Kostenfaktor 4. Reinigungsstufe Landeskongress des BWK Landesverbandes NRW e.V. am 23. April 2015: Neue Herausforderungen für die Abwassertechnik Dr. Heinrich Herbst Sandra Ante Kompetenzzentrum Mikroschadstoffe.NRW Gliederung Vorstellung des Kompetenzzentrums Entwicklung der Umsetzung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination Kosten und Kostenstruktur der Abwasserbeseitigung in NRW Entwicklung von Kostenfunktionen Kostenauswertung des Kom‐M.NRW Vorstellung des Kompetenzzentrums Ausgangssitutation in NRW 28 von den 100 am dichtesten besiedelten Gemeinden Deutschlands (18 in BY, 17 in BW) Behandlung von rd. 2.650 Mio. m3 Abwasser/a (2012) in 634 kommunalen Kläranlagen Mischwasserentlastung ca. 230 Mio. m³ sehr hoher Anteil der Gewinnung von Trinkwassers aus Oberflächengewässern (ca. 50-60%) kein flächendeckend guter ökologischer Zustand der Gewässer GEWÄSSERQUALITÄT IST TRINKWASSERRELEVANT !! Aufgaben AUFTRAG > Das Kompetenzzentrum arbeitet im Auftrag des Ministeriums für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- u. Verbraucherschutz des Landes NRW (MKULNV NRW), Start 2012 > Unterstützung durch Landesverband NRW der DWA SCHWERPUNKTE > Verfahrenstechniken > Technologieeinsatz > Bemessungshinweise > Monitoring / Analytik / Messtechnik > Energetische Betrachtungen AKTIVITÄTEN > Information > Vernetzung > Fortbildung Organigramm Projektleitung LANUV NRW fachliche Beratung Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen Kooperation Koordination,Technik Kommunikation Wissenschaft, Forschung, Analytik Entwicklung der Umsetzung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination Überblick der Verfahrenstechniken Ozonung PAK / Kontaktbecken PAK / Filter GAK Ausgewählte Kläranlagen in Deutschland, NRW Ozonung: KA Duisburg Vierlinden Quelle: Wirtschaftsbetriebe Duisburg AöR Ausgewählte Kläranlagen in Deutschland, NRW Ozonung + PAK: KA Schwerte Ausgewählte Kläranlagen in Deutschland, NRW GAK: KW Gütersloh-Putzhagen Ausgewählte Kläranlagen in Deutschland, BW PAK: KA Sindelfingen Quelle: Kompetenzzentrum Spurenstoffe BW Ausgewählte Kläranlagen in der Schweiz Ausgewählte Kläranlagen in der Schweiz Überblick Maßnahmen in Baden-Württemberg Übersicht Projekte in der Schweiz Überblick Maßnahmen in NRW Kosten und Kostenstruktur der Abwasserbeseitigung in NRW Anteile in Prozent, gewichtet nach den gemeldeten Einwohnern Abschreibung 14% Zinsen 30% 6% Personalkosten 3% 3% Roh‐, Hilfs‐, und Betriebskosten Reststoffentsorgung 11% Abwasserabgabe 14% 18% Quelle: DWA‐Wirtschaftsdaten der Abwasserbeseitigung 2009, erschienen 07/2010 sonstiger betrieblicher Aufwand bezogene Leistungen Entwicklung von Kostenfunktionen Historie der „Kostenentwicklung“ Kosten aus Literaturstudien mit unterschiedlichen Berechnungsansätzen und Bezugszeiten, auf Basis von „Einheitswerten“ und zum Teil extrapoliert aus „upgescalten“ Versuchsanlagen Pinnekamp (ISA); W. Merkel (IWW) et al.; Senkung des Anteils organischer Spurenstoffe in der Ruhr durch zusätzliche Behandlungsstufen auf kommunalen Kläranlagen – Güte- und Kostenbetrachtungen – Studie MKULNV 2008 Î Spezifische Kosten je nach Verfahren/Stoff zwischen 0,04 - 0,32 €/m³ Abwasser (behandelt) Historie der „Kostenentwicklung“ Aktuelle Veröffentlichungen wie z. B. Kostenübersicht von PAK Anlagen zur Spurenstoffelimination z. B. nach K. Alt, I. Barnscheidt (2012), hier verändert und ergänzt Î Spezifische Kosten je nach Verfahren/Stoff zwischen 0,03 - 0,13 €/m³ Abwasser (behandelt) Historie der „Kostenentwicklung“ Kostenstudien aus der Schweiz aus den Jahren 2008 und 2012 Historie der „Kostenentwicklung“ Kostenangaben aus Baden-Württemberg TP 9: Kosten und Nutzen der Spurenstoffelimination, F+E-Projekt des MKULNV NRW, erste einheitliche Aufbereitung aller Kostenansätze und Entwicklung von Kostenfunktionen Einheitliche Aufbereitung der Kosten aus nationalen/internationalen Studien/Projekten Spezifische Betriebskosten Nutzungszeiträumen Bemessungs- und Eliminationsleistungen Investitionskosten für Aktivkohle-Behandlung und Ozonierung Verfahren Kostenfunktion in [€] x in m³ Abwasser behandelt Ozon PAK y=2.152·x KA Ausbau 50.000 EW [Mio. €] KA Ausbau 100.000 EW [Mio. €] KA Ausbau 250.000 EW [Mio. €] 1,87 2,92 3,68 2,34 3,76 5,25 0,4468 2 6 y=-2*10(-10) x +0,2208·x+2·10 KA 50.000 EW mit Jahresabwassermenge 3,8 Mio.m³ KA 100.000 EW mit Jahresabwassermenge 10,3 Mio.m³ KA 250.000 EW mit Jahresabwassermenge 17,2 Mio.m³ Quelle: F+E-Projekt TP 9 „ Kosten und Nutzen ….“ 25 Betriebskosten für die Verfahren Aktivkohle und Ozonierung Verfahren Kostenfunktion in [€/a] x in m³ Abwasser behandelt KA Ausbau 50.000 EW [Mio. €/a] KA Ausbau 100.000 EW [Mio. €/a] KA Ausbau 250.000 EW [Mio. €/a] Ozon y=0,0147·x+46.081 0,10 0,20 0,30 PAK y=0,036·x+27.729 0,17 0,40 0,65 KA 50.000 EW mit Jahresabwassermenge 3,8 Mio.m³ KA 100.000 EW mit Jahresabwassermenge 10,3 Mio.m³ KA 250.000 EW mit Jahresabwassermenge 17,2 Mio.m³ Quelle: F+E-Projekt TP 9 „ Kosten und Nutzen ….“ 26 Jahreskosten Quelle: F+E-Projekt TP 9 „ Kosten und Nutzen ….“ 0,08 €/m³ 0,04 €/m³ Kostentreiber im Allgemeinen Investitionskosten sind stark abhängig von den räumlichen Randbedingungen: Zufluss im „freien Gefälle“ Î keine Pumpkosten Nutzung von vorhandenen Ressourcen z.B. Beckenvolumen Î Reduzierung der Baukosten z.B. vorhandene Sauerstoffanlage/-Leitung Î Synergien bei den Betriebs- und Anlagenkosten Kostentreiber im Speziellen Pumpwerke Personalkosten für alle Verfahren ähnlich Ozonanlagen: Energieverbrauch (ca. 0,05 kWh/m³) für Ozonerzeugung und –eintrag, Reinsauerstoff (ca. 0,10 €/m³) PAK-Anlagen: PAK (1.400 €/Mg), Fällmittel und FHM sowie Schlammentsorgung, aufgrund der größeren Bauvolumens und Maschinentechnik mehr Wartung und Instandhaltung GAK-Anlagen: Anzahl der Bettvolumina bestimmen die Standzeit und die Betriebskosten, geringste Investitionskosten Kostenauswertung des Kom-M.NRW Kostenüberblick des Kom-M.NRW Zusammenstellung der Kosten aus den mehr als 85 Datensätzen (Varianten) aus NRW für die Verfahrenstechniken: Ozon, GAK, PAK und Kombinationen derzeit noch nicht alle Kostenschätzungen verfügbar Spezifische Investitionskosten (JSWM) Spez. Investitionskosten gesamt (Medianwerte der Vorzusgvarianten) Spez. Investkosten [€ /(m³/a)] Ozon PAK GAK 64 Cent/(m³/a) 62 Cent/(m³/a) 14 Cent/(m³/a) (n = 11) (n = 8) (n = 4) Spezifische Betriebskosten (JSM) Spez. Betriebskosten gesamt (Medianwerte der Vorzusgvarianten) Ozon PAK GAK 4 Cent/m³ 5 Cent/m³ 3 Cent/m³ (n = 11) (n = 8) (n = 4) Summenhäufigkeit der spezifischen Stromverbräuche ohne Mikroschadstoffelimination Quelle: DWA Leistungsvergleich Kläranlagen, 2011 Vergleich spezifische Stromverbräuche spez. Stromverbrauch bei 60 m³/(EW*a) spez. Stromverbrauch bei 120 m³/(EW*a) Î 0,58 kWh/m³ Î 0,29 kWh/m³ im Mittel 0,44 kWh/m³ OZONUNG je nach Ozondosis (3-7 mg/L) Duisburg Vierlinden Ozonung je nach O3 Dosierung 0,03 bis 0,08 kWh/m³ zzgl. Pumpwerk mit 0,06 kWh/m³ KA Schwerte Ozonung 0,03-0,05 kWh/m³ Bad Sassendorf 0,08 kWh/m³ Quelle: Herbst, Ante 2010, Mousel et al. ET 2015 Î Fazit ohne Pumpwerk Ozonung ca. 14% höherer Energiebedarf PAK (starke Abhängigkeit vom Verfahren und Bauwerken) Anlagen aus BW und NRW 0,03 – 0,05 kWh/m³ zzgl. Pumpwerk und ggf. Filtration (0,05 kWh/m³) Energiekosten eher unbedeutend Î Kosten PAK und Entsorgung von größerer Bedeutung Quelle: Herbst, Ante 2010, Mousel et al. ET 2015 Î Fazit ohne Pumpwerk und Filter PAK ca. 10% höherer Energiebedarf Vergleich: Betriebskosten 4. Stufe vs. Betriebskosten Kläranlage Betriebskosten (Wagner 2000) Kostenstand 2015 für 100.000 EW Kläranlage mit ca. 10,3 Mio m³ Abwasser/a ca. 34 €/(EW*a) Î 33 Cent/m³ Ozon PAK GAK 4 Cent/m³ 5 Cent/m³ 3 Cent/m³ (n = 11) (n = 8) (n = 4) Mehrbelastung von 12 % Mehrbelastung von 15 % Mehrbelastung von 9 % Fazit Mehrbelastung Betriebskosten in einer Größenordnung von 10% Jahreskosten Ozonungsanlagen (alle Varianten) Jahreskosten PAK-Anlagen (alle Varianten) Jahreskosten GAK-Anlagen (alle Varianten) Jahreskosten der Vorzugvarianten Jahreskosten ca. 2,5 Pils pro Person und Jahr Zusammenfassung 1 Zahlreiche Studien und realisierte Projekte in CH, BW, NRW führen zu einer immer größeren „Kostensicherheit“. 2 Anlagenoptimierungen und neue Verfahrenskombination führen zu sinkenden Kosten (IK und BK). 3 Kostenstudien zeigen eine breite Streuung der Kosten (IK und BK) in Abhängigkeit der örtlichen Randbedingungen. 4 4. Stufe führt zu einer Kostensteigerung, abhängig von örtlichen Randbedingungen, bei den Betriebskosten in einer Höhe von ca. 10-15 % (ohne Pumpwerk). 5 Kostentreiber Ozon Î Energieverbrauch PAK Î Dosiermenge von PAK und ggf. Anlagen zum PAKFeststoffrückhalt GAK Î Qualität des Ablaufs NK und damit Anzahl der Bettvolumina Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Nehmen Sie Kontakt mit uns auf! Kompetenzzentrum Mikroschadstoffe.NRW Graeffstraße 5 D-50823 Köln Tel: +49 221 57402 - 53 Fax: +49 221 57402 - 701 Backup Einheitliche Kostenvorgaben Betriebskosten BK (Auszug) Personal mit 50.000 €/a Energie mit 0,15 €/kWh PAK mit 1.400 €/Mg PAK Reinsauerstoff mit 0,10 €/m³ O2 Spezifische Ozonmenge je kg Sauerstoff 0,1 Kg O3/kg O2 Bettvolumina GAK 10.000 Bettvolumina/a (Standzeit ca. 1 Jahr) Kosten GAK 1.300 €/Mg GAK (für Erstbefüllung) Kosten regenerierte GAK 900 €/Mg GAK (für Wiederbefüllung) Schlammentsorgung und Flockungshilfsmittel Wartung Instandhaltung prozentual vom Invest: Bau 1%, Elektrotechnik 2%, Maschinentechnik 4% Einheitliche Vorgaben zur Jahreskostenermittlung (JK) Jahreskosten (JK) = Σ (Annuitäten aus den Investitionskosten (IK) + Betriebskosten (BK) Annuitäten auf Basis folgender Randbedingungen: Betrachtungszeitraum Nutzungsdauern Bautechnik Maschinentechnik EMSR-Technik Nebenkosten Zins 3 % 30 Jahre 30 Jahre 15 Jahre 10 Jahre 30 Jahre Î 1 Reinvestition im Betrachtungszeitraum Î 2 Reinvestitionen im Betrachtungszeitraum Randbedingungen für die Kostenermittlung Zahlreiche Verfahren sind am Markt verfügbar, hier erfolgt eine Eingrenzung auf : Abwasserozonierung Aktivkohle Adsorption: In Anlehnung an die in BaWü errichteten Anlagen: Adsorptionsstufe mit eigener Phasenseparation und nachgeschalteter Filtration In Anlehnung an die ARA Kloten Opfikon: PAK Dosierung mit separater Koagulation und Adsorption im Filterüberstand In Anlehnung an das Verfahren auf der KA Buchenhofen: PAK Dosierung direkt in den Zulauf zur Filtration In Anlehnung an die KA Obere Lutter: Austausch des Filtermaterials gegen granulierte Aktivkohle (GAK) Vorgehensweise zur Ermittlung von Investitionskosten (IK) Technische Rahmenbedingungen der Anlagen: Schaffung gleicher Rahmenbedingungen Eliminationsraten Bei den bislang realisierten Anlagen gemessene mittlere Abbauraten [%] Aufgrund der geringen Datenbasis vermeintlich unterschiedliche Eliminationsraten Annahme: PAK Dosiermenge von 10 mg/L (Verfahren mit separater Aktivkohleabscheidung) liefert ähnlich gute Ergebnisse wie die Ozonierung mit 5 mg/L Vorgehensweise zur Ermittlung von Investitionskosten (IK) Technische Rahmenbedingungen der Anlagen: Schaffung gleicher Rahmenbedingungen Ozonierung Reaktionszeit Reaktionszeit kann zwischen 15 und 30 min schwanken Dosiermengen (5-10 mgO3/L, auch abhängig von Bromatkonzentration) GAK Anzahl der Bettvolumina und Feststoffgrundbelastung Bettvolumina können zwischen 7.000 und 10.000 schwanken Voraussetzung ist ein gut „funktionierende“ Nachklärung PAK Dosiermenge und Reaktionszeit PAK zwischen 10-20 mg/L Je nach Verfahrenstechnik unterschiedliche „Reaktionszeiträume“ Vorgehensweise zur Ermittlung von Betriebskosten (BK) Datenauswertung auf Basis … von Berichten zu Versuchsanlagen im großtechnischen Maßstab (NRW) … von realisierten Großprojekten … von in Planung und in baubefindlichen Projekten … von Studien und FuE-Berichten Einheitliche Kostenvorgaben
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