Universität Koblenz-Landau Landau Fachbereich 7: Natur- und Umweltwissenschaften Institut für Umweltwissenschaften Dr. Horst Niemes (Lehrbeauftragter) Systemanalyse 1 Fallbeispiel 1: Grundwassersanierung in Leuna Quelle: Mario Schirmer and Horst Niemes: Sustainable Technologies and Social Costs for Eliminating Contamination of an Aquifer, Sustainability 2010, 2, ISSN 2071-1050.
Das Problem Die Grundwasserverschmutzung ist ein weltweites Problem für Industriestandorte MTBE (Methyl tertiary-butel ether) wurde eingeführt, um den Bleizusatz zum Benzin zu ersetzen, die Verbrennung im Motor zu verbessern und das Klopfen im Motor zu verringern. Leuna ist ein seit 100 Jahren bestehender zentraler Industriestandort in Mitteldeutschland (Düngemittel, Sprengstoff, Kohleverflüssigung, Kunststoffe, Benzin, Benzinzusatzstoffe wie MTBE) MTBE wurde dort seit 1981 und ab 1984 in großem Maßstab produziert mit erheblichen Belastung der Grundwasserressourcen
Standort und Eigenschaften des Grundwasserleiters
Die im Boden angereicherten Schadstoffe werden an das Grundwasser abgeben und dem Grundwasserstrom in Richtung des Flusses Saale transportiert. Die Fließstrecke beträgt ca. 2 km. Der Abbau der Schadstoffe erfolgt sehr langsam. Dennoch ist das in Flussnähe befindliche Wasserwerk Daspig kaum beeinträchtigt, welches die Stadt Leuna und den Industriestandort mit Trinkwasser versorgt. Die technischen Daten des Grundwasserleiters sind folgende: Bodendeckung des Grundwasserleiters beträgt ca. 2 bis 4 m, seine hydraulische Leitfähigkeit K (die Henry-Konstante) im Mittel 4x10-4 m/s, die Fließgeschwindigkeit 0.3 bis 1 m pro Tag, die saisonalen Schwankungen der Temperatur im Bereich von 7 bis 14 C (im Mittel 11 C)
Ökonomische Einordnung und technische Lösung des Problems Die früheren staatlichen Betriebe existieren nach der Wiedervereinigung nicht mehr, folglich ist das sogenannte Polluter-Pay-Principle nicht anwendbar. Um neue Betriebe anzusiedeln zu können, wurde in dem Altlastenfreistellungs- Gesetz entschieden, dass die Grundwassersanierung eine öffentliche Aufgabe ist, welche durch die 1999 gegründete Landesanstalt für Altlastenfreistellung des Landes Sachsen-Anhalt koordiniert wird. Die neu angesiedelten Betriebe haben sich lediglich mit einem geringen Investitionsbeitrag an den Sanierungskosten zu beteiligen.
Implementierte Systemelemente zur Lösung des Verschmutzungsproblems in Leuna Extraction of MTBE-contaminated groundwater Water for the industrial zone of Leuna Water for Leuna City I MTBE-contaminated surface soil IV Treatment plant for MTBEcontaminated groundwater V: Infiltration of treated groundwater Extraction of groundwater VII Water works II MTBE-contamination of the upstream aquifer VI Dilution and natural attenuation of the downstream aquifer III Slurry wall for separating the MTBE-contaminated groundwater from the aquifer River Saale
Ziel für die Grundwasserreinigung: Reduktion der mittleren MTBE-Konzentration von 125 mg/l auf 200 µg/l, um durch die Diffusion und den geringen natürlichen Abbau letztlich einen Trinkwasserstandard von 5µg/l zu erreichen. Wesentliche Systemelemente sind folgende: o I der Pollution Stock (im Boden akkumulierte Schadstoffe) o II das kontaminierte Grundwasser o III eine 400 m langen und 15 tiefen Spundwand zur Trennung des Grundwasserleiters o IV die Grundwasserreinigungsanlage (Air Stripping Anlage) o V Infiltration des gereinigten Grundwassers in den Grundwasserleiter o VI Selbstreinigung durch den Grundwasserleiter o VII Trinkwassergewinnungsanlage (mit Umkehrosmose und Aktivkohlefilter)
Einige zusätzliche technische Daten Grundwasservolumen im Bereich von 120 m 3 bis 800 m 3 pro Tag Entnommenes Grundwasservolumen zwischen 288 m 3 bis 360 m 3 pro Tag Bei einer Konzentration von 20 mg/l werden ungefähr 5,8 bis 7,3 kg MTBE pro Tag (2,1 bis 2,6 Tonnen pro Jahr) In einem Zeitraum von 10 Jahren müssen ungefähr 4,2 bis 7,8 Tonnen pro Jahr in den Grundwasserleiter eingeleitet worden sein. Ungefähr 20 bis 30 Jahre muss die Reinigungsanlage betrieben werden. Ohne Reinigungsanlage würde das Problem erst in 100 Jahren durch die Natur gelöst sein.
Die Kosten zur Berechnung der dynamischen Gestehungskosten (gleich dem Preis für die Grundwasserbehandlung) Investitionskosten o The 400 m slurry separation wall 980.000 o The water storage during construction 60.000 o The system for draining groundwater to the treatment plant 490.000 o The groundwater treatment plant 195.000 o The pilot plant for optimizing the treatment process 64.000 o Supplementary measures 250.000 o Total 2.039.000 Zusätzliche Investitionskosten in den Zeitraum von 2009 bis 2015: 643.000 pro Jahr Restwert der Investitionskosten am Ende des Planungshorizontes: 5.485.000. Fixe Betriebskosten: 120.000 pro Jahr Variable Betriebskosten: 110.376 pro Jahr
Die dynamischen Gestehungskosten bei einer Diskontrate von 5 Prozent nach nachstehender Formel (und der Tabelle am Schluss): 3,5 /m 3 mit einer Schwankungsbreite von ± 0,5 DPC = NPVC NPVW { I( τ ) + O( τ ) } T RVI( T) = + + = τ 1 (1 δ ) τ 1 T (1 δ ) T W ( τ ) τ = 1(1 + δ ) τ 1 Schlussfolgerung Die dynamischen Gestehungskosten sind ein Preis für die politische Entscheidung, das Problem innerhalb der nächsten 20 bis 30 Jahren zu lösen. Die Wassergewinnungskosten im Wasserwerk bei 1,2 /m 3. Die dynamischen Gestehungskosten zeigen an: Eine nachträglichen Grundwassersanierungskosten sehr hoch sind. Der sorglose Umgang mit natürlichen Ressourcen hat also einen hohen Preis, den die nachfolgenden Generationen zu tragen haben.
Year Investment Costs Operation Costs Total Costs Groundwater Discount Discounted Discounted Original Additional Fixed Variable Amount Factor Costs Groundwater 1,05 Amounts /a /a /a /a /a m3/a /a m3/a 2004 1.930.000 60.000 55.188 2.045.188 122.640 1,00 2.045.188 122.640 2005 509.000 120.000 110.376 739.376 122.640 1,05 704.168 116.800 2006 120.000 110.376 230.376 122.640 1,10 208.958 111.238 2007 120.000 110.376 230.376 122.640 1,16 199.007 105.941 2008 120.000 110.376 230.376 122.640 1,22 189.531 100.896 2009 643.000 120.000 110.376 873.376 122.640 1,28 684.313 96.092 2010 643.000 120.000 110.376 873.376 122.640 1,34 651.727 91.516 2011 643.000 120.000 110.376 873.376 122.640 1,41 620.692 87.158 2012 643.000 120.000 110.376 873.376 122.640 1,48 591.135 83.008 2013 643.000 120.000 110.376 873.376 122.640 1,55 562.986 79.055 2014 643.000 120.000 110.376 873.376 122.640 1,63 536.177 75.290 2015 643.000 120.000 110.376 873.376 122.640 1,71 510.645 71.705 2016 120.000 110.376 230.376 122.640 1,80 128.282 68.291 2017 120.000 110.376 230.376 122.640 1,89 122.173 65.039 2018 120.000 110.376 230.376 122.640 1,98 116.356 61.942 2019 120.000 110.376 230.376 122.640 2,08 110.815 58.992 2020 120.000 110.376 230.376 122.640 2,18 105.538 56.183 2021 120.000 110.376 230.376 122.640 2,29 100.512 53.507 2022 120.000 110.376 230.376 122.640 2,41 95.726 50.959 2023 120.000 110.376 230.376 122.640 2,53 91.168 48.533 2024 120.000 110.376 230.376 122.640 2,65 86.826 46.222 2025 120.000 110.376 230.376 122.640 2,79 82.692 44.021 2026 120.000 110.376 230.376 122.640 2,93 78.754 41.924 2027 120.000 110.376 230.376 122.640 3,07 75.004 39.928 2028 120.000 110.376 230.376 122.640 3,23 71.432 38.027 2029 120.000 110.376 230.376 122.640 3,39 68.031 36.216 2030 120.000 110.376 230.376 122.640 3,56 64.791 34.491 2031 120.000 110.376 230.376 122.640 3,73 61.706 32.849 2032 120.000 110.376 230.376 122.640 3,92 58.767 31.285 2033 120.000 110.376 230.376 122.640 4,12 55.969 29.795 2034-985.000-4.500.000 0 0-5.485.000 4,32-1.269.105 0 Net Present Value of the Costs 7.809.963 Net Present Value of the Groundwater Amounts m3 1.979.541 Dynamic Prime Costs including the additional Investment Costs /m3 3,95 Dynamic Prime Costs excluding the additional Investment Costs /m3 2,93 Dynamic Prime Costs excluding the total Investment Costs /m3 1,82