Alternativen der kommunalen Wasserversorgung und Abwasserentsorgung AKWA 2100 PDF
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TECHNIK, WIRTSCHAFT und POLITIK 53 Schriftenreihe des Fraunhofer-Instituts für Systemtechnik und Innovationsforschung ISI Harald Hiessl . Dominik Toussaint Michael Becker . Amel y Dyrbusch Silke Geisler . Heinrich Herbst· Jens U. Prager Alternativen der kommunalen Wasserversorgung und Abwasserentsorgung AKWA 2100 gefördert von der WestLB-Stiftung Zukunft NRW Unter Mitarbeit von Thomas Kabbe, Uwe Kuntze, Martin Marggraff, Frank Sperling, Thomas Stoffers, Raul Trujillo, Lothar Unrast, Volker Zang Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH Dr.-Ing. Harald Hiessl Dipl.-Ing. Amely Dyrbusch (GeSQmfkoordÎnafÎo/l ) Professor Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH Dipl.-Ing. Dominik Toussaint Beratende Ingenieure (Gesamfkoordi/1atÎo/1 ) Konrad-Zuse-StraBe 6 Fraunhofer ISI 44801 Bochum Institut fiir Systemtechnik und lnnovationsforschung Dipl.-Ing. Heinrich Herbst Breslauer Straf.)e 48 Institut fiir Siedlungswasserwirtschaft 76139 Karlsruhe (ISA) http://www.isi.fraunhofer.de RWTH Aachen 52056 Aachen Dipl.-Ing. Michael Bcckcr Dipl.-Ing. Silke Geisler Dr. rer. oec Jens U. Prager Emschergenossenschaft/Lippeverband Matrix Gesellschaft fiir Beratung Konigswall 29 in Wirtschaft, Politik 44137 Dortmund und Verwaltung mbH & Co. KG Schloss Elbroich Am Falder 4 40589 Diisseldorf Mit 50 Abbildungen und 13 Tabelien ISSN 1431-9659 ISBN 978-3-7908-0037-1 ISBN 978-3-7908-2717-0 (eBook) DOI 10.1007/978-3-7908-2717-0 Bihliografi,chc Informarion Der Deuhchcn Bihliorhck Dic Dcurschc Bibliolhek verzeichnct dicsc Puhlikation in der Deubchcn Nationalbihliogratie: delaillierte bibliografische Daten sind im Internet Uher <http://dnb.ddb.de> ahruibar. Di('s('~ \Vcrk j"t urhehcrrechtlich gc~chlitzt. Die dadurch hegri..indctcn Rcchte. in~bes()ndere clic der Ohl'r~d lung. des Nachdrucks. des Vortrags. der Entnahme ,on Abhildungen und Tabellen. der Funksendung. der Mikroverlilmung oder der Ver,ielfaltigung auf anderen Wegen und der Speieherung in Datcn,crarbeitungs i\nlagcn. hlcihen. auch bei nur auszugsweiser Verwertung. vorbchalten. Eine Vervielmltigung dicscs Werkcs oder vnn Tcikn dieses Werkes isr aueh im Einzelfall nur in den Grcnzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urhcherrechrsgesct/.es der Bundcsrcpublik Deutschland \'om 9. Scptember 19f» in dcr jcweils geltcnden Fassung luIă"ig. Sie ist grundsătzlich ,crgUtungspflichrig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Stratbeslim Illungen des Urhcberrechh,gesetzcs. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2003 Urspriinglich erschienen bei Physica-Verlag Hcidclbcrg: 2003 I )ic \Vicdergahe VO!1 Gehrauch:-.namen, Handebnamen, \Varcnbczeichnungen us\-v. in dic~cm \Vcrk berech ligt auch ohne be<.;onderc Kennzcichnung nicht Lli Jer Annahme, Jass ~olche Namcn im Sinne der W'arcll /.cichcn- und Marke,"chutz-Gcsetzgebung als Crei zu hetrachtcn w,iren und dahcr vnn jcdermann henullt v.'crJcn dLirften. l 'm-.;chlaggcstaltullg: Erich KirchncL Hcidelhcrg SPIN IO'il:l1-l7 ~xn 130-) -1 l 2 1 () - Gcdruckr auf saurefrciem Papicr Die maßgeblichen Probleme, denen wir uns heute gegenübersehen, lassen sich nichtmit demselben Denkansatz lösen, den wir hatten,als wir sie schufen. Albert Einstein Vorwort Fundamentale Voraussetzung für das Funktionieren einer Volkswirtschaft ist eine modeme und leistungsfähige Infrastruktur. Ein besonders wichtiges Infrastruktur element stellt die Wasserinfrastrukturdar, die eine sichereVersorgungder Bevölke rung und der Wirtschaft mit qualitativ hochwertigem Wasser ebenso sicherstellt, wie die Sammlung und Reinigung der häuslichen und gewerblichen Abwässer und die schnelle Ableitungder Niederschlagsmengenaus den Siedlungsräumen. Die Wasserinfrastruktursysteme der westlichen Industrieländer haben sich in den letzten 100Jahren wasser- und abwasserseitig zu ausgedehnten Leitungsnetzen mit zentralen Aufbereitungsanlagen ausgeformt. Der Aufwand, der in den kommenden Jahren zur Sanierung und Modernisierung dieser Netze und Anlagen notwendig werden wird,ist erheblich.Er wird sich aller Voraussicht nach jährlich auf mehrere Milliarden Euro belaufen. Angesichts dieser enormen, von unseren Gemeinwesen aufzubringenden Summen, aber auch unterdem Gesichtspunkt, dass die heute vorgefundene Strukturder Was server- und Abwasserentsorgung vor dem Hintergrund der in Politik und Gesell schaft geführten Nachhaltigkeitsdebatte durchaus Anlass zu einer kritischen Be trachtung gibt, erhielt das Fraunhofer Institut für Systemtechnik und Innovations forschung von der Stiftung "Zukunft NRW" der WestLB, Düsseldorf den Auftrag, mit einerPerspektive von 50 und mehr Jahren Szenarien einer anderen Wasserwirt schaft zu entwerfen und hinsichtlich ihrertechnischen Machbarkeit, ihrerökonomi schen Auswirkungen und ihrer Nachhaltigkeitsaspekte zu beleuchten. Die vorlie gende Arbeit widmet sich darüber hinaus innovationstheoretischen Überlegungen, die das Problem aufgreifen, wie ein bestehendes Infrastruktursystem, das wie im vorliegenden Fall technisch und institutionell über erhebliche Trägheitsmomente verfügt, in endlicherZeit auf ein System umgesteuert werden kann, das neuen An forderungen und Herausforderungen genügt. Im Ergebnis zeigt sich, dass die Auseinandersetzung mit Alternativen zur vertrauten Wasserinfrastruktur in vielerlei Hinsicht lohnt. Neben den Vorteilen vor Ort eröff net sich durch den nachhaltigeren Umgang mit der Ressource Wasserdie Hoffnung, diese Konzepte in klimatisch weniger begünstigten Regionen der Erde übertragen und damit der deutschen Wasserindustrie ein attraktives Marktsegment erschließen zu können. Karlsruhe, im November2002 Prof. Dr.rer. pol. FriederMeyer-Krahmer Institutsleiter Fraunhofer-Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung Inhaltsverzeichnis 1 Einführung undProblemstellung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Paradigmeneiner nachhaltigenWasserwirtschaft 5 1.3 AufgabensteIlung 8 2 Untersuchungsgebiete 10 2.1 Raster derDatenbestandsaufnahme 11 2.2 Beschreibungder Untersuchungsgebiete 13 2.2.1 UntersuchungsgebietDortmund-Asseln 13 2.2.2 Untersuchungsgebiet Selm-Bork 16 3 Szenarien alsstrategischesPlanungsinstrument 20 3.1 Strategischer Planungsbedarf 20 3.2 Was sindSzenarien? 24 3.3 Der Prozess der Szenarienerstellung 27 4 DieAKWA2100-Szenarien 32 4.1 EntwicklungderSzenarien 32 4.2 Beschreibungder AKWA 2100-Szenarien 37 4.2.1 Szenario"Weiterso!" 37 4.2.2 Szenario "KommunalerWasserkreislauf" .42 4.2.3 Szenario.KleinräumigeStoffkreisläufe" .49 4.3 Vergleichende Gegenüberstellungder Szenarien 55 4.3.1 Trinkwasserverbrauch undSchmutzwasseranfall 55 4.3.2 Regenwasserversickerung 56 x 4.3.4 Systemelernente 57 4.3.5 Marktliehe und regulatorische Aspekte 57 5 ÖkonomischeAnalysederSzenarien unterden Rahmenbedingungen derModellkommunen 61 5.1 Methodikder ökonomischen Analyse 62 5.2 Dynamischer Vergleich der Kosten für Errichtung und Unterhaltung derdrei Wasserinfrastrukturkonzepte im Projekt AKWA 2100 64 5.2.1 Kleinräumige Betrachtung 64 5.2.2 Erfassungder Zahlungsströme 64 5.2.3 Vergleich der Kosten einer vollständigen Neuer- richtungder Wasserinfrastrukturim Zeitpunkt tn (..Grüne Wieser-Fall) 65 5.2.3.1 Festlegung der finanzmathematischen Parameter 65 5.2.:U Vergleich der Projektkostenbarwerte 66 5.2.3.3 Sensitivitätsanalysc 70 5.2.4 VergleichderKosten einersukzessiven Neuerrichtung der Wasserinfrastruktur unter Berücksichtigungder Restnutzungsdauern vorhandenerSystemelemente (.,Step by Stepv-Fall) 75 5.2.4.1 Vergleichder Projcktkostcnbarwcrte 75 5.2.4.2 Sensitivitätsanalyse 79 5.3 Berücksichtigung von Nutzenpotenzialeninnerhalbdes Entscheidungskalküls 79 6 BewertungderNachhaltigkeiturbaner Wasserint'rastruktursysteme 82 6.1 Nachhaltigkeit 82 6.2 Bewertungsmethode und Vorgehen 84 6.2.1 AnalyticalHierarchy Process (AHP) 85 6.2.2 Delphi-Methode 86 6.2.3 Expertengremium 87 6.2.4 Prozessuales Vorgehen 88 XI 6.3 Nachhaltigkeitskriterien urbaner Wasserinfrastruktursysteme 90 6.3.1 Kriterien der ökonomischen Dimension 90 6.3.2 Kriterien der gesellschaftlichen Dimension 92 6.3.3 Kriterien der ökologischen Dimension 93 6.4 Nachhaltigkeitsbewertung 95 6.4.1 Gewichtungder Nachhaltigkeitskriterien 95 6.4.1.1 Nachhaltigkeit 95 6.4.1.2 Ökonomische Kriterien 96 6.4.1.3 GesellschaftlicheKriterien 97 6.4.1.4 Ökologische Kriterien 98 6.4.2 Bewertungder Szenarien 98 6.4.2.1 Gesamtergebnis der Nachhaltigkeitsbewertung 98 6.4.2.2 TeilergebnisökonomischeKriterien der Nachhaltigkeit.. 100 6.4.2.3 Teilergebnis gesellschaftlicheKriterien der Nachhaltigkeit 102 6.4.2.4 TeilergebnisökologischeKriterien der Nachhaltigkeit... 103 6.5 Sensitivitätsanalyse 105 6.6 Fazitder Nachhaltigkeitsbewertung 107 7 Systemwechsel beiurbanenWasserinfrastruktursystemen 109 7.1 Übertragbarkeitder AKWA 2100-Szenarien 109 7.1.1 "KommunalerWasserkreislauf" 109 7.1.2 .Kleinräumigc Stoffkreisläufe" 114 7.2 PraktischeÜberlegungen zum Systemwechsel in den Untersuchungsgebieten 119 7.2.1 Einteilungder UntersuchungsgebieteinTeilgebiete 119 7.2.2 Systemelemente imöffentlichen Bereich 121 7.2.2.1 "Kommunaler Wasserkreislauf"inDortmund-Asseln 122 7.2.2.2 .Kleinräumige Stoffkreisläufe" inSelm-Bork 123 7.2.3 Systemelemente im privaten Bereich 123 7.2.3.1 "KommunalerWasserkreislauf" in Dortmund-Asseln 124 7.2.3.2 .KleinräumigeStoffkreisläufe" inSelm-Bork 125 XII 8 Innovationssystem Wasserinfrastruktur 127 8.1 Innovationsprozesse komplexerInfrastruktursysteme am Beispiel derWasserver- und Abwasserentsorgung 127 8.1.1 Entwicklungsphasen von Infrastruktursystemen 130 8.1.2 Systeminnovationen 134 8.1.3 Einflussfaktoren aufeinen Systemwechsel bei Wasserinfrastruktursystemen 135 8.2 Lead-Markt "Nachhaltige Wasserinfrastruktur"? 138 9 ZusammenfassungundAusblick 143 Literatur 149 Anhang 159 Anhang AI CharakteristikaderAKWA 2100Szenarien 160 Anhang A2: ErläuterungderNachhaltigkeitskriterien urbaner Wasserinfrastruktursysteme 196 Anhang A3: Vollständige Ergebnisse der Nachhaltigkeitsbewcrtung(tabellarisch) 20I Abbildungsverzeichnis Abbildung I-I: DurchschnittlichertäglicherPro-Kopf-Trinkwasser verbrauchder WohnbevölkerunginDeutschland im Jahr 2000 4 Abbildung 2-\: Charakteristisches Teilgebiet Dortmund-Asseln 14 Abbildung 2-2: Verteilung des KanalaltersinDortmund-Asseln 15 Abbildung 2-3: WasserbilanzDortmundAsseln 16 Abbildung 2-4: CharakteristischesTeilgebiet Selrn-Bork I7 Abbildung 2-5: Verteilungdes Kanalaltersin Selm-Bork 18 Abbildung 2-6: Kanal-Zustandsklassen inSelm-Bork 18 Abbildung2-7: Wasserbilanz Selm-Bork.. 19 Abbildung 3-1: Eisberg-Modell der zeitlichenEntwicklung komplexer Systeme 23 Abbildung 3-2: RankingvonEinflussfaktoren nach Unsicherheit und Wichtigkeit für die Fragestellung 29 Abbildung 3-3: AblaufdesSzenario-Ansatzes nach Schwartz (1991) 31 Abbildung4-1: "Weiterso!" -Wasserbilanz .41 Abbildung4-2: "Weiterso!" -Wasserver- und Abwasserent- sorgungssystem (inkl. Bioabfallentsorgung) 41 Abbildung4-3: "Weiter so!" - Ausstattung und Einbindung der Gebäude indas Infrastruktursystem .42 Abbildung 4-4: "Kommunaler Wasserkreislauf" -Wasserbilanz 48 Abbildung4-5: "KommunalerWasserkreislauf" -Wasserver-und Abwasserentsorgungssystem 48 Abbildung4-6: "KommunalerWasserkreislauf'-Ausstattungund Einbindungder Gebäude .49 Abbildung 4-7: .Kleinräumige Stoffkreisläufe" -Wasserbilanz 54 Abbildung 4-8: .KleinräumigeStoffkreisläufe" -Darstellungdes Wasserver- und Abwasserentsorgungssystems 54 Abbildung4-9: .KleinräumigeStoffkreisläufe" -Ausstattung und Einbindung derGebäude 55
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