1
ÖWAV/TU Wien – Seminar 2015, 24./25. Feb. 2015, TU WienNEW Nährstoffe Energie Wasser
Block Methoden:
Stoffflussanalysen und RessourcenmanagementHelmut RechbergerTechnische Universität WienInstitut für Wassergüte, Abfallwirtschaft und Ressourcenmanagement
2Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Was ist eigentlich Ressourcenmanagement?
Erfassung, Bewertung und Gestaltung von
natürlichen und anthropogenen Systemen, die der
Erhaltung und Förderung der Lebensqualität dienen.
Abfall-wirtschaftVersorgung Konsum
Ressourcenmanagement
3Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
DefinitionDie Stoffflussanalyse ist ein Werkzeug zur Beschreibung und Analyse beliebig komplizierter Systeme in materieller Hinsicht.
BasisDie Stoffflussanalyse baut auf dem Massenerhaltungssatz auf:
Input = Output + Lageränderung
Erfassung: Methode der Stoffflussanalyse
ProzessInput Output
Lager
4Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Der Massenerhaltungssatz
Quelle: R.H. Major, Santorio Santorio, Ann.Medical Hist., 10, 369, 1938
5Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
DefinitionDie Stoffflussanalyse ist ein Werkzeug zur Beschreibung und Analyse beliebig komplizierter Systeme in materieller Hinsicht.
BasisDie Stoffflussanalyse baut auf dem Massenerhaltungssatz auf:
Input = Output + Lageränderung
AnwendungÖNorm S 2096 „Stoffflussanalyse“ (Teil 1: Begriffe und Teil 2: Methodik)
Erfassung: Methode der Stoffflussanalyse
ProzessInput Output
Lager
6Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Von der Urzeit der SFA… (P-Bilanz des u. Bünztals/CH)
Flüsse [t/a]Lager [t]
Tierfutter
109
Fluss
Ab-wasser-
reinigung
Kanali-sation
PlanetareGrenz-schicht
3
17
10,000+68
38
19
Pflanzen-bau
Industrie
Deponie
PHH 21
?
85
28
13
74
19 >40
Wasser Wasser
Getreide
Nahrungsmittel Getreide
?
100
45
3+x
30
x
78
Dünger
24
Getreide, Gemüse,Früchte
Fleisch, Milch, Eier
Systemgrenze „Bünztal, 1987“
Input = 232 Lager =1000 + 64 Output = 168
17
Landwirt.Böden
Nutztier-haltung
>61
Quelle: Brunner et al., 1990
7Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
…in die Neuzeit der SFA. (P-Bilanz Österreich)
Que
lle:Z
obol
i, O
., Ze
ssne
r, M
., R
echb
erge
r, H
. Add
ed v
alue
s of
tim
e se
ries
in M
FA:
the
Aust
rian
phos
phor
us b
udge
t fro
m 1
990
to 2
011,
Jou
rnal
of I
ndus
trial
Eco
logy
, sub
mitt
ed.
8Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
…in die Neuzeit der SFA. (P-Bilanz Österreich)
Que
lle:Z
obol
i, O
., Ze
ssne
r, M
., R
echb
erge
r, H
. Add
ed v
alue
s of
tim
e se
ries
in M
FA:
the
Aust
rian
phos
phor
us b
udge
t fro
m 1
990
to 2
011,
Jou
rnal
of I
ndus
trial
Eco
logy
, sub
mitt
ed.
9Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Datenausgleich und Fehlerfortpflanzung
KläranlageZulauf Ablauf
Klärschlamm
100 15
90
10Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Datenausgleich und Fehlerfortpflanzung
Zulauf Ablauf
Klärschlamm
100±5 15±2
90±8
KläranlageZulauf Ablauf
Klärschlamm
101±4.3 14.8±2
86.6±4.5
Kläranlage
11Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Datenausgleich und Fehlerfortpflanzung
In jedem einzelnen Berechnungsschritt werden unsichere Größen miteinander + - x /…
12Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Datenausgleich und Fehlerfortpflanzung
KläranlageZulauf Ablauf
Klärschlamm
MAblauf = 10 000 kg/h
cP,Ablauf = 2 mg/kg
XP,Ablauf = M x c = 20 g/h
Berücksichtigung der Datenunsicherheit:
MAblauf = 10 000 ± 1000 kg/h
cP,Ablauf = 2 ± 0,3 mg/kg
XP,Ablauf = M x c = 20 g/h
SX = (10 0002 x 0,00032 + 0,0022 x 10002)1/2 = 4,7 g/h
2 2 2 2 2C A BC A B : S B S A S
C f ( A,B,...)
2 22 2 2
C A BA,B A,B
C CS S S ...A B
Mathematische Grundlagen
XP,Ablauft = 20 ± 4,7 g/h
13Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
SFA Software STAN
www.stan2web.net
14Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Statistiken zu STAN und MFA (SFA)
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
Cumulative number of STAN users
15Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Die richtige Wahl der Systemgrenze…
Quelle: Obernosterer et al. 1998, adaptiert
140 150
[kt/a]
Danube
WIEN
11
16Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Die richtige Wahl der Systemgrenze…
110 150
[kt/a]
Danube
26 11
“HINTERLAND”
WIEN
Quelle: Obernosterer et al. 1998, adaptiert
17Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Bewertung von Stoffhaushaltssystemen
Sobańtka, A.P., Thaler, S,, Zessner, M., Rechberger, H. Extended statistical entropy analysis for the evaluation of nitrogen budgets in Austria, International Journal of Environmental Science & Technology, 2013, 11(7), 1947-1958.
Nitrogen budgets of two catchments in(eastern Austria) normalized to 1 kg Nanthropogenic input
18Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Bewertung durch Zeitreihenanalyse und Montoring
2011
Erstellen einer Zeitreihe1990 – 2011
22 Jahresbilanzenverknüpft durch Lagergrößen
1990
19Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Jahr 1 (J1) Jahr 2 (J2)
Klassifizierung der Änderungen
Drei Klassen von zeitlichen Änderungen: konstant, moderate Änderung, extreme Änderung
Verschieden große Toleranzen berücksichtigen den Einfluss der Unsicherheit
Eine Änderung wird nur dann registriert, wenn die Toleranzbereiche sich nicht überlappen.
Quelle: Zoboli, O., Zessner, M., Rechberger, H., Added values of time series in MFA: the Austrian phosphorus budget from 1990 to 2011, Journal of Industrial Ecology, submitted
moderate Änderungextreme Änderung
konstant
J1 J2
: 2
Kategorisieurung vonFlussänderungen
Toleranzbereiche
+0%_ +5%_ +10%_ +15%_ +20%_ +_ +2*_
x 2
20Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Darstellung der Änderungen
Mehr als die Hälfte aller Flüsse zeigen eine extreme Änderung gegenüber dem Jahr 1990.
Moderate Änderungen sind sensitive gegenüber den Toleranzbereichen.
Etwa ein Drittel der Änderungen sind immer noch extrem wenn man Änderungen zwischen aufeinanderfolgenden Jahren vergleicht. D.h., dass die Änderungen nicht unbedingt kontinuierlich, sondern durchaus auch spontan erfolgen.
Quelle: siehe Folie 18
konstant moderate Änderung extreme Änderung150
90
110
130
70
50
10
+0%_ +5%_ +10%_ +15%_ +20%_ +SD_ +2*SD_ +0%_ +5%_ +10%_ +15%_ +20%_ +SD_ +2*SD_
30
Änderung gegenüber 1990 Jährliche Änderung
Toleranzbereiche
Ant
eilv
on F
lüss
en+
Lage
ränd
reru
ngsr
aten
Toleranzbereiche
21Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Vergleich der Bilanzen für 1990 und 2011
Blau: moderate Änderung, rot: extreme Änderung; Toleranzlevel: 2
1990 2011
Quelle: siehe Folie 18
22Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Zeitreihenanalyse
P-Fracht in Abfällen steigt schneller als Recyclingeffizienz
Die Hälfte des P, der in die AWS gelangt, geht verlustig in Zement und Deponien
Unterschiede in den Unsicherheiten (Abfallströme: input- und outputseitig)
Beträchtliche Akkumulation von P in Gärten und öffentlichen Grünflächen, allerdings unzureichende Datenlage Quelle: siehe Folie 18
23Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Monitoring
Emissionen aus der Abwassereinigung gingen stark zurück – P-Entfernung stieg von 45% auf 85-90%
Emissionen von diffusen Quellen blieben konstant
P-Fracht der Donau ging zurück, teilw. auf Grund von Rückgang bei Punktquellen, teilw. durch die Flut 2002 Quelle: siehe Folie 18
Zielwert
24Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Datenkontrolle durch Datenausgleich
Datenausgleich: Die SFA Software STAN führt minimale, gewichtete Änderungen durch, sodass das System ausgeglichen ist.
Wenn ein Fluss immer in die gleiche Richtung ausgeglichen wird
Starkes Indiz für einen systematischen Datenfehler
1990 1995 2000 2005 2010 1990 1995 2000 2005 2010
3.000
2.500
2.000
1.500
1.000
500
[t P
/a]
Inputwerte ausgeglichene Werte
0
Abfälle3.000
2.500
2.000
1.500
1.000
500
[t P
/a]
0
Kompost
25Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Gestaltung bzw. Optimierung (laufende Forschung)
Ist-Zustand Teiloptimierung
Reduktion des Imports von Mineraldünger von 16.000 t/a auf 6.000 t/a
Quelle: Kroiss, H., Rechberger, H., Egle, L. Phosphorus in Water Quality and Waste Management,in : Integrated Waste Management - Volume II, Kumar, S. (Hrg.); InTech, 2011, ISBN 978-953-307-447-4, p. 181 - 214.
26Methoden: Stoffflussanalysen und Ressourcenmanagement
Heute ist die SFA mehr als eine „schöne" Zeichnung….
Vielen Dank!
• Laner, D., Rechberger, H. Material Flow Analysis (MFA), in: Special Types of Life Cycle Assessment, Matthias Finkbeiner (Ed.), Springer, accepted for publication, 2015
• Brunner, P.H., Rechberger, H. Practical Handbook of Material Flow Analysis, Lewis Publishers, New York, 2004.