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Ansatz zur strategischen Planung von Kläranlagen – das
Stufenkonzept als rollierendes Planungsinstrument
Stefan Geyler, Nina Manig, Maike Beier
KIM – Kommunales Infrastruktur-Management
Berlin, 6. September 2018
2Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
E-Klär – Kläranlagentechnologien für den Transformationsprozess in Richtung Technikwende
https://www.e-klaer.de/
3Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
► Motivation/Zielsetzung
► Die Idee des E-Klär-Stufenkonzeptes
► Detailaspekte / Beispiele
Gliederung
4Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
Motivation/Zielstellung
5Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
► 9.300 Kläranlagen in Deutschland
erheblicher Reinvestitionsbedarf
► Steigende Anforderungen bzgl. Gewässerschutz
Mikroschadstoffe, Keimbelastung, Mikroplastik…
► Steigende Zusatzanforderungen
Energieeffizienz: Minimierung Energieverbrauch/Steigerung Energieproduktion
Nährstoffrückgewinnung z. B. Phosphat – Klärschlammverordnung
Vernetzung mit Abfallentsorgung z. B. Co-Vergärung
…
Gelegenheit und Bedarf zur Weiterentwicklung von Kläranlagen
https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Klaerwerk_Buelk_nahe
_Kiel.jpg, abgerufen am 1.9.2018
6Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
► E-Klär – Innovationen in Bereichen:
Kohlenstoffausschleusung
Stickstoffelimination
Spurenstoffelimination und Desinfektion
Kohlenstoffnutzung
Wertstoffrückgewinnung
► Andere ERWAS-Projekte
Verfahrensinnovationen:
Brennstoffzellen für Abwasser
Metallurgisches Phosphorrecycling
Kläranlagen als Energiesystemdienstleister
Regelenergiebereitstellung
Energiespeicher
Zahlreiche (komplexe) technische Innovationsansätze
PWB
4. Reinigungsstufe
Kohlenstoffausnutzung
Mechanische Reinigung
Gasverwertung
Neue Module:Vorbehandlung (aerob/anaerob)
Lamellenabscheider +/- Chemikalien
Rechengutwaschpresse
Feinsieb
Siebgutwaschpresse
Flotation
Neue Module:Bio-P/P-Rückgewinnung
Deammonifikation (TS, HS)
Neue Module:Thermodruckhydrolyse
Entwässerung mit Schneckenpresse
Co-Vergärung von Rechengutwaschwasser
PS RSÜS
RZ
Kohlenstoffausschleusung
VED
FB
Wärmetauscher
BHKW
Gasspeicherung
Trocknung Verbrennung
RE SF
VK
SE
Heizung
BBNK
Schlammentsorgung
Nährstoffrückgewinnung
Ozonung
O3/O2
Legende
RE: Rechen
SF: Sand/Fettfang
VK: Vorklärung
BB: Belebungsbecken
NK: Nachklärung
RZ: Rezirkulation
RS: Rücklaufschlamm
PS: Primärschlamm
ÜS: Überschussschlamm
VED: Voreindicker
NED: Nacheindicker
FB: Faulbehälter
SE: Schlammentwässerung
PWB: Prozesswasserbehandlung
F: Filtration
PW: Prozesswasser
FS: Filterspülwasser
F
Neue Module:Filtration über GAK
PAK in Flockungsraum eines Filters
PAK in Kontaktbecken + Sedimentation
Ozonung
UV-Bestrahlung
Membranverfahren
NED
PW
FS
Nährstoffelimination und -rückgewinnung
Neue Module:P-Rückgewinnung
7Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
► Zahlreiche Wandlungsprozesse
Bevölkerungszahl und -struktur
Siedlungsstruktur
Wirtschaftsstruktur
marktliche Rahmenbedingungen
Rechtliche Rahmenbedingungen
…
► Pfadabhängigkeit bei Kläranlagen
technologische Interdependenzen
lange Nutzungsdauern /Restbuchwerte
…
Bewertung von Innovationen unter Unsicherheit und bei Pfadabhängigkeiten
8Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
► weder bei strategischen Planungen
Abwasserbeseitigungskonzept, Asset-Management, Investitionsplan
► noch bei Technologieplanung
Fokus auf konkretem Handlungsbedarf und Einzelmaßnahmen
(Ersatzinvestitionen)
mit konkreter Umsetzung abgeschlossen
Integration neuer Technologien stark von handelnden Personen abhängig
Durch Aufgabenträger werden Innovationen i.d.R. nicht systematisch gewürdigt
Planungsauslöser PlanungsendePlanungs-/Genehmigungsprozess
9Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
1. Konzeptionelle Klärung der Strategiefindung zur Transformation
von Kläranlagen unter Unsicherheit
konkrete Investitionsentscheidung bei vielfältigen
Innovationsmöglichkeiten
Abwägen zwischen Chancen und Risiken von Innovationen
2. Organisatorische Integration der Strategiefindung bei
Aufgabenträgern
3. Erhöhen der Innovationsbereitschaft von Aufgabenträgern
Herausforderungen in Bezug auf systematische Berücksichtigung von Innovationen
10Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
1. Konzeptionelle Klärung der Strategiefindung zur Transformation
von Kläranlagen unter Unsicherheit
konkrete Investitionsentscheidung bei vielfältigen
Innovationsmöglichkeiten
Abwägen zwischen Chancen und Risiken von Innovationen
2. Organisatorische Integration der Strategiefindung bei
Aufgabenträger
3. Erhöhen der Innovationsbereitschaft von Aufgabenträgern
Herausforderungen in Bezug auf systematische Berücksichtigung von Innovationen
11Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
Vorstellen des „Stufenkonzeptes“ – Planungskonzept zur Erarbeitung
langfristiger Transformationsstrategien für Kläranlagen unter
Unsicherheit
Strategische Auswahl von Transformationszielen und -pfaden
Würdigung von Chancen und Risiken der Innovationen
zusätzlich Berücksichtigung von Unwissen (überraschende
Entwicklungen)
Verringerung des Bewertungsaufwandes (Heuristik)
Zielstellung
12Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
Idee des E-Klär-Stufenkonzeptes
13Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
… verbindet vier Bausteine
Backcasting
Explorative Szenarien
Rollierende Planung
Bewertungskonzept der Robustheit
Das Stufenkonzept …
14Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
Zuerst Festlegung des strategischen Ziels, …
1. Konzept des Backcasting
2015 2050
15Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
… danach Ermittlung der notwendigen Schritte zur Zielerreichung
1. Konzept des Backcasting
2015 2050
16Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
Beschreibung plausibler Entwicklungen der Rahmenbedingungen als
Bündel explorativer Szenarien
2. Konzept explorativer Szenarien
17Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
Erarbeitung eines Langfristplans und Planüberprüfung nach
Realisierung der ersten Teilschritte
3. Konzept der rollierenden Planung
Langfristige Technologiestrategie
Anstehender Umsetzungsschritt
Überprüfung der Strategie
18Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
► Auswahl von Technologien und Investitionsschritten, die für
(nahezu) jede denkbare zukünftige Umweltlage zu guten bzw.
akzeptablen Ergebnissen führen (Scholl 2001)
… über Bandbreite an plausiblen Zukunftsszenarien eine bestimmte
Leistung erreichen,
… Leistung unempfindlich gegenüber bestehenden Unsicherheiten
… Strategie gegenwärtig und in Zukunft effektiv und flexibel genug, um an
zukünftige Bedingungen angepasst zu werden
► Beurteilung von Optionen sowohl unter guten als auch schlechten
Rahmenbedingungen
► Bewertung anhand von Robustheit bevorzugt flexible oder stabile
Handlungsoptionen
4. Bewertungskonzept der Robustheit
19Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
Stufenkonzept – Gesamtüberblick
19
► Rollierende
Planung
► Szenarienbasierter Ansatz
► Robustheit als
Bewertungskriterium
► 2 Bewertungsschritte
Langfristige
Technologiestrategie
Anstehender
Umsetzungsschritt
► Mehrere Prognoseschritte
20Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
Detailaspekte /
Beispiele
21Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
Verzahnung von Bewertungsschritten und Modellen
22Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
► Übertragung von Szenarienangaben
in Bemessungswerte
Zentrale Prognosewerkzeuge/Modelle dienen der
Q
TemperaturCSBhom
CSBfil
CSBinert,fil
TKNNH4-NNO3-NNO2-NPO4-PPges
TSGV
Benzotriazol
DiclofenacSulfamethoxazol
E-Coli
► szenarienbasierten Schätzung von Indikatorwerten
23Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
Vorgehen zur Auswahl der Technologiestrategie (2050)
GewichtungSzenarienspezifisch optimale
Technologie Techno-
logie-
strategieFremd-
energie-
bezug
Gesamt-
kosten
Max
(2050)
Mittel
(2050)
Min
(2050)
0,3 0,7 T1 T1 T2 T1
1. Ermittlung der besten Technologiekonzepte
innerhalb jedes Szenarios in Bezug auf
Fremdenergiebezug und Gesamtkosten
Nutzwertanalyse (2050)
2. Szenarienübergreifende Bewertung der besten
Konzepte (Robustheitsprüfung)
24Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
Vorgehen zur Auswahl des anstehenden
Umsetzungsschrittes
Auswahl des anstehenden
Umsetzungsschrittes
dynamische
Kostenvergleichsrechnung
von Pfaden
Robustheitsprüfung des
anstehenden
Umsetzungsschrittes
Strafkosten einer
Fehlentscheidung
Beispiele für Investitionspfade
25Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
► Zur Weiterentwicklung von Kläranlagen sind Strategien zur systematischen Integration von Innovationen hilfreich
► E-Klär-Stufenkonzept – strategisches Planungskonzept
Zerlegung der komplexen Entscheidung in mehrere Teilschritte
Reduzierung der Entscheidungsaufwand bei Berücksichtigung von
– Transformationsziele und -pfad
– konkrete Investitionsentscheidung
– Berücksichtigung von Unwissen und
– Vorsicht von Entscheidungsträgern
► Technische Umsetzung hängt ab von/vom:
Datenbereitstellung/Prognosemöglichkeiten
Datenmanagement
Fazit
26Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018
Dr. Stefan Geyler Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement, Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät
Universität Leipzig, Grimmaische Straße 12, 04109 Leipzig
Tel: +49 341 9733877; [email protected]
Dipl.-Ing. Nina ManigInstitut für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik, Leibniz Universität Hannover,
Welfengarten 1, 30167 Hannover
Tel.: +49 511/762-4143; [email protected]
Dr.-Ing. Maike BeierInstitut für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik, Leibniz Universität Hannover,
Welfengarten 1, 30167 Hannover
Tel.: +49 511/762-2898; [email protected]
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