24. Infrastrukturen und Dienstleistungen in der Energie- und Wasserversorgung

Bei der Betrachtung der Klimawirkungen auf thermische Kraftwerke sind die zukünftigen technologischen und umweltrechtlichen Entwicklungen sowie die Entwicklung des Energiebedarfs zu beachten, da geänderte Umweltstandards, Produktionssysteme und Kühlverfahren den Wasserbedarf und -verbrauch maßgeblich beeinflussen. Ein Beispiel zur modellhaften Berücksichtigung dieser Rahmenbedingungen geben Vögele und Markewitz (2014).

Thermische Kraftwerke mit Wasserkühlung können aufgrund erhöhter Wassertemperaturen, teilweise auch unzureichender Wasserverfügbarkeit von Produktionseinschränkungen betroffen sein (Förster und Lilliestam 2010; Linnerud et al. 2011). Die Auswirkungen des Klimawandels auf die Produktion thermischer Kraftwerke werden somit von den hydrologischen Standortgegebenheiten beeinflusst, also vom Abfluss und von der Wassertemperatur. Daneben sind die Wahl des Kühlsystems und der von diesem abhängige Kühlwasserbedarf von Bedeutung. Einfache Durchlaufkühlsysteme sind gegenüber hohen Wassertemperaturen und Wassermangel durch Niedrigwasser deutlich anfälliger als Kreislaufkühlsysteme (Hoffmann et al. 2012; Koch und Vögele 2013; Koch et al. 2014).

Hinsichtlich der Wassernutzung thermischer Kraftwerke sind neben kraftwerksspezifischen Faktoren die Umweltbedingungen und gesetzlichen Bestimmungen hinsichtlich der für den Standort gültigen Grenzwerte zur maximal zulässigen Wasserentnahmemenge, zur Kühlwasseraufwärmung und zur Einleit- bzw. Mischtemperatur zu berücksichtigen. Strömung, Wassertiefe und weitere Faktoren unterscheiden sich entlang der Flüsse bzw. zwischen Flusseinzugsgebieten. Deswegen gelten für unterschiedliche Kraftwerksstandorte und Kühlsysteme verschiedene Grenzwerte. Steigt die Temperatur des Gewässers, so muss, falls die vorgeschriebene maximale Aufwärmspanne (Differenz der Temperatur von entnommenem und abgeleitetem Wasser) überschritten wird, der Kühlwasserbezug erhöht und die Abwärme über eine größere Menge Wasser abgeleitet werden. Steigt der Wasserbedarf zu stark an bzw. ist zu wenig Wasser verfügbar, muss die Leistung des Kraftwerks reduziert werden.

Eine Abschätzung der Wirkungen des Klimawandels auf thermische Kraftwerke in Deutschland zeigt, dass einige Regionen (z. B. die Rhein-Main-Neckar-Region) deutlich stärker als andere betroffen sind (Koch et al. 2015; Abb. 24.1). Trotz dieser regionalen Unterschiede gilt, dass sommerliche Hitzewellen wie in den Jahren 2003 oder 2006 im Allgemeinen großräumige Phänomene sind. Das heißt: Probleme bei der Kühlwasserversorgung thermischer Kraftwerke treten ebenfalls großräumig auf, wenn auch mit unterschiedlicher Intensität. Aus diesem Grund ist ein Ausgleich von Produktionsdefiziten in Deutschland durch Stromimporte, etwa aus Frankreich, nur begrenzt möglich (Rübbelke und Vögele 2011).

Koch et al. (2012) analysierten Szenarien mit unterschiedlichen ökonomischen Entwicklungen und unterschiedlichen Kraftwerkskapazitäten, Kühlsystemen und Wasserbedarfsforderungen für Berlin. Sie zeigen, dass durch technologische Entwicklung bzw. Anpassung der Kühlsysteme die Wirkungen des Klimawandels auf thermische Kraftwerke deutlich reduziert werden können.

Die Erzeugung von Elektroenergie an Wasserkraftanlagen stellte in der Vergangenheit einen bedeutenden Anteil der erneuerbaren Energien. Obwohl die in Deutschland installierte Wasserkraftkapazität in den vergangenen Jahren leicht angestiegen ist, ist ihr Beitrag an den erneuerbaren Energien von 1990 über die Jahre 2000 und 2010 bis 2014 jedoch von 92 % über 60 % bzw. 20 % auf 13 % gesunken (BMWi 2015; Abb. 24.2). Dies kann mit dem starken Ausbau anderer erneuerbarer Energien erklärt werden, insbesondere von Windkraft und Solarenergie (s. u.). Da mit Wasserkraftanlagen im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energien sowohl Grund- als auch Spitzenlast erzeugt werden kann, ist sie auch zukünftig ein wichtiger Baustein für die erneuerbaren Energien.

Für die Auswirkungen des Klimawandels auf die Wasserkraft gibt es für Deutschland noch nicht sehr viele Studien. Deshalb wird hier auch über die Grenze nach Österreich und die Schweiz geschaut. Für Österreich wird bis 2040 mit einer leichten Zunahme der Wasserkrafterzeugung von 4–10 % gerechnet, je nach betrachtetem Klimaszenario. Bis zum Ende des Jahrhunderts ergeben sich allerdings größtenteils negative Klimawirkungen, die bezogen auf die Referenzperiode allgemein eine Reduktion der Wasserkrafterzeugung um bis zu 10 % betragen können (Klim Adapt 2010). Die Entwicklung der Wasserkrafterzeugung folgt damit weitestgehend den Trends in den Niederschlägen; in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts wird auch die steigende Verdunstung aufgrund erhöhter Temperaturen immer bedeutsamer.

Für die Obere Donau, d. h. den deutschen Teil des Donaueinzugsgebiets, muss mit einer Reduktion der Wasserkrafterzeugung um 8–16 % bis 2060 gerechnet werden (Prasch und Mauser 2010). Für kleinere Einzugsgebiete in den Schweizer Alpen simulieren Schaefli et al. (2007) für den Zeitraum 2070–2099 eine Abnahme der Produktion um 36 % gegenüber der Kontrollperiode. Für das Elbeeinzugsgebiet berechnen Grossmann und Koch (2011) eine Abnahme der Wasserkrafterzeugung um 13 % bis 2050 im Vergleich zu 2010.

Durch Effizienzzuwächse der Wasserkraftanlagen, z. B. den Ersatz alter Turbinen und Generatoren im Rahmen von notwendigen Erneuerungs- oder Sanierungsarbeiten (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit 2003), könnten die auftretenden Verluste allerdings größtenteils ausgeglichen werden.

Die Erzeugung von Elektroenergie durch Windkraftanlagen – auch Windenergieanlagen genannt – liefert in Deutschland einen steigenden Anteil an den erneuerbaren Energien. Die in Deutschland installierte Kapazität ist in den vergangenen Jahren deutlich angestiegen (1990 = 55 MW, 2000 = 6097 MW, 2010 = 27.180 MW, 2014 = 40.456 MW). Ihr Beitrag zu den erneuerbaren Energien ist von 0,4 % im Jahr 1990 auf über 26 % (2000) und von 2003 bis 2009 auf über 40 % gestiegen, um bei 36 % (2010) bzw. 35 % (2014) zu landen (Abb. 24.2).

Bisherige Analysen der Auswirkungen des Klimawandels zeigen, dass je nach Analysegebiet unterschiedliche, im Allgemeinen jedoch nur geringe Auswirkungen auf das Windkraftpotenzial zu erwarten sind. Nach Pryor et al. (2005a, 2005b) ist für Nordeuropa eher mit positiven Effekten zu rechnen, insbesondere im Winter. Hinsichtlich des Offshore-Windpotenzials in Nordeuropa, zu dem auch die deutschen Küstengebiete zählen, finden Barstad et al. (2012) eine geringfügige Abnahme, wobei auf die große Unsicherheit bezüglich der Ergebnisse hingewiesen wird.

Nach Koch und Büchner (2015) weisen die Wirkungen des Klimawandels in der Summe einen positiven Effekt auf. In einzelnen Monaten zeigen sich Trends, in anderen Monaten sind keine Änderungen bzw. einheitliche Trends festzustellen. Räumlich profitieren eher Mittel- und Norddeutschland, während in Süddeutschland nur geringe, teilweise auch negative Effekte zu erwarten sind. Für die Jahresproduktion ergibt sich insgesamt eine Erhöhung um 2–5 %. Die Zunahme ist jedoch gering im Vergleich zum geplanten Ausbau von On- und Offshore-Windkraftanlagen. Analysen von Koch et al. (2015) bestätigen diese Aussagen grundsätzlich.

Solarenergie gewinnt wie auch Elektroenergie aus Windkraftanlagen einen steigenden Anteil an den erneuerbaren Energien insgesamt. Die installierte Kapazität von Fotovoltaikanlagen ist in den vergangenen Jahren deutlich angestiegen (1990 = 2,0 MW, 2000 = 114 MW, 2010 = 17.944 MW, 2014 = 38.236 MW). Ihr Beitrag zu den erneuerbaren Energien ist vom Jahr 1990 über die Jahre 2000 und 2010 bis zum Jahr 2014 von 0,004 % über 0,17 % bzw. 11,2 % auf 22 % gestiegen (BMWi 2015; Abb. 24.2).

Wachsmuth et al. (2013) analysieren die Wirkungen des Klimawandels auf Fotovoltaikanlagen in der Region Bremen-Oldenburg. Im Vergleich zur Referenzperiode 1981–2010 finden sie leicht positive Effekte des Klimawandels für die Perioden 2036–2065 und 2071–2100. Sie verweisen jedoch auf die hohe Unsicherheit der Ergebnisse, da z. B. Extremwetterereignisse oder thermische Effekte wie die Reduktion der Effizienz der Fotovoltaikanlagen mit steigender Temperatur nicht berücksichtigt wurden. Im Vergleich zum weiteren Ausbau der Fotovoltaik sind die dargestellten Änderungen gering.

Hinsichtlich der Auswirkungen des Klimawandels auf die unterschiedlichen Erzeugungsformen ist die mit den Klimaszenarien verbundene Unsicherheit zu beachten. Dies gilt nicht zuletzt für klimatische Extremereignisse, da diese definitionsgemäß selten auftreten und schwer vorhersagbar sind. Die zur Wasserkrafterzeugung aufgeführten Ergebnisse können bei Nutzung anderer (Klima-)Eingangsdaten für die hydrologischen Modelle in eine andere Richtung tendieren. Die aufgeführten Einschränkungen der Produktion thermischer Kraftwerke aufgrund hoher Wassertemperaturen können hingegen als gut gesichert angesehen werden, da alle Klimamodelle steigende Lufttemperaturen projizieren, die zu höheren Wassertemperaturen führen. Die Auswirkungen bezüglich Windkraft- bzw. Solarenergieerzeugung stellen sich nach aktuellem Wissensstand als eher gering dar.

Insgesamt ergibt sich durch die Vielzahl und die Vielfalt der Erzeugungsarten in einem zukünftigen Energiesystem eine andere Risikoverteilung, die auf das Gesamtsystem im Krisenfall stabilisierend wirkt. Eine intelligente Netzsteuerung und eine Erhöhung der Speicherkapazitäten können dazu beitragen, Ausfälle abzupuffern und insgesamt Schwankungen von Angebot und Nachfrage auszugleichen. Positiv bewertet wird seitens Prognos/WI (2011), dass der Umgang mit diesen Risiken über das Ziel der Versorgungssicherheit bereits Regelungsgegenstand des Energiewirtschaftsgesetzes und Aufgabe der Bundesnetzagentur ist. Damit sind bereits grundsätzlich Handlungsoptionen und Zuständigkeiten im energiewirtschaftlichen System zur Versorgungssicherheit angelegt (Bothe und Riechmann 2008).

Durch die Veränderungen in den Versorgungsstrukturen erhöhen sich die Komplexität des Systems und die Anzahl der Akteure, die Versorgungsleistungen erbringen. Vor diesem Hintergrund müssen die bestehenden Formen des betrieblichen Risikomanagements an den Kraftwerksstandorten ergänzt werden durch eine umfassendere Risiko-governance, an der alle Akteure beteiligt werden, die etwas zur Risikominderung und Gefahrenabwehr beitragen können. Hierbei ist es wichtig, eine gemeinsame Wissensbasis zu schaffen, die sowohl die Risikolage beschreibt als auch die Wege zu Lösungen aufzeigt (Lucas 2014).

Um Szenarien erstellen zu können, müssen Daten und Informationen über den Wasserbedarf differenziert nach einzelnen Wirkungsbereichen, etwa dem Wasserbedarf in Haushalten oder im Gewerbe, bestimmt werden. Für den Einsatz in Wasserbedarfsprognosen einzelner Versorgungsgebiete sind deshalb Wirkungsmodelle einzusetzen, die einen funktionalen Zusammenhang zwischen den sich ändernden Einflussfaktoren – den Wirkungsfeldern – und den Nachfragemengen in den Wirkungsbereichen abbilden. Für die Wirkungsfelder werden die jeweiligen relevanten Mengenkomponenten (z. B. Bevölkerungszahl, Arbeitsplätze oder Bruttowertschöpfung) und der spezifische Wasserbedarf (Liter je Einwohner und Tag, m³ je 1000 € Bruttowertschöpfung) auf der jeweiligen regionalen Grundlage ermittelt und für die zukünftige Entwicklung geschätzt (Kluge et al. 2007; Prettenthaler und Dalla-Via 2007; Neunteufel 2010).

Mittels Szenarien und regionsspezifischer Wirkungsmodelle werden die Auswirkungen des Klimawandels und der sozioökonomischen Entwicklungen auf den Wasserbedarf errechnet. Die Szenarien repräsentieren zukünftige Entwicklungen oder Kombinationen einzelner Entwicklungen von Einflussfaktoren auf die Wassernachfrage. Die Gegenüberstellung der Szenarienergebnisse liefert Erkenntnisse dahingehend, ob über alle Szenarien ähnliche Entwicklungen zu erwarten sind oder ob diese sich deutlich unterscheiden.

Die Berücksichtigung der Klimawirkungen auf den Wasserbedarf kann dabei auf unterschiedlichen Wegen erfolgen. Der Einfluss des Klimas auf die nachgefragten Jahreswassermengen wird beispielsweise durch eine Bewertung der Variabilität vergangener Jahreswassermengen (Mikat et al. 2010) oder durch die Summe der witterungsbedingt variablen Tagesverbräuche für ein Jahr abgeschätzt (Kluge et al. 2007).

Eine andere Vorgehensweise stellt die Entwicklung der Jahreswassermengen und die Entwicklung der Spitzenlast gegenüber den durchschnittlichen Tagesmengen dar, die aus den Jahresmengen berechnet werden. Die Spitzenlast kann dabei über eine Relation vergangener Abweichungen der Spitzenlast von der Normallast und der zukünftig zu erwartenden klimabedingten Witterungsverhältnisse modelliert werden (Tränckner et al. 2012; Roth et al. 2011). Eine Alternative bietet die tagesgenaue Schätzung des Wasserbedarfs mittels statistischer Modelle. Diese Modelle können unterschiedlichste Einflussfaktoren auf den Tageswasserverbrauch beinhalten, z. B. Temperatur, Niederschlag, Wochenenden oder Jahreszeiten. Die auf diesen Modellen basierenden geschätzten Tageswerte werden dem durchschnittlichen Tagesverbrauch gegenübergestellt. Mit diesem Verfahren kann auch der Einfluss zukünftiger Witterungslagen auf den Wasserverbrauch simuliert werden (Kersting und Werbeck 2013).

Ein Beispiel für die Ergebnisse einer Szenarienbildung für den zukünftigen Wasserbedarf im Ruhrgebiet ist in Abb. 24.3 dargestellt (Kersting und Werbeck 2013). Eine Kurzfassung und Übersicht über die eingesetzten Szenarien wird in Quirmbach et al. (2013) gegeben. Genutzt wurden in dieser Studie Ergebnisse des Regionalen Klimamodells CLM für das Emissionsszenario SRES A1B, die sich dadurch unterscheiden, dass die Realisierungen (CLM1, CLM2) zu unterschiedlichen Zeitpunkten und mit leicht unterschiedlichen Randbedingungen gestartet wurden. Berechnet wurden die Wasserbedarfsmengen bis zum Jahr 2030 für drei Zukunftsszenarien:

Je nach Szenario wird die Wassernachfrage von 2010 bis 2030 um 14–18 % zurückgehen. Die Bandbreite der klimabedingten Schwankungen des Tagesbedarfs wird dagegen steigen. In der Referenzperiode (datenbedingt der Zeitraum 2002–2010) lagen 95 % aller täglichen Wasserverbrauchsmengen in dieser Region in einer Bandbreite von −8 bis +18 % um die langfristige Entwicklung der Durchschnittswerte.

Durch die in Zukunft höheren Temperaturen, die Änderungen der jährlichen Niederschlagsmenge und die geänderte unterjährige Verteilung der Niederschläge wird insbesondere die Abweichung des Spitzenbedarfs vom Durchschnitt im Ruhrgebiet bis 2030 steigen. Während im Trendszenario der durchschnittliche Wasserbedarf um 14 % zurückgeht, sinkt die obere Grenze der Bandbreite nur um 5–8 %, je nach verwendetem Klimamodell (hier die beiden Rechenläufe des dynamischen regionalen Klimamodells CLM). Wie im best-case-Szenario in der Modellierung für das Ruhrgebiet gezeigt, ist ein durchschnittlicher Rückgang der Wassernachfrage von ca. 16 % zu erwarten. Die obere Grenze der Bandbreite sinkt bis 2030 dagegen nur um 7–10 %. Innerhalb der dargestellten Bandbreite liegen 95 % aller täglichen Wasserbezüge. Wird eine extrem heiße und trockene Periode betrachtet, ergibt sich im Vergleich zur oberen Bandbreite der Referenzperiode für das Jahr 2030 ein nahezu unveränderter Wasserbedarf. Dieser ist für die beiden CLM-Rechenläufe in Abb. 24.3 als „Extremwert“ abgebildet. Im worst-case-Szenario ist durchschnittlich mit einem Rückgang der Wasserbedarfsmenge um 18 % für das Ruhrgebiet zu rechnen. Die obere Bandbreite sinkt um 9–12 %. In extremen Perioden ist hier im Vergleich zur oberen Bandbreite der Referenzperiode lediglich mit einem Rückgang zwischen 2 und 3 % zu rechnen.

Für den deutschen Teil des Elbeeinzugsgebiets wird für unterschiedliche Szenarien (Blazejczak et al. 2012; Hartje et al. 2014; von Ansmann 2014) eine Abnahme des Wasserbedarfs in Haushalt und Kleingewerbe von 2004 bis 2020 um 10–20 % berechnet. Diese Abnahme wird größtenteils durch die demografische, teilweise auch technologische Entwicklung hervorgerufen. Dem Klimawandel, der sich in den Szenarien bis 2020 nur geringfügig bemerkbar macht, werden nur geringe Wirkungen zugerechnet. In den Szenarien wird von einer weiteren Konzentration um Metropolenregionen sowie einem weiteren Bevölkerungsrückgang in ländlichen Räumen ausgegangen. Somit können in einzelnen Regionen deutlich abweichende Trends auftreten. Dabei kann der Wasserbedarf im Allgemeinen mit hoher Sicherheit befriedigt werden; lokal werden Defizite ausgewiesen (Ansmann und Kaltofen 2011; Kaltofen et al. 2014).

Inwieweit diese regionalen Studien sich auf ganz Deutschland übertragen lassen, wäre in einer weiteren Studie zu klären.

Grundsätzlich ist der Haushaltswasserbedarf u. a. durch die Bevölkerungsgröße determiniert. Projektionen der Bevölkerungsentwicklung in Deutschland gehen von einer sinkenden Einwohnerzahl aus. So rechnet BMU (2010) damit, dass die Einwohnerzahl in Deutschland von ca. 83 Mio. auf voraussichtlich 67 Mio. im Jahre 2050 sinkt. Unter Annahme eines stabilen Wassergebrauchs von 123 l pro Einwohner und Tag ergäbe sich ein jährlicher Wasserbedarf von ca. 3,0 Mrd. m³ im Jahr 2050, was einer Reduktion um ca. 18 % gegenüber 2008 entspräche. Dabei sind allerdings regional starke Unterschiede in der Entwicklung möglich, insbesondere zwischen Ballungsräumen und ländlich geprägten Gebieten. Ein verstärkter Trend zu Single-Haushalten mit spezifisch höherem Wasserverbrauch, wie er in den letzten Jahren beobachtet wurde, wirkt hingegen dem allgemein sinkenden Trend entgegen (s. auch Koch und Grünewald 2011)

Der Klimawandel stellt eine Herausforderung dar, der sich die Wasserversorgung stellen muss. Anpassungsmaßnahmen müssen berücksichtigen, dass die Wassernachfrage auch, aber nicht nur durch Klimaänderungen bestimmt wird. Darüber hinaus ist insbesondere der sozioökonomische Wandel zu beachten. In den Wasserbedarfsszenarien für Versorgungsgebiete in Deutschland wird in den meisten Fällen ersichtlich, dass der Bedarf deutlich abnehmen wird, und zwar sowohl durch den wirtschaftlich-technologischen als auch den demografischen Wandel, hin zu weniger und älteren Einwohnern. Dieser Rückgang wird zudem durch Effekte des Klimawandels beeinflusst, z. B. durch höhere Durchschnittstemperaturen und ein geändertes Niederschlagsregime. Allerdings wird sich die Variabilität der täglich nachgefragten Wassermengen deutlich erhöhen. Insbesondere in den Sommermonaten wird die Spitzenlast im Trinkwasserbezug deutlicher über dem Jahresdurchschnitt liegen als in der Vergangenheit.

Diese Veränderungen führen zunächst durch die längere Verweildauer des Trinkwassers in den Leitungen zu technischen Herausforderungen. Zusätzlich wirkt sich diese Entwicklung durch den hohen Anteil an fixen Kosten bei der Wasserversorgung auf die Finanzierung aus. Werden die Kosten in starkem Maße durch mengenabhängige Entgelte refinanziert, ist wegen der hohen Fixkostenanteile durch den Einsatz langlebiger Infrastrukturen eine eindeutige Entwicklung zu skizzieren: Die durchschnittlichen Verbrauchsmengen sinken; die konstanten Fixkosten werden diesen zugeordnet, sodass die Entgelte pro Kubikmeter steigen, was zu einem verstärkten Anreiz führt, Wasser einzusparen. Dieses Gebühren- und Tarifsystem gilt es zu reformieren, wenn die Wasserver- und die Abwasserentsorgung in Zeiten des demografischen, wirtschaftlichen und Klimawandels finanzierbar bleiben sollen. Eine Kapazitätsreduzierung ist aufgrund der Langlebigkeit häufig nur im Zuge sukzessiver Erneuerungsmaßnahmen möglich bzw. kann aufgrund der nur wenig sinkenden Spitzenlasten nicht oder nur in begrenztem Umfang erfolgen.

Auf einen umfangreichen Rückbau von Wasserversorgungssystemen, die häufig Oberflächen- und Grundwasser sowie Uferfiltrat nutzen, in Erwartung der demografischen Entwicklung sollte auch im Sinne des Vorsorgeprinzips verzichtet werden. In Zukunft ist mit höheren Spitzenverbräuchen durch den Klimawandel zu rechnen, für den ebenfalls eine Versorgungssicherheit gewährleistet werden muss. Dezentrale Systeme können aufgrund ihrer Größe und Flexibilität zwar besser an Änderungen angepasst werden, doch müssen sie durch Redundanzen gegen Ausfall einzelner Quellen gesichert werden (s. auch Koch und Grünewald 2011).