Mögliche Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt und die Wasserkraftnutzung in Österreich

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1 P. Stanzel, H. P. Nachtnebel Mögliche Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt und die Wasserkraftnutzung in Österreich Zusammenfassung: In diesem Beitrag werden die Auswirkungen möglicher Klima änderungen auf den Wasserhaushalt und die Wasserkraftnutzung in Österreich analysiert. Als Grundlage für die das gesamte Bundesgebiet abdeckende Untersuchung dienten Klimaszenarien aus dem regionalen Klimamodell REMO-UBA. Dieses Modell weist mit 10 x 10 km die höchste verfügbare räumliche Auflösung für Österreich auf. Die drei verwendeten Szenarien A1B, A2 und B1 beschreiben unterschiedliche Entwicklungen der globalen Treibhausgasemissionen. Für jedes Emissionsszenario liegen Simulationen der Variablen Niederschlag und Temperatur für das gesamte 21. Jahrhundert vor. Für die Kontrollperiode zeigen die Daten des Klimamodells allerdings deutliche Abweichungen zu den Be obachtungen. Aus diesem Grunde mussten die Ergebnisse des Klimamodells mit Hilfe der Beobachtungen korrigiert werden. Die korrigierten Daten dienten als Input für ein hydro logisches Modell, das ganz Öster reich auf einen Raster von 1 x 1 km abbildete und das die wesentlichen Wasserbilanz komponenten, wie Abflüsse, Schnee speicherung, Bodenwasserspeicherung, Verdunstung als Zeitreihen bis zum Ende dieses Jahrhunderts lieferte. Der zeitliche Verlauf sowie die räumliche und saisonale Verteilung klimabedingter Veränderungen in der Abflussbildung wurden analysiert. Aus den Abflussreihen wurden unter Berücksichtigung des derzeitigen Ausbaugrades der Wasserkraft die Veränderungen in der hydroelektrischen Energieerzeugung bis Ende dieses Jahrhunderts berechnet. Die Energieproduktion aus Wasserkraft nimmt demnach je nach Emissionsszenario von 2025 bis 2075 zwischen 6 % und 15 % ab. Die Schwankungsbreite resultiert aus den unterschiedlichen Klimaszenarien, und aus der Klimavariabilität in den Szenarien selbst. Potential climate change impact on Austria s water balance and hydro-power industry Summary: This article analyses the effects of potential climate changes on the water balance and the hydro-power industry in 180 Austria. The study, which covered the entire Austrian territory, was based on climate scenarios from the REMO-UBA regional climate model. Based on a 10 x 10 km grid, the model shows the highest spatial resolution available for Austria. The three scenarios used, A1B, A2 and B1, describe different developments of global greenhouse gas emissions. Each of the three scenarios provides simulations of the variables of precipitation and temperature for the entire 21st century. However, since the data of the climate model differ substantially from the records for the comparative period , it was necessary to correct the results of the climate model with the help of these records. The corrected data served as input for a hydrological model which represented the whole Austrian territory on a grid of 1 x 1 km squares and yielded the main water-balance components such as flows, snow storage, soilwater storage and evaporation as time series extending to the end of this century. The temporal development as well as the spatial and seasonal distribution of climate-induced changes in flow generation were analysed. The flow series were used for computing, based on the degree of hydro power development reached so far, the changes in hydro-electric power generation to be expected by the end of this century. The results suggest that electricity generation from hydro-power stations will decrease by between 6 % and 15 %, depending on the emission scenario used, in the period from 2025 to This range of variation reflects the different climate scenarios and the climate variability within the scenarios themselves. 1. Einleitung und Zielsetzung Die bereits beobachtbare und zunehmende Erwärmung des globalen Klimas gilt mittlerweile als unbestrittene wissenschaftliche Tatsache. Bis zum Jahr 2100 wird je nach Szenario und Klimamodell ein Temperaturanstieg von 1,1 bis 6,4 C im globalen Mittel prognostiziert (IPCC 2007). Die Veränderungen in den atmosphäri schen Klimabedingungen wirken sich auf den Wasserkreislauf und damit auf den Abfluss aus. Diese Auswirkungen sind gerade in alpinen Regionen sehr komplex, da die räumliche Variabilität der klimatischen Prozesse sehr groß ist und die Hydrologie von saisonalen Niederschlagsumlagerungen beeinflusst wird (Böhm et al. 2008). Projektionen verschiedener Modelle stimmen in Bezug auf die zukünftige Temperaturentwicklung weitgehend überein. Für Österreich wird bis 2050 eine mittlere Temperaturerhöhung von 2 bis 2,5 C erwartet (Loibl et al. 2009). Simulationsergebnisse zu regionalen Veränderungen im Niederschlag weisen deutlich höhere Unsicherheiten auf (Gobiet und Truhetz 2008). Zu den möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf Hydrologie, Wasserwirtschaft und Wasserkrafterzeugung in Österreich gibt es bereits eine Vielzahl an Untersuchungen. Analysen von Trends in den Beobachtungen, die auf bereits stattfindenden Klimawandel hindeuten, liegen z. B. von Schädler (1987) und Fürst et al. (2008) vor. Hebenstreit (2000) erstellte meteorologische Eingangsdaten für hydrologische Modellierungen mittels stochastischem Downscaling aus Daten globaler Klimamodelle und untersuchte Auswirkungen auf alpine Einzugsgebiete im oberen Einzugsgebiet der Enns. Nachtnebel et al. (1999) leiteten aus dieser Untersuchung Auswirkungen auf die Wasserkraftnutzung in alpinen Einzugsgebieten ab. Eine ähnliche Vorgangsweise wendeten Nachtnebel und Fuchs (2004) an, um hydrologische Veränderungen in den Einzugs gebieten der Gail und der Traisen zu analysieren. Blöschl et al. (2008) und Holzmann et al. (2010) untersuchten Aus wirkungen auf Hochwasserabflüsse in verschiedenen österreichischen Ein zugs gebieten. Eine zusammenfassende Dar stellung bisheriger Erkenntnisse liegt als Publikation des Lebensministeriums vor (BMLFUW 2008). Aus den angeführten Studien lassen sich bereits einige Aussagen zu möglichen Veränderungen des Wasserhaushalts in Österreich aufgrund des Klimawandels treffen: die Schneeschmelze tritt früher ein, allerdings gedämpft aufgrund geringerer Schneemengen, Niederwasserperioden verschieben sich vom Win

2 ter in den Herbst und Spätsommer, und insgesamt kommt es zu einer saisonalen Verschiebung und Vergleichmäßigung des Abflusses (vgl. Nachtnebel 2008). Während in älteren Arbeiten Daten aus globalen Klimamodellen (GCM) verwendet wurden, kann in den letzten Jahren zunehmend auf Ergebnisse von räumlich immer höher aufgelösten regionalen Klimamodellen (RCM) zugegriffen werden. Ziel der vorliegenden Untersuchung war daher eine Analyse der Folgen des Klimawandels für das gesamte Bundesgebiet Österreichs unter Verwendung von Klimadaten mit einer möglichst hohen räumlichen Auflösung. Dafür wurden Ergebnisse des regionalen Klimamodells REMO-UBA als antreibende Klimadaten für die hydrologische Simulation aufbereitet. Diese Daten stellen zum Zeitpunkt der Bearbeitung die Klimaszenarien mit der besten räumlichen Auflösung 10 x 10 km für das gesamte 21. Jahrhundert dar. Es wurden die Szenarienläufe A1B, A2 und B1 (entsprechend der Nomenklatur des IPCC, 2007) herangezogen. Die Szenarien-Zeitreihen des Niederschlags und der Temperatur in Monatsschritten wurden als Eingangsdaten für ein hydrologisches Modell aller Einzugsgebiete in Österreich herangezogen. Das verwendete Modell wurde für die Simulation des Wasserhaushalts von für den Hydrologischen Atlas Österreichs erstellt und kalibriert (Kling 2006). Für die Anwendung mit Klimaszenarien wurde es teilweise modifiziert und um ein vereinfachtes Gletschermodell erweitert. Als Ergebnis konnten die Änderungen der wesentlichen Wasserbilanzgrößen im 21. Jahrhundert und ihre saisonale und räumliche Verteilung in Österreich ermittelt werden. Aus den simulierten Abflüssen wurde das Flächenpotential für ganz Österreich ermittelt. Die Ergebnisse für das 20. Jahrhundert wurden mit früheren Studien zum Flächenpotential und zur Energieerzeugung aus Wasserkraft in Österreich (Schiller 1982, Schiller und Drexler 1991, Pöyry 2008) verglichen. Über die Veränderungen des Flächenpotentials in den hydrologischen Szenarien konnten schließlich Aussagen zu Klimafolgen für die Wasserkrafterzeugung getroffen werden. 2. Methodik 2.1. Hydrologische Modellierung Für die hydrologische Simulation wurde das halbverteilte, kontinuierliche Konzeptmodell COSERO (Nachtnebel et al. 1993, Eder et al. 2005, u. a.) angewandt. Das Modell berücksichtigt alle wesentlichen Prozesse des Wasserkreislaufes: Schneeschmelze und -akkumulation, Interzeption, Evapotranspiration, Speicherung im Boden und die Aufteilung des Abflusses in zwei Abflusskomponenten (einen rascheren Abflussanteil und einen langsamen Abflussanteil, der dem Basisabfluss entspricht). Die Abfolge dieser Prozesse ergibt für alle Berechnungszonen, in die das modellierte Einzugsgebiet unterteilt wird, den Zonenabfluss für den berechneten Zeitschritt. Gebietsabfluss und Pegelabfluss ergeben sich aus der Addition des zugehörigen Zonenabflusses. In der vorliegenden Studie wurde jenes Modell für das gesamte Staatsgebiet Österreichs angewendet, das für die Erstellung von Karten des Hydrologischen Atlas Österreich (HAÖ) erstellt und kalibriert wurde (Kling 2006). Die räumliche Auflösung, d. h. die Größe der einzelnen Berechnungszonen, beträgt 1 x 1 km, wobei diese zu 188 Einzugsgebieten zusammengefasst wurden. Die Berechnung erfolgte für monatliche Zeitschritte. Die Parameter dieses Modells wurden auf der Basis von Gebietseigenschaften a priori festgelegt. Bei der Kalibrierung der 188 Einzugsgebiete wurden Parameter der Schneeschmelze und der Abflussseparation angepasst (Kling 2006). Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Adaptierung der Methoden bei der Berechnung der Evapotranspiration und der Schneeschmelze notwendig, um als Eingangsdaten nur Niederschlag und Lufttemperatur zu verwenden. Die potentielle Evapotranspiration wurde mit der Methode nach Thornthwaite und Mather (1957) ermittelt. Die Güte der hydrologischen Simulation für die Referenzperiode wurde für Einzugsgebiete, die keine wesentlichen anthropogenen Abflussbeeinflussungen aufweisen und über verlässliche Abflussaufzeichnungen verfügen, ermittelt. Die Simulation der langjährigen Mittelwerte des saisonalen Abflusses wurde über die Korrelation zwischen beobachteten und simulierten Werten beurteilt. Bei der gemeinsamen Beurteilung aller Jahreszeiten konnte ein R2 von 0,983 erzielt werden, d. h. das Modell erklärt mehr als 98 Prozent der geographischen Variabilität des saisonalen Abflusses. Die Beurteilung der Güte der kontinuierlichen monatlichen Simulation mit der Nash-Sutcliffe-Efficiency ergab als Median aller berücksichtigten Einzugsgebiete 0,72, die schlechtesten 25 % der Gebiete wiesen einen Wert kleiner oder gleich 0,6 auf, die besten 25 % einen Wert größer als 0,88. Bei beiden Beurteilungen konnten schlechtere Ergebnisse für Gebiete mit niedrigen Abflüssen, d. h. vor allem in flacheren Regionen Österreichs beobachtet werden, die besten Simulationsgüten wurden in alpinen Gebieten mit hohem Niederschlag und hohem Abfluss erzielt (vgl. auch Kling 2006). Mit dem für die Referenzperiode kalibrierten Modell wurden unter Verwendung der Eingangsdaten aus dem Klimamodell hydrologische Szenarien für in Monatsschritten berechnet. Die Analyse der Ergebnisse erfolgte für drei 30-jährige Perioden um 2025, 2050 und Das ganz Österreich abdeckende Modell berücksichtigt die Komponenten der Wasserbilanz, das Abschmelzen der Gletscher wurde nur für die größten Gletschergruppen berechnet. Dafür wurde ein verein fachtes Gletschermodell mit dem hydrologischen Modell gekoppelt. In den Analysen der Abflüsse dieser Gebiete wurde der Gletscherabfluss mitbe rück sichtigt. In die Kartendarstellungen wurden die Ergebnisse der Gletscher ab fluss simulationen der sehr kleinen Glet scher gebiete nicht mit einbezogen Energieproduktion aus Wasserkraft Aus den simulierten Abflüssen für jedes Rasterelement (1 x 1 km) auf Monatsbasis wurde das jährliche Abflussflächenpotential für 8 Flussgebiete ermittelt, die das ganze Bundesgebiet abdecken (mit der Ausnahme einiger kleinerer Gebiete im Südosten und im Norden Österreichs). Die Einteilung der Flussgebiete erfolgte analog zu jener in früheren Studien zum Wasserkraftpotential in Österreich (Schiller und Drexler 1991, Pöyry 2008). Die Ergebnisse des Flächenpotentials der früheren Untersuchungen wurden mit den hier ermittelten Größen für das 20. Jahrhundert verglichen. Daraus wurde für jedes Flussgebiet das Verhältnis zwischen dem errechneten Flächenpotential und dem Linienpotential bzw. dem ausgebauten Potential abgeleitet. Für die Donau die als Fluss im Wasserbilanzmodell nicht existiert wurde das Verhältnis zwischen dem Flächenpotential aller österreichischen Zubringerflüsse und dem ausgebauten Potential der Donau ermittelt. Aus Zeitreihen der beobachteten Jahresenergieerzeugung aus Wasserkraft (E-Control 2008) wurde ein weiterer Faktor abgeleitet, der das mittlere Verhältnis zwischen ausgebautem Potential und tatsächlicher Energieerzeugung repräsentiert. Unter Beibehaltung dieser Faktoren konnte 181

3 Abb. (6x): Autor Abb. 1: Veränderungen in den Wasserbilanzkomponenten im Mittel für ganz Österreich. aus der zukünftigen Veränderung des Abflussflächenpotentials eine Aussage über Veränderungen in der Energieerzeugung abgeleitet werden. Das über die Wasserbilanzsimulation berechnete Mittel des Flächenpotentials betrug für alle einbezogenen Flussgebiete rund GWh. Dieser Wert ist etwas niedrigerer als die von Schiller und Drexler (1991, in Pöyry 2008) angegebenen GWh. Mögliche Gründe für die Abweichung liegen in unterschiedlichen verwendeten Topographien und einer unterschiedlichen räumlichen Diskretisierung der Berechnung. Außerdem könnte sich die Berechnung von Schiller und Drexler (1991) auch im Widerspruch zu der in Pöyry (2008) publizierten Karte auf das gesamte Bundesgebiet Österreichs beziehen, also inklusive der hier vernachlässigten Einzugsgebiete im Norden und Südosten Österreichs. 3. Daten Für die Kalibrierung und Simulation der Referenzperiode wurden als Eingangsdaten regionalisierte Beobachtungen der Temperatur (aus Kling et al a) und des Niederschlags (nach Skoda und Lorenz 2003, korrigiert entsprechend Kling et al. 2005b) herangezogen. Für die Simulation hydrologischer Szenarien bei Klimaänderung wurden Zeitreihen dieser beiden Variablen aus Ergebnissen des regionalen Klimamodells REMO-UBA ermittelt. REMO-UBA (Jacob et al. 2008) ist ein regionales Klimamodell des Max-Planck-Institutes für Meteorologie in Hamburg. Es weist eine räumliche Auflösung von 10 x 10 km auf, die Randbedingungen des regionalen Modells werden durch das globale Klimamodell ECHAM5 vorgegeben. Aus den Simulationsläufen von REMOUBA wurden die Szenarien A1B, B1 und A2 gewählt. Die Szenarien unterscheiden sich in den Randbedingungen des antreibenden GCM in Bezug auf die wichtigsten klimawirksamen Gase und Aerosole. Diesen Emissionsszenarien liegen wiederum bestimmte Annahmen zur sozio-ökonomischen Entwicklung (so genannte storylines) zugrunde, die vom IPCC erarbeitet wurden (Nakicenovic et al. 2000). Der Vergleich zwischen den jährlichen und saisonalen Mittelwerten für aus den Beobachtungen und aus dem Kontrolllauf des REMO-UBAModells wies auf grundsätzliche Defizite in der regionalen Klimamodellierung hin. Das großräumige Muster der Temperatur- und Niederschlagsverteilung in Österreich wird durch das Klimamodell grundsätzlich gut abgebildet. Im Niederschlag kommt es aber durch räumliche Abweichungen der lokalen Niederschlagsmuster zu deutlichen Differenzen. In weiten Bereichen des Alpenraumes zeigen sich starke Überschätzungen zwischen 500 und 2000 mm im Jahresniederschlag. In einigen Gebieten Westösterreichs entspricht das einer Abweichung von 100 % bis zu 200 %. Im Osten wird der Niederschlag eher unterschätzt. Bei der Analyse lokaler räumlicher Verteilungen der hydrologischen Veränderungen muss daher mitberücksichtigt werden, dass zwar regionale Unterschiede in der Niederschlagsverteilung im REMO-UBA-Modell repräsentiert werden, lokale Muster aber trotz der hohen räumlichen Auflösung von 10x10 km falsch abgebildet werden. Auch bei der Lufttemperatur gibt es deutliche Abweichungen zwischen Klimamodell-Ergebnissen und Beobachtungen. Insgesamt zeigt sich eine Unterschätzung der Temperatur in den alpinen Gebieten und eine Überschätzung in den tieferen Lagen, vor allem im Süden. In weiten Teilen Österreichs liegt die Überschätzung im Mittel zwischen 2 und 3 C. Aufgrund dieser beträchtlichen Unterschiede zwischen dem REMO-UBA-Kon troll lauf und den Beobachtungen konnten die Eingangsdaten nicht direkt aus dem Modell übernommen werden, sondern wurden mithilfe der Beobachtungen korrigiert ( bias correction ). Dabei werden aus den Differenzen zwischen dem langjährigen Monatsmittel des Kontrolllaufs und den Werten des Szenariolaufs Klimaänderungssignale für jedes Monat des 21. Jahrhunderts ermittelt. Die meteorologischen Inputdaten für die Wasserbilanzsimulation werden dann durch Korrektur der Klimaänderungssignale mit den Monatsmittelwerten der Beobachtungen ermittelt. 4. Ergebnisse 4.1. Veränderungen in den Wasserbilanzgrößen Abbildung 1 zeigt die zeitliche Entwicklung der simulierten Wasserbilanzkomponenten Niederschlag, Abfluss und Verdunstung im jeweils 30-jährigen Mittel für

4 ganz Österreich für die Referenzperiode sowie alle betrachteten Szenarien. Der Niederschlag, der durch die Gesamthöhe der Balken angezeigt wird, liegt in den Szenarien fast im gesamten 21. Jahrhundert über jenem der Referenzperiode. Dies ist eine Eigenheit des Klimamodells REMO-UBA in der angewendeten Realisierung. Außerdem werden, vor allem im Szenario A2, relativ starke zyklische Schwankungen im Niederschlag deutlich. Insgesamt zeigt sich innerhalb des 21. Jahrhunderts aber in allen Szenarien eine Tendenz abnehmender Niederschläge. Der Trend zu einem Rückgang des Abflusses im Verlauf des 21. Jahrhunderts ist noch stärker als im Niederschlag (dunkler Teilbalken). Die Abnahme zwischen 2025 und 2075 beträgt zwischen 7 % (A2), 9 % (B1) und 16 % (A1B). Dies ist auf den deutlichen Anstieg der Verdunstung zurückzuführen (heller Teilbalken). Für die Analyse der räumlichen Muster der Veränderungen sind in Abbildung 2 die relativen Änderungen im Jahresabfluss im Vergleich zu für die Szenarien A1B (oben) und A2 (unten) dargestellt. Diese Szenarien weisen eine ähnliche Entwicklung der Temperatur auf, unterscheiden sich aber deutlich in Bezug auf den Niederschlag in der betrachteten Periode, der im A2-Szenario wesentlich höher ist als im A1B (siehe auch Abb. 1). Für das A1B-Szenario wurde eine Abnahme des Abflusses für den Großteil des österreichischen Staatsgebiets errechnet. Für große Bereiche im Westen und Süden ergaben sich dabei Abnahmen von %. Die räumliche Verteilung der Änderungen im Abflussverhalten stimmt im A2-Szenario weitgehend mit A1B überein (und auch mit dem nicht dargestellten B1Szenario). Im Westen und Süden Österreichs ist demnach mit einer Abnahme des Abflusses zu rechnen, im Norden und Nordosten mit einer Zunahme. Im Zentrum sowie im Südosten ergaben die Szenarien im Vergleich mit dem 20. Jahrhundert unterschiedliche Vorzeichen bei geringen relativen Änderungen. Die saisonalen Veränderungen des Abflussgeschehens weisen generell folgende Charakteristik auf: die Abflüsse im Sommerhalbjahr gehen zurück und jene im Winterhalbjahr steigen an. Eine detailliertere räumliche Betrachtung des Szenario A1B für die vier Jahreszeiten (Abb. 3) zeigt, dass im Winter die Abflüsse fast überall ansteigen, in den hochalpinen Gebieten und im Norden um über 30 %, zum Teil um über 50 %. Die einzige deutliche Ausnahme stellte der Südosten dar. Abb. 2: Relative Änderungen des langjährigen mittleren Jahresabflusses der Szenarien A2 (unten) und A1B (oben) gegenüber Für den Sommer wurde für fast ganz Österreich mit der Ausnahme des äußersten Nordosten ein Abflussrückgang errechnet, mit den größten Abnahmen für Westösterreich mit %. Die Herbstmonate zeigen eine sehr ähnliche räumliche Verteilung wie der Sommer, wobei der Abflussrückgang hier geringer ausfällt. Für die Frühlingsmonate wurden Abnahmen des Abflusses im Südosten sowie in einigen Bereichen im Nordstau der Alpen ermittelt, für den Südwesten und Nordosten Abflussanstiege, wobei die Größenordnung der Veränderungen kleiner als in Sommer und Winter ist. Für die saisonalen Änderungen im Abflussverhalten sind nicht nur Niederschlag und Verdunstung bestimmend, sondern in hohem Maß auch Veränderungen bei Schneeakkumulation und Schneeschmelze aufgrund der steigenden Temperatur. Dies zeigt sich besonders in den alpinen Regionen, deren Abflussgeschehen stärker von diesen Prozessen bestimmt wird. Im Jahresgang des Abflusses der in Abbildung 4 analysierten Pegel treten in der Periode generell höhere Winterabflüsse und niedrigere Sommerabflüsse auf. Die Vergleichmäßigung des Jahresganges ist an den stärker alpin geprägten Flüssen (Ill, Salzach und Drau) deutlicher als an den übrigen (wobei der natürliche Abfluss des Kamp, der in einer Region mit höheren prognostizierten Niederschlägen liegt, insgesamt eine Erhöhung aufweist). In den vergletscherten Gebieten Westösterreichs, v. a. im Oberlauf des Inn, der Salzach und der Drau, kann der Abfluss aus der zunehmenden Eisschmelze im Sommer die Abnahme aufgrund geringerer Niederschläge und höherer Ver dunstung reduzieren. Für den Inn bis Oberaudorf beispielsweise liegt der Gletscherabflussanteil im Sommer im Mittel der Periode um 2075 bei 24 % (Szenario A1B). Der prognostizierte Abflussrückgang aufgrund von Veränderungen bei Niederschlag und Verdunstung beträgt im Sommer für diese Periode 42 %, der zusätzliche Beitrag der Eisschmelze führt zu einem insgesamt etwas geringeren Abflussrückgang von 31 %. Zum Ende des 21. Jahrhunderts nimmt der Gletscherabfluss stark ab, da immer kleinere Flächen beitragen. In der Simulation der Gletscherabflüsse liegen jedoch große Unsicherheiten (vgl. 183

5 Abb. 3: Relative Änderungen des langjährigen Abflussmittels gegenüber der Referenzperiode für die 4 Jahreszeiten, Szenario A1B. auch Kuhn 2008): während hier für die Periode zwar abnehmende, aber noch relevante Gletscherbeiträge simuliert wurden, erwarten z. B. Weber et al. (2009) das fast völlige Verschwinden der Gletscher bis Auswirkungen auf die Energieerzeugung aus Wasserkraft Mit den aus der Referenzperiode ermittelten Faktoren (siehe Abschnitt 2.2) wurden aus simulierten Flächenpotentialen Zeitreihen der Energieproduktion von 2002 bis 2090 für alle drei Klimaszenarien berechnet. In der Darstellung der langjährigen Mittelwerte (Abb. 5, links) wird erkennbar, dass diese für die meisten Perioden und Szenarien wie die simulierten Niederschläge (Abb. 1) über den Werten der Referenzperiode liegen. Die Relationen zwischen den Szenarien der Energieerzeugung folgen grundsätzlich jenen des Niederschlags, doch bestehen z. B. in der letzten Periode Unterschiede zwischen A2 und B1, die durch die deutliche höheren Temperaturen im A2-Szenario, die dadurch erhöhte Verdunstung und den reduzierten Abfluss erklärbar sind. 184 Betrachtet man nur die relativen Veränderungen im 21. Jahrhundert zeigt sich in allen drei Szenarien eine deutliche Abnahme der Energieproduktion aus Wasserkraft (Abb. 5, rechts). Der Rückgang zwischen 2025 und 2075 liegt bei rund 15 % im A1B-Szenario, bei rund 6 % bei A2 und rund 8 % bei B1. Besonders interessant ist der Vergleich zwischen A1B und A2, da die Temperaturentwicklung in diesen beiden Szenarien ähnlich ist (Anstieg von etwas über 3 C bis 2100 im Mittel für ganz Österreich), die Verläufe der Niederschlagsmengen aber unterschiedlich. Die Spannweite zwischen diesen Szenarien kann dadurch die Spannweite der Auswirkungen bei unterschiedlichen Entwicklungen in Bezug auf den Niederschlag aufzeigen. Bezüglich der saisonalen Veränderungen zeigt die Produktion im Sommer einen deutlichen Rückgang, während sie im Winter zunimmt, d. h. es kommt zu einer Vergleichmäßigung des Jahresganges (Abb. 6). Die relative Zunahme von 2025 bis 2075 im Winterhalbjahr liegt dabei zwischen fast 18 % (A2) und rund 9 % (B1). Die Abnahme im Sommerhalbjahr schwankt zwischen 24 % (A1B) und 13 % (A2). Zusätzlich zu den bisher dargestellten Größen wird im 21. Jahrhundert in einzel nen Gebieten verstärkt Gletscherschmelze zum Abfluss und damit zur Wasserkraftproduktion beitragen. Die daraus resultierende Erhöhung der Gesamterzeugung in Österreich erreicht ihr Maximum, je nach simuliertem Szenario, zwischen 2050 und 2070 und beträgt zwischen 0,6 % (B1) und 1,1 % (A1B) der Gesamterzeugung ohne Gletscherbeitrag. 5. Diskussion Bei der Simulation der Abflussbildung zeigen sich zwischen den in Zukunft feuchteren Gebieten im Norden und Osten Österreichs und trockeneren Gebieten im Westen und Süden unterschiedliche regionale Trends. Dieses regionale Muster der hydrologischen Veränderung zeigte sich bei allen drei betrachteten Klimaszenarien. Ein vergleichbares Muster konnte auch schon in den Trends der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts festgestellt werden (Fürst et al. 2008). Die meisten Klimamodelle stimmen darin überein, dass die Alpenregion in einem Übergangsbereich zwischen zunehmenden Niederschlägen im Norden und abnehmenden Niederschlägen im Süden liegt (vgl. z. B. Christensen et al. 2007). Im Detail ergeben

6 Abb. 4: Monatsmittel des Abflusses und für die Szenarien A1B, A2 und B1. andere Modelle als REMO-UBA für Österreich allerdings andere Muster des Niederschlages (Gobiet und Truhetz 2008). In zukünftige Studien sollten daher Ergebnisse mehrerer regionaler Modelle miteinbezogen werden. Die verwendeten REMOUBA-Daten stellten zum Zeitpunkt der Bearbeitung die regionalen Klimasimulationen mit der besten räumlichen Auflösung dar. Bei der Anwendung des Wasserbilanzmodells für Szenarien des Klimawandels wurde implizit davon ausgegangen, dass das für das heutige Klima kalibrierte Mo- dell in der Lage ist, auch die Hydrologie eines zukünftigen Klimas abzubilden. Landnutzungsänderungen wurden nicht berücksichtigt. Auch Unsicherheiten in der hydrologischen Modellierung wurden im Rahmen dieser Arbeit nicht untersucht. Hier kann davon ausgegangen werden, dass die Unsicherheiten in den Eingangsgröße, vor allem beim Niederschlag, deutlich größer sind als in der Wasserbilanzsimulation. In einzelnen Einzugsgebieten, vor allem im relativ trockenen Nordosten Österreichs, muss aber aufgrund höherer Abweichun- gen der historischen Simulation von den Beobachtungen von einer durchaus relevanten Simulationsunsicherheit ausgegangen werden, die hier aber aufgrund der Betrachtung des gesamten Bundesgebietes nicht analysiert wurden. Komplexere Berechnungsmethoden der Verdunstung sowie eine detaillierte Berücksichtigung von Gletscherprozessen können zur Verringerung von Unsicherheiten in der hydrologischen Simulation beitragen. Für die hydroelektrische Energieerzeugung im österreichischen Mittel wurden in allen Szenarien deutlich abnehmende Abb. 5: Langjährige Mittelwerte der Stromproduktion aus Wasserkraft (links) und relative Veränderungen innerhalb des 21. Jahrhunderts (rechts). 185

7 gung genauer Höheninformationen entlang der Flussläufe gemacht werden. 6. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen ren und Gebieten als auf generelle Trends auswirken. Bei räumlich stärker differenzierenden Arbeiten zur Auswirkung hydrologischer Veränderungen auf die Stromproduktion aus Wasserkraft sollten detaillierte Untersuchungen der Abflussführung im Gerinne und der resultierenden Linienpotentiale unter Berücksichti- Die zukünftige Entwicklung der hydroelektrischen Stromerzeugung für den bestehenden Kraftwerkspark wird durch Klimaveränderungen bestimmt, die das Abflussgeschehen beeinflussen. Klimaänderungen ergeben sich sowohl durch natürliche Schwankungen wie durch Trends infolge erhöhter Treib hausgaskonzentrationen. Basierend auf verschiedenen Emissionsszenarien werden zukünftige Veränderungen im Klima in globalen und regionalen Klimamodellen simuliert. Die Ergebnisse verschiedener Modelle weichen voneinander ab, woraus Unsicherheiten in der Prognose resultieren. In dieser Arbeit wurde das regionale Klimamodell REMO-UBA verwendet, das vom globalen ECHAM5-Modell ange trieben wird und die höchste räumliche Auflösung für Österreich aufweist (10 x 10 km, Szenarien A1B, A2 und B1). Für die Kontrollperiode zeigen die Klima daten deutliche Abwei- D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA E-Control (2008) Engpassleistung nach Kraftwerkstypen und Jahresreihen. Online verfügbar unter: bestandsstatistik (Zugriff: August 2009) Eder G, Fuchs M, Nachtnebel HP, Loibl W (2005) Semi-distributed modelling of the monthly water balance in an alpine catchment. Hydrological Processes 19, Fürst J, Nachtnebel HP, Kling H, Hörhan T (2008) Trends in Niederschlag und Abfluss. Mitteilungsblatt des Hydrographischen Dienstes in Österreich, 85, 1-43, Wien Gobiet A, Truhetz H (2008) Klimamodelle, Klimaszenarien und ihre Bedeutung für Österreich. 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8 chungen zu den Niederschlags- und Temperaturbe obachtungen. Für die Erstellung der Ein gangsdaten für die hydrologische Sze narien modellierung wurden nur die Klima änderungssignale zwischen Kontroll- und Szenarioläufen herangezogen. Aus dem hydrologischen Modell wurden flächendeckend für ganz Österreich die Wasserbilanzgrößen für und für 3 Zukunftsszenarien bis 2090 ermittelt. Die berechneten Abflussdaten wurden für die Kontrollperiode mit der hydroelektrischen Jahresenergieerzeugung verknüpft. Aus den Abflüssen der Szenariensimulationen konnten dann Schlüsse für zukünftige Veränderungen in der Wasserkrafterzeugung für den bestehenden Kraftwerkspark gezogen werden. Die räumlichen Muster der Veränderungen im Jahresabfluss stimmen bei allen Szenarien weitgehend überein: im Westen und Süden Österreichs ist mit einer Abnahme des Abflusses zu rechnen, im Norden und Nordosten mit einer Zunahme. Bei den saisonalen Ver änderungen zeigt sich ebenfalls eine starke Über einstimmung: die Abflüsse im Sommer halb jahr gehen zurück und jene im Win- terhalbjahr steigen an, wobei diese Ver änderungen in den alpinen Gebieten am stärksten ausgeprägt sind. Für die Energieproduktion aus Wasserkraft ergibt sich daraus eine deutliche Abnahme bis zum Ende dieses Jahrhunderts, die zwischen 6 und 15 % liegt. Frühere Untersuchungen (Nachtnebel et al. 1999; Nachtnebel 2008) basierten auf Analysen der Klimafolgen in einzelnen Flussgebieten und zeigten einen Rückgang in der Jahresenergieerzeugung zwischen 3 und 8 %, bzw. 5 und 10 %. Bezüglich der saisonalen Veränderungen zeigt die Produktion im Sommer einen deutlichen Rückgang, während sie im Winter zunimmt. Die relative Zunahme von 2025 bis 2075 im Winterhalbjahr liegt dabei, je nach Szenario, zwischen fast 18 % und rund 9 %. Die Abnahme im Sommerhalbjahr schwankt zwischen 24 % und 13 %. Generell ist festzustellen, dass beachtliche Unsicherheiten in der Entwicklung des Jahresniederschlages im Alpenraum bestehen, dass die Zunahme der Temperatur aber in den einzelnen Modellen und Szenarien ähnlich beschrieben wird. Über die damit verbundene Beeinflussung der Verdunstung wird aber auch im Falle geringer Zunahmen im Nieder- schlag der Abfluss für die Energieerzeugung nachteilig beeinflusst. serbilanz. In: BMLFUW (Hrsg.), Hydrologischer Atlas Österreichs, 2. Lieferung, Kartentafel 2.3. Wien, Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft Kling H (2006) Spatio-Temporal Modelling of the Water Balance of Austria. Dissertation, Universität für Bodenkultur Wien Kuhn M (2008) Klimawandel und Gletscherschwund. In: BMLFUW (Hrsg.) Auswirkungen des Klimawandels auf die österreichische Wasserwirtschaft. 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DANKSAGUNG Die vorgestellte Arbeit wurde im Rahmen des Projekts KlimAdapt Ableitung von prioritären Maßnahmen zur Anpassung des Energiesystems an den Klimawandel durchgeführt, das vom Klima- und Energiefonds im Rahmen des Programms Energie der Zukunft gefördert wurde (Nr ). Das Projekt wird vom Institut für elektrische Anlagen und Energiewirtschaft, Energy Economics Group, der Technischen Universität Wien koordiniert. Klimadaten wurden vom Institut für Meteorologie der BOKU zur Verfügung gestellt. Thomas Pfaffenwimmer leistete Unterstützung bei der Datenaufbereitung und bei der Darstellung der Ergebnisse. n Korrespondez: Dipl. Ing Philipp Stanzel und o.univ. Prof. Dipl. Ing. Dr. techn. Dr. h. c. Hans Peter Nachtnebel Institut für Wasserwirtschaft Hydrologie und konstruktiven Wasserbau Universität für Bodenkultur Muthgasse Wien philipp.stanzel@boku.ac.at, hans_peter.nachtnebel@boku.ac.at 187