© Mathew Herrnegger, BOKU Wien (Originalfoto); Bildbearbeitung: Google Gemini (KI-generierte Skizzenillustration)
RestStrom: Abschätzung der Auswirkungen von Restwasservorschreibungen auf die Stromerzeugung
Projektleitung
Mathew Herrnegger
Forschungseinrichtung
Universität für Bodenkultur Wien
Projektnummer
101983Projektlaufzeit
-
Finanzierungspartner
Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Regionen und Wasserwirtschaft | Österreichs Energie
Allgemeine Projektinformationen
Abstract (deutsch)
Eine Abschätzung von energiewirtschaftlichen Erzeugungsverlusten durch Restwasserabgaben wurde zuletzt vor rund 20 Jahren vorgenommen. In dieser Studie basierte die Abschätzung jedoch auf stark vereinfachten Annahmen, im Speziellen bei der Hydrologie und bei der Kleinwasserkraft. Die verbesserte Verfügbarkeit von Daten, sowie Erkenntnisse aus bereits umgesetzten Maßnahmen sollen nun helfen, eine genauere Abschätzung der Erzeugungsverluste zu quantifizieren. Dabei sollen die Analysen nicht nur die Zahlen der ersten Studie aktualisieren, sondern auch Auswirkungen von stufenweisen Erhöhungen der Restwasserabgaben bis zur vollständigen Umsetzung der WRRL eruieren.
Schlagwörter (deutsch)
Wasserkraft, Restwasser, Hydrologie, Energiewasserwirtschaft
Titel, Abstract, Schlagwörter (englisch)
Titel (englisch)
Impact of residual flow on electricity generation
Abstract (englisch)
The estimation of energy production losses due to residual or environmental flows was carried out around 20 years ago. That assessment was based on simplified assumptions, especially regarding the hydrology and small hydropower. The improved availability of data, as well as findings from measures already implemented, should now help to provide a more accurate estimate of generation losses. The analyses will not only update the figures from the previous, but also determine the effects of gradual increases in residual flow until the full implementation of the WFD.
Schlagwörter (englisch)
Hydropower, Residual Flow, Ecological flow, Hydrology, energy-water management
Projektziele
Die Abschätzung von energiewirtschaftlichen Erzeugungsverlusten durch Restwasserabgaben wurde 2005 erstmalig vorgenommen. Inzwischen haben sich potenzielle Datengrundlagen verbessert und es liegen deutlich längere hydrologische Beobachtungszeitreihen vor. Die Zahl der Wasserkraftwerke hat sich erhöht und die Marktpreise für Strom und besonders die Strompreis-Tagesprofile haben sich nennenswert verändert. Des Weiteren wurde in diesen 18 Jahren auch einiges auf dem Gebiet der wasser- und energiewirtschaftlichen Modellierung weiterentwickelt. Gleichzeitig zeigt die Studie von 2005, auch aus hydrologischer Sicht, einige Defizite. Dies betrifft einerseits die verwendeten Eingangsgrößen, wie normierte Dauerlinien für die Bioregionen, die die natürliche räumliche und zeitliche Variabilität unterschätzen, aber auch die verwendeten Niederwasserkennwerte. Bei der Beurteilung der (Pump-) Speicherkraftwerke und Laufkraftwerke >10 MW ist unklar, welche tatsächlich behandelt wurden. Schließlich ist oftmals unklar, welche hydrologischen Inputs verwendet wurden (z.B. MQ für die Skalierung der normierten Dauerlinien).
Ziel des Vorhabens ist die Abschätzung der Auswirkungen von Restwasservorschreibungen auf die Stromerzeugung. Für die jetzigen Auswertungen sollen aktualisierte und raum-zeitlich deutlich verbesserte hydrologische Grundlagendaten verwendet werden. Auch soll die Anzahl der betrachteten Kraftwerke umfassender und transparenter modelliert werden. Die verwendeten Methoden sollen verfeinert werden, so dass die betrachteten Kraftwerke und deren Zusammenspiel explizit modelliert werden. Die hydrologischen Eingangsgrößen für die Kraftwerkssimulationen werden auf hydrologischen Modellierungsansätzen auf dem Stand der Technik beruhen, die eine raum-zeitlich differenzierte Vorhersage für unbeobachtete Gebiete erlauben.
Konkret werden folgende Ziele definiert:
- Eine raum-zeitlich differenzierte Validierung der Ergebnisse der Auswirkungen (als Erzeugungsverluste) von Restwasser-Vorschreibungen bei mittleren und großen Kraftwerken >5 MW
- Eine detailliertere, raum-zeitlich differenzierte Abschätzung der Auswirkungen (als Erzeugungsverluste) von Restwasser-Vorschreibungen auf Kleinwasserkraftanlagen <5 MW
- Eine Abschätzung der Auswirkungen (als Erzeugungsverluste) von Restwasser-Vorschreibungen im Hochgebirge für verschiedene Szenarien
- Eine Abschätzung der Auswirkungen (als Erzeugungsverluste) von schrittweisen Erhöhungen und Dynamisierungen der Restwasserabgaben lt. QZVO durch verschiedene Szenarien
Praxisrelevanz
Der Praxisbezug liegt in der Abschätzung der Auswirkungen von Restwasservorschreibungen auf die Stromerzeugung und deren Bedeutung für die Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie, die Festlegung der Nationalen Gewässerbewirtschaftungspläne sowie die Energieproduktion. Die Studie aus dem Jahr 2005 basiert auf stark vereinfachten Annahmen. Nun sollen verbesserte Datenverfügbarkeit, verbesserte Methoden und Erkenntnisse aus bereits umgesetzten Maßnahmen eine genauere Ermittlung der Erzeugungsverluste in ganz Österreich ermöglichen. Es sollen auch Auswirkungen stufenweiser Erhöhungen und Dynamisierungen der Restwasserabgaben bis zur vollständigen Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie untersucht werden. Die Ergebnisse sollen zur Erreichung der österreichischen Klimaziele beitragen, da die Wasserkraft einen wichtigen Beitrag zur Klimaneutralität leistet. Das geplante Vorhaben nutzt dabei verbesserte Datengrundlagen, längere Beobachtungszeitreihen, Fortschritte in der Modellierung und die Verwendung von hydrologischen Modellierungsansätzen unter Verwendung von künstlicher Intelligenz (KI).
Berichte
Kurzfassung
Berichtsdateien
Abstract (deutsch)
Wasserkraft deckt rund 60 % der österreichischen Stromproduktion und ist damit das Rückgrat der heimischen Energieversorgung. Gleichzeitig verfehlen derzeit rund 1.700 Restwasserstrecken den ökologisch erforderlichen Mindestabfluss gemäß EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL). Das Projekt RestStrom quantifiziert die energiewirtschaftlichen Auswirkungen einer vollständigen WRRL-Umsetzung auf die österreichische Wasserkraftproduktion.
Die Modellierung umfasst 200 Mittel- und Großwasserkraftwerke (> 5 MW), 16 Wehrkraftwerke sowie eine repräsentative Stichprobe von 703 Kleinwasserkraftwerken (≤ 5 MW), deren Ergebnisse auf den Gesamtbestand hochgerechnet wurden. Für alle Standorte wurden Zuflusszeitreihen für den Zeitraum 2010 – 2021 modelliert. Die hydrologische Modellgüte liegt im unabhängigen Test bei einer medianen Nash-Sutcliffe-Effizienz von 0,71. Das simulierte Regelarbeitsvermögen (RAV) weicht um lediglich 0,36 % vom E‑Control-Referenzwert ab. Neben dem IST-Zustand wurden sieben Restwasserszenarien untersucht – von schrittweisen Mindestabflusserhöhungen bis zu dynamischen saisonalen Vorgaben.
Im IST-Zustand erzeugte die österreichische Wasserkraft im Betrachtungszeitraum durchschnittlich 39,5 TWh pro Jahr. Die untersuchten Szenarien führen zu Erzeugungsverlusten zwischen −3 % und −7 % (1,2 bis 2,6 TWh). Die natürliche Schwankungsbreite zwischen Trocken- und Nassjahren beträgt hingegen bis zu 8 TWh und übersteigt die szenariobedingten Unterschiede deutlich. Am stärksten betroffen sind Ausleitungskraftwerke und Kleinspeicher (Verluste: 8 – 16,5 %), während Laufwasserkraftwerke im Flusslauf, die 53 % der Erzeugung erbringen, von Restwasservorgaben nicht berührt werden. Kleinwasserkraftwerke weisen mit −3 % bis −12 % überdurchschnittliche Verluste auf, da rund 94 % als Ausleitungsanlagen betrieben werden. Saisonal zeigen sich stärkere Auswirkungen im Winter, wenn die natürlichen Zuflüsse geringer sind.
Die Ergebnisse basieren auf standardisierten Szenarien mit einheitlichen Annahmen. In der Praxis erfolgt die Restwasserfestsetzung als Einzelfallbetrachtung; insbesondere bei mittleren und größeren Gewässern können die WRRL-Ziele bereits mit geringeren Mengen erreicht werden, sodass die modellierten Verluste für einen Teil der Anlagen überschätzt werden dürften. Die Studie liefert dennoch eine belastbare quantitative Basis für wasserwirtschaftliche Planungen.
Abstract (englisch)
Hydropower accounts for approximately 60% of Austria’s electricity production, yet around 1,700 residual flow reaches currently fail to meet the ecologically required minimum discharge. The RestStrom project provides a quantitative basis for assessing the energy-sector impacts of full implementation of the EU Water Framework Directive (WFD) on Austrian hydropower generation.
The modelling covers 200 medium and large hydropower plants (> 5 MW), 16 weir power plants, and a representative sample of 703 small hydropower plants (≤ 5 MW), with results scaled to the national total. Inflow time series were modelled for all sites over the period 2010 – 2021. Model performance in independent testing reached a median Nash-Sutcliffe efficiency of 0.71. The simulated regulatory energy yield (REY) deviates by only 0.36% from the E‑Control reference value. In addition to the baseline (current state), seven residual flow scenarios were analysed, ranging from stepwise minimum flow increases to dynamic seasonal requirements.
Under current conditions, Austrian hydropower generated an average of 39.5 TWh per year during the study period. The scenarios result in generation losses of between −3% and −7% (1.2 to 2.6 TWh). By comparison, natural interannual variability between dry and wet years amounts to up to 8 TWh, substantially exceeding the scenario-driven differences. The most affected plant type is diversion-type hydropower plants and small storage facilities, with losses of 8 – 16.5%, while run-of-river plants — which account for 53% of total generation — are unaffected by residual flow requirements. Small hydropower plants show above-average losses of −3% to −12%, as approximately 94% operate as diversion schemes. Seasonally, impacts are more pronounced in winter, when natural inflows are lower.
The results are based on standardised scenarios with uniform assumptions across all plants. In practice, residual flow requirements are determined on a case-by-case basis; particularly for mid-sized and larger watercourses, WFD objectives can often be met with lower flow volumes, meaning modelled losses are likely overestimated for a share of installations. Nonetheless, the study provides a robust quantitative foundation for water resources planning.
Autor/innen
Herrnegger, M., Ehrendorfer, C., Bögl, E., Klingler, C., Feigl, M., Schwabeneder, D., Totschnig, G.