Ringvorlesung Ökologie, VO 253.118 Univ.-Prof. Dr. A. Mahdavi, Univ.-Prof. Dr. E. Panzhauser 19. April 2007 Effizienz und Nachhaltigkeit... mit besonderer Berücksichtigung der gebauten Umwelt Helmut Technische Universität Wien Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft 1
Klärung der Begriffe Effizienz Effektivität Nachhaltigkeit 100 % 100 % Ziel Ziel A B 0 % A B A effektiver als B 0 % Aufwand 2 www.iwa.tuwien.ac.at 2
Klärung der Begriffe Effizienz Effektivität Nachhaltigkeit Effektivität ist das Verhältnis von erreichtem Ziel zu definiertem Ziel. Das Kriterium für das Vorhandensein von Effektivität ist ausschließlich die Frage, ob das definierte Ziel erreicht wurde oder nicht. Ein Verhalten ist dann effektiv, wenn es ein vorgegebenes Ziel erreicht. Dies ist im Unterschied zur Effizienz unabhängig vom zur Zielerreichung nötigen Aufwand. Effektiv arbeiten bedeutet, unter Einsatz aller Mittel ein Ziel zu erreichen, effizient Arbeiten hingegen bedeutet, ein Ziel mit möglichst geringem Mitteleinsatz zu erreichen. Effizienz setzt also Effektivität voraus und geht über diese noch hinaus. Effektivität ist ein Maß für die Zielerreichung (Wirksamkeit, Output) und Effizienz ist ein Maß für die Wirtschaftlichkeit (Kosten-Nutzen-Relation). Quelle: wikipedia.com 3 www.iwa.tuwien.ac.at 3
Klärung der Begriffe Effizienz Effektivität Nachhaltigkeit Nachhaltige Entwicklung ist eine Entwicklung, welche weltweit die heutigen Bedürfnisse zu decken vermag, ohne für künftige Generationen die Möglichkeit zu schmälern, ihre eigenen Bedürfnisse zu decken. (Brundtland-Report Our Common Future 1987) Ursprünglich stammt der Begriff der Nachhaltigkeit aus der Forstwirtschaft des 18. Jahrhundert: Nicht mehr Holz schlagen, als im gleichen Zeitraum nachwächst. ( Von den Zinsen leben. ) Dokumente der Agenda 21 der Konferenz von Rio de Janeiro 1992 (Begriff weitgehend akzeptiert). Starke und schwache Nachhaltigkeit 4 www.iwa.tuwien.ac.at 4
Globale Kupferbilanz 11.000 Erz 2 Kupferproduktion Kathoden Kupfer 3 Produkte 4 Abfall 5 Güterproduktion Konsum 11.000 11.500 3.800 Entsorgung 300.000 +7.700 Neuschrott Altschrott II 540 680 Altschrott I 1.400 Schlacke Gangart 150 deponierte Abfälle 1.200 1.700 1 6 Lithosphäre Deponien 580.000-11.000 85.000 +3.100 Flüsse: 1.000 t/a Lager: 1.000 t Systemgrenze Welt 1994 Quelle: Graedel et al. 2002 (ergänzt) 5 www.iwa.tuwien.ac.at 5
Die Grenzen der Kreislaufwirtschaft Aufwand Umweltschutz 0 % Recyclingrate 100 % 0 % Recyclingrate 100 % 6 www.iwa.tuwien.ac.at 6
Quoten und Ziele Emissionen Ressourcenschonung [ - ] stoffliche Verwertung (nicht brennbar) thermische oder stoffl. Verwertung thermische Verwertung Ressourcenschonung durch stoffliche Verwertung FCKW-Emissionen verbunden mit stofflicher Verwertung Ressourcenschonung durch thermische Verwertung FCKW-Emissionen verbunden mit thermischer Verwertung 0 Verwertungsquote [%] 100 Entsorgung 7 www.iwa.tuwien.ac.at 7
Charakteristik des anthropogenen SHH 1,0 Erdkruste Relative Statistische Entropie 0.8 0.6 0.4 0.2 0,0 Güterproduktion Kupferproduktion Konsum Entsorgung Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 Phase 5 Kupfer pur Lebenszyklus von Kupfer Quelle: & Graedel, 2002 8 www.iwa.tuwien.ac.at 8
Effiziente Abfallwirtschaft <0.1 Systemgrenze KVA + Schmelze Abgas I Siedlungsabfall 100 KVA Abwasser Flugasche Filterkuchen <0.1 8.9 <0.1 Abgas II 1.9 93 Schlacke Schlackenschmelze Kupferflüsse [%] Silikatschmelze 8.9 82 Metallschmelze Quelle: Zeltner and Lichtensteiger, 2002 9 www.iwa.tuwien.ac.at 9
Entropie und Stoffkonzentrierungseffizienz 1,0 Erdkruste Relative Statistische Entropie 0.8 0.6 0.4 0.2 0,0 Güterproduktion Kupferproduktion Konsum Entsorgung Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 Phase 5 SKE = 100 % SKE < 0 SKE > 0 Kupfer pur Lebenszyklus von Kupfer Quelle: & Graedel, 2002 10 www.iwa.tuwien.ac.at 10
Beispiel für Effizienz in der AWS Aufwand (z.b. Kosten) KVA Deponie KVA + Schmelze KVA + mech. Aufb. Rel. SKE Cu [%/ ] [%/kwh] 0 20 40 60 80 100 Stoffkonzentrierungseffizienz SKE Cu Quelle:, 2002 11 www.iwa.tuwien.ac.at 11
Umsatz fester Güter: heute Flüsse [t/(e.a)] Lager [t/e] 0,5-1 Versorgung & Konsum 8-12 6-9 2-3 Entsorgung 1-2 Lager 400 Deponie 50 Quelle: Baccini, 2002 (adaptiert) 12 www.iwa.tuwien.ac.at 12
Kreislaufwirtschaft Flüsse [t/(e.a)] Lager [t/e] 4-6 Versorgung & Konsum Entsorgung 1-2 0 5-8 1-2 Lager >400 Deponie>50 Quelle: Baccini, 2002 (adaptiert) 13 www.iwa.tuwien.ac.at 13
Effizienz der Produktion 300 200 Blast furnace fuel rate [GJ/t Cu] 100 Thermodynamic limit 0 1500 1600 1700 1800 1900 2000 Year Quelle: Gordon, 2006 14 www.iwa.tuwien.ac.at 14
Effizienz der Produktion Entwicklung der Energieeffizienz [kj/kg Klinker] 7.000 6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 Datengrundlage: Hackl & Mauschitz Brennstoffenergiebedarf Theoretischer Brennstoffenergiebedarf Trocknung 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2004 Jahr Quelle: Nachhaltigkeitsbericht der Zementindustrie 2004 15 www.iwa.tuwien.ac.at 15
Effizienz der Produktion Consumption of reducing agents [kg/t HM] 1,200 1,000 800 600 400 200 Ore benefication Input of over seas rich ores Blast temperature >1200 C O2-enrichment Top pressure Burden distribution Gas flow control Improvement of Fe burden Improvement of coke Small coke in Fe burden Thermodynamic optimum Oil+others Coke (dry) Coal 88.6 41.5 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Year 350 420 480.1 Source: VDEh Blast Furnace Committee 16 www.iwa.tuwien.ac.at 16
Effizienz der Produktion vöestalpine: 440 450 kg/t RE 17 www.iwa.tuwien.ac.at 17
Maßnahmen und Effizienz Kupfererz 630 Reststoffe Rohstoffproduktion 2.260 Kupfer 2.790 Sekundärkupfer Energiebereitstellung Güterproduktion RP-Abfälle GP-Abfälle 130 Alt WM Waschmaschinen gesammelt Konsum 2.660 2.660 1.770 + 0 100 Alt WM Recycl. Entsorgung +Sammlung 630 +630? + 630 2.660 400 Nutzung: 10 Jahre Recycling Aufbereitung 85% Recyclingeffizienz Systemgrenze "Bewirtschaftung von Waschmaschinen ohne Wiederverwendung, 15 Jahre 1.500 Sekundärkupfer Recycling Aufbereitung Kupfererz Kupfer 420 Rohstoffproduktion 1.860 Energiebereitstellung Güterproduktion Waschmaschinen 1.770 GP-Abfälle Konsum 1.180 + 0 Konsum gebrauchte Ware 590 + 0 RP-Abfälle 90 1.770 60 Entsorgung +Sammlung Alt WM gesammelt-nnd? + 420 Alt WM-WV 1.770 270 Alt WM-VND 1.770 Reststoffe 1.770 Alt WM Recycl. 420 +420 Nutzung: 15 Jahre 85% Recyclingeffizienz Systemgrenze "Bewirtschaftung von Waschmaschinen mit Wiederverwendung, 15 Jahre [kg Cu/Nutzung von 1000 WM] 18 www.iwa.tuwien.ac.at 18
Maßnahmen und Effizienz Kupfererz 630 Reststoffe Rohstoffproduktion 2.260 Kupfer 2.790 Sekundärkupfer Energiebereitstellung Güterproduktion RP-Abfälle GP-Abfälle 130 Alt WM Waschmaschinen gesammelt 2.660 Konsum 2.660 1.770 + 0 100 Alt WM Recycl. Entsorgung +Sammlung 630 +630? + 630 2.660 400 Güterproduktion Nutzung: 10 Jahre Recycling Aufbereitung 85% Recyclingeffizienz Systemgrenze "Bewirtschaftung von Waschmaschinen ohne Wiederverwendung, 15 Jahre 1.330 Sekundärkupfer Recycling Aufbereitung Kupfererz Kupfer 630 Rohstoffproduktion 1.860 Energiebereitstellung Waschmaschinen 1.770 GP-Abfälle Konsum 1.180 + 0 Konsum gebrauchte Ware 590 + 0 RP-Abfälle 90 1.770 60 Entsorgung +Sammlung Alt WM gesammelt-nnd? + 630 Alt WM-WV 1.770 440 Alt WM-VND 1.770 Reststoffe 1.770 Alt WM Recycl. 630 +630 Nutzung: 15 Jahre 75% Recyclingeffizienz Systemgrenze "Bewirtschaftung von Waschmaschinen mit Wiederverwendung, 15 Jahre [kg Cu/Nutzung von 1000 WM] 19 www.iwa.tuwien.ac.at 19
Maßnahmen und Effizienz 600 Ressourcenverbrauch [%] 500 400 300 Schwankung der Recyclingeffizienz Beispiel: 25 % Reduktion des Ressourcenverbrauchs entweder durch 1) Zunahme der Recyclingeffizienz +5 % (ohne Wiederverwendung) oder 2) Verlängerung der Produktlebenszeit +34 % (85% Recyclingeffizienz) 200 Basisszenario: 100-25 % 85 % Recyclingeffizienz 0 % Verlängerung der Produktlebenszeit -25 % Verlängerung der Produktlebenszeit +5 % +34 % 0 0 20 40 60 80100 0 20 40 60 80100120 150 200 250 350 Recyclingeffizienz [%] Verlängerung der Produktlebenszeit [%] Quelle: Truttmann & 2006 20 www.iwa.tuwien.ac.at 20
Effizienz von Verhaltensänderung vs. Technologie 1000 100 10 Emissionen ohne RGR Grenzwerte AVV 2002 Quantit. Vermeidung: -20% Emissionen mit RGR Masse/Zeit 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 Staub NOx SOx HCl Cd Hg Pb Dioxine x 10 6 21 www.iwa.tuwien.ac.at 21
Zusammenfassung Nachhaltigkeit: Ziele und Ansätze/Instrumente Produktion: effizient, effektiv Konsum, Nutzung: Lebensdauer, Rohstoffe der Zukunft Entsorgung: Nachholbedarf, reagiert Fokus: Bauwerke 22 www.iwa.tuwien.ac.at 22