Universität Koblenz-Landau Landau Fachbereich 7: Natur- und Umweltwissenschaften Institut für Umweltwissenschaften Dr. Horst Niemes (Lehrbeauftragter)

Systemanalyse 1 Fallbeispiel 1: Grundwassersanierung in Leuna Quelle: Mario Schirmer and Horst Niemes: „Sustainable Technologies and Social Costs for Eliminating Contamination of an Aquifer“, Sustainability 2010, 2, ISSN 2071-1050.

Das Problem

• Die Grundwasserverschmutzung ist ein weltweites Problem für Industriestandorte

• MTBE (Methyl tertiary-butel ether) wurde eingeführt, um den Bleizusatz zum

Benzin zu ersetzen, die Verbrennung im Motor zu verbessern und das Klopfen im

Motor zu verringern.

• Leuna ist ein seit 100 Jahren bestehender zentraler Industriestandort in

Mitteldeutschland

• (Düngemittel, Sprengstoff, Kohleverflüssigung, Kunststoffe, Benzin,

Benzinzusatzstoffe wie MTBE)

• MTBE wurde dort seit 1981 und ab 1984 in großem Maßstab produziert mit

erheblichen Belastung der Grundwasserressourcen

Standort und Eigenschaften des Grundwasserleiters

• Die im Boden angereicherten Schadstoffe werden an das Grundwasser abgeben

und dem Grundwasserstrom in Richtung des Flusses Saale transportiert.

• Die Fließstrecke beträgt ca. 2 km.

• Der Abbau der Schadstoffe erfolgt sehr langsam.

• Dennoch ist das in Flussnähe befindliche Wasserwerk Daspig kaum beeinträchtigt,

welches die Stadt Leuna und den Industriestandort mit Trinkwasser versorgt.

• Die technischen Daten des Grundwasserleiters sind folgende:

• Bodendeckung des Grundwasserleiters beträgt ca. 2 bis 4 m, seine hydraulische

Leitfähigkeit K (die Henry-Konstante) im Mittel 4x10-4 m/s, die

Fließgeschwindigkeit 0.3 bis 1 m pro Tag, die saisonalen Schwankungen der

Temperatur im Bereich von 7° bis 14°C (im Mittel 11°C)

Ökonomische Einordnung und technische Lösung des Problems

•••• Die früheren staatlichen Betriebe existieren nach der Wiedervereinigung nicht mehr,

folglich ist das sogenannte „Polluter-Pay-Principle“ nicht anwendbar.

•••• Um neue Betriebe anzusiedeln zu können, wurde in dem Altlastenfreistellungs-

Gesetz entschieden, dass die Grundwassersanierung eine öffentliche Aufgabe ist,

welche durch die 1999 gegründete „Landesanstalt für Altlastenfreistellung des

Landes Sachsen-Anhalt“ koordiniert wird.

•••• Die neu angesiedelten Betriebe haben sich lediglich mit einem geringen

Investitionsbeitrag an den Sanierungskosten zu beteiligen.

Implementierte Systemelemente zur Lösung des Verschmutzungsproblems in Leuna

I MTBE-contaminated surface soil

II MTBE-contamination of the upstream aquifer

III Slurry wall for separating the MTBE-contaminated groundwater from the aquifer

Extraction of groundwater

V: Infiltration of treated groundwater

VI Dilution and natural attenuation of the downstream aquifer

River Saale

Water for the industrial zone of Leuna

VII Water works

Water for Leuna City

IV Treatment plant for MTBE-contaminated groundwater

Extraction of MTBE-contaminated groundwater

• Ziel für die Grundwasserreinigung: Reduktion der mittleren MTBE-Konzentration

von 125 mg/l auf 200 µg/l, um durch die Diffusion und den geringen natürlichen

Abbau letztlich einen Trinkwasserstandard von 5µg/l zu erreichen.

• Wesentliche Systemelemente sind folgende:

o I der Pollution Stock (im Boden akkumulierte Schadstoffe)

o II das kontaminierte Grundwasser

o III eine 400 m langen und 15 tiefen Spundwand zur Trennung des

Grundwasserleiters

o IV die Grundwasserreinigungsanlage (Air Stripping Anlage)

o V Infiltration des gereinigten Grundwassers in den Grundwasserleiter

o VI Selbstreinigung durch den Grundwasserleiter

o VII Trinkwassergewinnungsanlage (mit Umkehrosmose und

Aktivkohlefilter)

Einige zusätzliche technische Daten • Grundwasservolumen im Bereich von 120 m3 bis 800 m3 pro Tag

• Entnommenes Grundwasservolumen zwischen 288 m3 bis 360 m3 pro Tag

• Bei einer Konzentration von 20 mg/l werden ungefähr 5,8 bis 7,3 kg MTBE pro Tag

(2,1 bis 2,6 Tonnen pro Jahr)

• In einem Zeitraum von 10 Jahren müssen ungefähr 4,2 bis 7,8 Tonnen pro Jahr in

den Grundwasserleiter eingeleitet worden sein.

• Ungefähr 20 bis 30 Jahre muss die Reinigungsanlage betrieben werden. Ohne

Reinigungsanlage würde das Problem erst in 100 Jahren durch die Natur gelöst sein.

Die Kosten zur Berechnung der dynamischen Gestehungskosten (gleich dem Preis für die Grundwasserbehandlung)

• Investitionskosten

o The 400 m slurry separation wall 980.000 € o The water storage during construction 60.000 € o The system for draining groundwater to the treatment plant 490.000 € o The groundwater treatment plant 195.000 € o The pilot plant for optimizing the treatment process 64.000 € o Supplementary measures 250.000 € o Total 2.039.000 €

• Zusätzliche Investitionskosten in den Zeitraum von 2009 bis 2015: 643.000 € pro

Jahr

• Restwert der Investitionskosten am Ende des Planungshorizontes: 5.485.000 €.

• Fixe Betriebskosten: 120.000 € pro Jahr

• Variable Betriebskosten: 110.376 € pro Jahr

• Die dynamischen Gestehungskosten bei einer Diskontrate von 5 Prozent nach

nachstehender Formel (und der Tabelle am Schluss): 3,5 €/m3 mit einer

Schwankungsbreite von ±0,5€

{ }

∑= −+

+−∑

= −++

==

T W

TTRVIT OI

NPVWNPVCDPC

1 1)1(

)(

)1(

)(

1 1)1(

)()(

τ τδτ

δτ τδττ

Schlussfolgerung • Die dynamischen Gestehungskosten sind ein Preis für die politische Entscheidung,

das Problem innerhalb der nächsten 20 bis 30 Jahren zu lösen.

• Die Wassergewinnungskosten im Wasserwerk bei 1,2 €/m3. Die dynamischen

Gestehungskosten zeigen an: Eine nachträglichen Grundwassersanierungskosten

sehr hoch sind. Der sorglose Umgang mit natürlichen Ressourcen hat also einen

hohen Preis, den die nachfolgenden Generationen zu tragen haben.

Year Investment Costs Operation Costs Total Costs Groundwater Discount Discounted Discounted

Original Additional Fixed Variable Amount Factor Costs Groundwater

1,05 Amounts

€/a €/a €/a €/a €/a m3/a €/a m3/a

2004 1.930.000 60.000 55.188 2.045.188 122.640 1,00 2.045.188 122.640

2005 509.000 120.000 110.376 739.376 122.640 1,05 704.168 116.800

2006 120.000 110.376 230.376 122.640 1,10 208.958 111.238

2007 120.000 110.376 230.376 122.640 1,16 199.007 105.941

2008 120.000 110.376 230.376 122.640 1,22 189.531 100.896

2009 643.000 120.000 110.376 873.376 122.640 1,28 684.313 96.092

2010 643.000 120.000 110.376 873.376 122.640 1,34 651.727 91.516

2011 643.000 120.000 110.376 873.376 122.640 1,41 620.692 87.158

2012 643.000 120.000 110.376 873.376 122.640 1,48 591.135 83.008

2013 643.000 120.000 110.376 873.376 122.640 1,55 562.986 79.055

2014 643.000 120.000 110.376 873.376 122.640 1,63 536.177 75.290

2015 643.000 120.000 110.376 873.376 122.640 1,71 510.645 71.705

2016 120.000 110.376 230.376 122.640 1,80 128.282 68.291

2017 120.000 110.376 230.376 122.640 1,89 122.173 65.039

2018 120.000 110.376 230.376 122.640 1,98 116.356 61.942

2019 120.000 110.376 230.376 122.640 2,08 110.815 58.992

2020 120.000 110.376 230.376 122.640 2,18 105.538 56.183

2021 120.000 110.376 230.376 122.640 2,29 100.512 53.507

2022 120.000 110.376 230.376 122.640 2,41 95.726 50.959

2023 120.000 110.376 230.376 122.640 2,53 91.168 48.533

2024 120.000 110.376 230.376 122.640 2,65 86.826 46.222

2025 120.000 110.376 230.376 122.640 2,79 82.692 44.021

2026 120.000 110.376 230.376 122.640 2,93 78.754 41.924

2027 120.000 110.376 230.376 122.640 3,07 75.004 39.928

2028 120.000 110.376 230.376 122.640 3,23 71.432 38.027

2029 120.000 110.376 230.376 122.640 3,39 68.031 36.216

2030 120.000 110.376 230.376 122.640 3,56 64.791 34.491

2031 120.000 110.376 230.376 122.640 3,73 61.706 32.849

2032 120.000 110.376 230.376 122.640 3,92 58.767 31.285

2033 120.000 110.376 230.376 122.640 4,12 55.969 29.795

2034 -985.000 -4.500.000 0 0 -5.485.000 4,32 -1.269.105 0

Net Present Value of the Costs € 7.809.963

Net Present Value of the Groundwater Amounts m3 1.979.541

Dynamic Prime Costs including the additional Investment Costs €/m3 3,95

Dynamic Prime Costs excluding the additional Investment Costs €/m3 2,93

Dynamic Prime Costs excluding the total Investment Costs €/m3 1,82