ÖWAV/TU Wien Seminar 2015, 24./25. Feb. 2015, TU Wien NEW Nährstoffe Energie Wasser. Block Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement

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1 ÖWAV/TU Wien Seminar 2015, 24./25. Feb. 2015, TU Wien NEW Nährstoffe Energie Wasser Block Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement Helmut Rechberger Technische Universität Wien Institut für Wassergüte, Abfallwirtschaft und Ressourcenmanagement 1

2 Was ist eigentlich Ressourcenmanagement? Erfassung, Bewertung und Gestaltung von natürlichen und anthropogenen Systemen, die der Erhaltung und Förderung der Lebensqualität dienen. Ressourcenmanagement Versorgung Konsum Abfallwirtschaft 2

3 Erfassung: Methode der Stoffflussanalyse Definition Die Stoffflussanalyse ist ein Werkzeug zur Beschreibung und Analyse beliebig komplizierter Systeme in materieller Hinsicht. Basis Die Stoffflussanalyse baut auf dem Massenerhaltungssatz auf: Input = Output + Lageränderung Input Prozess Output Lager 3

4 Der Massenerhaltungssatz Quelle: R.H. Major, Santorio Santorio, Ann.Medical Hist., 10, 369,

5 Erfassung: Methode der Stoffflussanalyse Definition Die Stoffflussanalyse ist ein Werkzeug zur Beschreibung und Analyse beliebig komplizierter Systeme in materieller Hinsicht. Basis Die Stoffflussanalyse baut auf dem Massenerhaltungssatz auf: Input = Output + Lageränderung Input Prozess Output Lager Anwendung ÖNorm S 2096 Stoffflussanalyse (Teil 1: Begriffe und Teil 2: Methodik) 5

6 Von der Urzeit der SFA (P-Bilanz des u. Bünztals/CH) Input = 232 Lager = Output = 168 Flüsse [t/a] Lager [t] 3+x 85 Planetare Grenzschicht x Fleisch, Milch, Eier 30 Tierfutter 45 Dünger 78 Pflanzenbau Nutztierhaltung Landwirt. Böden 10, Getreide, Gemüse, Früchte 24 Wasser 28 Fluss Wasser 74 19? Abwasserreinigung Deponie 38? Nahrungsmittel Getreide Kanalisation 19 PHH Industrie >40 Getreide >61 Systemgrenze Bünztal, 1987 Quelle: Brunner et al.,

7 in die Neuzeit der SFA. (P-Bilanz Österreich) 7 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.

8 in die Neuzeit der SFA. (P-Bilanz Österreich) 8 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.

9 Datenausgleich und Fehlerfortpflanzung Zulauf Ablauf Kläranlage Klärschlamm 9

10 Datenausgleich und Fehlerfortpflanzung Zulauf Ablauf Kläranlage 100±5 15±2 90±8 Klärschlamm Zulauf Ablauf Kläranlage 101± ±2 86.6±4.5 Klärschlamm 10

11 Datenausgleich und Fehlerfortpflanzung In jedem einzelnen Berechnungsschritt werden unsichere Größen miteinander + - x / 11

12 Datenausgleich und Fehlerfortpflanzung Zulauf Kläranlage Ablauf M Ablauf = kg/h c P,Ablauf = 2 mg/kg X P,Ablauf = M x c = 20 g/h Klärschlamm Mathematische Grundlagen Berücksichtigung der Datenunsicherheit: A,B M Ablauf = ± 1000 kg/h c P,Ablauf = 2 ± 0,3 mg/kg X P,Ablauf = M x c = 20 g/h C f (A,B,...) C 2 C 2 SC S A S B... A B C A B: S B S A S C A B S X = ( x 0, ,002 2 x ) 1/2 = 4,7 g/h X P,Ablauft = 20 ± 4,7 g/h A,B 12

13 SFA Software STAN 13

Statistiken zu STAN und MFA (SFA) 14000 Cumulative number of STAN users

14 Statistiken zu STAN und MFA (SFA) Cumulative number of STAN users

15 Die richtige Wahl der Systemgrenze WIEN [kt/a] Danube Quelle: Obernosterer et al. 1998, adaptiert 15

16 Die richtige Wahl der Systemgrenze HINTERLAND WIEN [kt/a] Danube Quelle: Obernosterer et al. 1998, adaptiert 16

17 Bewertung von Stoffhaushaltssystemen Nitrogen budgets of two catchments in (eastern Austria) normalized to 1 kg N anthropogenic input 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),

18 Bewertung durch Zeitreihenanalyse und Montoring 1990 Erstellen einer Zeitreihe Jahresbilanzen verknüpft durch Lagergrößen 18

19 Klassifizierung der Änderungen Kategorisieurung von Flussänderungen moderate Änderung extreme Änderung Toleranzbereiche Jahr 1 (J 1 ) Jahr 2 (J 2 ) x 2 konstant : 2 J 1 J 2 +0% _ +5% _ +10% _ +15% _ +20% _ + _ 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. +2* _ 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 19

20 Darstellung der Änderungen Änderung gegenüber 1990 Jährliche Änderung Anteil von Flüssen + Lagerändrerungsraten % _ +5% _ +10% _ +15% _ +20% _ Toleranzbereiche konstant moderate Änderung extreme Änderung +SD _ +2*SD _ +0% _ +5% _ +10% _ +15% _ +20% _ +SD _ Toleranzbereiche +2*SD _ Mehr als die Hälfte aller Flüsse zeigen eine extreme Änderung gegenüber dem Jahr 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 20

21 Vergleich der Bilanzen für 1990 und Blau: moderate Änderung, rot: extreme Änderung; Toleranzlevel: 2 Quelle: siehe Folie 18 21

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

22 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 22

23 Monitoring Zielwert 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 23

24 Datenkontrolle durch Datenausgleich Datenausgleich: Die SFA Software STAN führt minimale, gewichtete Änderungen durch, sodass das System ausgeglichen ist. Abfälle Kompost [t P/a] [t P/a] Inputwerte Wenn ein Fluss immer in die gleiche Richtung ausgeglichen wird ausgeglichene Werte Starkes Indiz für einen systematischen Datenfehler 24

Mineraldünger von 16.000 t/a auf 6.000 t/a Quelle: Kroiss, H., Rechberger, H., Egle, L.

25 Gestaltung bzw. Optimierung (laufende Forschung) Ist-Zustand Teiloptimierung Reduktion des Imports von Mineraldünger von t/a auf 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 , p

Material Flow Analysis (MFA), in: Special Types of Life Cycle Assessment, Matthias

26 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,

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