Applying real options theory to value flexibilities in groundwater remediation: an economic method to identify the optimal remediation strategy

Abstract

Remediation investment projects are commonly evaluated based on traditional NPV (net present value) method. The traditional NPV method, however, is often misleading because it does not take into account the uncertainty of the future and the flexibilities the manager has in terms of adjusting the remediation strategy on demand. Typical imbedded real options during remediation projects include deferring, stopping and switching: deferring means to watch and to investigate (such as done in monitored natural attenuation, MNA); stopping means that the site manager can stop the remediation once the given target is met; switching means to replace a technology in operation by another technology/option that may become more appropriate in the future. Since these contingent management options are not considered by traditional NPV method, remediation strategies offering ample scope of flexibilities can be easily undervalued and, thus, the decisions made based on the traditional NPV method can be wrong. This study introduces a new approach for optimal remediation strategy making applying real options theory. MNA, pump-and-treat (P&T) and a permeable reactive barrier (PRB) are considered in this study as example technologies to demonstrate the approach. The remediation time frame is divided into a number of management periods, in which available options may be exercised. Introducing the concentration of the contaminant as the underlying asset, exercise of the options is triggered by the actual level of contamination compared to the given threshold levels. Uncertainty in concentration level is quantified with Monte Carlo simulations. The real options analysis provides the expected values of the alternative strategies. These strategies will be ranked based on their expected values. A hypothetical case is taken to demonstrate the approach and the sensitivity of the results to the changes of parameters is investigated. It is shown that this new approach is capable of identifying the optimal remediation strategy in terms of cost and effectiveness. It is an improvement compared with traditional economic decision-making techniques. The results suggest that real options theory is particularly appropriate to value remediation strategies with flexibility facing future uncertainties, thus having the potential to significantly improve remediation decision making. It is demonstrated that the optimal decision is very much depending on underlying conditions with respect to target and regulation levels, site conditions, economic assumptions, technologies’ effectiveness and their uncertainties. Voluntarily postponing MNA and applying more active remedial technology instead is recommended for projects where high economic value of cleaned land calls for high effectiveness.

Sanierungsprojekte werden im Allgemeinen nach der traditionellen Kapitalwertmethode bewertet. Diese berücksichtigt jedoch weder die Unsicherheiten bezüglich der Entwicklung von Eingangsgrößen in der Zukunft noch die Flexibilität, die Sanierungsstrategie in Laufe eines Projektes an die Nachfrage anzupassen, wie es beispielsweise durch Aufschub oder Stopp der Sanierung, oder durch das Wechseln der Sanierungsstrategie geschehen kann. Typisch für den Aufschub der Sanierung ist beispielsweise das Überwachen natürlicher Schadstoffminderungsprozesse (engl.: Monitored Natural Attenuation, MNA). Ein Sanierungsstopp ist gegeben, wenn der Projektleiter die Sanierungsmassnahmen einstellen kann, weil das vorgegebene Ziel erreicht ist. Wechseln der Sanierungsstrategie ist dann eine Möglichkeit, wenn die betriebene Technologie durch eine andere Technologie/ Option, die in Zukunft besser geeignet sein kann, zu ersetzen. Diese möglichen Management Optionen werden durch die traditionelle Kapitalwertmethode nicht berücksichtigt. Deshalb werden Sanierungsstrategien, welche viel Spielraum für Flexibilität bieten, leicht unterbewertet, was dazu führt, dass Entscheidungen, die auf der traditionellen Kapitalwertmethode beruhen, falsch sein können. Diese Arbeit führt einen neuen Ansatz zur Entwicklung optimierter Sanierungsstrategien unter Anwendung der Real-Optionen-Theorie ein. Diese Studie prüft beispielhaft die Technologien MNA, pump-and-treat (P&T) und reaktive Wand (engl.: permeable reactive barrier, PRB) zur Demonstration des Ansatzes. Der Zeitraum der Sanierung wird in mehrere Managementperioden unterteilt, in denen die verfügbaren Optionen angewendet werden können. Die Konzentration des Schadstoffes wird als Grundlage betrachtet, so dass die Anwendung der Optionen durch den aktuellen Grad der Belastung, verglichen mit dem vorgegebenen Grenzwert bestimmt wird. Die Unsicherheit im Grad der Schadstoffkonzentration wird durch Monte Carlo Simulationen quantifiziert. Die Optionen-Analyse bestimmt den Erwartungswert der alternativen Strategien. Diese Strategien werden nach ihrem erwarteten Optionenwert geordnet. Zur Demonstration des Ansatzes wird ein hypothetischer Fall vorgeführt und die Sensitivität der Ergebnisse gegenüber Änderungen der Parameter untersucht. Es wird gezeigt, dass dieser neue Ansatz die optimale Sanierungsstrategie hinsichtlich der Kosten und Wirksamkeit identifizieren kann. Dies ist eine Verbesserung gegenüber den traditionellen ökonomischen Methoden zur Entscheidungsfindung. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Real-Optionen-Theorie sich besonders dazu eignet, Sanierungsstrategien mit Flexibilität gegenüber zukünftigen Unsicherheiten zu bewerten. Somit haben sie das Potential, die Entscheidungsfindung bei Sanierungsprojekten signifikant zu verbessern. Es wird gezeigt, dass die optimale Entscheidung sehr stark von den Rahmenbedingungen in Bezug auf Sanierungszielwerte, Standort-Bedingungen, ökonomische Annahmen sowie von der Wirksamkeit der Technologien und ihren Unsicherheiten abhängt. Ein freiwilliger Verzicht oder ein freiwilliges Aufschieben von MNA zu Gunsten der Anwendung einer aktiven Sanierungstechnologien wird für Projekte empfohlen bei denen eine hoher Wert der sanierten Fläche eine hohe Wirksamkeit verlangen.