Ressourcenbewirtschaftung 1. Definition Ressource: Mittel für Handlungen/ Vorgänge: materiell(Bodenschätze, fläche, Arbeitskraft) immateriell(Fähigkeiten, Wissen,…) Rohstoff: Stoff aus der Natur (metall, Erdöl,…) aus Quelle gelöst nicht bearbeitet Sekundärrohstoff: aus Abfällen gewonnener Rohstoff (Recycling Anthropogen: vom Mensch geschaffen/beeinflusst. !natürliche Ressourcen (Mineralien, Biomasse, Boden , Wasser, Luft) !Anthropogene Ressourcen (Materialm Energie, Information, Arbeitskraft 1. Haushalte, Industrie, Landwirtschaft, Handel, Verwaltung, Erziehung, … 2. Infrastruktur & Netzwerke für Transport, Kommunikation, Deponierung 1.1. Nachhaltige Nutzung natürlicher Ressourcen Ressourcenschonung Bessere Ressourceneffizienz Verringerung der negativen ökologischen Folgen/Belastung der R.nuzung R.beweirtschaftung: rationale Bewirtschaftung von R. basierend auf naturwissenschaftlichtechnischen-ökonomischen Grundlagen. Ziel: R.schonungm nachhaltige R.nutzung, langfristige Umweltverträglichkeit Wachsender Verbrauch an R., Aufbau von grossen Lagern (städte) R.Verbrauch: 1980-2002 R.entnahme von 40 auf 53 Mil. T gestiegen (1/3) in industrial. Ländern 10x mehr als in nicht ind. Ländern 1.2. Konzepte!! MIPS: Materialinupt pro Serviceeinheit. Mass für Naturverbrauch eines Produktes/Dienstleistung gesamter Lebensweg Wiege bis nach Recycling) MI: Umfasst alle stofflichen Inpute (Herstellung,…): abiotische Rohstoffe, biotische Rohstoffe, Bodenbewegungen, Wasser, Luft (Abgase) MIT: MI bezogen auf eine Mengeneinheit (Gewicht, Energie, Transporteinheit) MIPS: MI/S Ökologischer Rucksack: MI minus Eigengewicht 1kg Kupfer500kg; Al 85; Eisen7; Plastik5kg Notebook400kg; Goldring1.6 tonnen Materialumsatz Globale, regional, urban, lokal, betrieblich 11 mio. t. Bauabfälle in CH/Jahr; 1.5 t /E/a; Siedlungsabfälle 0.3 t /E/a 1.2.1. MIPS –Berechnung Definition Ziel, Objekt, Serviceeinheit (ein Tragezyklus weisses T-shirt (waschen/bügeln) Darstellung Prozesskette (Strom, Beuteile, produktion, motage, Aulieferung, gebrauch/wartung, Recycling Repearatur) Datenerhebung direkte Messungen, Interviews, Abschätzungen MI „Wiege bis Produkt“ M-Input bis fertiges Produkt (abiotisch, Biotisch, H20, Luft , Erosion,) MI „Wiege bis Bahre“ Plus Lieferung, Gebrauch, Recycling Von MI zu MIPS Bezug zu Serviceeinheit (2 tage bekleidet sein,…) Interpretation Ergebnisse Vergleich verschiedene 2. Indikatoren für nachhaltige R.bewirtschaftung Vergleich verschiedener Systeme / mit ökonomischen Indikatoren, Kosteneinsparung, Daten für Entscheidungsträger (Gesetzesentwurf) Wirkungsbasierter I.: Nachsorgeindikatoren: nur gewisse Messbare zuordenbare Stoffe: Treibhausgaspot. Versauerungspot. Mengen(umsatz)basierte I.: Vorsorgeindikatoren: Auswirkungen unabhängig von Stoffen. Wasserverbrauch, Materialaufwand…. Entnahme von R. Input in Wirtschaft/Gesellschaft Differenzierbar: Erneuerbar /Nicht Erneuerbar Vergleichbar: Regionen/Zeiten Materialflussindikatoren: international vergleichbar Konzept: Erhebung gesamter Materialfluss (in t/a in vordefiniertem System) und aller Lager Zweck: Umsatz & Verbrauch belastet Umwelt(Abfälle, Flächenverbrauch, Emmisionen) Mit MFI Erkennung von Problemen vor Entstehung. Ganzheitliche Erfassung gesellschaftlicher Stoffkreislauf. 2.1. Inputindikatoren: DMI: direkter Materialinput, inländische Rohstoffentnahme (Baumineralien, Biomasse, fossile Produkte, industrielle Mineralien, übrige Produkte) EU 22t/a/E; CH 14 t/a/E HF: Hidden Flow, Versteckte Materialflüsse (Ökologischer Rucksack Inland und Importe) TMI: Total Material Input =DMI +inländische ökologische Rucksäcke TMR: Total Material Requirement =DMI + HF 2.2. Verbrauchsindikatoren DMC: direct Material Consumption = DMI – Exporte CH 12.5t/E/a TMC: Total Material Consumption = TMR – Exporte – ökologischer Rucksack der Exporte Outputindikatoren DPO: Stoffabgabe an die Umwelt (Deponierte Abfälle, Gas & Wasseremissionen, Düngerauswaschung, Streusalz,.. TDO: DPO + inländische ökol. Rucksäcke TMO: TDO + Exporte 2.3. Bilanzindikatoren NAS: DMI –DPO – Exporte= Nettobestandeszuwachs PTB: Importe – Exporte = Physische Handelsbilanz 3. Materialflussanalyse Werkzeug zur quantitativen Erfassung & Darstellung von Mflüssen in Systemen Erfassen, Bewerten, & Steuern von M.- und Informationsflüssen 3.1. Definition Stoff: chemische Verbindung/Element Gut: Stoffgemisch Material: Stoffe & Güter Prozess: Transport, Transformation, Lagerung, Wertveränderung,… Fluss: Masse pro zeitenheit, bewegt zwischen 2 Prozessen Flux: Fluss bezogen auf Spezifische Fläche/person Lager: bestand an Materialien Lageränderung: zu/Abnahme Lager Transferkoefizient: kij output eines Flusses im Verhältnis zu gesamten Input (Prozess/System) Fi Inputflüss e Prinzip der Massenerhaltung: Gesamtinput – Gesamtoutput = Lageränderung 3.2. Vorgehen Aufgabenstellung & Zielformulierung System auswählen Zeitliche & örtliche Systemgrenzen festlegen Prozesse bestimmen Bilanzgleichung (Input – Output = Lageränderung) Systemspezifische Beziehungen(systemparameter: Transferkoefizienten, Lagerbestände) Lösung der Systemgleichung Kritische Diskussion, Interpretation, Szenario, Optimierung,… 3.3. Einsatzmöglichkeiten Natürliche – Anthropogene Systeme Zukunfts- & Extremszenarien, Prognosen (Logistiksimulation, Material & Energiefluss) Betrieblich Identifikation redundanter Flüsse Reduktion solcher M.Flüsse Prozessoptimierung Senkung Materialkosten, Steigerung Arbeitsproduktivität 4. Kreislauf & Abfallwirtschaft History Erste Müllverbreungsanlagen 1874 in England, 1904 erste KVA in CH Ab 1950 keine Wärmerückcgewinnung, Keine RGR Ab1965 Staubabscheider, Wärmerückgewinnung, Erster Walzenrost Ab 1975 Raucgasreinigung, Säureneutralisation, Schwermetallreduktion Ab1990 elimination Stickoxiden, Dioxiden, Furanen 4.1. Thermische Abfallbehandlung Warum thermisch? Hygienesicherung Zerstörung/oxidation org. Schadstoffe Vermeidung Neubildung org. Spurenstoffe Immobilisierung anorg. Schadstoffe (Metalle, Chlor, Schwefel) Ausbrand der Schlake (0% org.) Reduzierung Schadstoffe im Abgas Reduzierung restabfallvolumen –gewicht Verwertung der inhaltstoffe zu Produkten und Energie Einfluss Konsumverhalten Zusammensetzung / Heizwert SA ändert laufend Ende 70er SA ++Metalle, Kunststoff KVA als Quelle chlorierten org. Verbindungen (Dioxine, FuraneHochtoxisch) Probleme im AbluftbereichVerbesserung RGR Bedeutung KVA unterschiedlich: CH & Japan 80%; D 30% 4.2. Abfall CH 2005 Siedlungsabfälle SA 2'580'000 T/a (384 kg/E/a) Bauabfälle ohne Aushub 11'000'000 t/a (1.49 t /E/a) (tiefbau 6 mil, Hochbau 5 mil) Sonderabfälle 1'126'000 t/a (154 kg/E/a) Klärschlamm 199'500 t/a (27kg/E/a) Verwertet (kg/E/a): Altpapier 159; Kompost 100; Glas 40; Textilien 6; PET 4; 4.3. Funktion KVA 4.3.1. Verbrennungsofen Ziel: Oxidation der Elemente der org. Güter zu anorg. Verbindungen Zufuhr von Sauerstoff für vollständige Oxidation Bestandteile: Müllbeschickungsanlage, Feuerrost, Feuerraum, Verbrennungsluftsystem, Entschlackungssystem, Hydraulische Steueragregate Prozesse: KehrichtbunkerEinfülltrichterOfenbeschickung (Tempo Abhängig von Heizwert) Trocknungszone Wasserdampf (20-100°); Entgasungszone flüchtige Gase(100-350°); Vergasung Umsetzung C (500-600°); Verbrennung (>800°) Aufenthaltszeit 45-60 min; 3-4t /h Gereinigtes Abgas 70 % Schlacke 25-35% des SA Bau von Strassen (Bestimmungen), Rückgewinnung Metalle Raugasreinigungsrückstände 2.5 % Kesselstaub 5% 4.3.2. Der Kessel Ziel: Abkühlung Rauchgase (200°), Nutzung der Energie (Dampferzeugung) 60% Heizzwecke, 18% elektrische Energie Heizwert SA: 3MWh/t (Holz 5, Heizöl 12) CH: 1/3 der „erneuerbaren Energien“ aus Abfällen 4.3.3. Rauchgasreinigung Problem: SA sehr heterogen Zusammensetzung Verbrennungsgase sehr unterschiedlich RGR sehr komplex im Vergleich zu Kohle/Ölkraftwerken Staub Russ, Asche, Salze, Gase HCl, SO2, HF, NO2, HBr, Schwermetalle Pb Zn Cd Hg, Org. Stoffe Dioxine unvolständige Verbrennung/während Verbrennung, nach Verbrennung 4.4. Behandlung Rückstände Rückstände RGR: Schlämme, wasserunlöslichen Schwermetallverbindungen, Gips, silikat, Al-, Cl-Verbindungen Zementverfestigen Schmelzverfahren Verglasung Trocknung & Untertagdeponieerung Schlacke: Deponie 5. Wasserhaushalt & -Transport in Schlackedeponie Sickerwasser verantwortlich für Stofftransport Messungen oder Modelle Zeitlicher Verlauf: Niederschlagsmenge Abhängig von hydraulischer Struktur (Form & Anordnung von Poren) Messungen des Sickerwassers Schwierig (keine Messanlagen, Kosten/Zeitaufwand) Simulationsrechnung Ziel: physikalisch-mathematische Beschreibung der Wasserbewegung.(damit zusammenhängende Phänomene und hydraulische Struktur) Zu jedem Zeitpunkt an jedem Ort(Basis!) der Deponie angeben der Sickerwassermenge Bestmögliche Übereinstimung Realität und Modell 5.1. Methoden Relevante Wasserhaushaltsphänomene Niederschlag Messung o. Berechnung Verdunstung (Wärmehaushalt Strahlung, Luft-/Schlacketemperatur, Windgeschwindigkeit, Luftfeuchtigkeit Messung Perkolation Durchsickerung Messung & oder Berechnung Wasserspeicherung Sickerwasserabfluss Eigenschaften Schlacke Dichte 1500kg/m3 Temperatur 20-90° Wassergehalt 20 % Porenstruktur: porosität 40-50%, (2/3 Grobporen>50um) andere Fliessbedingungen Mikro & Makroporen, Vergleichbar mit Sand-Kies-Gemisch 5.1.1. physikalisch-mathematische Beschreibung System Wassergehalt Lager Flüsse OUTPUT: Verdunstung E, Sickerwasser SW, INPUT: Niederschlag NS Ausserhalb System: Atmosphäre, Hydrosphäre Schichtweiser Aufbau, (Subsysteme; gleich organisiert) Wassertransport Mikroporen Gesetz von Darcy Richards Gleichung Wasserspannungskurve (Grobporen schneller Entwässert) Hydraulische Leitfähigkeit hängt vom Wassergehalt ab. Hängt stark von Aufbau und Struktur des Mediums ab. Wassertransport Makroporen Gesetz von Hagen-Poiseuille (Rohrsrömungen) 5.1.2. Modell „Kombinierter Mikro-Makrofluss“ Computerprogramm „MACRO“ Benötigte Daten: Niederschlag, Windstärke, Rel. Luftfeuchtigkeit, Lufttemp. Nettostrahlung, Sickerwassermenge, (Daten zu Porosität, Sand/Tongehalt) Porosität 42% Anfangswassergehalt 14% Gute Übereinstimmung Modell & Realität 6. Materialfluss Abwasser & Abfallwirtschaft 6.1. Phosphorflüsse einer ARA Phosphor idealer Stoff um Ungenauigkeiten und Fehler bei Flüssen und Lagern zu bestimmen gesamtgehalt ändert nicht, nicht flüchtig, chemisch defniert, analytisch einfach zugänglich Fehler in der Bilanzierug können Hinweise auf unbekannte Prozesse sein! Entdeckung Bio –P organismen (speichern Phosphor bei Lastwechsel anareob-aerob) Entdeckung anammox organismen (wandeln Ammonium zu N2 ohne Sauerstoff) 6.1.1. Bio-P Bakterien Speichern P als Polyphosphat (ATP=Zellenergiespeicher), legen Notvorrat an. Direkter Einlauf des Rücklaufschlamms in aneroben Bereich. Erhaltung der BakterienKultur 6.1.2. Annamox-Organismen Stickstoffverlust bei belüfteten Tauchtropfkörpern (fehlende C-Quelle, aktive Belüftung) Annamox Bakterien befinden sich im Anaeroben Teil des Biofilms. Setzen NH4 und NO2 zu H20 und N2 um Betziehen NH4 und No2 von Ammonium- Nitritoxidierenden Bakterien um areoben teil des Biofilms Stickstoff im Zentrum, limitiernder Faktor, Stickstoffgewinnung aus Amopshäre und Stickstoffelimination aus Abwasser sehr Energieintensiv Stickstoffelimination ist möglich!! Rücklaufschlamm und Faulwasser(Klärschlamm) wieder zurück in Kreislauf. In anerobem Bereich durch Annamox Bakterien n2 in Abluft (40-50%) Problem: Interne lagerbildung: mechanische Prozessschritte Schlammbehandlung nur im Tagesbetrieb N-Frachtstösse aus Schlammbehandlung Externe Lagerbildung: Zufuhr von Klärschlamm aus Kleinanlagen N-frachtstösse bei Verarbeitung/Annahme Fremdschlamm Externe Lagerbildung: Rhythmische Tagesaktivität Bevölkerung (urinieren) NGanglinie Zufluss Frachtspitzen brechen durch, bereitstellen Belüfterkapazität Vision: Separate Behandlung des Schlammwassersvergleichmassigung Stossbelastungen, Optimierte Verfahrensbedingungen (temperatur /konzentration) spitzen werden gebrochen, Annamax nur bei konzentrierten Strömen (faulwasser) 6.2. Bioraffinerie Schaffhausen Gras zu Produktion von: Chlorophym Fasern, Protein, Ethanol, Biogas, Gärgut Upflow Anarobic Sludge Bed. Mit Bakterienpellets. Zulauf, Auslauf; Wachstum Bakterien, Absterben Bakterien, Sedimentation Schwebeteilchen vorgelagerte Prozessschritte beeinflussen nachfolgende vital Wegfall ProteinabtrennungFeststoffanreicherung im Reaktor; Massive Unterlast minime Biomasseverluste kritisch „unwichtige“ Stoffumwandlungs-& Transportprozesse dürfen im Grenzfall nicht vergessen werden (Absterben, Austrag, Sedimentation) 6.3. Landwirtschaftliche Biogasreduktion Grosse freiheitsgrad input hofdünger energiearm/direkt verwertbar, saisonale Schwankungen CoSubstrate(Kompost,…), Nährstoffgehalt Substrate variert stark. Grosse Freiheitsgrad Output Hofinterne Speicher erwünscht, feste/flüssige Dünger Kulturabhängig erwünscht, Stickstoffform durch dies Prozesskette direkt beeinflussbar, Kompost an GALAbau, Biogas als Energieträger FermenterSeperator(Düngülle, Gärgut separiert, Rotte/HygienisierungTrocknung) 90% ohne hygienesierung in Hofgülle Bei Trocknung 25% Verlust an Stickstoff Optimierung einzelner Prozessschritte, Strategische Ausrichtung der Düngerproduktion 6.4. Systeme CH Gastroabfälle (Öl, Speiseabfälle, Rüstabfälle, Pflanzlich /tierisch) Nährstoffe gehen keine verloren Energie wird nicht genutzt Biomasse CH Je mehr Daten, je komplexer erlaubt Schwerpunktsetzung bei strategischer Planung Biomasse = Energie Energieverlust Tiere: Tierhaltung, menschlicher Konsum Grösste Mengenflüssen Tierfütterung/Tierhaltung Grösste Importfrachten Lebensmittel Recycling verwirklicht in Lebensmittelbranche: Futterproduktion, P&P-Branche 7. Vom technischen Umweltschutz zur nachhaltigen Entwicklung 7.1.1. Technischer Umweltschutz Emission End of Pipes Technology Symptombekämpfung ++ Verringerng Emission -- teure, Zusatzgeräte, Material, Energie -- Kein Ansatz für Unternehmen -- Firmen gehen in Länder mit weniger Restriktionen 7.1.2. Eco – Effizienz Bessere Ressourcennutzung Subsystem optimierung Bekämpfung Emissionen an Qulle, Bestandteil Anlageentwurf Umweltschutz Gewinn, Nachhaltigkeit ist eine Wirtschaftsform welche die Bedürfnisse der gegenwärtigen Generation deckt ohne die Chancen zukünftiger Generation und deren Bedürfnisse zu decken. ++ Öko Effizienz Ressourceneffizienz gesteigert 4x ++ weniger Input pro Service (win/win) -- Emisionen steigen, da meist Erhöhte Produktivität 7.1.3. System verbessern Redesign Systemoptimierung 7.1.4. Überdenken 7.2. Unternehmensstrategien Firma produziert 2 Produkte P1 Gewinn P2 kein Gewinn (Abfall) Abfall wird unter dem „Herstellungspreis verkauft Umweltschutz aus Eigennutz geringere Entsorgungskosten, verminderte Betriebskosten (Eco-Effizienz) 7.3. Maßnahmen zur Verminderung von Abfällen und Emissionen EFFIZIENZ Erhöhung der Ausnutzung eingesetzter Materialien mehr Stoffes wird Bestandteil des Produktes –weniger Abfall, –weniger Einsatzstoff benötigt EFFEKTIVITÄT Erhöhung der Wirkung der eingesetzten Materialien spezifische Wirkung des Stoffes erhöhen, mit weniger Einsatzmaterial dieselbe Wirkung. - verminderten Einsatzmengen. SUBSTITUTION Ersatz gefährlicher oder ineffektiver Materialen RECYCLING interne oder externe Rückführung von Materialien BEHANDLUNG Verfahren zur Verminderung der Gefährlichkeit von Emissionen 7.4. Berechnung der nicht produktiven Kosten Abfälle zu entsorgen ist teuer, Abfälle herzustellen aber noch viel mehr! Versteckte Umweltkosten Materialwerte, Abschreibungen, Fremdleistungen, Werbung, Gebühren, Weiterbildung, Personal Warum wurden Rohstoffe zu Abfällen und Emissionen? • nicht verbrauchte Rohstoffe • Abfälle und Materialien aus der Wartung • Verunreinigungen der Rohstoffe • Stoffe, die beim An- und Abfahren anfallen • verbrauchte Hilfsstoffe • Handhabung, Lagerung, Analytik • Unerwünschte Nebenprodukte • Leckagen, Stoffe von Störfällen • Ausschuß • Verdunstungsverluste Massnahmen Good Housekeping Änderung der Roh- und Betriebsstoffe Produktänderungen Neue Technologien interne Kreislaufschließungen Abfall- und Altstoffmanagement Hindernisse Allgemeine Widerstände Wirtschaftlichkeit, zuwenig Geld, Sicherheit, Risiko Technische Möglichkeiten Kreisläufe schliessen Energie Effizienz Neue Technologien 7.5. Erneuerbare Energien KMU Bedarf vermindern, Spitzen kappen • Verfügbare Abwärme nutzen • Koppelverfahren nutzen (Wärme/Kraft, Wärme/Kälte,…) • Erneuerbare Energieformen einsetzen • Abwärme verkaufen 8. Prozessmodellierung Strategie – Prozesse – IK-System Strategie definiert Prozessmanagement bestimmt Informations- & Kommunikationssystem Strategie beeinflusst P.management ermöglichen/unterstützen IK-Systeme 8.1. Begriffe Prozessmanagement: teil kundenorientierter Organisationsführung. Strategiekonforme Gestaltung, Lenkung, Entwicklung von Prozessen. Ziel: Verbesserung Kundenzufriedenheit, Qualität, zeit, kosten Prozessgestaltung: konzeptionelle Grundlage, Rahmenbedingungen für Prozesse Welche p? Interaktion P. Geschäftspartner/Kunden? Umsetzung strategische vorgaben? Leistungen Kunde?, Erwartungen Kunde übertreffen? P.Lenkung: Planung, Durchführung, Kontrolle der P. Verantwortung wer? Effektivität Effizienz messen beurteilen? Umsetzung wie? P.entwicklung: sorgt für Identifikation, Bewertung(Qualifikation) der Prozesspotentiale im Zeitablauf Neue Techniken Technologien? Günstige Position im Wettbewerb? Aufgabe: betriebliche Funktionmit Ergebnis. Mensch oder Maschiene Aufgabenkette: Aufgaben eines Prozesses, Ablauffolge, (Organisationseinheit) Leistung: Ergebnisse eines Prozesses, Empfänger ist andere Prozess (intern/extern) Prozess: Menge von Aufgaben, durch Informationstechnik unterstützt Leistungsp.: erstellen, Vermarkten Produkte / Dienstleistungen Unterstützungsp.: bereitstellen Ressource & Infrastruktur Führungsp.: übergreifendes Planen, Steuern, Kontrollieren 8.2. Prozessgestaltung (Projekt) Vorstudie: p.Definition, P.architektur, kritische Erfolgsfaktoren, Prozessmanager Makro Entwurf: P.Vision, Leistungsverzeichnis, Aufgabenkette, Aufgabenverzeichnis Mikro Entwurf: Aufgabenkette, -verzeichnis, IS-Integration, Führungsgrössen, P.ziele, Mengengerüste, Zusammensetzung Prozesszirkel, Berichte 8.3. Prozessmodelierung Petrinetz: grafische Sprache, Kontrollfluss, Basis der meisten Simulationsmodelle Pi-Calculus: formale Sprache, paralle kommunizierende Prozesse, Algebraische Auswertung 8.3.1. Petrinetz Platz: Stoppunkt im Prozess, Meilenstein Transition: Erreignis, Aktion; aktiv wenn Marke bei vorangehendem platz Marke: aktueller Zustand des Prozesses Kante: Weg Und Verzweigung oder Verzweigung Synchronisierung wartet auf beide Marken Mutex schliesst eine Möglichkeit aus 8.3.2. Ablaufplan 8.3.3. Ereignisgesteuerte Prozesskette EPK Ereignis eingetroffen, löst Funktion aus Funktion xor Operation Und Verzweigung Oder Verzweigung erreignis kann nicht entscheiden, braucht aufgabe a n d x or x or a n d 8.3.4. Business Process Modelling Notation (BPMN) Und Verzweigung + + Oder Verzweigung X X Mehrfachwahl &sychronisierung xxxx O O yyyyy Mehrfachzusammenführung nicht synchronisierend N aus M zusammenführung 2 aus 3 + *