Ansatz zur strategischen Planung von Kläranlagen das ... · Geyler/Manig/Beier Stufenkonzept KIM Berlin, 6. September 2018 18 Auswahl von Technologien und Investitionsschritten,

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/


► Motivation/Zielsetzung

► Die Idee des E-Klär-Stufenkonzeptes

► Detailaspekte / Beispiele

Gliederung


Motivation/Zielstellung


► 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


► 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


► 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


► 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


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


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


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


Idee des E-Klär-Stufenkonzeptes


… verbindet vier Bausteine

Backcasting

Explorative Szenarien

Rollierende Planung

Bewertungskonzept der Robustheit

Das Stufenkonzept …


Zuerst Festlegung des strategischen Ziels, …

1. Konzept des Backcasting

2015 2050


… danach Ermittlung der notwendigen Schritte zur Zielerreichung

1. Konzept des Backcasting

2015 2050


Beschreibung plausibler Entwicklungen der Rahmenbedingungen als

Bündel explorativer Szenarien

2. Konzept explorativer Szenarien


Erarbeitung eines Langfristplans und Planüberprüfung nach

Realisierung der ersten Teilschritte

3. Konzept der rollierenden Planung

Langfristige Technologiestrategie

Anstehender Umsetzungsschritt

Überprüfung der Strategie


► 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


Stufenkonzept – Gesamtüberblick

19

► Rollierende

Planung

► Szenarienbasierter Ansatz

► Robustheit als

Bewertungskriterium

► 2 Bewertungsschritte

Langfristige

Technologiestrategie

Anstehender

Umsetzungsschritt

► Mehrere Prognoseschritte


Detailaspekte /

Beispiele


Verzahnung von Bewertungsschritten und Modellen


► 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


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)


Vorgehen zur Auswahl des anstehenden

Umsetzungsschrittes

Auswahl des anstehenden

Umsetzungsschrittes

dynamische

Kostenvergleichsrechnung

von Pfaden

Robustheitsprüfung des

anstehenden

Umsetzungsschrittes

Strafkosten einer

Fehlentscheidung

Beispiele für Investitionspfade


► 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


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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