Betriebsoptimierung eines Verbundspeichersystems unter Einfluss des Klimawandels

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Hedwig Biermann
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- Klima mafolgenforschung orschung in Niedersachsen

1 - Klima mafolgenforschung orschung in Niedersachsen Forschungsthema 6, Teilprojekt 3.3 Hochwassermanagement Betriebsoptimierung eines Verbundspeichersystems unter Einfluss des Klimawandels Martin Gocht, Prof. Dr.-Ing Günter Meon Technische Universität Braunschweig, Leichtweiß-Institut für Wasserbau, Abteilung Hydrologie, Wasserwirtschaft und Gewässerschutz

2 Einführung: Klimafolgenforschung und Talsperrenbetrieb 1 Ist eine Anpassung des Talsperrenbetriebs an den Klimawandel technisch möglich? 1.1 Hydrologische Modellierung in PANTA RHEI mit Beobachtungsdaten 1.2 Hydrologische Modellierung mit Klimamodelldaten 1.3 Anpassung des Hochwasserschutzes an die geänderte Hochwasserbelastung 2 In welchem Ausmaß ist eine solche Anpassung sozioökonomisch wünschenswert? 2.1 Ermittlung des Hochwasserrisikos 2.2 Abschätzung des demografischen Wandels 2.3 Ermittlung und Monetarisierung der Talsperrennutzungen 2.4 Vergleich von Nutzen und Kosten

1 Modellaufbau 1.1.1 Das Talsperrenverbundsystem im Westharz Vier Talsperren am nördlichen und zwei am südwestlichen Harzrand Wasserwerke an drei Talsperren

3 1 Modellaufbau Das Talsperrenverbundsystem im Westharz Vier Talsperren am nördlichen und zwei am südwestlichen Harzrand Wasserwerke an drei Talsperren Energieerzeugung an allen Talsperren Osterode unterhalb der Sösetalsperre Höchste Erhebungen im Untersuchungsgebiet: Brocken: münn Bruchberg: 927 münn

4 1.1.2 Klimabeobachtungsdaten zur Kalibrierung Langjähriges Mittel aus Tageswerten Auflösung 1 km² Brocken: >1 500 mm/a Bruchberg: >1 600 mm/a

1.1.5 Dauerlinien der Talsperreninhalte, 1971 2000 Das Modell gibt die Systemcharakteristik bezüglich der

5 1.1.5 Dauerlinien der Talsperreninhalte, Das Modell gibt die Systemcharakteristik bezüglich der Speicherinhalte sehr gut wieder. Überleitungen beeinträchtigen die Wiedergabe der Granetalsperre im unteren Bereich.

6 1.2 Klimaszenarien Modellierung der Vergangenheit zur Bewertung 5 Klimaszenarien 5.1 Modellierung der Vergangenheit zur Bewertung Globales Zirkulationsmodell Regionales Modell Lokales Modell ECHAM5/MPI-OM REMO dynamisch Stundendaten WETTREG statistisch Tagesdaten PANTA RHEI Wasserhaushaltsmodell

7 1.2.2 REMO UBA Niederschlagsverteilung im Vergleich mit Klimabeobachtungsdaten Stundenwerte Auflösung 100 km² Brocken: >1 300 mm/a (-200 mm/a) Bruchberg: >1 500 mm/a (-100 mm/a) Höhenlagen: Unterschätzung Harzrand: Gute Wiedergabe

km² Brocken: >1 300 mm/a (-200 mm/a) Bruchberg: >1 500 mm/a

8 1.2.2 REMO BFG Niederschlagsverteilung im Vergleich mit Klimabeobachtungsdaten Stundenwerte Auflösung 100 km² Brocken: >1 300 mm/a (-200 mm/a) Bruchberg: >1 500 mm/a (-100 mm/a) REMO BFG weist höhere Niederschläge auf als REMO UBA

9 1.2.3 Dauerlinien der Talsperreninhalte Zeitreihe : REMO UBA und BFG Innerstetalsperre Granetalsperre Okertalsperre Eckertalsperre Sösetalsperre Odertalsperre Talsperren am Harzrand werden sehr gut wiedergegeben

Nur REMO UBA gibt die Extremwertverteilung der Vergangenheit gut wieder REMO UBA verbleibt als einziger Klimamodelllauf für

10 1.2.4 REMO UBA und BFG: Entwicklung der Hochwassergefährdung Beide REMO-Läufe zeigen einen deutlichen Anstieg des HQ 100 in der Zukunft. Nur REMO UBA gibt die Extremwertverteilung der Vergangenheit gut wieder REMO UBA verbleibt als einziger Klimamodelllauf für die Optimierung Beobachtung REMO UBA REMO BFG HQ 2 [m³/s] 11,10 14,48 12,53 HQ 5 17,60 20,47 15,54 HQ 10 22,60 24,58 17,44 HQ 20 27,90 28,62 19,22 HQ 50 35,40 34,00 21,47 HQ ,60 38,15 23,14 Pegel Riefensbeek, Zulauf Sösetalsperre

11 1.3.1 Optimierung: Anpassung des Betriebs an die zukünftige Hochwasserbelastung

1.3.2 Betriebsplan der Söse (vereinfacht) Jahreszeitlicher Verlauf des Stauziels Inhalt Mio m³ 25 20 15 12,0 m³/s 6,0 m³/s 6,0 m³/s 3,0 m³/s Stauziel 0,75 m³/s

12 1.3.2 Betriebsplan der Söse (vereinfacht) Jahreszeitlicher Verlauf des Stauziels Inhalt Mio m³ ,0 m³/s 6,0 m³/s 6,0 m³/s 3,0 m³/s Stauziel 0,75 m³/s Vollstau 326,50 m ü NN Stauhöhe m ü NN 326,09 321,78 316, ,40 m³/s 316,39 5 0,30 m³/s 301,70 0 Nov Dez Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov 278,10

13 1.3.4 Strategie der Optimierung für Söse- Innerste- und Okertalsperre Konstante Gefährdung: Gleiche Spitzenabgabe bei höherer Belastung. Genetischer Algorithmus Variation Evaluation Strategie: Zeitgewinn Vereinfachte Modellierung jeder Talsperre in einem Metamodell. Optimierung mit genetischem Algorithmus im Metamodell Überprüfung des Optimierungsergebnisses im Wasserhaushaltsmodell PANTA RHEI. Metamodell Vereinfachte Modellierung PANTA RHEI Wasserhaushaltssimulation

1.3.5 Evaluierung des Optimierungsergebnisses im Wasserhaushaltsmodell Die Evaluierung in PANTA RHEI führt zu einer Verbesserung des Optimierungsergebnisses.

14 1.3.5 Evaluierung des Optimierungsergebnisses im Wasserhaushaltsmodell Die Evaluierung in PANTA RHEI führt zu einer Verbesserung des Optimierungsergebnisses. Die erforderliche Erhöhung ist abhängig von Ausbaugrad und gegenwärtigem Betriebsplan. Erhöhung der Abgabe in den Wintermonaten Speicher Inhalt [mio m³] Zufluss [mio m³/a] Ausbaugrad Innerste 20,00 60,00 0,33 Oker 47,37 75,00 0,63 Söse 25,50 39,00 0,65 Extremwertverteilung der Talsperrenabgaben (Söse) Obwohl die Optimierung nur auf die Spitzenabgabe erfolgte, gilt sie für die gesamte Extremwertverteilung der Abgaben.

2.2 Hochwasserrisiko Osterode am Harz Wohngebäude Betriebe Risiko Gefährdung Vulnerabilität Exposition Erwerbstätige je Betrieb (Et): Recherche vor Ort und im

15 2.2 Hochwasserrisiko Osterode am Harz Wohngebäude Betriebe Risiko Gefährdung Vulnerabilität Exposition Erwerbstätige je Betrieb (Et): Recherche vor Ort und im Internet Kennzahlen je Et: Empfindlichkeit: MEDIS Schadenfunktionen Anlagevermögen je ET: Wertschöpfung je ET: Aus Daten der Volkwirtschaftlichen Gesamtrechnung

Demografischer Wandel Eigene Fortschreibung auf Grundlage von Destatis und International

16 Binnengewässer KLIFWA 1 Demografischer Wandel Niedersachsen 2.1. Demografischer Wandel Eigene Fortschreibung auf Grundlage von Destatis und International Institute for Applied System Analysis. Bevölkerungsszenario A2 A1B Fertilität (Kinder pro Frau) Migrationsüberschuss (Personen/a) Lebenserwartung (Jahre) Rückgang in der fernen Zukunft 27% 44% Bevölkerungsentwicklung bis 2030

Wertschöpfungsverluste in Höhe von 51 000 /a.

17 2.4.1 Vergleich von Nutzen und Kosten am Beispiel der Sösetalsperre Integration von hydrologischer Modellierung und ökonomischer Analyse Bevölkerung Kosten [ /a] Nutzen [ /a] NKR Heutige ,2 A ,1 A1B ,3 Die Anpassung des Hochwasserschutzes erzeugt Wertschöpfungsverluste in Höhe von /a. Die Anpassung des Hochwasserschutzes führt zu einem verminderten Hochwasserrisiko von bis /a in Abhängigkeit von der Bevölkerungsprognose. Die Nutzen-Kosten-Relation der Anpassungsmaßnahme liegt je nach Bevölkerungsprognose zwischen 3,1 und 2,3.

18 Binnengewässer KLIFWA Zusammenfassung 1 Die Anpassung des Talsperrenbetriebs an die geänderte Hochwasserbelasung ist technisch mit dem existierenden System machbar. 2 Das Ausmaß der Anpassung sollte eher in Abhängigkeit des Hochwasserrisikos als in Abhängigkeit der Gerfährdung gewählt werden. Die vorgestellte Methodik kann die beteiligten Gruppen bei einer Betriebsanpassung für die Zukunft unterstützen.

19 - Klima mafolgenforschung orschung in Niedersachsen Forschungsthema 6, Teilprojekt 3.3 Betriebsoptimierung eines Verbundspeichersystems unter Einfluss des Klimawandels Martin Gocht, Prof. Dr.-Ing Günter Meon Technische Universität Braunschweig, Leichtweiß-Institut für Wasserbau, Abteilung Hydrologie, Wasserwirtschaft und Gewässerschutz

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