Optimale Strategien zur Integration neuartiger Sanitärsysteme in Bestandsgebieten

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1 International Symposium Wastewater Recycling Braunschweig November 4th - 6th, 2009 Inka Kaufmann Alves Optimale Strategien zur Integration neuartiger Sanitärsysteme in Bestandsgebieten TU Kaiserslautern

2 Übersicht Hintergrund Warum Optimale Strategien zur Integration? Wie kann man optimale Strategien finden? Entwicklung eines mathematischen Optimierungsmodells Anwendung des Modells Beispielgebiet Ergebnisse Fazit und Ausblick 2

3 Wo stehen wir? Zentrale Ver- und Entsorgungskonzepte - eindeutig nicht nachhaltig - zahlreiche weitere Nachteile Veranlassung und Ziele Wie kommen wir hin? Konzeptioneller Veränderungsbedarf Wo wollen wir hin? Veränderter Umgang mit Abwasserkomponenten - Regenwasser: Abkehr vom Ableitungsprinzip etabliert - Schmutzwasser: Diskussion Neuartiger Sanitärkonzepte hoher Sanierungsbedarf Umstrukturierungen im Bestand unumgänglich neue Strategien zur Umsetzung im laufenden Betrieb erforderlich jeder Umbauschritt soll schon jetzt für die Zukunft ökonomischen und ökologischen Nutzen bringen 3

4 Wo stehen wir? Zentrale Ver- und Entsorgungskonzepte - eindeutig nicht nachhaltig - zahlreiche weitere Nachteile Veranlassung und Ziele Wie kommen wir hin? Konzeptioneller Veränderungsbedarf Wo wollen wir hin? Veränderter Umgang mit Abwasserkomponenten - Regenwasser: Abkehr vom Ableitungsprinzip etabliert - Schmutzwasser: Diskussion Neuartiger Sanitärkonzepte hoher Sanierungsbedarf Umstrukturierungen im Bestand unumgänglich Entwickeln einer optimierten Umsetzungsstrategie 4

5 Wo stehen wir? Zentrale Ver- und Entsorgungskonzepte - eindeutig nicht nachhaltig - zahlreiche weitere Nachteile Veranlassung und Ziele Wie kommen wir hin? Konzeptioneller Veränderungsbedarf Wo wollen wir hin? Veränderter Umgang mit Abwasserkomponenten - Regenwasser: Abkehr vom Ableitungsprinzip etabliert - Schmutzwasser: Diskussion Neuartiger Sanitärkonzepte hoher Sanierungsbedarf Umstrukturierungen im Bestand unumgänglich Nutzung mathematischer Methoden (Projekt OptionS) 5

6 Mathematisches Modell Randbedingungen Ausgangssituation IST-Zustand Analyse Bewertung Anforderungen Ziel-Zustand Ziel Optimale Umsetzungsstrategie 6

7 Mathematisches Modell Randbedingungen Ausgangssituation IST-Zustand Analyse Bewertung Anforderungen Ziel-Zustand Ziel Optimale Umsetzungsstrategie 7

8 Mathematisches Modell Ausgangssituation IST-Zustand Analyse Bewertung Anforderungen Randbedingungen Ziel-Zustand Maßnahmenwahl Mathem. Modell Ziel Optimale Umsetzungsstrategie 8

9 Mathematisches Modell Ausgangssituation IST-Zustand Analyse Bewertung Anforderungen Randbedingungen Ziel-Zustand Maßnahmen Baudauer Maßnahmenwahl Nutzungsdauer Mathem. Modell Ökonomische Kosten Ziel Optimale Umsetzungsstrategie 9

10 Mathematisches Modell Ausgangssituation IST-Zustand Analyse Bewertung Anforderungen Randbedingungen Ziel-Zustand Maßnahmen Baudauer Nutzungsdauer Reihenfolge Maßnahmenwahl Mathem. Modell Ökonomische Kosten Ziel Optimale Umsetzungsstrategie 10

11 Mathematisches Modell Ausgangssituation IST-Zustand Analyse Bewertung Anforderungen Randbedingungen Ziel-Zustand Maßnahmen Baudauer Nutzungsdauer Reihenfolge Maßnahmenwahl Mathem. Modell Auswirkungen Ökonomische Kosten Funktion Rechtliche Vorgaben Umwelt Ökologische Kosten Ziel Optimale Umsetzungsstrategie 11

12 Mathematisches Modell Ausgangssituation IST-Zustand Analyse Bewertung Anforderungen Randbedingungen Ziel-Zustand Maßnahmen Baudauer Nutzungsdauer Reihenfolge Maßnahmenwahl Mathem. Modell Auswirkungen Ökonomische Kosten Funktion Rechtliche Vorgaben Zulässigkeit Umwelt Bilanzen Ökologische Kosten Ziel Optimale Umsetzungsstrategie 12

13 Mathematisches Modell Mathem. Modell Ausgangssituation Zielfunktionen Ziel 13

14 Ökonomische Kosten Investitionskosten von Maßnahmen (öffentlicher u. privater Bereich) Betriebskosten Sanierungskosten / Reinvestitionen Projektkostenbarwerte Ökonomische Zielfunktion = Σ gesamter Zeitraum gleichzeitige Minimierung Zielfunktionen Ökologische Kosten Skalierung: 0 positive Auswirkung 1 hoher Schaden Anpassung an naturnahen Wasserkreislauf Umgang mit natürlichen Ressourcen Emissionen in Gewässer Immissionen Lösung ist optimale Umsetzungsstrategie Ökologische Zielfunktion = Σ ÖK gesamter Zeitraum 14

15 Anwendung RÜ Kästenbergstraße 8 R7_2!"15 KL-Siegelbach Stadtteil!"3 Kaiserslauterns: M44_ R9999_2 R8_2!" Recht ländliches "9 Gebiet: 90 ha AE,k! R24_2 M46_1 M4_1 9 9 R9_ S9_1 M1_ Einwohner R777_ R6_1!"1 7 M47_1 M2_2 14 M14_ !" mit 2 RÜ und 1 RÜB 70 %6 Mischsystem 2 5!"!"!"10!"32 gemischte Wohnformen,!"2 9!"Nutzungen M10_1 M44_1 10 M12_1 6 M9_ M13_1 M5_1 M6_ R6_ M11_1 M7_1 42 M33_1 M41_1 41 M42_1 40 Abwasser wird in!der "13 Zentral-Kläranlage 2 6!" Kaiserslautern gereinigt ( EW) keine!"2 8 a %!"11 der Berücksichtigung KA!"23 Auswirkungen auf 32 M15_1 M43_ M57_ RÜ Geiersberg M40_1 M32_1 M19_1 15 G1_1 21 M21_1 8 M39_1 M31_ M37_1 18 M20_ M26_1 21 R21_1 26 M36_ S12_2 24 M18_1 15!"3 1 S10_1 1 6 R15_ !" S13_1 R17_1 R16_2 38 M35_ !" 2 M25_1!"1 35 M27_1 27 M16_1 M17_1 21 M28_1M30_1 M34_1 16!"12 M38_1 37!" 28!"8 30 M29_1 15 S11_2 R14_2 15

16 Ziel-Zustand Ziel-Zustand und Randbedingungen Zielzustand für Beispiel + naturnaher Umgang mit Regenwasser + Regenwasser von Schmutzwasser trennen + Schwarzwasser getrennt behandeln + Grauwasser zentral auf der Kläranlage behandeln Randbedingungen + Vorgabe für Wasserbilanz (55 % Verdunstung / 30 % Versickerung / 10% RW-Nutzung) + Vorgabe für Umgang mit Schmutzwasser (40 % Trinkwassereinsparung / 20 % Dünger ) 16

17 Vorgaben Umsetzungsstrategie Lösungsfindung 50 Jahre Umsetzungszeitraum + 30 Jahre Instandhaltung Ökonom. Kosten als Projektkostenbarwerte mit 3 % Zins Budget 2,5 Mio / Zeitschritt (=5 Jahre) Ökologische Kosten aus 3 Kriterienfeldern (Wasserkreislauf, Emissionen, Ressourcenschutz) Gewichtung Zielfunktionen Gewichtung ökonomische Kosten : ökologische Kosten Szenario 0 Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 Szenario 4 Szenario ,2 0,

18 Ergebnisse - Zielfunktionswerte S0 Gew. = 1:0 S1 Gew. = 1:1 Gew. = 0:1 S2 S3 S4 S5 minimale ökonomische Kosten Ökologische ecologic costs Kosten C(2) [-] [-] minimale ökologische Kosten Ökonomische ecnomic costs C(1) Kosten [million [-] ] [Mio ] 18

19 Ergebnisse - Kostenanteile Immissionen ökonomische Kosten [1 Einheit = 5 Mio ] Anpassung nat. Wasserkreislauf Szenario S0 Szenario S1 Szenario S2 Szenario S3 Szenario S4 Szenario S5 Emissionen Ressourcenschutz Anmerkung: ökol. Kosten = 16 wäre Fortschreibung Ist-Zustand 19

20 Ergebnisse - Kostenanteile Immissionen not included in objective function S4 ökonomische Kosten [1 Einheit = 5 Mio ] S0 S5 4 S2 S3 Anpassung nat. Wasserkreislauf große Varianz geringe Varianz Szenario S0 Szenario S1 Szenario S2 Szenario S3 Szenario S4 Szenario S5 minimum Minimalwerte values scenario jeweiliges producing Minimum minimum value Emissionen Ressourcenschutz 20

21 Ergebnisse - Bauzeitenplan S3 Betrachtungsdauer [a] TG 1 TG 2 RWB Ableitung NASS RWB aaaaaaa Ableitung NASS TG 6 TG 1 RWB TG 3 Ableitung TG 4 TG 2 TG 5 TG 4 TG 5 TG 6 NASS RWB Ableitung NASS RWB Ableitung NASS RWB Ableitung NASS TG 3 21

22 Fazit und Ausblick Größere Umstrukturierungen im Bestand werden unumgänglich! optimale Umsetzungsstrategie gesucht! Mathematisches Tool wurde entwickelt vereinfachte Annahmen, aber Mathematische Optimierung geeignetes Werkzeug Lösungsvorschläge für Umstrukturierungsstrategien Unterstützung für Entscheidungsprozesse! großes Potenzial für komplexere Anwendungen! 22

23 Fazit und Ausblick verschiedene Optimale Umsetzungsstrategien Gewichtung von Kriterien ist entscheidend Vorgaben der Entscheidungsträger vor Ort führen zur endgültigen Lösung Stärke des Modells: Betrachtung verschiedener Veränderungen / Auswirkungen im Detail möglich! Ausblick Erster Schritt zur Strategiefindung Verifizierung des Modells für weitere Einzugsgebiete Weitere Randbedingungen berücksichtigen Hinweise für konkrete planerische Betrachtungen 23

24 International Symposium Wastewater Recycling Braunschweig November 4th - 6th, 2009 Inka Kaufmann Alves Optimale Strategien zur Integration neuartiger Sanitärsysteme in Bestandsgebieten TU Kaiserslautern