Stoffmanagement biogener Haushaltsabfälle

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Hansl Bruhn
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1 Stoffmanagement biogener Haushaltsabfälle Winfried Bulach Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Gliederung Motivation und wissenschaftliche Fragestellung Status quo in Deutschland Betrachtete Systeme Erste Ergebnisse der Modellierung Gutschriften Zusammenfassung und Herausforderungen 2

3 Motivation und wissenschaftliche Fragestellung Flächendeckende Einführung der Biotonne im Jahr 2015, vorgeschrieben durch das neue Kreislaufwirtschaftsgesetz Abgeschriebene und erneuerungsbedürftige Anlagen im Kompostsektor begünstigen Neuinvestitionen Nutzung des entstehenden Potentials Wie lässt sich das entstehende Potential am effizientesten Nutzen? Energiewende: Welchen Beitrag kann die Abfallwirtschaft bei der Entsorgung von Bioabfall energetisch leisten? Treibhausgaseinsparung: Wie groß ist die Einsparung der einzelnen Verfahren? 3

Status quo in Deutschland Abfall wird, wenn separat erfasst, zu fast 90 % nur kompostiert, statt kombinierte stofflich/energetische Nutzung Nicht separat erfasster Bioabfall wird über die

4 Status quo in Deutschland Abfall wird, wenn separat erfasst, zu fast 90 % nur kompostiert, statt kombinierte stofflich/energetische Nutzung Nicht separat erfasster Bioabfall wird über die Restmülltonne der Verbrennung im MHKW zugeführt oder in einer MBA (MPS, MBS) behandelt Erfassung noch nicht flächendeckend dmin/docs/publikation/karte_brd_bio_und_gruengut_a3.pdf&t= &hash=cc28e40b46326db7305a2e79bd

5 Systemgrenzen der betrachteten Systeme Betrachtung der Prozesskette ab Einwurf in Biotonne Funktionelle Einheit: Entsorgung 1 Mg Bioabfall Zur weiteren Behandlung Emissionen Gutschrift Abgas Wärme Biogene Haushaltsabfälle in und mit Tonne Sammlung und Transport Sammlung und Transport Vergärung und Nachkompostierung Kompostierung Abluft Prozesswasser Fehlwürfe Abluft Prozesswasser Fehlwürfe Strom Gärrest Kompost Systemgrenze 5

6 Schema der Kompostierung Grünschnitt Bioabfall Zerkleinern Aufbereitung: Zerkleinern, Sieben, Mischen Kompostierung: offen (Dreiecks-/Tafel-/Trapezmieten) geschlossen (Boxen/Tunnel/Folien/Trommel/Brikollare Kompostierung) Nur bei geschlossener Kompostierung: Ablufterfassung/Biofilter Konfektionierung: Windsichter/Trommelsieb/Sternsieb Kompost Störstoffe 6

7 Biologie der Kompostierung Abbauende Mikroorganismen: Bakterien, Aktinomyceten, Pilze Abnehmende Toleranz gegenüber Sauerstoffunterversorgung, höhere Temperaturen (75, 65, 60 C) und Feuchtigkeit Abnehmende Abbauleistung (Bakterien bauen % ab), aber schwer abbaubare Substrate nur durch Aktinomyceten und Pilze abbaubar Kompostierungsphasen Abbau: Starkes Bakterienwachstum, T max, thermophil Umbau: zu mesophiler P. und Ende des Abbaus niedermolekularer Vdg. Aufbau: Stabilisierung und Abbau höher molekularer Vdg. M. Kranert, Einführung in die Abfallwirtschaft, 2011, S

8 Kompostierung von Bioabfall in openlca 8

9 Schema der Vergärung Bioabfall Abfallbunker Fermenter Gärresttrennung Gärrest Schwefelhaltiges Biogas Gasentschwefelung Fester Gärrest Biogas Aerobisierung BHKW Gasreinigung Flüssiger Gärrest Kompost Strom Wärme Bioerdgas Erdgasnetz Gastankstelle Kläranlage Feld Stromnetz Wärmeabnehmer 9

10 Chemie der Vergärung Allgemeine Reaktionsgleichung: C c H h O o N n S s + yh 2 O xch 4 + nnh 3 + sh 2 S + (c-x)co 2 wobei x = 1/8(4 c + h 2 o 3 n 2 s ) und y = 1/4(4 c h 2 o + 3 n + 2 s ) Beispiele: Kohlenhydrate: C 6 H 12 O 6 3 CO CH 4 Fette: 2 C 12 H 24 O H 2 O 9 CO CH 4 Proteine: 2 C 13 H 25 O 7 N 3 S + 6 H 2 O 13 CO CH NH H 2 S Zum Vergleich Kompostierung von Kohlenhydraten: C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O 10

11 Biologie der Vergärung Hydrolyse mit Hilfe extrazellulärer Enzyme Proteine Fette Kurzkettige Zucker Aminosäuren Peptide Glycerine Fettsäuren Pyruvate NH 4 Ethanol Flüchtige Fettsäuren Acetogene Substrate: Lactat Butyrat Propionat Succinat Ethanol Acidogenese Acetogenese Methanogenese Kohlenhydrate Homoacetogenese Acetat H 2 /CO 2 Formiat Methanol CH 4 CO 2 1. Stufe Ein oder zwei Behälter Sulfat Reduktion Nitrat Reduktion 2. Stufe Möglicher separater Behälter H 2 S NH 3 NH

12 Wichtige Einflüsse bei der Vergärung Ein-/Mehrstufig Hydrolyse / Acidogenesestufe ph 5,2-6,3; C Acetogenese / Methanogenese ph 6,7-7,5; meso-/thermophil Temperatur Nass-/Trockenfermentation TS-Gehalt <15 % / >25 % Batch/Konti Unterschiede Gasproduktion Mesophil/Thermophil / C D. Deublein, A. Steinhauser, Biogas from Waste and Renewable Resources, 2011, S

13 Vergärung von Bioabfall in openlca 13

Erste Ergebnisse kg CO 2 -Äquivalente / Mg Bioabfall 350 300 250 200 150 100 50 0 GWP 20a GWP 100a GWP 500a

14 Erste Ergebnisse kg CO 2 -Äquivalente / Mg Bioabfall GWP 20a GWP 100a GWP 500a Vergärung von Bioabfall Kompostierung (offen) von Bioabfall Kompostierung (gekapselt) von Bioabfall Klimawandel 14

Erste Ergebnisse ReCiPe (H,A) Punkte / Mg Bioabfall 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Klimawandel, Ökosysteme Klimawandel, Ökosysteme Klimawandel, menschliche Gesundheit Klimawandel,

15 Erste Ergebnisse ReCiPe (H,A) Punkte / Mg Bioabfall 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Klimawandel, Ökosysteme Klimawandel, Ökosysteme Klimawandel, menschliche Gesundheit Klimawandel, Menschliche Gesundheit Fossiler Ressourcenverbrauch Fossiler Ressourcenverbrauch Vergärung von Bioabfall Kompostierung (offen) von Bioabfall Kompostierung (gekapselt) von Bioabfall 15

16 Gutschriften Folgende Produkte bedürfen einer Gutschrift: Kompost Strom Wärme Gärrest Gärrest und Kompost können folgende Produkte/Stoffe substituieren: Düngemittel (NPK) Torf Humus (über Aquivalenzprozesse) Strohsubstitution Zwischenfruchtanbau Ackergrasanbau 16

17 Äquivalenzprozesse für Humuswirkung Strohsubstitution Kompost/Gärrest ersetzt Humus- und Düngewirkung von Stroh Stroh wird im Heizkraftwerk verwertet Gutschrift in Höhe des Strom- und Wärmeoutputs der Strohverwertung Zwischenfruchtanbau Humus-C aus der organischen Substanz von Zwischenfrüchten (bspw. Senf, Grünroggen, Gräser), die als Untersaat oder nach der Ernte wachsen Gutschrift in Höhe der Aufwendungen für den Anbau Ackergrasanbau Humus-C aus der organischen Substanz von Ackergras aus landwirtschaftlichem Anbau Gutschrift in Höhe der Aufwendungen für den Anbau 17

18 Zusammenfassung Gesetzliche Änderung erhöhen die erfasste Bioabfallmenge Möglichkeit der Verwertung über Kompostierung und Vergärung Betrachtete Systeme haben viele Einflussfaktoren Gutschriften für Kompost/Gärrest sind verschiedentlich ausführbar Herausforderungen Daten, Daten, Daten! Gutschriften müssen noch eingebaut werden 18

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