Integrierte semizentrale Infrastruktursysteme

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1 Integrierte semizentrale Infrastruktursysteme Ressourcen-effiziente Lösungen für die Städte der Zukunft Fachdialog Hessen-Hunan May 2011, Changsha Dr.-Ing. Susanne Bieker Technische Universität Darmstadt, Germany Institute....

2 Herausforderung 1: Weltweites Bevölkerungswachstum Aktuelle und prognostizierte Entwicklung(en) May 18th, :00 am 6,919,171,181 Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 2

3 Stadtwachstum in China Stadt und Land 1500 Chinese urban Stadt regions Chinese Land rural regions million inhabitants Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 3

4 Herausforderung II: Urbanisierung Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 4

5 Herausforderung II: Urbanisierung Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 5

6 Herausforderung II: Urbanisierung Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 6

7 Herausforderung II: Urbanisierung (Capita/hr) Insgesamt liegt der Zuwachs in den Städten bei mehr als 1 Million Menschen pro Woche! Das Beispiel Shanghai The Speed of Urban Change (Burdett & Rode 2007, 28f. modified) Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 7

8 Zuwachsraten und zusätzlicher Infrastrukturbedarf: Das Beispiel Shanghai Stadtbevölkerung 32 C/h à 280,320 C/y Zusätzliche Wassermengen 132 L/(C d) à 36,442 m³/d Zusätzlich anfallende Abfallmengen 1 kg/(c d) à 280 Mg/d biological waste Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 8

9 Herausforderung III: Limitierte Ressourcen Ressourcenknappheit Wasser Bevölkerungsentwicklung, insbesondere in urbanen Verdichtungsräumen Erhöhung der Lebensstandards Steigender Wasserverbrauch pro Kopf Steigender Fleischkonsum à steigender Wasserbedarf in der Landwirtschaft Energie Energie und Wasser sind eng miteinander verbunden Energiegewinnung, Klimatisierung Energie zur Wassergewinnung, -aufbereitung und -verteilung Energie zur Warmwasserbereitung Nährstoffe Stickstoff, unbegrenzte Ressource, aber energieintensive Gewinnung Phosphor, begrenzte natürliche Ressource Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 9

10 Wir müssen eine grundlgende Frage beantworten Kann ein System, das vor mehr als 100 Jahren entwickelt wurde für eine Weltbevölkerung von unter 2 Milliarden Menschen die überwiegend in ländlichen Strukturen lebten und nur bedingt den gegenwärtigen technischen Möglichkeiten entspricht die Lösung sein bei einer Weltbevölkerung jenseits der 7 Milliarden Menschen die zu mehr als 50% in Städten leben, Tendenz stark steigend und bei daraus resultierender Ressourcenknappheit auf allen Ebenen? Adapted from IWA-President Daigger, G.; Change in Paradigm: Waste to Resource, Weftec 10; New Orleans Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 10

11 Weitere Fragen Können wir es uns leisten limitierte Ressourcen nicht wieder zu verwenden? Wasser Energie Phosphor. Was kostet es uns wirklich, wenn wir heute nichts ändern? Dramatisch sinkende Grundwasserpegel aufgrund von Übernutzung (z.b. Beijing) Verschmutzung von Oberflächengewässern Gefahr der Verbreitung von Krankheiten, die über Wasser übertragen werden Gefährdung der urbanen und der landwirtschaftlichen Wasserversorgung Kostenanstieg und letztlich Engpässe im Bereich der Düngemittel Klimaveränderungen und deren Auswirkungen Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 11

12 Wasser und Energie Source Water Supply and Conveyance kwh/m³ Wastewater Discharge kwh/m³ Water Treatment kwh/m³ Recycled Water Treatment Wastewater Treatment Water Distribution kwh/m³ Recycled Water Distribution kwh/m³ Wastewater Collection kwh/m³ Water Use Cycle and energy intensities for California. Numbers according to California Energy Commission (2005), p. 144, figure adapted from Reiter (2008) End User Residential Commercial Industrial waterbodies Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 13 Total water use cycle energy intensity (without end use energy demand) kwh/m³ Reuse cycle kwh/m³

13 Ressourcen-Effizienz (Wiederverwendung) erfordert neue Infrastrukturlösungen 1. Wasserwiederverwendung erfordert Dezentralisierung Kurze Wege minimieren den Energiebedarf für Wassertransporte Kurze Wege minimieren den Kapitaleinsatz für Kanäle und Druckleitungen Kurze Wege minimieren Wasserverluste 2. Energie-Effizienz (Wiederverwendung) erfordert Dezentralisierung Effizienz von Wärmerückgewinnung aus Grauwasser (Duschen, Waschmaschinen, ) ist höher, je näher zu Quelle sie realisiert wird 3. Angepasste Infrastrukturentwicklung und reduzierte Vulnerabilität sind durch Dezentralisierung möglich 4. Stabil hohe Wasserqualitäten nur durch professionellen Betrieb möglich à besser semi zentral als dezentral 5. Energieautarker Betrieb nur durch intelligente Verknüpfung verschiedener Infrastruktursektoren (Abwasser und Abfall) möglich Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 14

14 Von Herausforderungen zur Forschung Um folgendes zu erreichen Verbesserte öffentliche Gesundheits-Vorsorge und Sicherung Verringerte Wasserentnahmen zum Schutz der Umwelt Verringerte Einleitmengen und damit Umweltbelastungen Verringerter Ressourceneinsatz (Umweltschutz, Kostenreduktion) Einfache und angepasste Systemerweiterungen und -verbesserungen Brauchen wir Öffentliches Bewusstsein, u.a. für die Notwendigkeit von Wasserwiederverwendung and Stoffstrommanagement Konzepte zur Bewältigung von Transformationsprozessen Integration verschiedener administrativer, steuernder und vollziehender Ebenen Neue and anpassungsfähige Ansätze und das zugehörige Management Wasserforschung in einer ganzen Reihe von Feldern und Fragestellungen Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 15

15 Integrierte Behandlung auf Stadtteilebene Integrierte Semizentrale Systeme beziehen sich auf kleinere, kompakte Siedlungseinheiten Jeder Stadtteil verfügt über ein eigenes integriertes Ver- und Entsorgungssystem Integrierte Betrachtung von Wasser, Abwasser und Abfall Integriertes Stoffstrommanagement Nutzung von Synergieeffekten zur Steigerung der Ressourceneffizienz und Kosteneffizienz Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 17

16 Der Ansatz SEMIZENTRAL Germany potable water reclaimed non-potable water energy energy raw/ tap water grey water black water solid waste (B) waste water treatment (A) grey water treatment Supply and Treatment Unit (C) domestic waste treatment caloric heat treated waste water stabilized waste Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 18

17 Wasserwiederverwendung und Wärmerückgewinnung reclaimed non-potable water grey water (A) grey water treatment caloric heat Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 19

18 Wasserwiederverwendung und Wärmerückgewinnung Einfach aufzubereiten (erhöhte Temperatur, keine Nährstoffentfernung erforderlich, ) Kann 30% des Tageswasserbedarfs und mehr einsparen (Toilettenspülung, zus. Bewässerung oder Straßenreinigung denkbar) Erhöht die rechnerischen Kapazitäten bestehender Wasserversorgungssysteme (Förderung, Aufbereitung, Verteilung) ebenso wie die der Entsorgungssysteme (Sammlung, Behandlung, Einleitung) è mehr Menschen können mit derselben Wassermenge versorgt werden Einsparpotenziale im Energiebereich: Grauwasseraufbereitung benötigt zwischen kwh/m³, Mehrwasserentsalzung zwischen 3 und 4 kwh/m³ Wärmerückgewinnung aus Grauwasser spart große Mengen an Primärenergie ein Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 20

19 Wasser und Energie Abwasserbehandlung Wassergewinnung Wassernutzung 780-5,800GWh/a 50, ,000Wh/a 2,000-7,000GWh/a [Cornel et al. 2011, destatis] Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 21

20 Abwasserreinigung bedarfsorientiert Einleitung oder Wiederverwendung reclaimed non-potable water grey water black water (B) waste water treatment (A) grey water treatment caloric heat treated waste water sludge Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 22

21 Abwasserreinigung bedarfsorientiert Einleitung oder Wiederverwendung Einleitung in Regenwasserkanal oder Vorflut Nutzung als Ressource möglich: Urbane Wasserwiederverwendung zur Straßenreinigung oder Bewässerung von Grünflächen è Aufbereitungsqualität hängt von der Nutzung ab Nährstoffe, insbes. Phosphor wenn erforderlich Wärme (zur Vor-Erwärmung in Haushalten oder für größere Nutzungen wie Schwimmbäder o.ä.) Wichtigstes Kriterium: Einhaltung der rechtlichen Vorgaben Zur Einleitung in Vorfluter Zur Entsorgung im Regenwasserkanal Zur Nutzung Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 23

22 Der Ansatz SEMIZENTRAL Germany Einsparpotenziale und Systemvorteile reclaimed non-potable water energy energy grey water black water solid waste (B) waste water treatment (A) grey water treatment (C) domestic waste treatment caloric heat treated waste water stabilized waste Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 24

23 Integrierte Behandlung von Abfällen und Klärschlämmen Die Integrierte Behandlung von Abfällen und Klärschlämmen ermöglicht einen energieautarken und von äußeren Rahmenbedingungen weitgehend unabhängigen und stabilen Betrieb Abfallbehandlungs-Komponente kann umfassen Abtrennung von Bioabfällen Integrierte Behandlung von Bioabfällen und Klärschlämmen à Energie ggf. Generierung von Bodenverbesserern zur landwirtschaftlichen Nutzung Nutzung hochkalorischer Fraktionen als Ersatzbrennstoffe Reduziert Transporte, Emissionen, Klimagase Energiegewinnung Energieautarker Betrieb durch Verstromung des Biogases bilanziell möglich Verhindert Abschaltung der Behandlungs- und Versorgungszentren durch Energieengpässe, Stromausfälle etc. à höhere Behandlungs- und Versorgungssicherheit Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 25

24 Exemplarische Stoff- und Wasserströme (Fallstudie Qingdao, 20,000 Einwohner) water treatment service water 109 L/ (C d) 76 L/(C d) 41 L/(C d) greywater 250 g/(c d) greywater treatment sludge 25*-50** Wh electr. /(C d) heat recovery Wh calor. /(C d) recyclables RDF residual and biowaste waste & sludge treatment 200 Wh electr. /(C d) 610 g/(c d) residuals 750 g/(c d) process water sludge * activated sludge treatment ** MBR: membrane biological reactor 68 L/(C d) 55* Wh electr. /(C d) blackwater blackwater treatment 68 L/(C d) (for discharge) Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 26

25 Erfordernisse zur Implementierung innerstädtischer Behandlungseinheiten Akzeptanz der Entscheidungsträger Akzeptanz der Nutzer Geringe Emissionen Geräusche/ Lärm Aerosole Geruch Verkehr, Erschütterungen à nur geschlossene Behandlungseinheiten sinnvoll und möglich Angepasst an lokale Rahmenbedingungen und Erfordernisse Zusammengesetzt aus bewährten Technologien keine Experimente Stufenweise Implementierung und Erweiterung Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 27

26 Kostenbetrachtungen Vergleich einer sektoralen konventionellen mit einer integrierten semizentralen Lösung Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 28

27 Kostenvergleich: Szenario 1 Stabiles urbanes Wachstum über einen Zeitraum von 20 Jahren Bestehendes zentrales System der Abwassersammlung und -reinigung sowie Abfallbehandlung an Kapazitätsgrenze Wohnraumnachfrage besteht à Wie sollen diese neuen Einwohner infrastrukturell ver- und entsorgt werden? Lösung 1: Bau einer konventionellen sektoral-getrennten Lösung Zentrale Kläranlage für C Erweiterung bzw. Ausbau der Deponiekapazitäten für C Lösung 2: Sukzessiver Bau von kleineren Anlagen, entsprechend des zeitlichen Bedarfs, Integrative Betrachtung verschiedener Wasser- und Stoffströme Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 29

28 Kostenvergleich: Szenario 1 Vergleich der Gesamtkosten einer sektoralen konventionellen Lösung ( C) mit denen einer schrittweisen Implementierung integrierter semizentraler Systemmodule (jeweils C) Overall costs (investment and operation) SEMIZENTRAL Figure ist 3: günstiger Comparison in der of overall Gesamtbetrachtung, costs of a semicentralized aber vor syste allem in den ersten Jahren mit hohen Investitionskosten (300%!). Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 30

29 Kostenvergleich: Szenario 2 Szenario 2 zeigt eine veränderte Nachfragesituation nach 10 Jahren: Die Nachfrage sinkt stark, ein weiterer Siedlungsneubau ist für einige Jahre nicht rentabel. Die Situation verändert sich nach einigen Jahren erneut: Die Nachfrage steigt rapide an, große Gebiete werden binnen kürzester Zeit nachgefragt und binnen weniger Jahre realisiert. Im Jahr 21 werden gleich 3 Neubaugebiete von jeweils C realisiert. Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 31

30 Kostenvergleich: Szenario 2 Overall costs (investment and operation) SEMIZENTRAL Figure 4: Comparison ist deutlich of flexibler, semicentralized erhöht die system Auslastungsraten expansion in coder Systeme und reduziert damit hohe Betriebskosten. Gleichzeitig ist der Ansatz in der Lage kurzfristig auf Nachfrageänderungen zu reagieren immer noch zu niedrigeren Gesamtkosten als ein zentraler Ansatz. Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 32

31 Potenziale und Vorteile des Ansatzes SEMIZENTRAL Germany Getrennte Erfassung und Behandlung von Grauwasser Geringerer Wasserbedarf (-30% und mehr) Schutz natürlicher Ressourcen und Biosphären Reduktion des häuslichen und damit städtischen Wasserbedarfs Einsparung von Energie, Klimagasemissionen und Kosten Sichere und stabile Abfall- und Klärschlammbehandlung Gewinnung von Biogas Energie-autarker Betrieb der Behandlungseinheiten dauerhaft verlässliche und von äußeren Rahmenbedingungen weitgehend unabhängige Behandlung Verringerung der Klimagasemissionen auf Deponien Verringerte Abfallmengen, stabilisierter Klärschlamm Verringerte Mengen = reduzierter Transportaufwand à Energie und Kosteneinsparungen Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 33

32 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Abwasser ist kein Abfallprodukt, sondern eine Ressource für Energie aus Biogas kann Elektrizität und Wärme werden Nährstoffe Wasser Rückgewinnung und Wiederverwendung erfordern neue Denkansätze in der Infrastrukturentwicklung Kleinteilige, räumlich verteilte, semizentrale Strukturen Verschiedene Wasserqualitäten für verschiedene Nutzungszwecke à fit for purpose Integriertes Denken verschiedener Infrastruktursektoren ermöglicht Synergieeffekte und Effizienzsteigerungen à Ökologische und ökonomische Motivation Seuchenbekämpfung und Gesundheitsvorsorge bedingen einen professionellen Betrieb ohne Kompromisse und Ausnahmen Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 34

33 Wohin muss es in Forschung und Implementierung gehen? Die Städte der Zukunft Cities müssen weniger Ressourcen benötigen und viel stärker selbstversorgend werden Forschung ist daher in verschiedenen Feldern gefragt Wasser-Ressourcen-Management Technische Verfahren der Wasseraufbereitung, Abwasserreinigung und Abfallbehandlung hinsichtlich Wiederverwendung und Rückgewinnung optimieren Nahrungsmittelproduktion für wachsende urbane Räume könnte auf Abwasser(teilströme) als Ressource der Bewässerung zurückgreifen Systemare, ganzheitliche Betrachtungen auf Wassersysteme und Zusammenhänge zwischen verschiedenen Sektoren Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 35

34 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Der Ansatz SEMIZENTRAL Germany spart 30% und mehr des Tageswasserbedarfs (durch Wiederverwendung) nutzt technisch erprobte und bewährte Verfahren ermöglicht eine Überschussproduktion an Energie zur Nutzung im NBetz oder in angeschlossenen Nutzungen eröffnet Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung Kapitalbindung und Planungssicherheit Größere Flexibilität des Systems Kleinere Einheiten ermöglichen bedarfsgerechte Realisierung Technische Varianten und Größenklassen möglich Anwendungsfälle ideal für Siedlungsneubau kombinierbar mit bestehenden Strukturen (Neubau und Altbau) Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 37

35 Capacity Building - Bewusstseinsbildung Sensibilisierung der Öffentlichkeit für aktuelle Entwicklungen und aus diesen resultierende Erfordernisse Datum TU Darmstadt, Germany Institute IWAR Dr.-Ing. Susanne Bieker 38

36 Integrierte semizentrale Infrastruktursysteme Dr. Susanne Bieker, Prof. Peter Cornel Technische Universität Darmstadt, Institute IWAR Mitglied der