11. Erfurter Wassergespräche zur WRRL am 05. Februar 2013 in Erfurt. Univ. Prof. Dr.-Ing. Stephan Theobald

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1 Universität Kassel Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stephan Theobald Regenerative Energieerzeugung aus Wasserkraft und Durchgängigkeit von Fließgewässern wie sind diese beiden umweltpolitischen Zielgrößen miteinander vereinbar? 11. Erfurter Wassergespräche zur WRRL am 05. Februar 2013 in Erfurt Univ. Prof. Dr.-Ing. Stephan Theobald 1

2 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Anteile der Energieträger an der globalen Stromerzeugung in derzeit genutztes Wasserkraftpotenzial [TWh/a] Handlungsbereiche: - Erzeugung optimieren Quelle: IEA Stromerzeugung [TWh/a] technisch nutzbares Wasserkraftpotenzial [TWh/a] Ökologische Eingriffe minimieren - Energiewirtschaftliche Gesamtsituation berücksichtigen Afrika Asien mit Türkei und Russ. Föderation Europa Nord- und Südamerika Ozeanien Mittelamerika Universität Kassel, Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft, Univ. Prof. Dr.-Ing. Stephan Theobald 2

3 Stromerzeugung in Deutschland 3

4 Regenerative Stromerzeugung in Deutschland Vergleich Stromerzeugung - Installierte Leistung Anteil an Gesamterzeugung: 20,4 % 0,8% * Installierte Leistung [MW] Photovoltaik Biomasse Windenergie Wasserkraft Jahr Auslastung: Biomasse ~ h/a Windenergie ~ h/a Wasserkraft ~ h/a Photovoltaik ~ 820 h/a Quelle: BDW und BEE, BMU, ,2% 5,3% 8,1% 3,0% Erzeugte Strommenge [GWh/a] Quelle: BMU, 2012 Universität Kassel, Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft, Univ. Prof. Dr.-Ing. Stephan Theobald * biogener Anteil des Abfalls, Geothermie 4

5 CO2-Billanz Universität Kassel, Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft, Univ. Prof. Dr.-Ing. Stephan Theobald 5

6 Umweltbelastungen infolge Wasserkraftnutzung Wasserkraft verursacht auch wesentliche Umweltbeeinträchtigungen Oberwasser Unterwasser Änderung Abflussregime Abnahme der Fließgeschwindigkeit Aufstau und Sauerstoffabnahme Fischschädigung und Geräuschemissionen Barrierewirkung Sedimentablagerungen und Kolmation der Gewässersohle Grundwassererhöhung Restwasserproblematik Geschiebedefizit und Tiefenerosion EG-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) / Wasserhaushaltsgesetz (WHG) - Verbesserung der gewässerökologischen Situation 6

7 Umweltbelastungen infolge Wasserkraftnutzung Barrierewirkung Fischschädigung Verändertes Abflussregime und Ausleitungsstrecken Universität Kassel, Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft, Univ. Prof. Dr.-Ing. Stephan Theobald Sedimentablagerungen und Sauerstoffabnahme 7

8 Wasserkraftnutzung Laufwasserkraftwerke - große Spannbreite und Individualität Universität Kassel, Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft, Univ. Prof. Dr.-Ing. Stephan Theobald 8

9 Ansatzpunkte zur Reduktion der Umweltbelastungen Bau von Fischaufstiegsanlagen: Anforderungen - groß- und kleinräumige Auffindbarkeit - Passierbarkeit Planerische Aspekte - zahlreiche technische Möglichkeiten (vgl. Gelbdruck des DWA-M 509) - umfangreiche Erfahrungen aus zahlreichen Umsetzungen der letzten Jahre - große Individualität der örtlichen Situation (keine Planungslösung von der Stange ) - individuelle ökonomische Rahmenbedingungen - Funktionalität - Konzeption und Priorisierung für Fließgewässerabschnitte Universität Kassel, Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft, Univ. Prof. Dr.-Ing. Stephan Theobald 9

10 Ansatzpunkte zur Reduktion der Umweltbelastungen Maßnahmen zum Fischschutz und Fischabstieg: Planerische Aspekte - verschiedene technische Möglichkeiten (vgl. DWA-Themenband aus 2005) - Dimensionierung und Gestaltung des Rechens - Dimensionierung und Anordnung von Bypasssystemen - Einfluss auf den Betrieb von (kleinen) Wasserkraftanlagen (ökonomische und betriebliche Rahmenbedingungen) - große Individualität der örtlichen Situation ( Bauen im Bestand ) - Konzeption und Priorisierung für Fließgewässerabschnitte (!) Universität Kassel, Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft, Univ. Prof. Dr.-Ing. Stephan Theobald 10

11 Ansatzpunkte zur Reduktion der Umweltbelastungen Abgabe von Restwasser: - Leitfäden zur Dimensionierung der Restwasserdotation - Umsetzung - einheitliches Vorgehen für vergleichbare Gewässersituationen - strukturelle Aufwertung der Restwasserstrecken - Nutzung des Restwassers durch RW-Turbine Stauraum- und Geschiebemanagement: - generelle Unsicherheiten bei der Umsetzung - schwierig umzusetzen bei kleinen Wasserkraftanlagen (feste Wehre) - Einfluss auf die Gewässerbiozönose? Universität Kassel, Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft, Univ. Prof. Dr.-Ing. Stephan Theobald Quelle: WRS, Sachbericht 4,

12 Ziele der Fließgewässerentwicklung Gewässerökologische Verbesserungsmaßnahmen - aktuelle gesetzliche Regelungen: EG-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) - seit 2000 in Kraft, in Deutschland Umsetzung in nationales Recht im Jahr Ziel: Erreichen des guten ökologischen Zustandes bis zum Jahr Bewirtschaftungspläne und Maßnahmenprogramme liegen seit Ende 2010 vor - Gewässerökologische Ziele + wirtschaftliche Analyse = kosteneffizienteste Maßnahmenkombination Wasserhaushaltsgesetz (WHG), vom : enthält Regelungen zur - Mindestwasserführung ( 33) - Durchgängigkeit ( 34) - Wasserkraftnutzung und Fischschutz ( 35) WRRL Universität Kassel, Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft, Univ. Prof. Dr.-Ing. Stephan Theobald 12

13 Problemstellung und Lösungsansätze Wasserkraft, eine regenerative Energiequelle Zielkonflikte Umweltbelastungen infolge Wasserkraftnutzung - Offene Fragen zur Umsetzbarkeit von technischen Möglichkeiten o Bewertung der Wirkungsweise und Erfolg von Maßnahmen (insbes. Fischabstieg, Fischschutz, Geschiebedurchgängigkeit; weiterer Forschungsbedarf erforderlich) o Wie verbindlich sind die heute getroffenen Vereinbarungen - Juristische Fragestellungen o gesetzliche Spielräume bei der Umsetzung der WRRL o Eingriff ins Eigentum deckt das WHG eine Anordnung zur Umsetzung? - Schaffung von Vereinbarungen und Möglichkeiten zwischen Betreibern und Behörden o offener Dialog und Transparenz o Wie ist die derzeitige Situation am Standort zu bewerten? o Ökologische Defizite o Finanzielle Leistungsfähigkeit der Wasserkraftanlage o Kostenrahmen der Investitionen o Wie kann oder muss eine Förderung unabhängig vom EEG erfolgen? 13

14 Analyse der Wasserkraftnutzung in Hessen Forschungs- und Entwicklungsvorhaben im Auftrag des HMUELV Schwerpunkte des Vorhabens: (1) hessenweite Analysen: - Dokumentation des Ist-Zustandes (621 Wasserkraftanlagen) - Erstellung von Leistungsplänen - Berechnung der energetischen und ökonomischen Auswirkungen verschiedener Restwasserszenarien - Ermittlung des technischen Wasserkraftpotenzials in Hessen (2) Einzelfallbetrachtung: - Methodenentwicklung zur Variantenanalyse und wirtschaftlichen Bewertung von Verbesserungsmaßnahmen (3) Entwicklung eines Expertensystems für die hessische Wasserwirtschaftsverwaltung 14

15 Analyse der Wasserkraftnutzung in Hessen Bewertung der gewässerökologischen Situation (Ergebnis der hessenweiten Wanderhinderniskartierung ) - Handlungsbedarf in Bezug auf die Aufwärtspassierbarkeit für 521 WKA (ca. 84%) - Handlungsbedarf in Bezug auf den Fischschutz und -abstieg für 396 WKA (ca. 64%) - Restwasserproblematik bei knapp 90% der WKA (555 Ausleitungskraftwerke) 15

16 Analyse der Wasserkraftnutzung in Hessen Restwasserszenarien / Wasserkraftpotenzial (1) Ergebnisse der Restwasserszenarien (bezogen auf alle WKA in Hessen): Istzustand Szenario 1-1/3 MNQ Szenario 2-1/2 MNQ Szenario 3 - keine RW-Abgabe berechnete Jahresarbeit [GWh/a] Veränderung gegenüber Istzustand % -13% 0,7% (2) Abschätzung des zusätzlichen technischen Ausbaupotenzials in Hessen: 1) Potenzial durch Neubau/Reaktivierung an Wehr-Standorten ohne WKA-Nutzung 2) Potenzial durch Erhöhung des Ausbaudurchflusses bei bestehenden WKA-Standorten 3) Potenzial durch Modernisierung bestehender WKA-Standorte -> mittleres technisches Ausbaupotenzial ~ 100 GWh/a 16

17 Vorstellung des Planungswerkzeuges Funktionsumfang Dokumentation von Wasserkraftstandorten Durchführung von energetischen Berechnungen (Istzustand und Szenarien) Berücksichtigung von Verbesserungsmaßnahmen Wirtschaftliche Analyse von Anlagenstandorten Auswerteroutinen Ergebnisausgabe 17

18 Vorstellung des Planungswerkzeuges Die Leistungsplanberechnung als Grundlage für die Szenarien P g Q h f ges Umsetzung in das Planungswerkzeug: P g (Q Q E t 0 RW ) (hf hv ) P(t)dt T A mit: Q Durchfluss [m³/s] Q RW h f h v P E ρ g Restwasserabgabe [m³/s] Fallhöhe [m] hydraulische Verluste [m] Leistung [W] Arbeit [Wh] Dichte [kg/m³] = kg/m³ Erdbeschleunigung [m/s²] = 9,81 m/s² η ges Wirkungsgrad gesamt [-] η T Wirkungsgrad Turbine [-] η A Wirkungsgrad gesamt ohne Turbine [-] Funktion aus Pegeldaten und Turbinenbeaufschlagung Berücksichtigung verschiedener Verfahren zur Ermittlung der Restwasserabgabe Funktion aus Abfluss und Wasserstand abhängig von Anströmung, Rechen, etc. abhängig von Getriebe, Generator, etc. abhängig von Turbinenbeaufschlagung und jeweiligem Turbinentyp 18

19 Vorstellung des Planungswerkzeuges Eingabe & Bearbeitung der technischen Daten Ausbaukenngrößen Fallhöhen-Abfluss- Beziehung Informationen zu den installierten Turbinen - Berücksichtigung verschiedener Turbinentypen und -steuerungen möglich - Berücksichtigung von Fallhöhen-Abfluss-Beziehungen möglich 19

20 Vorstellung des Planungswerkzeuges Zuordnung von hydrologischen Daten hydrologische Kenngrößen Informationen zum Pegel - Zuordnung hinterlegter hydrologischer Daten - Berücksichtigung von beliebigen Dauer- und Ganglinien 20

21 Vorstellung des Planungswerkzeuges Dokumentation der gewässerökologischen Situation Bewertung der Passierbarkeit Details zu Fischaufstieg und Rechen Betriebsgraben und Ausleitungsstrecke - Informationen zur Passierbarkeit sowie zu ggf. vorhandenen Fischauf- und -abstiegsanlagen - Angaben zu ggf. vorhandenen Ausleitungsstrecken und Betriebsgräben 21

22 Vorstellung des Planungswerkzeuges Wirtschaftliche Analyse des Einzelfalls - Anwendungsbeispiel Ist-Zustand Technische Daten: Ausbauzufluss: 6,90 m³/s Ausbaufallhöhe: 3,30 m Ausbauleistung: 156 kw Wasserrecht: Altrecht 22

23 Vorstellung des Planungswerkzeuges Wirtschaftliche Analyse des Einzelfalls - Anwendungsbeispiel Variante 1 Restwasserabgabe: Q Ausleitung = 0,60 m³/s - Fischaufstiegsanlage (Q FWH = 0,20 m³/s) - Modernisierung von Rechen & Bypass 23

24 Vorstellung des Planungswerkzeuges Beispiel Eingabe der Verbesserungsmaßnahmen Kategorien: - Restwasserabgaben - Technische Optimierungen - Stauänderungen - zusätzliche Turbine - etc. - Fischaufstieg - Fischschutz / Fischabstieg - Maßnahmen am Gewässer Leistungspositionen fixe Kosten (inkl. Zins, Dauer) variable Kosten 24

25 Vorstellung des Planungswerkzeuges Beispiel Visualisierung der energetischen Berechnungen Minderung durch Wasserabgaben - Datensammlung und energetische Berechnungen - wirtschaftliche Analyse im Einzelfall 25

26 Vorstellung des Planungswerkzeuges Ansätze zur betriebswirtschaftlichen Analyse Ermittlung der Einnahmen Ermittlung der Ausgaben Finanzmathematische Aufbereitung Barwertmethode Annuitätenmethode Sensitivitätsprüfung Beurteilung / Ergebnis 26

27 Vorstellung des Planungswerkzeuges Beispiel Ergebnisse der wirtschaftlichen Analyse (Relativbetrachtung) Einnahmeänderung jährliche fixe Kosten jährliche variable Kosten Änderung der Ertragssituation 27

28 Zusammenfassung - Datensammlung & Vorhaltung - zentral, schnell, übersichtlich - Kennzahlen zur Gesamtsituation - Anzahl, Leistung, Jahresarbeit - gewässerökologische Situation und Handlungsbedarf - Potenzial- und Szenarienrechungen - wirtschaftliche Analyse im Einzelfall - einheitliches Vorgehen - Hilfestellung bei Genehmigungsverfahren - Grundlage für Finanzierungsüberlegungen Fazit: - umfassende Standortbewertung möglich - Bewertung der energetischen und wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit - Gesamtbetrachtungen auf Gewässer- oder Einzugsgebietsebene - Bezug zu WRRL, WHG und EEG 28

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 29