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Sohlstabilisierung, Gewässerökologie und Wasserkraft: Die Sanierungsvariante E1+ „Mehr Fluss“ an der Unteren Salzach

  • Open Access
  • 11.10.2024
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Zusammenfassung

Der Fachtext beleuchtet die globale Erwärmung und die Notwendigkeit der Reduktion von Treibhausgasemissionen durch die Energiewende. Wasserkraft spielt dabei eine zentrale Rolle, insbesondere in Europa und Österreich. Gleichzeitig stehen europäische Fließgewässer unter erheblichem Druck durch anthropogene Eingriffe, die die ökologische Qualität beeinträchtigen. Der Beitrag stellt die Sanierungsvariante E1+ „Mehr Fluss“ an der Unteren Salzach vor, die sowohl ökologische Verbesserungen als auch die Nutzung erneuerbarer Energie vereint. Diese Variante umfasst die Anordnung und den Betrieb herkömmlicher wasserbaulicher Elemente unter der Prämisse der Verringerung ungünstiger Einflüsse auf die Gewässereologie. Das Konzept des Fließgewässerkraftwerks wird detailliert erläutert, einschließlich der Sicherstellung der Durchgängigkeit für Feststoffe, biologische Durchgängigkeit und Erhalt des Fließgewässercharakters. Die Variante E1+ „Mehr Fluss“ zielt auf die Stabilisierung der Sohle und die eigendynamische Aufweitung des Gewässers ab, wobei die Fallhöhe einer Rampe zur Stromerzeugung genutzt wird. Das Konzept verfolgt das Ziel einer möglichst raschen Zielerreichung einer naturnahen, eigendynamischen Salzach durch die Kombination von Initialmaßnahmen zur eigendynamischen Aufweitung, der unmittelbaren Verbesserung der Sohlstabilität und Sohlanhebung mit einer gezielten Steuerbarkeit dieser Prozesse.

Hinweis des Verlags

Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.

1 Einleitung

Die globale Erwärmung und die daraus resultierenden klimatischen Veränderungen erfordern eine rasche Reduktion der Treibhausgasemissionen (Lee et al. 2023). Die Energiewende ist daher eine der drängendsten Aufgaben unserer Zeit. Wasserkraftanlagen spielen hierbei, als tragende Säule der Energieerzeugung in zahlreichen europäischen Ländern (EU 2023a) und insbesondere in Österreich (BMK 2023), eine zentrale Rolle, was auch durch die „Renewable Energy Directive“ auf EU-Ebene untermauert wird (EU 2023b).
Gleichzeitig stehen die europäischen Fließgewässer unter erheblichem Druck. Ein Großteil der Flüsse ist durch anthropogene Eingriffe geprägt, mit negativen Auswirkungen wie Veränderungen des Wasserhaushalts, Störungen des Geschiebetransports und unterbrochene Migrationskorridore als unmittelbare Folge der Errichtung von Querbauwerken (Kuriqi et al. 2021). Während in Österreich ein Großteil der anthropogenen Barrieren für das Hochwasserrisikomanagement errichtet wurde, steht ein nicht unerheblicher Anteil im Zusammenhang mit der Stromerzeugung aus Wasserkraft (Kowal et al. 2024). Begradigungen der Fließgewässer und Befestigungen der Ufer im Zuge von Flussregulierungen verhindern weiters einen eigendynamischen Verlauf und führen zu erhöhten Fließgeschwindigkeiten. Zudem resultieren oberwasserseitige Querbauwerke und Uferbefestigungen in einem Geschiebedefizit (Aufleger et al. 2012), was gravierende Konsequenzen für den ökologischen Zustand der Gewässer haben kann (Petts 1999).
Der Schutz der europäischen Gewässer ist das zentrale Ziel der europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) (EU 2000). In diesem Kontext stehen Klimaschutz durch regenerative Energieerzeugung und Gewässerschutz häufig in einem Spannungsverhältnis. Der vorliegende Beitrag soll die Potenziale und Herausforderungen aufzeigen, ökologische Verbesserungen in stark anthropogen geprägten Gewässern mit einer Wasserkraftnutzung zu verbinden. Hierzu wird zunächst die Rolle der Wasserkraft als klimafreundliche Energiequelle im Kontext der Energiewende hervorgehoben. Es folgt die Charakterisierung der Anforderungen an gewässerökologisch besonders rücksichtsvolle Wasserkraftanlagen. Der Fokus liegt dabei auf Flusskraftwerken ohne Ausleitung, welche in der Regel zur grundlastfähigen Stromerzeugung eingesetzt werden. Als Beispiel für die Nutzung von Synergien zwischen Gewässersanierung und Wasserkraftnutzung wird schließlich die Sanierungsvariante E1+ „Mehr Fluss“ an der Unteren Salzach vorgestellt.

2 Wasserkraft im Kontext der Energiewende

2.1 Wasserkraft heute

Wasserkraft ist nach wie vor die weltweit größte erneuerbare Energiequelle und damit ein entscheidender Faktor für die Energiewende (EU 2023a). Als älteste Form der Energiegewinnung wird sie bereits seit mehr als zwei Jahrtausenden genutzt. Die ersten Wasserkraftanlagen zur Stromerzeugung wurden Ende des 19. Jahrhunderts in Betrieb genommen (Giesecke und Heimerl 2014). Die Technologie hat sich über einen Zeitraum von mehr als 100 Jahren bewährt und ist ausgereift. Weltweit werden ca. 15 % des Stroms durch Wasserkraft gewonnen (IEA 2022). In Österreich leistet die Wasserkraft einen erheblichen Beitrag zur Stromerzeugung, der je nach den jährlich schwankenden Erzeugungsbedingungen zwischen 2005 und 2022 zwischen 54 und 67 % der Gesamtmenge betrug (BMK 2023).
Um ein vollständig erneuerbares Energiesystem zu erreichen, muss die Stromproduktion aus erneuerbaren Energien signifikant erhöht werden, um auch der Dekarbonisierung des Wärmesektors, des Verkehrssektors und nicht zuletzt der Industrie gerecht zu werden. Im Sinne des Klimaschutzes gilt es, den Ausbau aller erneuerbaren Energieformen rasch und verantwortungsvoll voranzubringen (BMDW 2021). Als Teil eines vollständig regenerativen Energiesystems bietet Wasserkraft zahlreiche Vorteile für das Stromnetz, die keine andere regenerative Energiequelle leisten kann (Fry et al. 2022). Charakteristische Eigenschaften und Parameterwerte, die im Hinblick auf den Klimawandel besonders relevant sind, werden im Folgenden dargestellt.

2.2 Erntefaktor (Energy Return on Energy Invested Ratio, EROI)

Der Erntefaktor (EROI) gibt an, wie viel Energie (z. B. in Form von Elektrizität) eine Anlage während ihrer Lebensdauer erzeugt im Vergleich zu der Energie, die erforderlich war, um die Anlage zu bauen, zu betreiben, zu warten und nach Ende der Lebensdauer zurückzubauen. Je nach Quelle unterscheiden sich die Werte der Erntefaktoren für die einzelnen Energiequellen aufgrund der schwierigen Abgrenzung der Systemrandbedingungen stark.
Für Wasserkraftanlagen werden typischerweise EROI-Werte zwischen 50 und 200 (Giesecke und Heimerl 2014, Hall et al. 2014), je nach Typ des Kraftwerks und den spezifischen Bedingungen, angegeben. Dieser Wert ist signifikant höher als der von Windenergie (zwischen 20 und 40) (Hall et al. 2014) und Solarenergie (zwischen 11 und 18) (Frauenhofer ISE 2024) (siehe Abb. 1). Ein hoher EROI bedeutet, dass Wasserkraftwerke eine sehr effiziente Nutzung der eingesetzten Energie ermöglichen, was ihre Attraktivität im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energieträgern unterstreicht.
Abb. 1
Spanne des Erntefaktors (blau) und Spanne der CO2-Äquivalentemission (grün) für verschiedene erneuerbare Energiequellen (Datenquellen: (Giesecke und Heimerl 2014; Fry et al. 2022; Frauenhofer ISE 2024))
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Ausschlaggebend für den hohen Erntefaktor von Wasserkraftanlagen sind insbesondere die überaus langen Lebensdauern der Anlagen. Die Lebensdauer von Wasserkraftanlagen beträgt in der Praxis häufig 100 Jahre oder mehr. Es existieren zahlreiche Beispiele, die auch nach über 100 Jahren voll funktionsfähig weiterbetrieben werden können (Giesecke und Heimerl 2014). Im Gegensatz hierzu werden Windkraftanlagen 20 bis 30 Jahre betrieben (Umweltbundesamt 2024). Bei Photovoltaikanlagen kann von einer Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren ausgegangen werden (Frauenhofer ISE 2024).

2.3 CO2-Äquivalente pro kWh

Das CO2-Äquivalent pro kWh, also die Menge an CO2-Emissionen, die durch die Produktion einer Kilowattstunde Strom freigesetzt wird, liegt bei Laufwasserkraftwerken bei etwa 1 bis 3 g CO2-Äquivalent pro kWh (Fry et al. 2022). Im Vergleich dazu liegen die CO2-Äquivalente bei Windenergie zwischen 3 und 16 g CO2-Äquivalant pro kWh (Fry et al. 2022) und bei Solarenergie zwischen 30 und 35 g CO2-Äquivalent pro kWh (Frauenhofer ISE 2024) (siehe Abb. 1). Demgegenüber betragen die CO2-Äquivalentemissionen einer Gasturbine (Erdgas) 616 g pro kWh und eines Kohlekraftwerks 925 g pro kWh (BMLFUW 2012). Grundsätzlich gilt für alle erneuerbaren Energiequellen, dass die Emissionen vorwiegend während des Baus bzw. der Herstellung entstehen, während sie im Betrieb als vernachlässigbar gering angesehen werden können.
Zur Ermittlung des CO2-Vermeidungspotenzials wird die Jahreserzeugung aus erneuerbaren Energien konventionellen fossilen Kraftwerken gegenübergestellt. Die Berechnung erfolgt nach dem Österreichischen Wasserkatalog Wasser schützen – Wasser nutzen (BMLFUW 2012) unter der Annahme, dass durch den Neubau eines Wasserkraftwerks die Stromerzeugung des sogenannten Grenzkraftwerks (das „letzte“ zur Deckung der Nachfrage gerade noch eingesetzte fossile Kraftwerk) weniger oft eingesetzt wird. Aufgrund der gleichmäßigen, grundlastfähigen Energieerzeugung ersetzt eine Laufwasserkraftanlage eher ein Kohlekraftwerk.

2.4 Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad von Wasserkraftanlagen liegt bei modernen Anlagen bei etwa 90 % (Giesecke und Heimerl 2014). Im Vergleich dazu erreichen Windkraftanlagen Wirkungsgrade von etwa 32–40 % (Giesecke und Heimerl 2014) und Solaranlagen von etwa 18–19 % (Frauenhofer ISE 2024). Auch wenn dieser technische Zusammenhang nur begrenzte energiewirtschaftliche Bedeutung hat, zeigt sich, dass Wasserkraft heute die effektivste Form der regenerativen Energiegewinnung ist.

2.5 Verwendung seltener oder kritischer Materialien

Wasserkraftanlagen benötigen im Gegensatz zu Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen und Batterien in der Regel keine seltenen oder kritischen Rohstoffe (EU 2023a). Deren Abbau kann eine große Gefahr für Arten und ganze Ökosysteme darstellen (Sonter et al. 2020). Hierbei ist die bereits erwähnte kürzere Lebensdauer einer Windkraft- oder Photovoltaikanlage von großer Bedeutung. Hinzu kommen große Herausforderungen in der Entsorgung und dem Recycling entsprechender Bauteile (Lutz et al. 2018).

3 Gewässerökologie und Wasserkraft: Anforderungen an nachhaltige Anlagen

Die gewässerökologische Qualität eines Fließgewässers wird durch deren „ökologischen Zustand“ ausgedrückt. Die europäische Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) (EU 2000) stellt hierbei die zentrale Zielsetzung der europäischen Wasserpolitik dar und fordert unter anderem die Erreichung und/oder Wiederherstellung eines guten ökologischen Zustands aller Oberflächengewässer. Die Festlegung des ökologischen Zustands erfolgt ausschlaggebend durch die in Tab. 1 angeführten Hauptkomponenten.
Tab. 1
Hauptkomponenten zur Festlegung des ökologischen Zustands nach WRRL (EU 2000)
Biologisch
Hydromorphologisch
Physikalisch-chemisch
Zusammensetzung und Abundanz der Gewässerflora (Algen, Makrophyten)
Zusammensetzung und Abundanz benthischer wirbelloser Fauna (Makrozoobenthos)
Abundanz und Altersstruktur der Fischfauna
Wasserhaushalt
Abfluss und Abflussdynamik
Verbindung zu Grundwasserkörpern
Durchgängigkeit des Flusses
Morphologische Bedingungen
Tiefen- und Breitenvariation
Struktur und Substrat des Flussbetts
Struktur der Uferzone
- Wassertemperatur
- Sauerstoffgehalt
- Salzgehalt
- Versauerungszustand
- Nährstoffe
- Schadstoffe
Insbesondere aufgrund der anthropogenen Einflüsse auf den Naturraum in den letzten beiden Jahrhunderten erfüllt ein Großteil der europäischen Fließgewässer die Anforderungen für einen guten ökologischen Zustand nicht (EU 2021). Ausschlaggebend hierfür ist vor allem die Beeinträchtigung der biologischen Durchgängigkeit durch Querbauwerke und Eingriffe in den Wasserhaushalt durch Längsverbauungen, Stauhaltungen und Gewässerumleitungen. Neben deren Wiederherstellung ist die Erreichung eines für den jeweiligen Standort typischen Fließgewässercharakters Ziel der Maßnahmen zur Erreichung eines guten ökologischen Zustands im Sinne der WRRL. Das Zusammenspiel aus Fließgeschwindigkeit, Wassertiefe, Wasserspiegelschwankungen und die damit einhergehenden gewässermorphologischen Variationen charakterisiert ein standorttypisches Fließgewässer (EU 2000). Als maßgeblich gilt hierbei ein Referenzzustand, welcher das Ziel der Maßnahmen zur Wiederherstellung eines guten Zustands formuliert. Es handelt sich dabei um eine theoretische Referenz für den besten Zustand, den ein Gewässer unter natürlichen Bedingungen erreichen kann.
Konventionelle Laufwasserkraftanlagen verhindern diese Ziele häufig durch unterbrochene Wanderkorridore, Verringerung der Fließgeschwindigkeit und ein konstantes Stauziel. Gewässerökologisch besonders rücksichtsvolle neue Wasserkraftanlagen versuchen diese Probleme bestmöglich zu minimieren. Die Bewertung der ökologischen Aspekte einer Wasserkraftanlage ist in hohem Maße vom Anlagentyp abhängig. Bei Laufwasserkraftanlagen sind zusätzlich geänderte Bedingungen durch eine Ausleitung und/oder einen Aufstau zu berücksichtigen (Kuriqi et al. 2021). Störungen des Sedimentregimes, Änderungen des Fließgewässercharakters sowie der Verlust von Strukturvielfalt und Habitaten sind direkt durch die Anlagengröße und die Fallhöhe beeinflusst. Die nachfolgenden Ausführungen zu gewässerökologisch rücksichtsvollen Wasserkraftanlagen beziehen sich auf Niederdruckanlagen in Form von Flusskraftwerken ohne Ausleitungsstrecken.
Die Erwartungshaltungen an gewässerökologisch besonders rücksichtsvolle Wasserkraftanlagen sind vielfältig. Die große Bandbreite dieser Anforderungen steht häufig den Ansprüchen herkömmlicher Wasserkraftanlagen gegenüber. Die Erfüllung der Kriterien ist daher nur in einer ganzheitlichen Betrachtung des Gesamtlayouts möglich und nicht durch Einzelmaßnahmen erreichbar. In Tab. 2 werden die gemäß Aufleger und Brinkmeier (Aufleger und Brinkmeier 2015) dargelegten Erwartungshaltungen angeführt, ergänzt durch weitere potenzielle Maßnahmen zur Erreichung dieser Ziele.
Tab. 2
Ziele/Erwartungshaltungen an „gewässerökologisch besonders rücksichtsvolle“ Wasserkraftanlagen, angelehnt an Aufleger und Brinkmeier (Aufleger und Brinkmeier 2015)
Ziel/Erwartungshaltung
Mögliche Maßnahmen
Anmerkung
Sicherstellung der Durchgängigkeit für Feststoffe (Schwebstoffe, Geschiebe, Schwimmstoffe)
Sinnvolle Zuordnung der Anlagenteile; geeignete Korridore und/oder technische/betriebliche Maßnahmen vorsehen unter Berücksichtigung des Gesamtlayouts
Infolge geringer Stauhaltung i. A. keine nachhaltige Rückhaltewirkung auf Schwebstoffe und Geschiebe; mögliche Synergieeffekte zum Eingriff in morphologische Prozesse zur Verbesserung des Status quo
Biologische Durchgängigkeit (flussauf)
Fischaufstiegsmöglichkeit(en) nach den Regeln der Technik
Umfassende Regelwerke bzw. Empfehlungen verfügbar (BMLRT 2020)
Biologische Durchgängigkeit (flussab)
Fischschutz- und -ableitungskonzept, „fischfreundliche“ Turbinen
Derzeit großer Bedarf an Entwicklung und Funktionskontrollen bzw. Monitoring
Erhalt des Fließgewässercharakters
Niedrige Fallhöhe ohne wesentliche Stauhaltung
Je nach Fallhöhe und Steuerung Verhinderung bzw. Begrenzung des „Stau-Charakters“ möglich
Erhalt der Dynamik der Wasserspiegellagen
Dynamische Oberwasser(spiegel) – Steuerung
Abflussabhängige Steuerung von Turbinen und Verschlüssen angelehnt an natürliche Schlüsselkurve
Rücksichtnahme auf Strukturvielfalt und Habitate
Verzicht auf Maßnahmen in Gewässerabschnitten, die bereits eine gute Strukturvielfalt aufweisen und reich an Habitaten sind. Synergienutzung durch Anpassung mit flussbaulichem Konzept (z. B. „Weiche Ufer“, OW-Steuerung bei geschiebeführenden Abflüssen)
In verbauten Flussstrecken (Längsverbau, Querbauwerke u. a.) erhebliches Potenzial zur Verbesserung der Strukturvielfalt und der Habitate im Zuge von integrativen Sanierungskonzepten mit Wasserkraftnutzung
Berücksichtigung des Landschaftsbilds und der optischen Wirkung der Anlage
Überströmbarkeit des Krafthauses; architektonische Gestaltung
Möglicher Einfluss der Überströmbarkeit u. a. auf Betrieb, Fischabstieg und Geschiebetransport
Die in Tab. 2 beschriebenen Ziele und Erwartungshaltungen an gewässerökologisch besonders rücksichtsvolle Wasserkraftanlagen beziehen sich lediglich auf die lokalen Auswirkungen der Wasserkraftanlage selbst. Sie formulieren damit Ziele, mit der eine Anlage als gewässerökologisch möglichst neutral bewertet werden kann. Die möglichen negativen Folgen einer Anlage sollen somit minimiert bzw. eliminiert werden.
In Abhängigkeit vom Referenzzustand kann mit einem allumfassenden Konzept eine deutliche Verbesserung des gewässerökologischen Zustands auch mit einer Wasserkraftnutzung vereinbar sein. Dies kann vor allem für in ihrer flussmorphologischen Entwicklung stark beeinträchtigter Gewässerstrecken von Bedeutung sein. Je nach Ausgangssituation müssen hierzu integrative Ansätze der flussbaulichen Sanierung von Fließgewässern mit Wasserkraftnutzung entwickelt werden.

4 Das Fließgewässerkraftwerk – Synergie zwischen flussbaulicher Sanierung und Wasserkraftnutzung

4.1 Flussbauliche Sanierung und Wasserkraft

Ein Großteil der europäischen Flüsse ist durch Lauffixierungen und Befestigungen der Ufer an der eigendynamischen Entwicklung gehindert. Die großräumigen Korrektionsmaßnahmen mit Schwerpunkt im 19. Jahrhundert begründen einen grundsätzlichen Eintiefungszustand sehr vieler alpiner und voralpiner Flüsse. In weiterer Folge verstärkten insbesondere der Bau von Staustufen, Talsperren und auch der Wildbachverbau durch einen massiven Rückhalt von Geschiebe diese Eintiefungstendenzen (Aufleger et al. 2012). Zur Sanierung solcher Gewässer müssen Maßnahmen zur Sohlstabilisierung ergriffen werden.
Diese können Änderungen im Sedimentregime (z. B. durch künstliche Geschiebezugabe), die Erhöhung des Erosionswiderstands der Sohle (Deckwerke, Sohlpanzerungen) oder die Minimierung der Sohlschubspannung umfassen. Eine weitere Maßnahme ist die Initiierung einer eigendynamischen Uferaufweitung. Durch die Abnahme der Wassertiefe kann die wirksame Sohlschubspannung bei geschiebewirksamen Abflüssen langfristig reduziert werden. Als effektivstes Mittel haben sich Sohlenbauwerke bewährt, die das Energieliniengefälle verringern und gleichzeitig als biologisch durchgängig angesehen werden können, wie beispielsweise Blockrampen oder aufgelöste Rampen (Habersack et al. 2012). Über die Sohlstabilisierung ist mithilfe von Sohlenbauwerken auch eine langfristige Wiederanhebung der Sohle möglich. Kommen Sohlstufen zum Einsatz, entsteht zwangsläufig eine Fallhöhe zwischen den Wasserspiegeln oberhalb und unterhalb des Sohlenbauwerks. Im Angesicht des Klimaschutzes und der Motivation zum Ausbau erneuerbarer Energien können sich hier Synergien zwischen der Sanierung eines von Eintiefung betroffenen Gewässers und der Wasserkraftnutzung ergeben. Ein Konzept zur Nutzung solcher Synergien stellt die Sanierungsvariante E1+ „Mehr Fluss“ an der Unteren Salzach im Tittmoninger Becken dar. Als energetische Nutzung ist hier ein Fließgewässerkraftwerk vorgesehen, dessen Grundlagen in Aufleger und Brinkmeier (Aufleger und Brinkmeier 2015, 2010) erläutert und im Folgenden zusammengefasst werden.

4.2 Das Konzept des Fließgewässerkraftwerks

Das Konzept des Fließgewässerkraftwerks beschreibt die Anordnung und den Betrieb herkömmlicher wasserbaulicher Elemente unter der Prämisse der Verringerung ungünstiger Einflüsse auf die Gewässerökologie. Der entscheidende Unterschied zu herkömmlichen Flusskraftwerken ist die Erhaltung des Fließgewässercharakters im Oberwasserbereich des Kraftwerks. Grundvoraussetzung ist die Nutzung kleiner Fallhöhen, ein sehr begrenzter Aufstau und somit die Gewährleistung von – aus gewässerökologischer Sicht – ausreichend hohen Fließgeschwindigkeiten. Darüber hinaus ist die Sicherstellung dynamischer Wasserstände im Oberwasser in Abhängigkeit vom Abfluss integraler Bestandteil des Konzepts (Aufleger und Brinkmeier 2010).
Das Fließgewässerkraftwerk besteht im Wesentlichen aus mehreren den standortspezifischen Gegebenheiten angepassten Elementen und kann als Kombinationsbauwerk angesehen werden. Zwingend erforderlich sind voll funktionsfähige Fischaufstiegsanlagen. Diese können durch technische Fischaufstiege sowie Umgehungsgewässer gegeben sein. Ein optionaler Bestandteil ist eine aufgelöste flache Rampe, welche die Durchgängigkeit (flussauf und flussab) über das gesamte Abflussspektrum gewährleisten soll. Die flussabwärts gerichtete Durchgängigkeit muss weiters durch einen effektiven Fischschutz sowie attraktive Abstiegsmöglichkeiten gesichert sein. Entscheidend für die Funktionsfähigkeit solcher Anlagen ist die gleichmäßige Anströmung der Rechenflächen unter Einhaltung entsprechender Bemessungsgrenzen (Ebel 2024, Schwevers und Adam 2020). Die mittel- und langfristige Durchgängigkeit für Geschiebe ist durch eine Universalöffnung bzw. ein weitgehend konventionelles Wehrbauwerk begrenzter Breite gegeben. Aufgrund der im Sinne eines Kraftwerksbetriebs ungewöhnlichen Randbedingungen hinsichtlich oberwasserseitiger Sohllage, Fließgeschwindigkeit und Feststofftransport ist zumindest an Flüssen mit ausgeprägtem Geschiebetrieb die Anordnung sehr flacher Kraftwerkseinheiten mit einer größeren Anzahl von Kompaktturbinen nebeneinander vorteilhaft. Eine Geschiebeleitschwelle und zusätzliche Spülöffnungen ermöglichen es, die Turbineneinläufe geschiebefrei zu halten (siehe hierzu Abb. 4).

5 Fallbeispiel Sanierungsvariante E1+ „Mehr Fluss“ an der Unteren Salzach

5.1 Ist-Zustand und Sanierungskonzept

Die Salzach ist einer von vielen voralpinen Kiesflüssen, welche seit dem 19. Jahrhundert massiven anthropogenen Eingriffen unterliegen (Foeckler et al. 1991). Durch die Begradigungen und Befestigungen der Ufer weist der Fluss kaum Strukturvielfalt auf (Baumgartner et al. 2021). Durch hohe Fließgeschwindigkeiten und ein Geschiebedefizit neigt die Salzach im Bereich des Tittmoninger Beckens zu massiven Eintiefungen mit der Gefahr des Sohldurchschlags (Hengl 2024). Eine flussbauliche Sanierungsmaßnahme und ökologische Aufwertung sind unabdingbar (WRS 2001). Die Variante E1+ „Mehr Fluss“ bietet ein Konzept zur nachhaltigen Sohlstabilisierung und Wiederherstellung eines naturnahen Fließgewässers bei gleichzeitiger Erzeugung wichtiger Erneuerbarer Energie. Das Projektgebiet erstreckt sich von Fkm 44,8 bis Fkm 35,0 (siehe Abb. 2). Die folgende Beschreibung beruht auf den Veröffentlichungen von Baumgartner et al. 2021 und Zöschg et al. 2023 sowie der aktualisierten technischen Planung.
Abb. 2
Skizze und Animation der Sanierungsvariante E1+ „Mehr Fluss“ an der Unteren Salzach im Herstellungszustand (Abbildung angepasst von (Baumgartner et al. 2021))
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Bei Fkm 39,9 ist die Errichtung eines Fließgewässerkraftwerks als Kombinationsbauwerk geplant (Abb. 3). Dieses hat originär als Sohlstufe – u. a. in Form einer aufgelösten asymmetrischen Rampe – die Aufgabe, die Sohle der besonders erosionsgefährdeten Strecke im Oberwasser nachhaltig zu stabilisieren und anzuheben. Die zur Sohlstabilisierung ohnehin erforderliche Fallhöhe wird im normalen Betrieb etwas erhöht und im Sinne des Klimaschutzes zur Erzeugung von gut verfügbarem Strom aus erneuerbarer Energie abgearbeitet. Als essenzieller Teil des Sanierungskonzepts werden im Flussabschnitt unterhalb dieses Querbauwerks, d. h. etwa zwischen Fkm 40,0 und Fkm 35,0, drei Aufweitungsgewässer wechselseitig im bestehenden Auwald angeordnet (Abb. 2).
Abb. 3
Animation zum Kombinationsbauwerk der Variante E1+ „Mehr Fluss“ bei Fkm 39,9 (Abbildung angepasst von Baumgartner et al. 2021)
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Durch ein möglichst integratives Konzept sollen alle relevanten Kriterien der Sohlstabilisierung, der Gewässerökologie, der terrestrischen Ökologie, des Hochwasserschutzes und des Klimaschutzes in zielführender und nachhaltiger Form berücksichtigt werden.

5.2 Das Fließgewässerkraftwerk als Beitrag zur Energiewende

Im Sinne des Ausbaus erneuerbarer Energien kann ein Fließgewässerkraftwerk an der Unteren Salzach einen Beitrag zur Energiewende leisten. Eine energetisch nutzbare Fallhöhe von 3,0 bis 4,5 m soll von insgesamt 12 Kompaktturbinen in vier Blöcken abgearbeitet werden. Der Ausbauabfluss beträgt 200 m3/s. Somit kann eine installierte Leistung von ca. 6,5 MW bzw. eine Jahreserzeugung von ca. 36 GWh/a erzielt werden. Unter der Annahme von ca. 5500 Volllaststunden pro Jahr ergibt sich ein CO2-Vermeidungspotenzial von durchschnittlich ca. 21.600 t CO2 pro Jahr (vgl. 2.3).

5.3 „Mehr Fluss“ – Gewässerökologische Verbesserung der Unteren Salzach

Die Variante E1+ „Mehr Fluss“ als Sanierungskonzept eines stark kanalisierten und sich eintiefenden Flusses zielt auf die unmittelbare Stabilisierung der Sohle und rasche eigendynamische Aufweitung des Gewässers ab. „Mehr Fluss“ bedeutet hier konkret die Beschleunigung von Aufweitungsprozessen durch gezielte Maßnahmen (siehe Abb. 2):
  • Rückbau vorhandener Ufersicherungen: Die Entfernung der Ufersicherung erfolgt in alternierenden Abschnitten unter Berücksichtigung der bestehenden Nutzungen und Eigentumsverhältnisse.
  • Aufweitungsgewässer: Als Aufweitungsgewässer werden in wechselseitiger Anordnung drei Nebenarme angelegt, welche innerhalb der prognostizierten Aufweitungsflächen der Salzach liegen. Im Laufe der eigendynamischen Aufweitung sollen sich diese mit dem Hauptarm der Salzach in dynamischer Weise vereinigen.
  • Sohlanhebung und Flachuferstrukturen: Der Aushub der Nebengewässer soll der Salzach zugeführt werden. Das Kiesmaterial wird möglichst gleichmäßig über die gesamte Breite des Flusses verteilt. Hierbei werden im großen Umfang ökologisch wertvolle Flachuferstrukturen geschaffen. So wird zusätzlich zur oberwasserseitigen Sohlhebung durch das Querbauwerk die Sohle auch unterwasserseitig bereits im Herstellungszustand eine Anhebung erfahren.
  • Auefließgewässer: Zwei Auefließgewässer zur Vernetzung mit weiter entfernten Bereichen der Aue werden angelegt. Die eigendynamische Entwicklung dieser Gewässer wird einseitig in hydraulisch besonders belasteten Streckenabschnitten (z. B. Außenkurven) durch ingenieurbiologische Verbauungsmaßnahmen mit hoher ökologischer Wertigkeit beschränkt. Hieraus ergibt sich eine klare Strömungsführung und vergleichsweise hohe Leistungsfähigkeit, was das Risiko der Verlandung reduziert.
  • Umgehungsgewässer: Ein Umgehungsgewässer des Querbauwerks ohne Aufweitungsdynamik trägt zum gewässertypischen Fließgewässercharakter mit funktionellen Uferzonen bei und dient darüber hinaus aquatischen Organismen auch als Lebensraum. Darüber hinaus wird ein zusätzlicher Migrationskorridor zur Verbesserung der Durchgängigkeit der Anlage geschaffen.
Der Rückbau vorhandener Ufersicherungen, die Aufweitungsgewässer sowie die Sohlanhebung beschleunigen eine schnelle eigendynamische Aufweitung der Ufer erheblich. Gleichzeitig steigern die Nebengewässer die Strukturvielfalt in diesem Gewässerabschnitt und stellen zusätzliche Habitate unmittelbar im Herstellungszustand zur Verfügung. Folglich wird die ökologische Wertigkeit des Gewässerabschnitts bereits mit der Bauumsetzung deutlich verbessert. Das Entwicklungskonzept ist so konzipiert, dass potenzielle Anpassungsmaßnahmen in der Zukunft vermieden werden sollen. So soll sich die Salzach langfristig zu einem sehr breiten (ca. 200 m), strukturreichen und eigendynamischen Fluss im Sinne des Ansatzes „Mehr Fluss“ entwickeln.
Die Variante E1+ „Mehr Fluss“ versteht sich als gesamtökologisches Konzept, weswegen für eine Wasserkraftnutzung hohe gewässerökologische Anforderungen gestellt werden. Die Erfüllung der in Tab. 2 beschriebenen Erwartungshaltungen an ökologisch besonders rücksichtsvolle Wasserkraftanlagen werden für das geplante Fließgewässerkraftwerk nachfolgend beschrieben:
  • Sicherstellung der Durchgängigkeit für Feststoffe: Entscheidend für die Durchgängigkeit von Feststoffen ist die Anordnung der einzelnen Anlagenteile im Gewässer. Bei Flusskilometer 39,9 der Unteren Salzach ist ein Buchtenkraftwerk am orografisch linken Ufer geplant. Zwei Universalöffnungen in der Mitte der Anlage dienen der Abfuhr höherer Abflüsse und als vorrangiger Weg des Geschiebetransports (siehe Abb. 3). Eine den Turbineneinläufen vorgelagerte Geschiebeleitschwelle führt das Geschiebe in Richtung der Universalöffnung ab. Ein geringer Geschiebeanteil wird sich vor den Einläufen absetzen und kann hier über gesonderte Spülöffnungen in das Unterwasser abgeführt werden (siehe Abb. 4). Die prinzipielle Funktionsweise dieses Aufbaus wurde bereits über einen Modellversuch nachgewiesen (Brinkmeier 2012).
  • Biologische Durchgängigkeit (flussauf): Für die flussauf gerichtete Durchgängigkeit stehen mehrere unabhängige Migrationskorridore zur Verfügung. Integraler Bestandteil der Gesamtanlage und somit auch der Durchgängigkeit ist eine asymmetrische aufgelöste Rampe. Das Konzept besteht aus einer Abfolge von Steinriegeln und dazwischenliegenden Becken. Durch eine flache Querneigung von 1:16 werden die Mindestwassertiefen für das gesamte Abflussspektrum eingehalten. Die Fließtiefe variiert über die Breite, sodass für alle vorkommenden Fischarten und Altersstadien günstige Voraussetzungen für den Aufstieg geschaffen werden sollen. Am linken Rand befinden sich zudem Buhnen, welche im Bereich deutlicher Tiefstellen Kehrströmungen erzeugen und von Fischen als Rastposition während des Aufstiegs genutzt werden können (Baumgartner et al. 2021; Zöschg et al. 2023). Darüber hinaus stehen ein technischer Fischaufstieg in Kraftwerksnähe sowie ein Umgehungsgerinne als Migrationskorridor zur Verfügung (siehe Abb. 2).
  • Biologische Durchgängigkeit (flussab): Neben der asymmetrischen Rampe und dem Umgehungsgewässer ist die flussabwärts gerichtete Durchgängigkeit im Bereich des Krafthauses in Form eines hybriden Fischschutzsystems mit mehreren Fischabstiegsgassen zwischen den Kraftwerksblöcken gewährleistet. Im Sinne einer funktionalen Einheit müssen beide Komponenten die Funktionen des Blockierens, Leitens und Ableitens erfüllen (Keuneke und Wagner 2024). Das hybride Fischschutzsystem besteht aus überströmten Horizontalrechen, welche zunächst als rein physische Barriere wirken. Die Elektrifizierung der Rechenstäbe und das daraus resultierende elektrische Feld vor dem Rechen bewirkt zudem eine Verhaltensbarriere, die zu verbesserten Fischschutzraten gegenüber herkömmlichen Feinrechen führt, insbesondere für juvenile und kleinere Fische (Tutzer et al. 2021; Meister et al. 2021). Die Rechen sind im Grundriss 30° „v-förmig“ vor den Kraftwerksblöcken angeordnet und sollen den abstiegswilligen Fisch in eine Abstiegsgasse leiten (siehe Abb. 4). Der vorgesehene Stababstand beträgt 60 mm. Der Abstieg erfolgt durch Abstiegsgassen über eine Klappe in das Unterwasser. Gleichzeitig bestehen Überlegungen, neu entwickelte fischfreundliche Kompaktturbinen zu verwenden, welche die Gefahr einer Fischschädigung weiter verringern.
  • Erhalt des Fließgewässercharakters: Infolge der Errichtung der Rampe ergibt sich je nach Abfluss eine Fallhöhe von 3,0 bis 4,5 m. Oberwasserseitig der geplanten Rampe wird sich eine Anhebung der Sohle einstellen. Die daraus folgenden vergleichsweise hohen Fließgeschwindigkeiten bei dynamischen Oberwasserständen bewirken einen naturnahen Fließgewässercharakter. Im Gegenzug ergeben sich hieraus besondere Anforderungen an die Anströmung des Kraftwerks und das Geschiebemanagement.
  • Erhalt der Dynamik der Wasserspiegellagen: Ein wesentlicher Bestandteil des Konzepts ist die Festlegung einer Wasserstands-Abfluss-Beziehung (W-Q-Beziehung), die sich an einem natürlichen Verlauf orientiert und lediglich im unteren Abflussbereich minimal angehoben wird (siehe Abb. 5). Die Aspekte des Hochwasserschutzes, des Geschiebetransports sowie der Ökologie gehen hier als Randbedingung ein.
  • Berücksichtigung des Landschaftsbilds und der optischen Wirkung der Anlage: Durch die vollständige Überströmbarkeit und flache Ausführung des Krafthauses gliedert sich das gesamte Querbauwerk in das allgemeine Landschaftsbild ein (siehe Abb. 6).
Abb. 4
Fischschutz- und Fischabstiegskonzept sowie Geschiebeableitungskonzept im Nahbereich des Fließgewässerkraftwerks für die Sanierungsvariante E1+ „Mehr Fluss“. Gelb markiert sind die hybriden Fischschutzsysteme, in Grün ist der Fischabstiegskorridor angedeutet
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Abb. 5
Wasserstands-Abfluss-Beziehung für Oberwasser und Unterwasser des FGKW (Fkm 39,9)
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Abb. 6
Visualisierung des Fließgewässerkraftwerks an der Salzach
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Mehrwert gegenüber Renaturierung ohne Wasserkraftnutzung:
Im Zusammenspiel mit dem Uferrückbau im Ober- und Unterwasser sowie Initialmaßnahmen zur Aufweitung des Fließgewässers können sich Synergien aus Sohlstabilisierung, Gewässeraufweitung und Wasserkraftnutzung ergeben. Über eine langfristig angepasste Steuerung der Wasserspiegel während geschiebewirksamer Abflüsse kann Einfluss auf den Rückhalt oder die gezielte Weitergabe von Geschiebe genommen werden. So ist ein nachhaltiger Eingriff in die morphologischen Prozesse ohne weitere flussbauliche Maßnahmen oberhalb und unterhalb der Anlage möglich (Baumgartner et al. 2021).
Das Gesamtkonzept der Variante E1+ „Mehr Fluss“ verfolgt das Ziel einer möglichst raschen Zielerreichung einer naturnahen, eigendynamischen Salzach durch die Kombination von Initialmaßnahmen zur eigendynamischen Aufweitung, der unmittelbaren Verbesserung der Sohlstabilität und Sohlanhebung mit einer gezielten Steuerbarkeit dieser Prozesse.

6 Zusammenfassung und Ausblick

Wasserkraft ist ein wichtiger Baustein der Energiewende hin zu einer CO2-neutralen Energiewirtschaft. Insbesondere Laufwasserkraftanlagen tragen in Österreich bereits jetzt den überwiegenden Anteil zur fossilfreien Erzeugung elektrischer Energie bei (BMK 2023). Zahlreiche Vorteile, darunter hohe Energieeffizienz, niedrige CO2-Äquivalentemissionen und hohe Erntefaktoren, zeichnen Wasserkraftanlagen aus. Nur mit einem möglichst integrativen Ansatz, der alle erneuerbaren Energien als sich ergänzende Bestandteile eines Gesamtsystems umfasst, können die Klimaziele im Energiesektor erreicht werden. Dies bedingt auch den weiteren Ausbau von Laufwasserkraftanlagen in Mitteleuropa (BMDW 2021). An voralpinen Kiesflüssen bieten sich noch eine Reihe potenzieller Standorte zur Wasserkraftnutzung (Pöyry Austria Gmbh 2018).
Gleichzeitig unterliegen große Teile der heimischen Fließgewässer bereits jetzt massiven anthropogenen Einflüssen und befinden sich in schlechtem ökologischem Zustand (Umweltbundesamt 2024). Neben der Flussbegradigung und Kanalisierung haben konventionelle Wasserkraftanlagen hier einen maßgeblichen Anteil, was zu Konflikten zwischen Klimaschutz und anderen wichtigen ökologischen Belangen führt. Hierbei kann es nicht im Sinne des Klimaschutzes sein, die gewässerökologischen Folgen von Wasserkraftanlagen zu ignorieren, und nicht im Sinne des Gewässerschutzes sein, die Bedeutung der Wasserkraft für eine nachhaltige Energiewende zu ignorieren. Zur Vermittlung in diesem Konflikt wurden verschiedene innovative ökologische Wasserkraftanlagen für Neubauprojekte entwickelt (Overhoff und Keller 2015). Der Erfolg solcher Anlagen ist teilweise umstritten (Mueller et al. 2022). Wasserkraftanlagen können nicht als gewässerökologisch nachhaltig bewertet werden, wenn sie singuläre „ökologische“ Merkmale aufweisen, wie beispielsweise spezielle Turbinen oder gesonderte Einlaufformen (Geist 2021). Gerade an stark anthropogen beeinträchtigten Gewässerabschnitten, an denen ohnehin flussbauliche Anpassungen erforderlich sind, können integrative Konzepte hingegen Renaturierungsmaßnahmen mit der Erzeugung klimaneutraler Energie verbinden. Ein möglicher Kriterienkatalog wurde hierzu zusammengestellt (Tab. 2) und mögliche Lösungsansätze anhand des Beispiels des Fließgewässerkraftwerks an der Unteren Salzach beschrieben.
Die Variante E1+ „Mehr Fluss“ ist ein umfassendes Konzept zur dringend notwendigen Renaturierung der Unteren Salzach im Tittmoninger Becken. Das Konzept soll Projektziele in den Bereichen Gewässerökologie, Sohlstabilisierung, Hochwasserschutz und erneuerbare Energieerzeugung möglichst schnell, zuverlässig und vorhersehbar erreichen. Neben der Sohlstabilisierung im Bereich der Rampe sind Initialmaßnahmen zur eigendynamischen Aufweitung im Unterwasser geplant. Die durch das ohnehin erforderliche Querbauwerk bedingte Fallhöhe soll dabei durch ein Fließgewässerkraftwerk energiewirtschaftlich genutzt werden. Dieses Kraftwerk ist so konzipiert, dass möglichst alle potenziell negativen Auswirkungen herkömmlicher Flusskraftwerke vermieden werden können. Im Rahmen der laufenden technischen Planung wird das Konzept weiter optimiert. Hierzu wird in den Jahren 2024 und 2025 ein physikalisches Modell im Maßstab 1:27 am Arbeitsbereich Wasserbau der Universität Innsbruck gebaut und betrieben, um den hohen Anforderungen des Geschiebetransports und Sedimentmanagements gerecht zu werden. Parallel hierzu werden 3D-numerische Untersuchungen zu den Anströmbedingungen aller Anlagenteile mit besonderem Fokus auf den Fischschutz und Fischabstieg durchgeführt. Darüber hinaus wurden und werden umfangreiche ethohydraulische Versuche zur Verbesserung des Fischschutzes mit hybriden Barrieren an der Universität Innsbruck durchgeführt. Die Ergebnisse sollen zu einem nachhaltigen Konzept im Sinne der Sohlstabilisierung, der Gewässerökologie und des Klimaschutzes beitragen, der sowohl gesellschaftliche als auch politische Unterstützung findet.
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Titel
Sohlstabilisierung, Gewässerökologie und Wasserkraft: Die Sanierungsvariante E1+ „Mehr Fluss“ an der Unteren Salzach
Verfasst von
Dipl.-Ing. Christian Jähnel
DI Hannes Zöschg
Dipl.Ing. Dr. Johannes Wesemann
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Markus Aufleger
Publikationsdatum
11.10.2024
Verlag
Springer Vienna
Erschienen in
Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft / Ausgabe 11-12/2024
Print ISSN: 0945-358X
Elektronische ISSN: 1613-7566
DOI
https://doi.org/10.1007/s00506-024-01085-w
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