Ziele des Projektes. Ökologischer Vergleich von konventionellem und alternativen. Ökologische hotspots alternativer Systeme?

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1 Ökologischer Vergleich alternativer Sanitärkonzepte Sanitation Concepts for Separate Treatment of Urine, Faeces and Greywater (SCST): Ökologischer Vergleich alternativer Sanitärkonzepte mittels Life Cycle Assessment (LCA) Prof. Martin Jekel Dipl.-Ing. Christian Remy TU Berlin, Fachgebiet Wasserreinhaltung

2 Ziele des Projektes Ökologischer Vergleich von konventionellem und alternativen Sanitärsystemen Ökologische hotspots alternativer Systeme? Bestimmung relevanter Schlüsselparameter für die Bewertung Gewählte Methodik: Life Cycle Assessment (LCA) nach ISO 14040ff 1. Definition der Ziele und des Untersuchungsrahmens 2. Inventarisierung der relevanten Prozesse (Modellierung) 3. Ökologische Bewertung mit Umweltindikatoren 4. Gewichtung und Interpretation

3 Bilanzrahmen des Life Cycle Assessment Output: Emissionen in Luft, Wasser und Boden Systemgrenze Vorgelagerte Prozesse: z.b. Bereitstellung von Energie, Trinkwasser Entsorgung von Urin, Fäkalien, Grauwasser, Bioabfall Transport Nachgelagerte Prozesse: z.b. Behandlung fester oder flüssiger Abfälle Input aus der Umwelt: Rohmaterialien, Wasser, Primärenergieträger, Landfläche Alle Substanzflüsse über die Systemgrenzen werden spezifiziert und mit ökologischen Indikatoren ausgewertet Untersuchungsgebiet: mittlere Siedlung (5000 EW) in Deutschland 2006 Modellierung von Betrieb und Bau der Sanitärsysteme

4 Definition der Sanitärszenarien Szenario Fäkalien Urin Grauwasser Bioabfall Ref Konventionelles Belebtschlammverfahren mit Schlammfaulung und Klärgasnutzung

5 Definition der Sanitärszenarien Szenario Fäkalien Urin Grauwasser Bioabfall Ref Konventionelles Belebtschlammverfahren mit Schlammfaulung und Klärgasnutzung Comp_Nat Comp_Tech Schwerkraft- Trenntoiletten + Abtrennung Dünger Bewachsener Bodenfilter SBR

6 Definition der Sanitärszenarien Szenario Fäkalien Urin Grauwasser Bioabfall Ref Konventionelles Belebtschlammverfahren mit Schlammfaulung und Klärgasnutzung Comp_Nat Comp_Tech Vac_Nat Vac_Tech Schwerkraft- Trenntoiletten + Vakuum- Trenntoiletten + Vergärung Abtrennung Dünger Abtrennung Dünger Bewachsener Bodenfilter SBR Bewachsener Bodenfilter SBR Vergärung

7 Definition der Sanitärszenarien Szenario Fäkalien Urin Grauwasser Bioabfall Ref Konventionelles Belebtschlammverfahren mit Schlammfaulung und Klärgasnutzung Comp_Nat Comp_Tech Vac_Nat Vac_Tech Schwerkraft- Trenntoiletten + Vakuum- Trenntoiletten + Vergärung Abtrennung Dünger Abtrennung Dünger Bewachsener Bodenfilter SBR Bewachsener Bodenfilter SBR Vergärung Dünger + Energie Dünger + Energie

8 Definition der Sanitärszenarien Szenario Fäkalien Urin Grauwasser Bioabfall Systemerweiterung Ref Konventionelles Belebtschlammverfahren mit Schlammfaulung und Klärgasnutzung Mineraldünger + Energie Comp_Nat Comp_Tech Vac_Nat Vac_Tech Bewachsener Schwerkraft- Abtrennung Bodenfilter Dünger Trenntoiletten Dünger + Energie + SBR Bewachsener Vakuum- Bodenfilter Abtrennung Dünger Trenntoiletten Vergärung Dünger + Energie + Vergärung SBR Systemerweiterung: Bereitstellung von a) industriell hergestelltem Dünger b) Strom

9 Gewählte Systemparameter Ref Bodenfilter SBR Vergärung Bodenfilter SBR Wasserverbrauch [L/EW*d] Elimination in der Abwasserreinigung [% C-elim] [% N-elim] [% P-elim] Energiebedarf der Abwasserreinigung Urinseparation Industrielle Düngerproduktion Vergleich [kwh/m³] [kwh/ew*a] [%] [kg N/EW*a] [kg P/EW*a] = Bodenfilter mit P-Nachfällung Energieverbrauch von Kläranlagen = 41 kwh/(ew*a) (Median, NRW 1999) = 40 kwh/(ew*a) ( EW, LfU 1998)

10 Stoffstrommodell für Sanitärsysteme lineares Input-Output-Modell für Energie, Nährstoffe und Schwermetalle Software: UMBERTO (IFU/IFEU 2005) > 300 Parameter, modulare Struktur erfasste Prozesse: a) Bau der Sanitärsysteme b) Betrieb der Sanitärsysteme c) Systemerweiterungen (Mineraldünger/Energie) Daten aus Pilotprojekten, Literatur, Datenbanken Auswertung über LCA-Indikatorensystem

11 Ökologische Bewertung mit Umweltindikatoren Auswahl geeigneter Indikatoren aus dem LCA-Bewertungssystem des CML (NL 2002) Klassifizierung und Charakterisierung der Rohstoffe und Emissionen Kategorie Abk. Erfasste Substanzen Kumulierter Energieaufwand fossil CED fossil Erdöl, Erdgas, Kohle etc Kumulierter Energieaufwand nuklear Verbrauch abiotischer Ressourcen Treibhauspotential (100a) Versauerung Eutrophierung Humantoxizität (inf) Terrestrische Ökotoxizität Aquatische Ökotoxizität CED nuklear ADP GWP AP EP HTP TETP FAETP Uran Fossile/mineralische Rohstoffe CO 2, CH 4, N 2 O SO 2, NO x, NH 3 PO 4, CSB Schwermetalle, PAK, HF Schwermetalle Schwermetalle, HF

12 LCA-Indikator: Kumulierter Energieaufwand fossil 4500 Bau Betrieb Systemerweiterung REF COMP_NAT COMP_TECH VAC_NAT VAC_TECH Bau der alternativen Systeme hat höheren Energieverbrauch Energiegewinnung aus Fäkalien bringt Vorteile (Vac_Nat/Tech) Bis zu 25% Einsparung an fossilen Energieträgern gegenüber dem Referenzszenario möglich!

13 LCA-Indikator: Treibhauspotential 100a 700 Bau Betrieb Systemerweiterung GWP [Mg CO2-eq/a] REF COMP_NAT COMP_TECH VAC_NAT VAC_TECH Treibhauspotential verhält sich analog zum Energieverbrauch Fossiles CO 2 bestimmt das Ergebnis, außerdem CH 4 /N 2 O aus der /Düngeranwendung Max. 29% Einsparpotential gegenüber konventionellem System

14 Eutrophierung [kg PO4-eq] REF LCA-Indikator: Eutrophierung COMP_NAT Stickstoff (Wasser+Luft) Phosphor CSB COMP_TECH VAC_NAT VAC_TECH COMP_NATno Deutliche Reduktion der eutrophierenden Stoffe durch Entlastung des Abwasserreinigungsprozess Fäkalfiltrat belastet Grauwasserreinigung mit Stickstoff Bodenfilter ohne P-Nachfällung (50% P-Elimination) VAC_NAT_no Bodenfilter sollte gute P-Entfernung haben ( evtl. Nachfällung)

15 LCA-Indikator: Versauerung Versauerung [kg SO2-eq/a] Rest Systemerweiterung Urinanwendung Energie REF COMP_NAT COMP_TECH VAC_NAT VAC_TECH Alternative Systeme verursachen hohe NH 3 -Emissionen durch offene und Urinaufbringung Minimierung der NH 3 Emissionen durch: 1) Gekapselte mit Abluftreinigung 2) Urinaufbringung durch Injektion und Unterpflügen

16 Gewichtung der Indikatoren durch Normierung Indikator I Normierung: I/I norm Öko-Profile: I/Inorm Kategorie Einheit Total (D 2002) Pro EW (I norm ) Kumulierter Energieaufwand fossil GJ/a 12* Kumulierter Energieaufwand nuklear GJ/a 1.8* Verbrauch abiotischer Ressourcen Treibhauspotential (100a) Versauerung Eutrophierung Humantoxizität (inf) Terrestrische Ökotoxizität Aquatische Ökotoxizität kg Sb-eq/a kg CO 2 -eq/a kg SO 2 -eq/a kg PO 4 -eq/a kg DCB-eq/a kg DCB-eq/a kg DCB-eq/a 2.7* * * * * * *

17 Ökologische Profile nach Normierung Einwohneräquivalente [EW*a] CED fos CED nuc ADP GWP HTP FAETP AP TETP EP REF COMP_NAT COMP_TECH VAC_NAT VAC_TECH Entscheidende Umweltindikatoren nach Normierung: Eutrophierung (SCST-Systeme: Senkung um 15-27%) Versauerung (SCST-Systeme: Anstieg um 9-52%) Bodentoxizität (SCST-Systeme: Senkung um 57-66%) Energieindikatoren haben geringe Bedeutung Insgesamt bieten SCST-Systeme hier ökologische Vorteile

18 Einfluss der Bauphase auf die Bewertung CED fos CED nuc ADP GWP FAETP TETP HTP AP EP Einwohneräquivalente [EW*a] REF COMP_NAT COMP_TECH VAC_NAT VAC_TECH Bau der SCST-Systeme erzeugt höhere Umweltbelastungen wegen mehrerer Leitungsnetze ABER: Bauphase hat nur geringen Einfluss auf den Gesamtvergleich (22-42 EW-eq, insgesamt: EW-eq) Bauphase kann in vereinfachter LCA-Betrachtung vernachlässigt werden

19 Schlüsselparameter für zukünftige LCA-Studien alternativer Sanitärsysteme Vakuumtoilette + Vergärung Grauwasserbehandlung Schwerkrafttoilette + Urinseparation Prozess Biogasausbeute, Anteil Biomüll Fest-flüssig- Trennung, Abluft der Trenneffizienz Qualität des Fäkalfiltrat, (Schlamm) Energie Emissionen Transporte Vakuumanlage, Aufbereitung (NH 3 ) - - NH 3, N 2 O Zur Kompostanlage Behandlung? NH 3, N 2 O Zur Behandlung & Ausbringung SBR PO 4 (CSB, N) -

20 Schlüsselparameter für zukünftige LCA-Studien alternativer Sanitärsysteme Vakuumtoilette + Vergärung Grauwasserbehandlung Schwerkrafttoilette + Urinseparation Prozess Biogasausbeute, Anteil Biomüll Fest-flüssig- Trennung, Abluft der Trenneffizienz Qualität des Fäkalfiltrat, (Schlamm) Energie Emissionen Transporte Vakuumanlage, Aufbereitung - Behandlung? SBR (NH 3 ) NH 3, N 2 O NH 3, N 2 O PO 4 (CSB, N) - Zur Zur Behandlung & Kompostanlage Ausbringung - Datenqualität dieser Studie: GUT MITTEL GERING

21 Zusammenfassung SCST-Systeme zeigen geringere Umweltauswirkungen in fast allen Indikatoren: - Energieverbrauch (vor allem mit Fäkalienvergärung) - Geringere Emissionen von Klimagasen - Eutrophierung (Entlastung der Abwasserreinigung) - Sekundärdünger mit niedrigem Schwermetallgehalt Entscheidend für die Gesamtbeurteilung sind Eutrophierung, Versauerung und Bodentoxizität Bauphase hat geringen Einfluss auf die ökologische Bewertung Schlüsselparameter für vereinfachte LCA wurden bestimmt Datenqualität kann noch verbessert werden!

22 Ökologischer Vergleich alternativer Sanitärkonzepte Ausblick Weitere Verbesserung der Datenbasis (vor allem und Biogasanlage) Erweiterung des Stoffstrommodells auf andere Szenarien: Wasserwiederverwendung (MBR für Grauwasser) Low-tech -Lösungen für E-Länder Andere Referenzszenarien Weiterentwicklung der LCA-Bewertungsmethodik, statistische Auswertung Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!