiewasserwirtschaft Erhebung der Wasserkraftwerke in Österreich Im Rahmen des WP Energiewasserwirtschaft wurden aktuelle Daten zu Österreichs Wasserkraftwerken erhoben. Von Seiten der E-Control (2010a) wurde aus der Betriebsstatistik und Herkunftsnachweisdatenbank eine kategorische Übersicht der einspeisenden Wasserkraftwerke in Abhängigkeit von Kraftwerkstypen (Lauf-, Speicher- und Pumpspeicherkraftwerke) und Engpassleistungsklassen zur Verfügung gestellt. Die Abfrage der Datenbank erfolgte am 21. Dezember Parallel dazu wurden die österreichischen Wasserkraftwerke durch Eigenrecherche in den öffentlich zugänglichen Wasserbüchern der Länder (ÖWB) erhoben. Ergänzend wurden Informationen der zuständigen Sachbearbeiter vom Wasserbuchdienst eingeholt und in die Datenbasis aufgenommen. Durch Abgleich der Wasserbuchdaten mit aktuellen Kraftwerkslisten der Länder konnten gewisse Unsicherheiten hinsichtlich der tatsächlichen Existenz bzw. des Betriebs einzelner Kraftwerke möglichst gering gehalten werden. Die Erhebung fand in einem Zeitraum von 10 Monaten, von 18. Juni 2010 bis 29. April 2011 statt. Folgende Informationen wurden gesammelt: Wasserbuch-ID Name des Kraftwerks Betreiber / Eigentümer Verortung Bundesland, Gemeinde, Bezirk, XY-Koordinaten (bei den Ausleitungskraftwerken entsprechen die XY-Koordinaten der Lage des Krafthauses) Gewässer Regelarbeitsvermögen Engpassleistung Größe des Kraftwerks Klein- ( 10 MW Engpassleistung) oder Großwasserkraftwerk (> 10 MW Engpassleistung) Typ Lauf-, Speicher- oder Pumpspeicherkraftwerk Speicher Tages-, Wochen- oder Jahresspeicher Lage des Krafthauses Stau- oder Ausleitungskraftwerk Betriebsweise Lauf- oder Schwellbetrieb Baujahr, Jahr der Inbetriebnahme, Erweiterungen / Sanierungen Jahr(e) von/bis Zusatzinformationen Einspeisung, Eigenbedarfsanlage, Trinkwasserkraftwerk etc. BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz 19

20 Entwicklung einer GIS-gestützten Kraftwerksdatenbank Die erhobenen Wasserkraftwerke wurden in eine Kraftwerksdatenbank aufgenommen. Im Zuge des Datenbankmanagements wurden neue Kraftwerksdaten auf Plausibilität überprüft und ältere Daten (z.b. von bestehenden Großwasserkraftwerken) aktualisiert und neu strukturiert. Alle Kraftwerksdaten sind in Form von Shape-Files verfügbar, wodurch die Möglichkeit besteht, neben einer rein statistischen Auswertung, auch GIS-basierte Analysen durchzuführen. Die Shape-Files der Großwasserkraftwerke basieren auf dem Hydrologischen Atlas Österreich (HAÖ, 2007). Der Datensatz wurde im Jahr 2004 in Kooperation mit Verbund AG erstellt. Die Shape-Files der Kleinwasserkraftwerke wurden im Rahmen des Projektes neu erstellt. Als Digitalisierungsmaßstab wurde 1: festgelegt Bildung theoretischer Ausbauszenarien Zur Berechnung des in der Energiestrategie Österreich verankerten Wasserkraftausbaus wurden theoretische Ausbauszenarien entworfen. Folgende Ausbauszenarien bilden die Grundlage für energiewirtschaftliche Analysen (Wasserkraft Kalkulator; Kapitel ) und sind Eingangsdaten für die ökologische Analyse der Kraftwerksstaue (Modell Staueinfluss ; Kapitel ): Szenario Laufkraftwerke : Ausschließlicher Ausbau der Laufkraftwerke mit einer Engpassleistung > 10 MW zur Erreichung des theoretischen Ausbauziels. Szenario (Pump-) Speicherkraftwerke : Ausschließlicher Ausbau der Speicher- und Pumpspeicherkraftwerke mit einer Engpassleistung > 10 MW zur Erreichung des theoretischen Ausbauziels. Szenario Kleinwasserkraftwerke : Ausschließlicher Ausbau der Kleinwasserkraftwerke mit einer Engpassleistung 10 MW (Lauf-, Speicher- und Pumpspeicherkraftwerke) zur Erreichung des theoretischen Ausbauziels. Szenario Kraftwerksmix : Ausbau auf Basis der aktuellen Kraftwerksverteilung zur Erreichung des theoretischen Ausbauziels. 20 BOKU Wien, IWHW/IHG/MET, JR Graz

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