Klimawandel und Energie

Fachbeiträge Energie in der Wasserwirtschaft 319 Klimawandel und Energie Einfluss der Schnee- und Gletscherschmelze auf die Wasserkraft im Einzugsgebiet der Oberen Donau Franziska Koch, Heike Bach, Monika Prasch, Markus Weber, Ludwig Braun und Wolfram Mauser (München) Zusammenfassung Mögliche Auswirkungen des Klimawandels auf die Wasserkraft im Einzugsgebiet der Oberen Donau zeigen eine Abnahme der Energieerzeugung auf. Im Rahmen des GLOWA-DANUBE-Projekts wurde ein Wasserkraft-Modul entwickelt und mit dem hydrologischen Modell PROMET gekoppelt, um die stündliche Energieerzeugung von Wasserkraftanlagen zu berechnen. Insgesamt nimmt nach dem Szenario REMO regional die Energieerzeugung im Einzugsgebiet der Oberen Donau bis 2060 um 9 bis 15 Prozent ab. Neben der mittleren jährlichen Entwicklung, werden der jahreszeitliche Verlauf und regionale Unterschiede in den Zentralalpen, den Nördlichen Kalkalpen und außeralpinen Regionen anhand von sechs Teilregionen dargestellt. Der Einfluss der Schnee- und Eisspeicher wird dabei eingehend analysiert. Schlagwörter: Wasserbau, Wasserkraft, Hydologie, Klimawandel, Schnee, Gletscher, Schmelze, hydrologisch, Modell, Einzugsgebiet, Donau DOI: 10.3243/kwe2011.06.002 Abstract Climate Change and Energy Impact of Snow and Glacier Melting on Hydro power in the Catchment Area of the Upper Danube River One of the possible impacts of climate change on hydropower in the catchment area of the Upper Danube River is a decrease in electricity generation. Within the framework of the GLOWA- DANUBE Project, a hydropower model was developed and linked with the PROMET hydrological model to calculate the hourly energy generation of hydropower plants. Following the REMO scenario, until 2060 the regional energy production in the catchment area of the Upper Danube River will decrease by 9 to 15 percent. In addition to the mean annual development, the paper also discusses the seasonal trend and regional differences between the Central Alps, the Northern Limestone Alps and non- Alpine regions on the basis of six sub-regions. The impact of snow and ice reservoirs is analyzed in detail. Key words: hydraulic engineering, hydropower, hydrology, climate change, snow, glacier, melting, hydrological, model, catchment area, Danube River 1 Einführung Der Klimawandel macht sich bereits heute schon in vielen Lebensbereichen bemerkbar und wird auch in Zukunft weitere Auswirkungen nach sich ziehen [1]. Insbesondere in den Hochgebirgen wirkt sich die Temperaturerhöhung stark aus, wie zum Beispiel auf das Abschmelzen der Gletscher sowie einer jahreszeitlichen und quantitativen Veränderung des Schneespeichers [2, 3]. Beeinflusst der Klimawandel auch die Energieerzeugung aus Wasserkraft? Die Energieerzeugung der Laufwasserkraftwerke beziehungsweise die Füllung der Reservoire der Speicherkraftwerke ist quantitativ und temporär vom Gerinneabfluss geprägt. Klimawandelbedingte Änderungen des Wasserkreislaufs werden sich somit auch direkt auf den Energiesektor übertragen. Diverse Studien beschreiben einen zukünftigen Rückgang des Abfluss im Alpenraum und weisen auf eine mehr oder minder starke Abnahme der Energieerzeugung aus Wasserkraft hin (zum Beispiel [4-11]). Nach CIPRA [4] wird für den gesamten Alpenraum eine Abnahme der Stromerzeugung aus Wasserkraft von 15 Prozent in den nächsten 40 bis 50 Jahren prognostiziert. Stanzel und Nachtnebel [5] zeigen für den Zeithorizont 2025 bis 2075 eine Abnahme von 6 bis 15 Prozent für Österreich auf. In diesem Beitrag soll die Entwicklung der Energieerzeugung aus Wasserkraft für das Einzugsgebiet der Oberen Donau untersucht werden, wobei folgende Fragestellungen genauer beleuchtet werden: Wie stark ist die Abnahme der Energieerzeugung in naher und ferner Zukunft? Verschiebt sich die Energieerzeugung im Jahresverlauf? Unterscheidet sich die Entwicklung der Energieerzeigung in den Alpen von den außeralpinen Regionen? Und spielen die in den alpinen Regionen bedeutenden Wasserspeicher Gletscher und Schnee eine wichtige Rolle? Dazu wurden im Rahmen des GLOWA-DANUBE-Projektes die Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt für das Klimaszenario REMO regional im Einzugsgebiet der Oberen Donau untersucht. Analysen zur künftigen Entwicklung der Energieerzeugung, simuliert mit einem speziell dafür entwi- www.dwa.de/kw KW Korrespondenz Wasserwirtschaft 2011 (4) Nr. 6

320 Fachbeiträge ckelten Wasserkraft-Modul, werden im Folgenden vorgestellt. Neben der mittleren jährlichen Entwicklung wird der jahreszeitliche Verlauf anhand von sechs Teilregionen des Untersuchungsgebietes dargestellt. 2 Wasserkraft im Einzugsgebiet der Oberen Donau Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten und Ende 2010 abgeschlossenen Projekts GLOWA-DANUBE (www.glowa-danube.de) [12, 13] wurden naturräumliche und sozio-ökonomische Auswirkungen des globalen Wandels auf die Wasserressourcen im Einzugsgebiet der Oberen Donau (Abbildung 1) umfassend untersucht. Im Rahmen eines intensiven Dialogs mit Stakeholdern aus Politik, Verwaltung und Wirtschaft wurden geeignete regionale Handlungsoptionen diskutiert und simuliert. Mit über elf Millionen Einwohnern und einer Fläche von 76 660 Quadratkilometern zählt die Obere Donau zu einem der größten und bedeutendsten Einzugsgebiete Europas. Es wird durch den Pegel Achleiten bei Passau nach dem Zusammenfluss von Donau und Inn definiert und deckt in Deutschland Bereiche der Bundesländer Bayern und Baden-Württemberg sowie Gebiete in Österreich und der Schweiz ab. Das Einzugsgebiet ist topographisch im Süden durch den vergletscherten Alpenhauptkamm sowie die Nördlichen Kalkalpen charakterisiert. Im mittleren Teil schließen sich das Alpenvorland sowie das tertiäre Hügelland und im Norden die Donauniederungen und die Mittelgebirge Schwäbische Alb und Bayerischer Wald an. Der Höhenunterschied reicht vom Piz Bernina mit 4 049 m ü. NN bis zum Gebietsauslass in Achleiten auf 287 m ü. NN. Dadurch ergeben sich Jahresmitteltemperaturen von 4,7 bis 9,0 C sowie mittlere jährliche Niederschlagssummen von 650 mm im nördlichen Bereich bis über 2 000 mm in den Alpen. Während die Evapotranspiraton je nach Landnutzung und Höhenlage zwischen 100 bis 700 mm beträgt, zeigt der Gebietsabfluss mit 150 bis 1 750 mm die größten regionalen Unterschiede [12, 14]. Abb. 1: Geographischer und topographischer Überblick zum Einzugsgebiet der Oberen Donau KW Korrespondenz Wasserwirtschaft 2011 (4) Nr. 6 319-328.indd 320 Energie in der Wasserwirtschaft Die großen Höhenunterschiede von über 3 700 m prägen die klimatologischen und hydrologischen Verhältnisse der Oberen Donau und stellen im Zusammenhang mit einer hohen Wasserverfügbarkeit in den Alpen eine äußerst günstige Voraussetzung für die Nutzung der Wasserkraft dar. Alle Laufwasser- und Speicherkraftwerke mit einer Engpassleistung von mindestens 5 MW, die in diese Analyse einbezogen wurden, sind in Abbildung 2 dargestellt. Dazu zählen 118 Laufwasserkraftwerke mit Regelarbeitsvermögen zwischen 20 und 550 GWh sowie 22 Speicherkraftwerke mit Regelarbeitsvermögen zwischen 25 und 1 000 GWh. Das gesamte Regelarbeitsvermögen aller simulierten Laufwasserkraftwerke beträgt für das Einzugsgebiet der Oberen Donau 13,0 TWh, das der Speicherkraftwerke 5,7 TWh. Dabei wird allein im Teileinzugsgebiet des Inn über die Hälfte der Energie erzeugt. Die Laufwasserkraftwerke liegen an den Flüssen Donau, Inn, Salzach, Isar, Lech und Iller sowie deren größeren Nebenflüssen, Ausleitungsstrecken bzw. Kanälen. Die größten davon mit einem Regelarbeitsvermögen von 250 bis über 500 GWh (orange und rot) wie Töging, Simbach/Braunau, Schärding, Passau/Ingling liegen alle am alpin geprägten und abflussreichsten Donauzufluss Inn. Am mittleren Isarkanal und den mittleren Abschnitten von Inn und Donau produziern einige Kraftwerke bis zu 250 GWh (gelb). An der unteren Donau, der oberen Isar, der Salzach, der Iller und dem Lech sind die meisten Laufwasserkraftwerke in Staustufen angesiedelt und haben ein Regelarbeitsvermögen von bis zu 100 GWh (hell- und dunkelgrün). Der Anteil der Speicherkraftwerke an der gesamten Energieerzeugung aus Wasserkraft ist in den hochalpinen Regionen im Gegensatz zum restlichen Einzugsgebiet sehr hoch, wobei die leistungsstärksten Anlagen mit 250 bis 1000 GWh (orange und rot) direkt in den Zentralalpen liegen. Dazu zählen die Kraftwerke Pradella im Engadin, Prutz am Eingang zum Abb. 2: Einzugsgebiet der Oberen Donau mit Laufwasser- und Speicherkraftwerken, Speicherseen, Angaben zur Eisreserve und der Aufteilung in die fünf Teileinzugsgebiete von Inn, Salzach, Isar, Lech und Iller sowie dem nördlichen Teilbereich entlang der Donau www.dwa.de/kw 26.05.11 09:04

Fachbeiträge Energie in der Wasserwirtschaft 321 Kaunertal, Sellrain/Silz im Kühtai, Mayrhofen im Zillertal und Kaprun in den Hohen Tauern. Die zwei größten bayerischen Anlagen sind Roßhaupten und das Walchenseekraftwerk (vergleiche Abbildung 2). Zur Analyse regionaler Unterschiede wurden die Kraftwerke in die folgenden fünf Teileinzugsgebiete von Inn, Salzach, Isar, Iller und Lech sowie dem nördlichen Teilbereich entlang der Donau untergliedert. Sie lassen sich nach ihrer überwiegenden Prägung in die drei Grundtypen Zentralalpen, Nördliche Kalkalpen sowie dem außeralpinen nördlichen Bereich des Untersuchungsgebiets unterteilen, welche wie im Folgenden beschrieben, charakterisiert sind: Typ 1: Die zentralalpinen Teileinzugsgebiete des Inn und der Salzach entspringen am Alpenhauptkamm in Österreich und der Schweiz und werden im weiteren Verlauf durch die inneralpinen Täler und dem anschließenden Alpenvorland geprägt. Die Schnee- und Eisschmelze spielen sowohl quantitativ als auch im jahreszeitlichen Verlauf der Abflussgenese eine entscheidende Rolle, so dass Typ 1 überwiegend durch ein nivoglaziales Regime mit einer ausgeprägten Abflussspitze in den Frühjahrs- bzw. Sommermonaten gekennzeichnet ist. Nur direkt in den vergletscherten Kopfeinzugsgebieten, wie beispielsweise dem Ötztal, herrscht ein glaziales Regime vor. Die 550 Gletscher des Einzugsgebietes befinden sich nahezu alle am Alpenhauptkamm und decken im Jahr 2000 insgesamt ein Areal von ca. 358 km² ab [15]. Abbildung 2 zeigt die Verteilung der Alpengletscher im Untersuchungsgebiet und stellt jeweils das mittlere Wasseräquivalent der Eisreserven dar. Typ 2: Die Teileinzugsgebiete von Isar, Lech und Iller entspringen in den sehr niederschlagsreichen Nördlichen Kalkalpen, die wie das Alpenvorland durch ein überwiegend nivales bis nivo-pluviales Abflussregime mit einem breiten Abflussmaximum im Frühjahr geprägt sind. Gletscher spielen in diesen Teileinzugsgebieten mit einer Ausdehnung unter 1 km² keine Rolle. Typ 3: Das Teilgebiet der restlichen Donau wird von einem pluvio-nivalen Regime mit Abflussgangspitzen aufgrund der sommerlichen Niederschläge und der Schneeschmelze im Frühling dominiert. Die Überlagerung der Abflussmaxima der südlichen und nördlichen Donauzuflüsse führt zu einem gleichmäßigeren Jahresgang mit einem flacheren Maximum als in den Zuflüssen. 3 Methoden Um die Entwicklung der Energieerzeugung aus Wasserkraft im Einzugsgebiet der Oberen Donau unter vergangenen als auch künftigen Klimabedingungen berechnen zu können, wurde ein Wasserkraft-Modul entwickelt und mit dem hydrologischen Modell PROMET [14] gekoppelt. 3.1 Das hydrologische Modell PROMET Das hydrologische, physikalisch-basierte Modell PROMET (Processes of RadiatiOn, Mass and Energy Transfer) [14] rechnet flächenverteilt und wird zur Laufzeit nicht kalibriert. Im Rahmen des GLOWA-DANUBE-Projektes wurde es mit einer räumlichen Auflösung von 1x1 km und einer zeitlichen Auflösung von einer Stunde betrieben. Alle hydrologisch wirksamen Prozesse an der Landoberfläche werden in PROMET mit verschiedenen Komponenten abgebildet und miteinander gekoppelt. Dazu zählen der Energie- und Massenaustausch an der Erdoberfläche, die Schnee- und Eisdynamik, die Simulation des Pflanzenwachstums, die vertikalen und lateralen Wasserflüsse sowie die Flüsse der ungesättigten und gesättigten Zone. Die Prozesse werden so weit wie möglich den physikalischen Gesetzen folgend beschrieben. Dabei werden Masse und Energie innerhalb der Komponenten und beim Austausch der Flüsse über ihre Schnittstellen konserviert. Des Weiteren werden Gerinneabfluss, Retentionswirkung von Seen sowie die Abbildung aller wichtigen künstlichen Speicherseen und Wasserüberleitungen berücksichtigt. Die Fließgeschwindigkeit und die Änderungen der Wasserspeicher im Gerinne werden pixelweise berechnet nach der Muskingum-Cunge-Methode [16], die nach Todini [17] erweitert wurde. Zur Modellierung der Schmelzwasserabgabe von Schnee und Eis wurde das Modul SURGES in PROMET implementiert [18,15]. Das subskalige Gelände der Gletscher wird dort mit einer Flächen-Höhen- Verteilung innerhalb einer Rasterzelle von 1 km² berücksichtigt. Da die Änderung der Geometrie des Eiskörpers berechnet wird, ist die Voraussetzung der Anwendung für Langzeitsimulationen unter sich ändernden Klimabedingungen gegeben. Die meteorologischen Antriebsdaten können sowohl interpolierte Messungen von Klimastationen als auch Ausgaben eines statistischen Klimagenerators und regionaler Klimamodelle sein. Für detaillierte Beschreibungen der Modellkomponenten und Antriebsdaten wird auf Mauser und Bach [14] verwiesen. 3.2 Wasserkraft-Modul Jedes Wasserkraftwerk (vergleiche Abbildung 2) ist in seiner räumlichen Lage auf einer Rasterzelle im Gerinnenetz der Oberen Donau verortet, so dass der mit PROMET simulierte Abfluss Q für jeden Zeitschritt bekannt ist. Die Fallhöhe H sowie weitere anlagenspezifische Parameter wie Gesamtwirkungsgrad, Engpassleistung, Ausbaudurchfluss, Regelarbeitsvermögen und das Jahr der Inbetriebnahme wurden für jedes Wasserkraftwerk individuell ermittelt, um die Leistung P eines Wasserkraftwerks mit folgender Formel [19] zu berechnen: P = Q g H (W) mit Gesamtwirkungsgrad, Dichte des Wassers [kg/ m³], Q Abfluss [m³/s], g Erdbeschleunigung [m/s²] und H Fallhöhe [m]. Integriert man die erbrachte Leistung über ein Jahr, erhält man die simulierte Jahresarbeit, die die Energieproduktion für das betrachtete Jahr darstellt. Ab einem definierten Minimalabfluss im Gerinne, der Einschränkungen bei Niedrigwassersituationen sowie gesetzlich geregelte Restwasserabgabebestimmungen beinhaltet, wird der Beginn der Energieerzeugung der Laufwasserkraftwerke berechnet. Die Leistung nimmt mit zunehmendem Abfluss bis zum Ausbauabfluss bzw. maximalen Turbinendurchfluss zu, bei dem die größte Leistungsabgabe erreicht wird. Die Laufwasserkraftwerke produzieren bis zu einem festgelegten maximalen Gerinneabfluss Energie, allerdings nimmt die Menge mit dem angenommenen Anstieg des Wasserstandes im Unterwasser und der dadurch reduzierten Fallhöhe ab. Bei extremen Hochwasserereignissen wird im Modell ab einem definierten maximalen Gerinneabfluss die Energieerzeugung eingestellt, um den Schutzmechanismus der Anlagen vor Hochwasserschäden www.dwa.de/kw KW Korrespondenz Wasserwirtschaft 2011 (4) Nr. 6

322 Fachbeiträge Energie in der Wasserwirtschaft zu simulieren. Somit kann das Modul auch Einschränkungen der Energieerzeugung bei Niedrig- und Hochwassersituationen abbilden, auf die es sensibel reagiert. Bei Speicherkraftwerken ist die Funktionsweise des Moduls ähnlich. Zusätzlich wird ein Standardbetriebsplan simuliert, der hinsichtlich Zufluss und Füllvolumenstand des Speichersees die Abflussabgabe steuert. Dieser beruht auf einem mittleren monatlichen Schema, das den Betriebsregeln der Anlagen nachempfunden wurde [20]. Die Steuerung einer Talsperre richtet sich nicht allein nach den technischen Gegebenheiten wie der Füllzeit der Speicherseen und der Bereitstellung des saisonalen Wasserbedarfs, sondern muss auch den eigentlichen Zweck der Anlage berücksichtigen, dient dieser beispielsweise dem Hochwasserschutz oder der Energieerzeugung. So kann zum Beispiel in Monaten mit einem verstärkten Energiebedarf mehr Abfluss abgegeben werden. Bei der Modellierung werden alle wichtigen Überleitungen aus benachbarten Einzugsgebieten der Stauseen abgebildet [14, 21]. Abb. 3: Validierung der berechneten Jahresarbeit der Wasserkraftanlagen für den Zeitraum 2000 bis 2006 3.3 Validierung der Modellergebnisse Die mit PROMET berechneten Abflüsse wurden anhand von Messwerten im Einzugsgebiet auf jährlicher und täglicher Basis für die Zeitspanne 1971 2003 überprüft [14]. Dazu wurden beispielsweise die Pegel Hofkirchen, Dillingen, der Gebietsauslass Achleiten an der Donau sowie weitere Pegel an den Flüssen Inn (Oberaudorf) und Salzach (Laufen) mit den Modellergebnissen verglichen (Tabelle 1). Zur Validierung der Jahreswerte wurde außerdem die mittlere Wasserbilanz des hydrologischen Jahres (November Oktober) durch Subtraktion der flächenhaften Ausgaben des Niederschlags und der Evapotranspiration bestimmt und mit gemessenen Pegelwerten verglichen unter der Annahme, dass jährliche Änderungen im Grundwasserspeicher in dem langjährigen Zeitraum vernachlässigbar sind. Die Ergebnisse der linearen Regression sowie die Bestimmtheitsmaße bedeuten eine sehr gute Übereinstimmung der berechneten und der gemessenen Jahressummen, vor allem unter Berücksichtigung der Tatsache, dass PROMET nicht über den Abfluss kalibriert wird. Die kurzfristigen Schwankungen des Gerinneabflusses, repräsentiert durch Tagesmittelwerte, werden ebenfalls gut bis sehr gut nachgebildet, wie anhand der Nash-Sutcliffe-Efficiency-Koeffizienten [22] gezeigt werden kann. Generell kann PROMET den Abfluss sowie auch die hydrologischen Extremereignisse Hochwasser und Niedrigwasser gut bis sehr gut reproduzieren [14]. Da der Abfluss die einzig variable Eingangsgröße bei der Berechnung der Leistung eines Kraftwerks ist, bestimmt dessen Genauigkeit die der Leistung bzw. der Arbeit der Wasserkraftwerke. Weiterhin wurde das Wasserkraftmodul für alle im Modell implementierten und parametrisierten Wasserkraftanlagen validiert, indem die von den Kraftwerksbetreibern angegebene Regeljahresarbeit für den Zeitraum der Jahre 2000 bis 2006 mit den Modellresultaten verglichen wurde (Abbildung 3). Insgesamt ist demnach die berechnete Jahresarbeit durch ein Bestimmtheitsmaß von 0,99 sehr gut abgebildet. 4 Ergebnisse Um eine mögliche Entwicklung der Energiegewinnung aus Wasserkraft sowie der zukünftigen Schnee- und Ei sschmelze im Einzugsgebiet der Oberen Donau anhand einer schrittweise jahreszeitlichen Veränderung aufzuzeigen, wurden innerhalb des Simulationszeitraumes von 1971 bis 2060 drei Dekaden (1991 2000, 2021 2030, 2051 2060) im Abstand von 30 Jahren genauer untersucht. Zudem wurden räumliche Muster anhand von zwei langjährigen Zukunftszeiträumen (2011 2035, 2036 3060) im Vergleich zu einem Referenzzeitraum in der Vergangenheit (1971 2000) erläutert. Im Folgenden wird zuerst das gewählte Klimaszenario beschrieben. Darauf folgt die Pegelname Fluss Größe des (Teil-) einzugsgebiets Steigung der linearen Regression Jahreswerte Bestimmtheitsmaß R² Steigung der linearen Regression Tageswerte Bestimmtheitsmaß R² Nash-Sutcliffe- Efficiency- Koeffizient Achleiten Donau 76,660 km² 1,05 0,93 1,03 0,87 0,84 Hofkirchen Donau 46,496 km² 1,12 0,93 1,11 0,87 0,81 Dillingen Donau 11,350 km² 1,14 0,93 1,13 0,84 0,72 Oberaudorf Inn 9,715 km² 0,99 0,80 0,94 0,81 0,80 Laufen Salzach 6,112 km² 0,93 0,85 0,86 0,85 0,80 Tabelle 1: Validierung der Jahres- und Tageswerte des Abfluss anhand der Steigung der linearen Regression, dem Bestimmtheitsmaß R² und den Nash-Sutcliffe-Efficiency-Koeffizient (nur für tägliche Werte). Verglichen werden die modellierten und gemessenen jährlichen und täglichen Abflüsse an ausgewählten Pegeln im Einzugsgebiet der Oberen Donau von 1971-2003 (nach [14]). KW Korrespondenz Wasserwirtschaft 2011 (4) Nr. 6 www.dwa.de/kw

Fachbeiträge Energie in der Wasserwirtschaft 323 Analyse des Einflusses der Schnee- und Eisschmelze auf die Energieerzeugung aus Wasserkraft. 4.1 Meteorologische Treiberdaten Als meteorologische Treiberdaten wurden auf den Rasterelementen in Raum und Zeit interpolierte Messwerte der Stationen des DWD in Deutschland und der ZAMG in Österreich für den Zeitraum von 1971 bis 2006 verwendet. Für die Zukunftssimulation wurde im Rahmen des GLOWA-Danube-Projektes eine Reihe von Klimaszenarien für den 50-jährigen Zeitraum von 2011 bis 2060 entwickelt, welche die erwartete Bandbreite für die Veränderungen des Klimas im Untersuchungsgebiet repräsentieren. Als mittleres der IPCC-Emissionsszenarien wurde das A1B Szenario gewählt, dessen Unsicherheiten in der künftigen globalen Temperaturentwicklung bei einem globalen Anstieg im Mittel von 2,8 C bis Ende des Jahrhunderts bei einer Schwankungsbreite von 1,7 bis 4,4 C liegen [1]. Um die Unsicherheiten für das Einzugsgebiet der Oberen Donau abzubilden, wurden Trends von Temperatur und Niederschlag aus den Simulationen verschiedener regionaler Klimamodelle wie zum Beispiel mit MM5 [23, 24] und REMO [25] bestimmt. Danach überdeckt in diesem Gebiet der Anstieg der mittleren Jahrestemperatur bis 2100 einen Bereich zwischen 3,3 und 5,2 C, während die mittlere Jahressumme des Niederschlags um 4,4 bis 16,4 Prozent abnimmt. Saisonal zeigen alle regionalen Trends eine Abnahme des Sommerniederschlags, wohingegen sie eine Zunahme im Winter verzeichnen. Insgesamt wurden somit im Rahmen des GLOWA-DANUBE- Projekts vier plausible regionale Klimatrends entwickelt, welche einen sich öffnenden Trichter der Entwicklung der zukünftigen Mitteltemperatur aufspannen. Die erforderlichen meteorologischen stündlichen Antriebsdaten für die Modelläufe werden aus den langjährigen Messreihen an den Klimastationen im Gebiet mittels statistischem Klimagenerator KLIMAGEN [26] erzeugt, indem Temperatur- und Niederschlagsdaten auf einer wöchentlichen Basis stochastisch neu zusammen gesetzt werden [27]. Der Vorteil der Bereitstellung der meteorologischen Daten mit KLIMAGEN gegenüber der direkten Verwendung der Ausgabe der Klimamodelle als Eingabedaten liegt darin, dass keine Bias-Korrektur erforderlich ist. Es muss auch keine Skalierung der Ausgabedaten von der je nach Klimamodell gröberen Rasterweite auf das feine Raster von PROMET vorgenommen werden. Weiterhin werden mögliche lokale Unsicherheiten der regionalen Klimamodelle, wie beispielsweise bei der Niederschlagsgenerierung im Alpenraum, kompensiert. Im Klimamodell REMO werden beispielsweise die Niederschläge im Alpenraum örtlich überschätzt [28], während die Felder nach Rekombination historischer Daten mit dem Klimagenerator dort sehr plausible Niederschlagswerte erzeugt und gleichzeitig die kleinräumige Skala vor allem im Alpenraum berücksichtigt. Diese Studie beschränkt sich auf die Präsentation der Ergebnisse zu den Szenarien mit dem Trend, der vom regionalen Klimamodells REMO [25] abgeleitet wurde, da dieser im Vergleich zu weiteren Trends regionaler Klimamodelle wie dem MM5 [23, 24] eine mittlere Entwicklung in der Simulationszeitspanne 2011 bis 2060 beschreibt. Im Folgenden wird dieses Szenario mit REMO regional bezeichnet. Es ist charakterisiert durch einen Anstieg der Lufttemperatur von 5,2 C und einen Rückgang der mittleren jährlichen Niederschlagssumme von 1990 bis 2100 um 12,6 Prozent. Dabei gehen die Niederschlagsmengen besonders im Sommer (JJA) ( 31,4 Prozent) stark zurück. Die Einbußen im Herbst (SON) und Winter (DJF) liegen bei 14,5 bzw. 4,9 Prozent. Lediglich im Frühjahr (MAM) kommt es zu einer Zunahme der Niederschläge von 9,1 Prozent [12]. Der Temperaturanstieg führt einerseits zu höheren Evapotranspirationssummen, die zusammen mit den Niederschlagseinbußen eine Reduktion des mittleren jährlichen Abflusses verursachen. Andererseits bedingt dieser eine Veränderung der Niederschlagsart. Der bereits in der Vergangenheit festgestellte Trend zur Abnahme des Schneeniederschlags zugunsten des Regenanteils wird sich in Zukunft fortsetzen, was eine Reduktion des Schneespeichers in allen Höhenlagen nach sich zieht. Zusammen mit dem Temperaturanstieg kommt es dadurch zu einer Verkürzung der Schneedeckendauer von 30 bis 60 Tagen [15, 29]. 4.2 Veränderung der Anteile der Schnee- und Eisschmelze am Gerinneabfluss Die Anteile am Gerinneabfluss aus der Schnee- und Eisschmelze sowie dem Regen werden in den Abbildungen 4.1 4.3 an ausgewählten Pegeln im Einzugsgebiet der Oberen Donau für die Dekaden 1991 2000, 2021 2030 und 2051 2060 dargestellt. Während die Schneeschmelze in nahezu allen Flüssen im Einzugsgebiet der Oberen Donau eine wichtige Rolle spielt, trägt die Eisschmelze nur in Gebirgsbächen maßgeblich zum Abfluss bei. In den stark vergletscherten Kopfeinzugsgebieten, wie für den Pegel Vent im Ötztal (zu 35 Prozent vergletschert) dargestellt, weist in der Dekade 1991 2000 die Eisschmelze einen Anteil von über einem Drittel auf. Weiter flussabwärts nimmt der Einfluss der Eisschmelze rapide ab. In Innsbruck beträgt die Gletscherschmelze am Abfluss noch 8 Prozent, am Gebietsauslass am Pegel Achleiten lediglich 2 Prozent. Hinsichtlich der Schneeschmelze erkennt man eine klare Zweiteilung zwischen einem Anteil von 40 bis 80 Prozent in den Alpen und unter 40 Prozent im Alpenvorland, tertiären Hügelland und den Donauniederungen. Lediglich im Bayerischen Wald nimmt der Anteil wieder zu. Der Abfluss aus Regen stellt an fast allen Pegeln den Hauptanteil am Gesamtabfluss dar. Dieser erreicht in den nördlichen Bereichen bis zu 85 Prozent (siehe Abbildung 4.1). In der Szenariodekade 2021 2030 zeigt sich bereits eine geringfügige Abnahme der Schneeschmelze im gesamten Einzugsgebiet der Oberen Donau, während 2051 2060 ihr Anteil stark zurückgeht und selbst in den alpinen Bereichen kaum 25 Prozent übersteigt (siehe Abbildung 4.2 und 4.3). Die in dem gewählten Szenario beschriebenen klimatischen Veränderungen führen zudem zu einem nahezu vollständigen Abschmelzen der Gletscher bis zum Jahr 2060 in den Ostalpen [30]. Für die Gebirgsbäche mit vergletscherten Kopfeinzugsgebieten hat dies, bedingt durch eine länger andauernde Schmelzperiode und ein größeres schneefreies Eisgebiet, in der ersten Zukunftsdekade eine Zunahme der Eisschmelze zur Folge. In der zweiten Szenarioperiode reduziert sich allerdings der mittlere Anteil der Eisschmelze bis hin zum völligen Ausbleiben (vergleiche Abbildung 4.3). Allerdings spielt auch in den vergletscherten Kopfeinzugsgebieten die starke Abnahme der Schneeschmelze eine bedeutendere Rolle für die Abflussentwicklung www.dwa.de/kw KW Korrespondenz Wasserwirtschaft 2011 (4) Nr. 6

324 Fachbeiträge Energie in der Wasserwirtschaft Abb. 4.1 4.3: Anteil der Schnee- und Eisschmelze sowie Regen am Abfluss im Einzugsgebiet der Oberen Donau für den Zeitraum 1991 2000 in der Vergangenheit und den Zukunftsdekaden 2021 2030 und 2051 2060 unter dem Klimaszenario REMO regional. (vergleiche zum Beispiel den Pegel Huben). Die Effekte hinsichtlich der Eisschmelze sind allerdings aufgrund des sehr geringen Anteils am Gesamtabfluss am Gebietsauslass Achleiten an der Donau vernachlässigbar. Folglich dominiert in der Dekade 2051 2060 die direkte Abflussbildung aus Regenniederschlag die Hydrographen im gesamten Einzugsgebiet der Oberen Donau. Auch in den Alpenflüssen wandelt sich das Abflussregime von einem nivo-glazialen bzw. nivalen zu einem zunehmend pluvial geprägten Regime [15]. 4.3 Jahreszeitliche Entwicklung der Energieerzeugung aus Wasserkraft Die Ergebnisse aus Kapitel 4.2 erklären neben der Niederschlagsentwicklung die Entwicklungen der Energieerzeugung aus Wasserkraft in den Teileinzugsgebieten der Oberen Donau für die drei gewählten Dekaden (Abbildung 5). Die Verläufe zeigen den mittleren monatlichen Jahresanteil der Energieerzeugung in Prozent bezogen auf die mittlere Jahresarbeit der jeweiligen Dekade und beschreiben die simulierte mittlere jahreszeitliche Änderung für die sechs Teilregionen. Im Folgenden werden die Ergebnisse anhand der drei zuvor definierten Typen Zentralalpen, Nördliche Kalkalpen und den außeralpinen nördlichen Regionen des Einzugsgebietes erläutert. In der Dekade 1991 2000 zeigen die zentralalpinen Teileinzugsgebiete des Inn und der Salzach des Typs 1 die höchste saisonale Variabilität, mit einem Maximum der Energieerzeugung im Frühjahr bis Sommer, das neben den sommerlichen Niederschlägen vor allem auf der Schnee- und Gletscherschmelze basiert. In den Monaten Januar bis März ist hingegen ein deutliches Minimum ausgebildet, da der Niederschlag hauptsächlich in einer Schneedecke gespeichert ist. In den Dekaden 2021 2030 und 2051 2060 verschiebt sich das Maximum aufgrund einer immer früher im Jahr einsetzenden Schneeschmelze und einem höheren Regenanteil am Gesamtniederschlag (siehe Kapitel 4.2) zunehmend in das Frühjahr mit einer deutlichen Spitze im Mai. Aufgrund des fortschreitenden Wegfalls der Eis- KW Korrespondenz Wasserwirtschaft 2011 (4) Nr. 6 319-328.indd 324 schmelze und des starken Rückgangs der sommerlichen Niederschläge bildet sich im August ein zweites Minimum aus. In den zentralalpinen Teileinzugsgebieten wird folglich zukünftig mehr Energie in den Winter- und Frühjahrsmonaten erzeugt, während im Sommer eine deutliche Abnahme zu verzeichnen ist. Zudem wird der Jahresgang gleichmäßiger. Typ 2 weist in den Teileinzugsgebieten der Iller, des Lech und der Isar eine etwas geringere saisonale Variabilität als Typ 1 auf. In der Dekade 1991 2000 zeigt die Energieerzeugung aus Wasserkraft ein breites Maximum in den Monaten Mai bis Juli, das zum einen auf die Schneeschmelze und zum anderen auf die sommerlichen Niederschläge zurückgeht. Ein deutliches Minimum zeichnet sich auch bei diesem Typ in den Wintermonaten ab. Typ 2 unterliegt in den Zukunftsdekaden im Prinzip einer ähnlichen Entwicklung wie Typ 1. Aufgrund der etwas tieferen mittleren Höhenlage der Nördlichen Kalkalpen im Gegensatz zu den Zentralalpen kommt es bis zur Dekade 2051 2060 schon im April zu einem Maximum, das auch bei diesem Typ aufgrund der abnehmenden Niederschläge in den Sommermonaten zu einem deutlichen Minimum im August ab- www.dwa.de/kw 26.05.11 09:05

Fachbeiträge Energie in der Wasserwirtschaft 325 fällt, so dass auch hier im Sommer künftig weniger und im Winter mehr Energie aus Wasserkraft erzeugt werden wird. Der Jahresgang in der außeralpinen nördlichen Region des Einzugsgebietes der Oberen Donau (Typ 3) zeigt in der Dekade 1991 2000 einen nahezu ausgeglichenen Jahresgang, der überwiegend pluvial geprägt ist, aber auch durch den der Zuflüsse aus den Zentralalpen, Nördlichen Kalkalpen und dem Alpenvorland überlagert wird. In der Dekade 2051 2060 stellt sich ein ähnliches Muster wie bei Typ 1 und Typ 2 ein. Während die innerjährliche Variabilität bei Typ 1 und 2 sinkt, nimmt sie bei Typ 3 in Zukunft leicht zu. Bei diesem Typ folgt die Entwicklung nahezu vollständig der Entwicklung des Niederschlagsangebotes mit einem Anstieg der Energieerzeugung in den Winter- und Frühjahrsmonaten und einer deutlichen Abnahme im Sommer. In jedem Teilbereich gehen entsprechend dem Szenario REMO regional die Sommerniederschläge stark zurück, während die Frühjahrsniederschläge zunehmen, was die hauptsächliche Abb. 5: Änderung der mittleren monatlichen Energieerze ugung aus Wasserkraft in Bezug zur mittleren Jahresarbeit [%] für die Teileinzugsgebiete Inn und Salzach (Typ 1), Isar, Lech und Iller (Typ 2) sowie dem Teilbereich an der Donau (Typ 3). Vergleich der Dekaden 1991 2000, 2021 2030 und 2051 2060 unter dem Klimaszenario REMO regional. www.dwa.de/kw KW Korrespondenz Wasserwirtschaft 2011 (4) Nr. 6

326 Fachbeiträge Energie in der Wasserwirtschaft Entwicklung der Jahresverläufe der Energieerzeugung aus Wasserkraft erklärt. Die regionalen Unterschiede werden durch den Schneespeicher und, in den hochalpinen Regionen, auch durch den Eisspeicher differenziert. In den alpinen Regionen kommt es zu einem im Jahresverlauf vorgezogenen Abschmelzen des Schnee- und Eisspeichers sowie einer Zunahme des Regen- im Vergleich zum Schneeanteil, während diese Effekte in den außeralpinen Regionen sowohl aktuell als auch in Zukunft kaum eine Rolle spielen. Da das Volumen des Schneespeichers allerdings zukünftig generell abnimmt, gleichen sich die Verläufe der Energieerzeugung aller Teilbereiche bis 2060 immer stärker an und zeigen in der Dekade 2051 2060 ein ähnliches Muster. 4.4 Die regionale Entwicklung der Energieerzeugung aus Wasserkraft Um regionale Muster zur Entwicklung der Energieerzeugung aus Wasserkraft innerhalb des Einzugsgebietes der Oberen Donau ableiten zu können, wurde der 50-jährige Simulationszeitraum in zwei Perioden à 25 Jahre unterteilt. Die erste Periode 2011 2035 soll die räumliche Entwicklung der näheren Zukunft beschreiben, die zweite Periode 2036 2060 die der ferneren Zukunft. Die Referenzperiode deckt den Zeitraum 1971 2000 ab. Die Karten in Abbildung 6 zeigen die Änderung der mittleren simulierten Jahresarbeit in Prozent in den sechs definierten Teilregionen für die Zukunftszeiträume im Vergleich zum Referenzzeitraum. In beiden Szenariozeiträumen kommt es unter dem gewählten Klimaszenario REMO regional zu einem Rückgang der berechneten Jahresarbeit. Allerdings ist dieser Trend im ersten Zeitraum mit Abnahmen zwischen 1 bis 4 Prozent schwach ausgeprägt, während im zweiten Szenariozeitraum stärkere Rückgänge von ca. 9 bis 15 Prozent zu verzeichnen sind. Die mittlere Abnahme der Energieerzeugung aus Wasserkraft beträgt für das gesamte Einzugsgebiet der Oberen Donau 2011 2035 2 Prozent und 2036 2060 10 Prozent. Die starke Reduktion in der zweiten Zukunftsperiode liegt vor allem an der deutlichen Abnahme des Niederschlags in dieser Zeitspanne [12]. Regional betrachtet zeichnet sich am Beispiel der zweiten Periode folgendes Muster ab: Das Teileinzugsgebiet des Inn weist mit 9 Prozent den geringsten Rückgang der Energieerzeugung auf. Dieser ist für die Teileinzugsgebiete des Lech und der Salzach ist mit 9 und 10 Prozent geringfügig geringer, während das Teileinzugsgebiet der Isar mit einer Abnahme von knapp 13 Prozent eine Mittelstellung einnimmt. Die stärksten Einbußen werden entlang der Donau und für das Einzugsgebiet der Iller mit 15 Prozent aufgezeigt (siehe Abbildung 6). Diese räumlichen Differenzen lassen sich durch eine unterschiedlich ausgeprägte Entwicklung der Wasserhaushaltsgröße Niederschlag sowie einer Veränderung der Niedrigwassersituation aufgrund von Änderungen des Schnee- und Eisspeichers erklären. Analysen zeigen für den gesamten Alpenraum (Typ 1 und 2) eine Entspannung der Niedrigwassersituation an den nivo-glazial bzw. nival geprägten Flüssen, während sie sich im außeralpinen pluvial geprägten Bereich (Typ 3) verstärkt [12]. In letzterem treten heute die Niedrigwassersituationen vorwiegend in den Sommermonaten auf, in den Alpen hingegen in den Wintermonaten, da der Niederschlag überwiegend als Schnee gespeichert wird. Zukünftig nimmt durch die steigenden Temperaturen der Regenanteil im Winter zu und die Schnee- und Eisschmelze setzt früher im Jahr ein. Das führt zu einem Abflussanstieg im Winter und Frühjahr, wodurch die Niedrigwassergefahr entschärft wird. In den außeralpinen Regionen häufen sich hingegen die Niedrigwassersituation in den Sommermonaten [12, 31]. Da die Energieerzeugung aus Wasserkraft sehr sensibel auf niedrigen Wasserstand reagiert (siehe Kapitel 3.2), führt eine Verbesserung der Niedrigwassersituation zu einem schwächeren Rückgang der Energieerzeugung in den Alpenregionen, wohingegen eine Zunahme sowohl der Niedrigwasserereignisse als auch der -menge zu einer verstärk- Abb. 6: Änderung der mittleren simulierten Jahresarbeit [%] nach Teileinzugsgebieten unter dem Klimaszenario REMO regional, Karte 1: Vergleich der Zeiträume 2011 2035 und 1971 2000, Karte 2: Vergleich der Zeiträume 2036 2060 und 1971 2000. KW Korrespondenz Wasserwirtschaft 2011 (4) Nr. 6 www.dwa.de/kw

Fachbeiträge Energie in der Wasserwirtschaft 327 ten Abnahme in den nördlichen Bereichen führt. In letzterem Fall wird der im Wasserkraftmodul definierte minimale Abflusswert häufiger unterschritten, so dass der Kraftwerksbetrieb öfter eingestellt werden muss. Die mittleren jährlichen Niederschlagssummen nehmen zukünftig nach dem Klimaszenario REMO regional nahezu in allen Bereichen des Einzugsgebiets der Oberen Donau stark ab. Da in den Teileinzugsgebieten der Nördlichen Kalkalpen die größten Niederschlagseinbußen zu verzeichnen sind, ist dort auch der stärkste Rückgang der Energieerzeugung zu erwarten, was für das Teileinzugsgebiet der Iller und teilweise dem der Isar auch zutrifft. Dennoch weisen die Teileinzugsgebiete der Nördlichen Kalkalpen, mit Ausnahme des Teileinzugsgebiets der Iller, geringere Einbußen als im außeralpinen Teilbereich der Donau auf. Dies liegt vor allem an der zuvor erläuterten kon trären Entwicklung der Niedrigwassersituation aufgrund der jahreszeitlichen Verlagerung des Schneespeichers. Die deutlichen Verluste im Iller-Teileinzugsgebiet sind damit begründet, dass dieser Bereich nach dem Szenario REMO regional flächenmäßig besonders stark von der Abnahme des Niederschlagsangebotes betroffen ist [12]. Die Veränderung der Gletscherausdehnung spielt für die Entwicklung der Energieerzeugung der Teileinzugsgebiete nahezu keine Rolle, da die Wassermenge des Eisspeichers insgesamt gering ist. Nach Koch [32] erfahren aber die zentralalpinen Speicherkraftwerke mit stark vergletscherten Kopfeinzugsgebieten, wie zum Beispiel das Kraftwerk Kaunertal, bis ca. 2035 eine Steigerung der Energieerzeugung aufgrund der zunehmenden Gletscherschmelze am Gesamtabfluss. Bis 2060 nimmt die Energieerzeugung allerdings aufgrund des völligen Ausbleibens der Gletscherschmelze wieder ab. 5 Fazit Unter dem für diese Studie gewählten Klimaszenario REMO regional und den gewählten Parametern für die Modellierung der Energieerzeugung aus Wasserkraft mit dem hydrologischen Modell PROMET ergibt sich für das Einzugsgebiet der Oberen Donau je nach Teilregion bis 2060 eine erhebliche Abnahme der Energieerzeugung aus Wasserkraft um ca. 9 bis 15 Prozent. Während dies primär auf die Abnahme des mittleren Jahresniederschlags zurückzuführen ist, spielen aber auch Veränderungen der Eis- und Schneeschmelze für die jahreszeitlichen und regionalen Muster eine Rolle. Nach den Modellierungen unter den Bedingungen des gewählten Szenarios verschiebt sich das Maximum im Jahresgang der Energieerzeugung im gesamten Untersuchungsgebiet. Dieser lässt sowohl in den Alpen als auch im außeralpinen Norden bis 2060 einen ähnlichen Verlauf mit Maxima im April bzw. Mai und einem deutlichen Minimum im August erkennen. Zukünftig ist mit einer höheren Energieerzeugung im Winter und Frühjahr zu rechnen, wobei gegebenenfalls der Strombedarf in der winterlichen Heizperiode besser abdeckt werden könnte. Im Sommer könnte es allerdings durch die Verluste zu Defiziten in der Stromversorgung aus Wasserkraft beziehungsweise zu einer Verschärfung von Nutzungskonflikten hinsichtlich Bewässerung und Trinkwasserversorgung kommen. Insgesamt wird der Jahresgang der Energieerzeugung in den Alpen ausgeglichener, während die Variabilität in den nördlichen Regionen leicht ansteigt. Ein gleichmäßigerer Jahresgang ist dabei hinsichtlich der Grundlastabdeckung als positiv zu bewerten. Im Gegensatz zu den außeralpinen Regionen, mildern nach dem Szenario REMO regional in den alpinen Bereichen die im Jahresverlauf früher eintretende Schneeschmelze und der höhere Regenanteil am Gesamtniederschlag im Winter den Rückgang der Energieerzeugung aus Wasserkraft leicht ab. Dies macht sich in einer konträren Entwicklung der Niedrigwassersituation in den alpinen und außeralpinen Regionen bemerkbar. Der Schneespeicher verliert allerdings zukünftig zunehmend an Bedeutung. Die Gletscherspende andererseits liefert lediglich in den hochalpinen Regionen einen nennenswerten Beitrag, welcher aber mit dem nahezu vollständigen Abschmelzen der Gletscher bis 2060 völlig wegfällt. Zur generellen Einordnung der Plausibilität der Modellergebnisse bleibt zu erwähnen, dass das Szenario REMO regional auf der Annahme des globalen IPCC-SRES-A1B-Szenarios basiert, welches laut dem IPCC-Bericht von 2007 eine mittlere wahrscheinliche Klimaentwicklung beschreibt. Das Modell selbst liefert seine Ergebnisse quasi deterministisch in Abhängigkeit der vorgegebenen Eingangsdaten, was im Falle der Verwendung von Messdaten für Zeiträume der Vergangenheit gezeigt werden kann. Die vorgestellten regionalen Auswirkungen des Globalen Wandels sind somit Resultate, die unter der Annahme der gewählten Szenariobedingungen berechnet wurden und in diesem Sinne keine Prognose darstellen. Unter alternativen Voraussetzungen in den Szenarien können die Effekte des globalen Wandels auf die Wasserressourcen und die Energieerzeugung im Einzugsgebiet der Oberen Donau sowohl stärker, aber auch schwächer ausgeprägt sein. Dank Für die erfolgreiche Zusammenarbeit wird allen Projektpartnern des GLOWA-Danube-Projektes sowie dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), dem Freistaat Bayern und der Ludwig-Maximilians-Universität München für die Förderung im Rahmen des GLOWA-Verbundes herzlich gedankt. Dem Deutschen Wetterdienst (DWD), der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) sowie dem Bayerischen Landesamt für Umwelt (LfU) gilt zudem ein Dank für die Bereitstellung von Daten. Literatur [1] IPCC (Hrsg.): Climate Change 2007: The Physical Science Basis. 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Franziska Koch, Dr. Monika Prasch, Prof. Dr. Wolfram Mauser Ludwig-Maximilians-Universität München, Department für Geographie Luisenstraße 37, 80333 München Dr. Ludwig Braun, Dr. Markus Weber Bayerische Akademie der Wissenschaften, Kommission für Glaziologie Alfons-Goppel-Straße 11, 80539 München Dr. Heike Bach Vista Geowissenschaftliche Fernerkundung GmbH Gabelsbergerstraße 51, 80333 München E-Mail: f.koch@iggf.geo.uni-muenchen.de W KW Korrespondenz Wasserwirtschaft 2011 (4) Nr. 6 www.dwa.de/kw