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ÖWAV/TU Wien – Seminar 2015, 24./25. Feb. 2015, TU WienNEW Nährstoffe Energie Wasser

Block Methoden:

Stoffflussanalysen und RessourcenmanagementHelmut RechbergerTechnische Universität WienInstitut für Wassergüte, Abfallwirtschaft und Ressourcenmanagement

2Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Was ist eigentlich Ressourcenmanagement?

Erfassung, Bewertung und Gestaltung von

natürlichen und anthropogenen Systemen, die der

Erhaltung und Förderung der Lebensqualität dienen.

Abfall-wirtschaftVersorgung Konsum

Ressourcenmanagement

3Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

DefinitionDie Stoffflussanalyse ist ein Werkzeug zur Beschreibung und Analyse beliebig komplizierter Systeme in materieller Hinsicht.

BasisDie Stoffflussanalyse baut auf dem Massenerhaltungssatz auf:

Input = Output + Lageränderung

Erfassung: Methode der Stoffflussanalyse

ProzessInput Output

Lager

4Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Der Massenerhaltungssatz

Quelle: R.H. Major, Santorio Santorio, Ann.Medical Hist., 10, 369, 1938

5Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

DefinitionDie Stoffflussanalyse ist ein Werkzeug zur Beschreibung und Analyse beliebig komplizierter Systeme in materieller Hinsicht.

BasisDie Stoffflussanalyse baut auf dem Massenerhaltungssatz auf:

Input = Output + Lageränderung

AnwendungÖNorm S 2096 „Stoffflussanalyse“ (Teil 1: Begriffe und Teil 2: Methodik)

Erfassung: Methode der Stoffflussanalyse

ProzessInput Output

Lager

6Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Von der Urzeit der SFA… (P-Bilanz des u. Bünztals/CH)

Flüsse [t/a]Lager [t]

Tierfutter

109

Fluss

Ab-wasser-

reinigung

Kanali-sation

PlanetareGrenz-schicht

3

17

10,000+68

38

19

Pflanzen-bau

Industrie

Deponie

PHH 21

?

85

28

13

74

19 >40

Wasser Wasser

Getreide

Nahrungsmittel Getreide

?

100

45

3+x

30

x

78

Dünger

24

Getreide, Gemüse,Früchte

Fleisch, Milch, Eier

Systemgrenze „Bünztal, 1987“

Input = 232 Lager =1000 + 64 Output = 168

17

Landwirt.Böden

Nutztier-haltung

>61

Quelle: Brunner et al., 1990

7Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

…in die Neuzeit der SFA. (P-Bilanz Österreich)

Que

lle:Z

obol

i, O

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r, M

., R

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r, H

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alue

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FA:

the

Aust

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990

to 2

011,

Jou

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8Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

…in die Neuzeit der SFA. (P-Bilanz Österreich)

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9Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Datenausgleich und Fehlerfortpflanzung

KläranlageZulauf Ablauf

Klärschlamm

100 15

90

10Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Datenausgleich und Fehlerfortpflanzung

Zulauf Ablauf

Klärschlamm

100±5 15±2

90±8

KläranlageZulauf Ablauf

Klärschlamm

101±4.3 14.8±2

86.6±4.5

Kläranlage

11Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Datenausgleich und Fehlerfortpflanzung

In jedem einzelnen Berechnungsschritt werden unsichere Größen miteinander + - x /…

12Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Datenausgleich und Fehlerfortpflanzung

KläranlageZulauf Ablauf

Klärschlamm

MAblauf = 10 000 kg/h

cP,Ablauf = 2 mg/kg

XP,Ablauf = M x c = 20 g/h

Berücksichtigung der Datenunsicherheit:

MAblauf = 10 000 ± 1000 kg/h

cP,Ablauf = 2 ± 0,3 mg/kg

XP,Ablauf = M x c = 20 g/h

SX = (10 0002 x 0,00032 + 0,0022 x 10002)1/2 = 4,7 g/h

2 2 2 2 2C A BC A B : S B S A S

C f ( A,B,...)

2 22 2 2

C A BA,B A,B

C CS S S ...A B

Mathematische Grundlagen

XP,Ablauft = 20 ± 4,7 g/h

13Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

SFA Software STAN

www.stan2web.net

14Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Statistiken zu STAN und MFA (SFA)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

Cumulative number of STAN users

15Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Die richtige Wahl der Systemgrenze…

Quelle: Obernosterer et al. 1998, adaptiert

140 150

[kt/a]

Danube

WIEN

11

16Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Die richtige Wahl der Systemgrenze…

110 150

[kt/a]

Danube

26 11

“HINTERLAND”

WIEN

Quelle: Obernosterer et al. 1998, adaptiert

17Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Bewertung von Stoffhaushaltssystemen

Sobańtka, A.P., Thaler, S,, Zessner, M., Rechberger, H. Extended statistical entropy analysis for the evaluation of nitrogen budgets in Austria, International Journal of Environmental Science & Technology, 2013, 11(7), 1947-1958.

Nitrogen budgets of two catchments in(eastern Austria) normalized to 1 kg Nanthropogenic input

18Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Bewertung durch Zeitreihenanalyse und Montoring

2011

Erstellen einer Zeitreihe1990 – 2011

22 Jahresbilanzenverknüpft durch Lagergrößen

1990

19Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Jahr 1 (J1) Jahr 2 (J2)

Klassifizierung der Änderungen

Drei Klassen von zeitlichen Änderungen: konstant, moderate Änderung, extreme Änderung

Verschieden große Toleranzen berücksichtigen den Einfluss der Unsicherheit

Eine Änderung wird nur dann registriert, wenn die Toleranzbereiche sich nicht überlappen.

Quelle: Zoboli, O., Zessner, M., Rechberger, H., Added values of time series in MFA: the Austrian phosphorus budget from 1990 to 2011, Journal of Industrial Ecology, submitted

moderate Änderungextreme Änderung

konstant

J1 J2

: 2

Kategorisieurung vonFlussänderungen

Toleranzbereiche

+0%_ +5%_ +10%_ +15%_ +20%_ +_ +2*_

x 2

20Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Darstellung der Änderungen

Mehr als die Hälfte aller Flüsse zeigen eine extreme Änderung gegenüber dem Jahr 1990.

Moderate Änderungen sind sensitive gegenüber den Toleranzbereichen.

Etwa ein Drittel der Änderungen sind immer noch extrem wenn man Änderungen zwischen aufeinanderfolgenden Jahren vergleicht. D.h., dass die Änderungen nicht unbedingt kontinuierlich, sondern durchaus auch spontan erfolgen.

Quelle: siehe Folie 18

konstant moderate Änderung extreme Änderung150

90

110

130

70

50

10

+0%_ +5%_ +10%_ +15%_ +20%_ +SD_ +2*SD_ +0%_ +5%_ +10%_ +15%_ +20%_ +SD_ +2*SD_

30

Änderung gegenüber 1990 Jährliche Änderung

Toleranzbereiche

Ant

eilv

on F

lüss

en+

Lage

ränd

reru

ngsr

aten

Toleranzbereiche

21Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Vergleich der Bilanzen für 1990 und 2011

Blau: moderate Änderung, rot: extreme Änderung; Toleranzlevel: 2

1990 2011

Quelle: siehe Folie 18

22Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Zeitreihenanalyse

P-Fracht in Abfällen steigt schneller als Recyclingeffizienz

Die Hälfte des P, der in die AWS gelangt, geht verlustig in Zement und Deponien

Unterschiede in den Unsicherheiten (Abfallströme: input- und outputseitig)

Beträchtliche Akkumulation von P in Gärten und öffentlichen Grünflächen, allerdings unzureichende Datenlage Quelle: siehe Folie 18

23Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Monitoring

Emissionen aus der Abwassereinigung gingen stark zurück – P-Entfernung stieg von 45% auf 85-90%

Emissionen von diffusen Quellen blieben konstant

P-Fracht der Donau ging zurück, teilw. auf Grund von Rückgang bei Punktquellen, teilw. durch die Flut 2002 Quelle: siehe Folie 18

Zielwert

24Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Datenkontrolle durch Datenausgleich

Datenausgleich: Die SFA Software STAN führt minimale, gewichtete Änderungen durch, sodass das System ausgeglichen ist.

Wenn ein Fluss immer in die gleiche Richtung ausgeglichen wird

Starkes Indiz für einen systematischen Datenfehler

1990 1995 2000 2005 2010 1990 1995 2000 2005 2010

3.000

2.500

2.000

1.500

1.000

500

[t P

/a]

Inputwerte ausgeglichene Werte

0

Abfälle3.000

2.500

2.000

1.500

1.000

500

[t P

/a]

0

Kompost

25Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Gestaltung bzw. Optimierung (laufende Forschung)

Ist-Zustand Teiloptimierung

Reduktion des Imports von Mineraldünger von 16.000 t/a auf 6.000 t/a

Quelle: Kroiss, H., Rechberger, H., Egle, L. Phosphorus in Water Quality and Waste Management,in : Integrated Waste Management - Volume II, Kumar, S. (Hrg.); InTech, 2011, ISBN 978-953-307-447-4, p. 181 - 214.

26Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

Heute ist die SFA mehr als eine „schöne" Zeichnung….

Vielen Dank!

• Laner, D., Rechberger, H. Material Flow Analysis (MFA), in: Special Types of Life Cycle Assessment, Matthias Finkbeiner (Ed.), Springer, accepted for publication, 2015

• Brunner, P.H., Rechberger, H. Practical Handbook of Material Flow Analysis, Lewis Publishers, New York, 2004.