Kosteneffiziente Erneuerungsplanung für zuverlässige Versorgungsnetze ein Wasser-Gas-Beispiel

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1 308 Kosteneffiziente Erneuerungsplanung für zuverlässige Versorgungsnetze ein Wasser-Gas-Beispiel Markus FISCHER Dieser Beitrag wurde nach Begutachtung durch das Programmkomitee als reviewed paper angenommen. Zusammenfassung Wasser-, Gas-, Strom- und Fernwärmekunden wollen günstig und sicher versorgt werden. Aus Sicht der Netzbetreiber bedarf es daher kosteneffizienter und zugleich zuverlässiger Versorgungsnetze. Doch Netzkomponenten altern mit den Jahren und verschleißen durch Gebrauch. Den dabei ablaufenden degenerativen Prozessen muss der Netzbetreiber durch Wartung, Reparatur oder Erneuerung begegnen. Dabei ist zu klären, welcher Investitionsbedarf grundsätzlich besteht und wo konkret Maßnahmen durchgeführt werden müssen. Maßnahmen hängen davon ab, ob Schäden auf Netzabschnitten durch Reparatur- oder durch Erneuerungsmaßnahmen beseitigt werden. Ob Reparatur- oder Erneuerungsmaßnahmen durchgeführt werden, wird durch eine Netzanalyse auf Grundlage von Netzmodellen und aussagekräftige Netzdaten entschieden. Netzmodell und -daten legt der Netzbetreiber zunehmend ortsbezogen in Geoinformationssystemen ab. Netzdaten können so erst verschnitten und dann einer Netzanalyse zugeführt und schließlich die Ergebnisse wieder im Geoinformationssystem abgelegt werden. Aufbauend auf den Ergebnissen lassen sich sowohl eine langfristige strategische wie auch eine kurzfristige operative Erneuerungsplanung durchführen. Der Ortsbezug gestattet es, die operativen Maßnahmen spartenübergreifend zu planen, um so Kosten einzusparen. Ein Gas- und ein Wassernetz werden als durchgängiges Beispiel herangezogen, anhand dessen die Netzdaten, die durchzuführenden Analysen und die strategische sowie operative Erneuerungsplanung erläutert werden. Nicht zuletzt dient das Beispiel der Darstellung von Synergieeffekten durch spartenübergreifende Baumaßnahmen. 1 Einleitung In 1 des Energiewirtschaftsgesetztes fordert Deutschland eine sichere und preisgünstige Versorgung mit Strom und Gas für seine Bürger (BDJ 2005). Fernwärme- und Wasserversorgungsnetze werden nicht erfasst, dort sind es die Arbeitsgemeinschaft für Wärme und Heizkraftwirtschaft (AGFW) bzw. der Deutsche Verein des Gas- und Wasserfaches (DVGW), die sich der Frage der Sicherheit in der Fernwärme- und Wasserversorgung seit längerer Zeit annehmen (CASTELL-EXNER 1993). Strobl, J., Blaschke, T. & Griesebner, G. (Hrsg.) (2012): Angewandte Geoinformatik Herbert Wichmann Verlag, VDE VERLAG GMBH, Berlin/Offenbach. ISBN

2 Kosteneffiziente Erneuerungsplanung für zuverlässige Versorgungsnetze 309 Doch die allgemeine Erfahrung zeigt, dass kleiner Preis und hohe Qualität nicht einfach zu vereinbaren sind. Denn niedrige Preise für den Kunden zwingen zu Kosteneinsparungen und diese dürfen die Qualität nicht mindern. Für Netzbetreiber bieten insbesondere die kapitalintensiven Versorgungsnetze großes Einsparpotenzial. Kommt es dadurch zur Verschlechterung der Versorgungssicherheit, etwa durch Versorgungsunterbrechungen, dann sind die Folgen nicht nur für den unterbrochenen Kunden unangenehm. Wie also lässt sich das Problem lösen? Die Medizin kennt die Triage (BDI 2006), die immer dann zum Einsatz kommt, wenn ein Überangebot an medizinisch Bedürftigen auf ein Unterangebot an medizinischen Ressourcen trifft. Das ist zum Beispiel bei Unfällen so, wenn wenige Helfer einer großen Zahl von Verletzten gegenüber stehen. Die Strategie, die dann verfolgt wird, ist, die verletzten Personen zu sichten und sie anhand von Kriterien zu klassifizieren. Zwischen den Klassen wird eine Ordnung festgelegt, die dann über die Behandlungsreihenfolge entscheidet. Es geht also darum, mit begrenzten Ressourcen optimal zu wirtschaften, sodass mit geringem Aufwand eine maximale Hebelwirkung erzielt werden kann. Wie das in der Erneuerungsplanung umzusetzen ist, soll nachfolgend entwickelt werden. 2 Datengrundlage Im Gegensatz zu vielen anderen Unternehmen operieren Netzbetreiber mit Netzbetriebsmitteln, die geografisch weit verstreut liegen. Nicht nur für die Instandhaltung ist es daher erforderlich, dass Betriebsmittel mit einem Lagebezug versehen werden. Abbildung 1 zeigt exemplarisch das Wasserrohrnetz einer deutschen Kleinstadt mit ca. 77 km Netzlänge. Abb. 1: Wasserversorgungsnetz mit Verortung zurückliegender Schäden Um diesen Lagebezug herzustellen, bietet sich die Verwendung von Geoinformationssysteme (GIS) geradezu an, denn mit GIS können auch problemlos weitere betriebsmittelrelevante Informationen mitgeführt werden. Für die Instandhaltung von Wasserrohrleitungen etwa sind Informationen über Leitungsart, Straßenbezug, Leitungsstatus, Baujahr, Verbindungsart und Korrosionsschutz von Interesse.

3 310 M. Fischer Weiterhin interessiert man sich aus Sicht der Erneuerungsplanung für zurückliegende Schadensereignisse. Diese wurden nicht zuletzt durch wiederkehrende Rohrnetzmessungen festgestellt und vom Netzbetreiber dokumentiert. In Abbildung 1 kennzeichnen Kreise 84 Schadenereignisse auf Rohrleitungen. Zum eigentlichen Schadensereignis gehört die Art des Schadens, wann es stattgefunden hat und was dessen Beseitigung gekostet hat. Wenn die Schäden einen Lagebezug aufweisen, lassen sich folglich die Schäden problemlos mit den betroffenen Leitungen verschneiden und so einen Querbezug zwischen den mitgeführten Informationen herstellen. Wenn zusätzlich Informationen über Verkehrsbelastung im Allgemeinen und verkehrende öffentliche Verkehrsmittel im Speziellen vorliegen, helfen diese den Aufwand für eine ungeplante Schadensbeseitigung einzuschätzen. Liegen diese Informationen nicht lagebezogen vor, können Verkehrszählungen und Linienpläne von Verkehrsunternehmen weiterhelfen. Schließlich lassen sich anhand von Informationen über Stagnationszonen, Wasserverluste oder Streuströme Erneuerungsmaßnahmen an Leitungen als vor- oder nachrangig beurteilen. 3 Der Blick zurück Wenn man wissen möchte, wie sich das Netz in Zukunft verhält, muss man wissen, wie es sich in der Vergangenheit verhielt. Dazu führt man die Netzdaten im GIS über eine allgemein lesbare Datei (z. B. Datei mit Komma separierten Werten) einer Analysesoftware zu. Die Analyse des Gesamtnetzes ist nicht unbedingt Ziel führend; besser ist es, das Netz in Klassen zu teilen. Die Klasseneinteilung ist meist auf Materialebene sinnvoll, weil Leitungen aus unterschiedlichem Material wie Stahl, Grauguss, Duktilguss, Polyethylen oder Polyvinylchlorid ein unterschiedliches Alterungs- und Verschleißverhalten zeigen. Analysiert man die Leitungslängen dieser Klassen, stellt man schnell fest, welche Klasse über die Jahre am stärksten gewachsen ist. Das im vorigen Kapitel eingeführte städtische Beispiel hat ein Wasserversorgungsnetz mit 77 km Leitungslänge. Seit 1984 bis heute haben die Duktilgussleitungen erster Generation (mit schwachem Korrosionsschutz) einen Anteil von ca. 44 % (Abbildung 2). Abb. 2: Entwicklung der Duktilgussleitungen über der Zeit: seit 1984 ca. 44 % Netzanteil

4 Kosteneffiziente Erneuerungsplanung für zuverlässige Versorgungsnetze 311 Der schwache Korrosionsschutz der Duktilgussleitungen erster Generation ist dann auch dafür verantwortlich, dass die Duktilgussleitungen der ersten Generation in der Vergangenheit vermehrt von Schäden betroffen waren und die Ausfallrate dadurch häufig über den vom DVGW definierten Grenzwert für niedrige Schadensraten von 0,1 Schäden pro Kilometer und Jahr gestiegen war (Abbildung 3). Verantwortlich dafür sind hauptsächlich Folgeschäden. Zu Folgeschäden kommt es dann, wenn eine Leitung bereits einmal geschädigt wurde und in Folge dieser Vorschädigung das Auftreten weiterer Schäden begünstigt wird. Schließlich führen Folgeschäden zu weiteren Folgeschäden. Die zeitlichen Abstände zwischen den Schäden werden dabei erfahrungsgemäß immer kürzer (GANGL 2008). 4 Langfristige strategische Erneuerungsplanung Abb. 3: Entwicklung der Schadenrate der Duktilgussleitungen erster Generation über der Zeit: steigender Anteil der Folgeschäden Nachdem die historische Netzanalyse den Blick auf die Netzschwachstellen lenken konnte, gilt es nun mit dem Wissen darum in die Zukunft zu schauen und den zukünftigen Erneuerungsbedarf zu ermitteln. Das setzt voraus, dass man das Alterungs- und Verschließverhalten jeder Leitungsgruppe kennt. Anhaltspunkte liefern die Erfahrungen der Netzbetreiber und der Materialprüfanstalten. Die Modellierung des spezifischen Alterungs- und Verschleißverhalten eines Versorgungsnetzes ist aber nur möglich, wenn man dessen Ausfallrate kennt. Abbildung 4 zeigt anhand der Materialgruppe Duktilguss erster Generation, wie man die Ausfallfunktion gruppenspezifisch abschätzten kann. Abschätzen heißt: Die aufgezeichneten Schäden durch eine Ausfallfunktion zu ersetzen. Weil die Ausfallrate erfahrungsgemäß mit zunehmendem Alter nicht wie bei einer Badewannenkurve ansteigt, eignet sich insbesondere die Herz-Funktion (HERZ 1994) zur Modellierung der Ausfallfunktion. Die mit Literatur gekennzeichnete Ausfallfunktion gründet auf den Erfahrungen des DVGW. Netze können jedoch von diesen Erfahrungswerten abweichen, wenn Schadensaufzeichnungen dies deutlich machen. Streuen darüber hinaus die Schadensdaten wie im vorliegenden Wasserversorgungsnetz, reicht eine Ausfallfunktion zur Repräsentation der Schadensdaten nicht aus. Daher sind eine obere pessimistische und eine untere optimistische Ausfallfunktion festzulegen. Weiterhin geht man davon, dass sich die tatsächliche Ausfallsfunktion mit großer Wahrscheinlichkeit dazwischen bewegen wird.

5 312 M. Fischer Abb. 4: Schätzung der Ausfallsfunktion für Duktilgussleitungen erster Generation anhand historischer Schadensdaten Ausgehend vom Leitungsbestand jeder Gruppe und dem ermittelten zugehörigen Ausfallsverhalten lässt sich für jede Gruppe der Erneuerungsbedarf der nächsten Jahre ermitteln. Für Duktilgussleitungen der ersten Generation zeigt Abbildung 5 den Rehabilitationsbedarf für die nächsten 40 Jahre. Abb. 5: Entwicklung des Rehabilitationsbedarfs für die nächsten vierzig Jahre Dabei geht die pessimistische Funktion von einem anfänglich hohen und später niedrigeren Erneuerungsbedarf aus. Die optimistische Funktion startet bereits niedrig. Dazwischen bewegt sich der Mittelwert. Wiederum ist der Literaturwert hier wenig hilfreich, weil er von einem zu geringen Erneuerungsbedarf ausgeht. Grundsätzlich tendieren alle Funktionen auf lange Sicht gegen Null, weil davon auszugehen ist, dass beim Ausbau alter Duktilgussleitungen diese mit modernen Leitungen ersetzt werden. Die Gruppe der Duktilgussleitungen verschwindet also allmählich und so auch deren Erneuerungsbedarf. Netzbetreiber müssen abwägen, ob sie beim Erneuerungsbedarf vierzig Jahre in die Zukunft schauen möchten nicht zuletzt deshalb, weil der Erneuerungsbedarf über einen so langen Zeitraum mit Unsicherheiten behaftet ist. Der künftige Finanzmittelbedarf will aber geplant

6 Kosteneffiziente Erneuerungsplanung für zuverlässige Versorgungsnetze 313 sein, sodass eine kürzere Betrachtungsperiode von vielleicht zehn Jahren mit Sicherheit sinnvoll ist. Es ist nicht unwahrscheinlich, dass der in der Betrachtungsperiode ermittelte Erneuerungsbedarf Investitionskosten verursachen würde, die sich nicht zu jeder Zeit mit dem decken, was tatsächlich investiert werden soll. Ursächlich können Jahre mit außergewöhnlichen Belastungen sein oder auch sogenannte Fotojahre. Damit die Versorgungssicherheit stets gewährleistet bleibt, ist aber wenigstens der durchschnittliche Erneuerungsbedarf einzuhalten. Wie dieser zu ermitteln ist, zeigt Abbildung 6 am Beispiel des mittleren Erneuerungsbedarfs der Duktilgussleitungen erster Generation. Abb. 6: Simulation der Auswirkungen eines unter- oder übererfüllten Rehabilitationsbedarfs Im Betrachtungszeitraum (2010 bis 2020) wird für die Mittelwertkurve der tatsächliche Erneuerungsbedarf (hier in Metern statt Euro) durch das beabsichtigte mittlere Erneuerungsvolumen ersetzt, welches im Beispiel als konstante 840 m angenommen wurde. Würden die 840 m im betrachteten Zeitraum unter dem tatsächlichen durchschnittlichen Erneuerungsbedarf liegen, dann würde im Anschluss an den Betrachtungszeitraum der Erneuerungsbedarf sprunghaft steigen. Umkehrt würde im Anschluss an den Betrachtungszeitraum der Erneuerungsbedarf sprunghaft sinken, wenn im Betrachtungszeitraum die 840 m über dem tatsächlichen durchschnittlichen Erneuerungsbedarf liegen würde. Beides ist im Beispiel aber nicht der Fall. Folglich deckt sich das geplante Investitionsvolumen für Duktilgussleitungen erster Generation mit dem tatsächlichen Erneuerungsbedarf. Der Netzbetreiber ist also auf der sicheren Seite, denn er weiß, dass er den durchschnittlichen Erneuerungsbedarf erfüllt. Führt man für jede Leitungsgruppe die langfristige strategische Erneuerungsplanung durch, kommt man auf einen Investitionsbedarf von m pro Jahr bei einem Anteil von 840m Duktilgussleitungen erster Generation.

7 314 M. Fischer 5 Kurzfristige operative Erneuerungsplanung Nun kennt man den Investitionsbedarf, weiß aber noch nicht, in welche Betriebsmittel (Leitungen) investiert werden muss. Das herauszufinden ist Gegenstand der kurzfristigen operativen Erneuerungsplanung. Leitungen altern unterschiedlich mit der Zeit und verschleißen unterschiedlich schnell in Abhängigkeit der Belastung. Anhand aussagekräftiger Kriterien wird in der kurzfristigen operativen Erneuerungsplanung daher eine Priorisierung für die Leitungserneuerung vorgenommen. Neben zahlreichen Kriterien, die bereits im Kapitel Datengrundlage genannt wurden, seien der Leitungszustand (determiniert durch die Schadensrate der Leitung) und die Wirtschaftlichkeit (Erneuerung versus Reparatur) als besonders aussagekräftige Kriterien hervorzuheben. Wenn über alle Analysen hinweg Leitungsidentifikationsnummern mitgeführt werden, ist es ein Leichtes die Prioritätenliste wieder mit den GIS-geführten Netzdaten zu verknüpfen und die Leitungen entsprechend ihrer Klassenzugehörigkeit farblich markiert darzustellen. Abbildung 7 zeigt das im Kapitel Datengrundlage eingeführte städtische Wasserversorgungsnetznetz entsprechend eingefärbt. Rot sind die Leitungen mit höchster Erneuerungspriorität, gefolgt von den gelben Leitungen. Die grünen Leitungen gehören zur Prioritätsklasse 3. Alle anderen Leitungen sind im Betrachtungszeitraum nicht zu erneuern. Abb. 7: Erneuerungsprioritäten des Wasserversorgungsnetzes Mit der Funktionalität eines GIS lassen sich leicht Gesamtlängen je Prioritätsklasse ermitteln und daraus die Investitionskosten je Prioritätsklasse errechnen. Für Prioritätsklasse 1 ergeben sich eine zu erneuernde Leitungslänge von rund m, die bei angenommenen Erneuerungskosten von 280 /m einem Investitionsbudget von entsprechen würden. In der Prioritätsklasse 2 sind m Leitungen zu erneuern, sodass dort investiert werden müssten.

8 Kosteneffiziente Erneuerungsplanung für zuverlässige Versorgungsnetze 315 Da der jährliche Rehabilitationsbedarf auf m Leitungslänge bestimmt wurde, können alle Leitungen der Prioritätsklasse 1 innerhalb von zwei Jahren abgearbeitet werden. Ab dem dritten Jahr würden die Leitungen der Prioritätsklasse 2 folgen. Verfährt man analog zum Wasserversorgungsnetz auch mit dem Gasversorgungsnetz des städtischen Beispiels, dann ergibt sich für das Gasversorgungsnetz ein jährlicher Erneuerungsbedarf von 650 m. Weiterhin werden m Leitungen der Prioritätsklasse 1 und m Leitungen der Prioritätsklasse 2 zugeordnet. Bei Erneuerungskosten von 210 /m ergeben sich daraus Investitionskosten in Höhe von für Leitungen der Priorität 1 und für Leitungen der Priorität 2. 6 Gemeinsame Rehabilitation der Sparten Wasser und Gas Normalerweise geben die Prioritätsklassen die Erneuerungsreihenfolge vor. Anders sieht es aus, wenn man spartenübergreifend denkt. Dann ergeben sich durch gemeinsame Baumaßnahmen Kosteneinsparungen nicht selten in Höhe von 50 % und es kann lohnenswert sein, wenn Leitungen der Prioritätsklasse 2 vor Leitungen der Prioritätsklasse 1 erneuert werden. Verknüpft man sowohl die Prioritätenliste des Wasserversorgungsnetzes als auch die Prioritätenliste des Gasversorgungsnetzes mit den Leitungsdaten im GIS, lassen sich Straßen identifizieren, deren Wasser- und Gasleitungen mindestens der Prioritätsklasse 2 angehören. Abbildung 8 zeigt eine Straße, deren Wasserleitung und Gasleitungen auf 160 m Länge der Prioritätsklasse 2 bzw. Prioritätsklasse 1 angehören. Abb. 8: Straße mit Wasserund Gasleitung der Priorität 2 bzw. 1 Würden beide durch eine gemeinsame Baumaßnahme erneuert werden, würde sich ein Kostenvorteil von ergeben. Alle Straßenabschnitte zusammen, deren Wasser- und Gasleitungen der Priorität 1 oder 2 angehören, ergeben eine Länge von m. Daraus ergeben sich nicht unerhebliche Einsparungen in Höhe von

9 316 M. Fischer 7 Schlussfolgerung Netzbetreiber können ihre Netze trotz Kostendruck sicher betreiben, wenn Netzbetreiber strategisch planen, das heißt den zukünftig zu erwartenden Netzzustand unter Zuhilfenahme von aufgezeichneten Schadensdaten extrapolieren, daraus den Investitionsbedarf der nächsten Jahre ableiten und den Bedarf im Mittel abdecken. Netzbetreiber operativ planen, das heißt Zustand und Wichtigkeit seiner Netzbetriebsmittel anhand von Kriterien ermittelt, daraus eine Prioritätenliste generiert und Erneuerungen in der ermittelten Reihenfolge durchführt. Netzbetreiber Einsparungspotenziale nutzen, die sich dadurch ergeben, dass Baumaßnahmen spartenübergreifend (z. B. im Wasser- und Gasnetz) durchgeführt werden oder Baumaßnahmen zusammen mit dem Straßenbau durchgeführt werden. Dabei ist es wichtig, dass der Asset Manager Werkzeuge zur Hand hat, die ihm die notwendigen Analysen zeitnah und reproduzierbar ermöglichen. Dazu gehören vor allem eine leistungsfähige Netzanalysesoftware (für das städtische Wasser- und Gasnetz wurden alle Analysen mit der Software PiReM durchgeführt) und weiterhin ein Geoinformationssystem, das die Netzdaten ortsbezogen bereitstellt, wichtige Verschneidungen ermöglicht und Netz- bzw. Zustandsdaten angemessen visualisieren kann. Literatur BDI BUNDESMINISTERIUM DES INNEREN (2006), Katastrophenmedizin Leitfaden für die ärztliche Versorgung im Katastrophenfall. Media Production Bonn GmbH, 4. Auflage. BDJ BUNDESMINISTERIUM DER JUSTIZ (2005), Gesetz über die Elektrizitäts- und Gasversorgung (Energiewirtschaftsgesetzt EnWG). bundesrecht/enwg_2005/gesamt.pdf ( ). CASTELL-EXNER et al. (1993), Sicherheit in der Trinkwasserversorgung die neuen DVGW Hinweise W1001 und W bbr_0409_54_57_castell_exner.pdf ( ). GANGL, G. (2008), Rehabilitationsplanung von Trinkwassernetzen. Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft, S , Verlag der Technischen Universität Graz, Graz. HERZ, R. (1994), Alterung und Erneuerung von Infrastrukturbeständen Ein Kohorten- Überlebensmodell. In: Jahrbuch für Regionalwissenschaft, 14, Gesellschaft für Regionalforschung, Vanderhoeck & Ruprecht, Göttingen.