Steigerung der Energieeffizienz in der Verwertung biogener Reststoffe

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1 Steigerung der Energieeffizienz in der Verwertung biogener Reststoffe Endbericht zu Förderprojekt 03KB022 Gefördert durch:

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3 Technische Universität Braunschweig Leichtweiß-Institut, Abteilung Abfall- und Ressourcenwirtschaft Prof. Dr. Ing. Klaus Fricke Dr. Ing. Tobias Bahr Dipl. Ing. Oliver Kugelstadt Dipl. Ing. Christof Heußner (Projektkoordination) Beethovenstraße 51a Braunschweig Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik Prof. Dr. Ing. Stephan Scholl Langer Kamp Braunschweig Bauhaus-Universität Weimar Biotechnologie in der Ressourcenwirtschaft Prof. Dr. Ing. Eckhard Kraft Prof. em. Dr.-Ing. Werner Bidlingmaier Dipl. Forsting. (FH) M.Sc. Daniel Meier-Kohlstock Dipl. Ing. Thomas Haupt Coudraystraße Weimar Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT Institutsteil Sulzbach-Rosenberg M. Eng., Dipl. Wi.-Ing. (FH) Martin Meiller Dipl. Wi. Ing. Fabian Stenzel An der Maxhütte Sulzbach-Rosenberg

4 4 Inhalt Abbildungsverzeichnis... 8 Tabellenverzeichnis Abkürzungen Einleitung Grundlagen Substrate Aufkommen verschiedener biogener Reststoffe Verwertungswege biogener Reststoffe Biologische Verwertungswege Thermische Verwertungswege Anlagentechnik Vergärung Anlieferung Vorbehandlung vor der Vergärung Stoffstromauftrennung vor der biologischen Behandlung Aufbereitung für den biologischen Behandlungsprozess Vergärungsverfahren Kompostierung Notwendigkeit, Definition und Nutzpotenzial der Kompostierung Stoffströme, Funktionsweise und Systeme der Kompostierung Umweltbetrachtung der Kompostierung Co-Vergärung Gesetzliche und finanzielle Anreize zur Nutzung von Klärgas und Klärschlamm auf Abwasserbehandlungsanlagen Definition, Hintergründe und Randbedingungen zum Einsatz der Co-Vergärung auf Kläranlagen Energiebedarf von Kläranlagen und Bedeutung der Co-Vergärung beim Optimierungspotenzial ihrer Energieeffizienz Thermische Verwertung Pyrolyse Thermochemische Vergasung Verbrennung Verbreitung thermischer Verwertungsverfahren Energieeffizienz bei der Verbrennung Abluftreinigung Stärken und Schwächen, Chancen und Risiken SWOT-Analyse... 97

5 2.3.2 Nutzwertanalyse Methodik Datenerhebung Vergärung Kompostierung Vereinheitlichung der Datensätze Verifikation der Datensätze Datenauswertung Co-Vergärung Thermische Verwertung Analyse der Stärken und Schwächen der betrachteten Technologien und Verfahren im Kontext äußerer Einflussfaktoren SWOT-Analyse Interne Analyse Prozesskette Externe Analyse PESTEL Nutzwertanalyse Verbrennungsversuche Ergebnisse Vergärung Massenströme Kompostierung und Vergärung Status quo Vergärung Bio- und Grünabfälle Status quo Vergärung Restabfälle Entwicklungspotenzial zusätzlich vergärbare Mengen Optimierungspotenzial durch Steigerung der Bio- und Grünabfallmengen sowie Restabfallmengen zur Vergärung Status quo- und Leistungsdatenermittlung Anlagen- und Verfahrenstechnik bei der Vergärung von Bio- und Grünabfällen In Betrieb befindliche Vergärungsanlagen für die Behandlung von Bio- und Grünabfällen In Bau befindliche Vergärungsanlagen für die Behandlung von Bio- und Grünabfällen Stillgelegte Vergärungsanlagen für die Behandlung von Bio- und Grünabfällen Einstellung der Behandlung von Bio- und Grünabfällen Zeitliche Entwicklung Vergärungsanlagen für die Behandlung von Bio- und Grünabfällen Prozess- und Verfahrenstechniken zur Vergärung von Bio- und Grünabfällen Jahresgang und materialbedingte spezifische Gasausbeuten Gasausbeuten und Netto-Energiebereitstellung Optimierungspotenzial durch Wahl der energetisch effizienteren Prozess- und Verfahrenstechniken bei der Vergärung von Bio- und Grünabfallmengen

6 Optimierungsmaßnahmen im Prozessabschnitt Anlieferung und Zwischenspeicherung Optimierungsmaßnahmen im Prozessabschnitt Vorbehandlung Gasverwertung Methanschlupf/Methanverluste Flexible Energieerzeugung und -bereitstellung Entwässerung und Abwasser bei der Vergärung von Bio- und Grünabfällen Optmierungspotenzial Elektromotoren Schwächen bei der Vergärung von Bio- und Grünabfällen Kompostierung Statistisch nicht auswertbare Baumuster Baumuster-kombinierte Anlagen Co-Vergärung Thermische Verwertung Verbrennungsversuche Abluftreinigung SWOT-Analyse Beispiel zur Anwendung der SWOT-Analyse anhand der Kompostierung Beispiel zur Anwendung der Nutzerwertanalyse anhand der Vergärungstechnologie Kriterienkataloge als Grundlage der Anwendung Vergärung Kompostierung Co- Vergärung Thermische Nutzung Verfahrenskombinationen Aus Sicht der Kompostierung Diskussion der Ergebnisse Vergärung Leistung der Vergärung von Bio- und Grünabfällen - Status quo Optimierungspotenzial bei der Vergärung von Bio- und Grünabfällen Optimierung der Verfahrens- und Prozesstechnik Überführung derzeit verfügbare Bio- und Grünabfallmengen in die Vergärung und Erschließung zusätzlich erfassbare Bio- und Grünabfallmengen Erschließung zusätzlich erfassbarer Bio- und Grünabfallmengen Gesamtpotenzial zusätzlich erschließbarer Energien durch die Vergärung von Biound Grünabfällen Kompostierung Co-Vergärung Thermische Verwertung

7 Literaturverzeichnis Anhang

8 8 Abbildungsverzeichnis Abbildung 2-1: Organisches Abfallaufkommen in Deutschland für das Jahr 2006 (Witzenhausen- Institut, 2010) Abbildung 2-2: Jahresverteilung ausgewählter organischer Substratarten Abbildung 2-3: Biogasanlage im Verbund (Brummack) Abbildung 2-4: Brennstoffeinsatz in Biomasseheizkraftwerken nach Anlagenzahl und installierter elektrischer Leistung (DBFZ 2012) Abbildung 2-5: Preisentwicklung von Altholzsortimenten von 2003 bis 2012 (DBFZ 2012) Abbildung 2-6: Das Bioenergiekraftwerk Emsland (Knieper 2012) Abbildung 2-7: Schematischer Verfahrensablauf von Vergärungsanlagen zur Behandlung von Biound Grünabfällen sowie Restabfällen Abbildung 2-8: Typisierung der Vergärung nach deren Technik und Prozess- und Betriebsführung.. 37 Abbildung 2-9: Übersicht über kontinuierliche und diskontinuierliche Verfahren (verändert nach UBA, 2010) Abbildung 2-10: Schematische Darstellung des KOMPOGAS-Verfahrens für die Verarbeitung von Bioabfällen Abbildung 2-11: Schematische Darstellung eines horizontal ausgeführten Pfropfstromreaktors (Beispiel KOMPOGAS-Fermenter) Abbildung 2-12 Schematische Darstellung des Strabag-Reaktors Abbildung 2-13: Schematische Darstellung des DRANCO-Verfahrens für die Verarbeitung von Bioabfällen Abbildung 2-14: Schematische Darstellung eines vertikal ausgeführten Pfropfstromreaktors (Beispiel VALORGA-Fermenter) Abbildung 2-15: Prozessphase 1: Aerobe Startphase des Prozesses Abbildung 2-16: Prozessphase 2: Perkolation und Methangasbildung Abbildung 2-17: Prozessphase 3: Aerobisierung Abbildung 2-18: Schematische Darstellung des einstufigen BTA-Verfahrens für die Verarbeitung von Bioabfällen Abbildung 2-19: Schematische Darstellung des Strabag-Verfahrens Abbildung 2-20: Schematische Darstellung des zweistufigen BTA-Verfahrens mit Abtrennung der Feststoffe nach der Hydrolysestufe Abbildung 2-21: Perkolationsanlage für die Verarbeitung von Restmüll Abbildung 2-22: Schematische Darstellung eines Hybrid- Reaktors, einer Kombination aus Schlamm und Festbettreaktor Abbildung 2-23: Trends und Szenarien des Managements von Siedlungsabfällen hinsichtlich Deponierung, Verbrennung, Wiederverwertung und Kompostierung in der Europäischen Union einschließlich Norwegen und der Schweiz (EEA, 2012) Abbildung 2-24: Zusammenhang zwischen landwirtschaftlicher Produktion und bodenverfügbaren Mengen an Stickstoff und Phosphor in den Niederlanden im Zeitraum (Statistics Netherlands, 2011) Abbildung 2-25: Systeme für Kompostierungsanlagen (Schuchardt, 2005) Abbildung 2-26: Klassifikation von offenen Kompostierungsformen (Schuchardt, 2005)... 59

9 Abbildung 2-27: Klärgaserzeugung und -Nutzung und Anzahl der Betriebe im Kläranlagensektor (Haberkern et al., 2008) Abbildung 2-28: Stark vereinfachter schematischer Ablauf der Methan-Gärung Abbildung 2-29: Abschätzen der verfügbaren Faulturmkapazität zur Co-Vergärungsnutzung (VSA, 2012) Abbildung 2-30:Vergleich der Abbaugrade von Klärschlamm, Co-Substrat und Co-Vergärung (VSA, 2012) Abbildung 2-31: Vergleich der Faulgasausbeute von Klärschlamm, Co-Substrat und Co-Vergärung (VSA, 2012) Abbildung 2-32: Allgemeiner Verfahrensablauf der Co-Vergärung auf Kläranlagen (MUNLV, 2001) Abbildung 2-33: Spezifischer Strombedarf (kwh/(egw*a) einer konventionellen Kläranlage mit EGW (Kolisch, 2001) Abbildung 2-34: Spezifischer Wärmebedarf (kwh/(egw*a) einer konventionellen Kläranlage mit EGW (Kolisch, 2001) Abbildung 2-35: Spezifischer Stromverbrauch bei Kläranlagen der GK 2 und 3 (Haberkern u. a., 2008) Abbildung 2-36: Spezifischer Stromverbrauch bei Kläranlagen der GK 4 und 5 (Haberkern u. a., 2008) Abbildung 2-37: Einteilung automatisch beschickter Feuerungssysteme nach zunehmender Gasgeschwindigkeit (Kaltschmitt et al. 2009) Abbildung 2-38 Vorschubrostfeuerung nach dem Gegenstromprinzip Kaltschmitt et al., 2009) Abbildung 2-39:Feuerungen nach dem Gleichstromprinzip (links) und nach dem Mittelstromprinzip (rechts) (Kaltschmitt et al. 2009) Abbildung 2-40: Schema einer Biomasseheizkraftwerkes (ESR, 20012) Abbildung 2-41: Schematische Darstellung des Dampfkraftprozesses in T-S-Diagramm und Fließbild (Rettig, 2011) Abbildung 2-42: Flingern sches Korrosionsdiagramm (Spiegel et al., 2005) Abbildung 2-43: Maximale Wirkungsgrade unterschiedlicher Arbeitsmedien in Abhängigkeit von der Turbineneintrittstemperatur (Rettig, 2011) Abbildung 2-44: T-S Diagramm von Wasser und Pentan (Rettig, 2011) Abbildung 2-45: Schematische Darstellung ORC-Prozess Abbildung 2-46: Entwicklung der Biomassenutzung zur Wärmebereitstellung in Deutschland in den Jahren 1997 bis 2011 (BMU 2012) Abbildung 2-47: Struktur der Wärmebereitstellung aus Biomasse in Deutschland im Jahr 2011 (BMU 2012) Abbildung 2-48: Entwicklung der Strombereitstellung aus Biomasseanlagen in Deutschland im Jahr 2011 (BMU 2012) Abbildung 2-49: Struktur der Strombereitstellung aus Biomasse in Deutschland im Jahr 2011 (BMU 2012) Abbildung 2-50: Thermochemische Vergasungsanlagen in Deutschland (DBFZ, 2012) Abbildung 2-51: Entwicklung des Anlagenbestandes von Biomasseheizkraftwerken von 2000 bis 2011 (DBFZ, 2012)

10 10 Abbildung 2-52: Aufteilung der Biomasseheizkraftwerke nach Anlagenzahl (links) und Anlagenleistung (rechts) (DBFZ, 2012) Abbildung 2-53: Verteilung der Anlagen auf die Bundesländer (DBFZ, 2012) Abbildung 2-54: Verteilung der neuen Anlagen im Jahr 2011 (DBFZ, 2012) Abbildung 2-55: Betreiberformen der Biomasseheizkraftwerke nach Anlagenzahl (links) und installierter elektrischer Leistung (rechts) (DBFZ, 2012) Abbildung 2-56: Betreiberformen der 2011 in Betreib genommenen Biomasseheizkraftwerke nach Anlagenzahl (links) und installierter elektrischer Leistung (rechts) (DBFZ, 2012) Abbildung 2-57: Entwicklung der Anlagenzahlen von ORC-Turbinen und Dampfturbinen von 2000 bis 2011 (DBFZ, 2012) Abbildung 2-58: Teillastverhalten des Wirkungsgrades im ORC-Prozess (Obernberger, 2012) Abbildung 2-59: Qualitativer Zusammenhang zwischen den Kosten und dem Rohrdurchmesser bei der Auslegung eines Wärmenetzes (Obernberger, 2007) Abbildung 2-60: Schema einer Abluftreinigung mittels einer Kombination aus Absorption und Desorption Abbildung 2-61: Adsorptionsanlage mit zwei Festbetten (Adsorber und Desorber) Abbildung 2-62: Schematischer Aufbau eines Tropfkörperbiowäschers (Schwister, 2003) Abbildung 2-63: Bauformen von Nassabscheidern Abbildung 2-64: Grenzpartikelgröße und spezifischer Energiebedarf für verschiedene Nasswäscherbauform Abbildung 2-65: Elektroabscheider. Links: Platten- bzw. Röhrenelektrofilter, rechts: Auflade- und Abscheidemechanismus von Partikeln im elektrischen Feld Abbildung: 2-66: Wertkette nach Porter (Fischer und Pfeffel, 2010) Abbildung 2-67: Konkurrenzanalyse als Stärken-/Schwächenprofil (Fischer und Pfeffel, 2010) Abbildung 2-68: Matrix zur SWOT-Analyse, nach (Simon und Von der Gathen, 2010) Abbildung 2-69: Hierarchie der Zielebenen (nach Littkemann, 2006) Abbildung: 2-70: Matrix für den Paarvergleich dreier Kriterien Abbildung 2-71: Beispiel für Anwendung der Paarvergleichsmatrix Abbildung 2-72: Zielsystem mit Gewichtskriterien nach Paarvergleich, nach (Littkemann, 2006) Abbildung 3-1: Aufbau der Bewertungsmatrix auf Grundlage des HBPS der BGK Abbildung 3-2: Verteilung von Anlagenbestandteilen bei den statistisch auswertbaren Baumustern 107 Abbildung 3-3: Verteilung der Anlagenbestandteile bei Baumuster 5.2 (Angaben in %) Abbildung 3-4: Endenergiebedarf von Anlagenbestandteilen mit Aufschlüsselung nach Energieträger (EL elektrisch; KS - Kraftstoffe) Abbildung 3-5: Verteilung von Markt- und Forschungsinvestitionen bei Betreibern der statistisch auswertbaren Baumuster Abbildung 3-6: Auswertbarkeit der Datensätze nach ihrer Baumuster-Einteilung Abbildung 3-7: Energieverbrauch pro Inputmenge Bio- und Grünabfälle Abbildung 3-8: Energieverbrauch pro Inputmenge Bio- und Grünabfälle, sowie Kompostabsatzstruktur Abbildung 3-9: Funktionsebenen einer Anlage zur energetischen Biomassenutzung durch Verbrennung (eigene Darstellung)Zunächst wurde eine Anlagenbegehung durchgeführt, um den

11 Fragebogen mit Betreibern zu diskutieren und diesen hinsichtlich Aufbau und Konsistenz zu überprüfen Abbildung 4-1: Häufigkeitsverteilung der Antworten auf die Frage In welchen Gebietsstrukturen werden zu geringe Mengen an Bioabfällen eingesammelt? (Fricke et al. 2003) Abbildung 4-2: Bioabfall-Erfassungsquoten ausgewählter öre Abbildung 4-3: Anschlussgrade in den einzelnen öre mit dem System Biotonne (Fricke et al., 2003) Abbildung 4-4: Anschlussgrade in den einzelnen öre von Niedersachsen mit dem System Biotonne, (NLSK, 2008 und eigene Daten) Abbildung 4-5: Bedingungen für die Freistellung von der Bioabfallverwertung Abbildung 4-6: Differenzierung der Anlage nach Verarbeitungskapazität Abbildung 4-7: Entwicklung der Vergärungskapazitäten von Bio- und Grünabfällen Abbildung 4-8: Entwicklung trockene und nasse Vergärungstechnologien in Europa (De Baere und Mattheeuws, 2010) Abbildung 4-9: Anzahl und Verarbeitungskapazität der für die Bio- und Grünabfallvergärung in Deutschland angewandten nassen und trockenen Betriebsweise differenziert nach kontinuierlichen und diskontinuierlichen Verfahren Abbildung 4-10: Biogaserträge bei der Vergärung von Bio- und Grünabfällen in Deutschland bei nasser und trockener Betriebsweise, differenziert nach mesophilen und thermophilen Verfahren - bezogen auf Fermenter-Input Abbildung 4-11: Anzahl und Verarbeitungskapazität der für die Bio- und Grünabfallvergärung in Deutschland angewandten ein- und zweistufigen Verfahren Abbildung 4-12: Gas- und Methanerträge bei der Vergärung von Bio- und Grünabfällen in Deutschland bei ein- und zweistufigen Verfahren differenziert nach mesophilen und thermophilen Verfahren - bezogen auf Fermenter-Input Abbildung 4-13: Anzahl und Verarbeitungskapazität der für die Bio- und Grünabfallvergärung in Deutschland angewandten thermophile und mesophilen betriebenen Anlagen Abbildung 4-14: Spezifische Gaserträge im Jahresgang - bezogen auf Fermenter-Input Abbildung 4-15: Elektrische Wirkungsgrade von Biogas-BHKW (ASUE, 2011) Abbildung 4-16: Elektrische und thermische Wirkungsgrade von zur Verwertung von Biogas angebotenen BHKW Abbildung 4-17: Gegenüberstellung von Stromerzeugung und Strombedarf sowie erzielbare Netto- Stromausbeuten bei nassen und trockenen Vergärungsverfahren von Bio- und Grünabfällen - bezogen auf Fermenter-Input Bioabfall Abbildung 4-18: Gegenüberstellung von Stromerzeugung und Strombedarf sowie erzielbare Netto- Stromausbeuten der nassen und trockenen Vergärung von Bio- und Grünabfällen bezogen auf Anlagen-Input Abbildung 4-19: Gegenüberstellung von Wärmeerzeugung und Wärmebedarf sowie erzielbare Netto- Wärmeausbeuten der nassen und trockenen Vergärung von Bio- und Grünabfällen bezogen auf Fermenter-Input Abbildung 4-20: Gegenüberstellung von Wärmeerzeugung und Wärmebedarf sowie erzielbare Netto- Wärmeausbeuten der nassen und trockenen Vergärung von Bio- und Grünabfällen bezogen auf Anlagen-Input Abbildung 4-21: Prozentualer Wärmebedarf zur Aufrechterhaltung mesophiler bzw. thermophiler Prozesstemperaturen in Abhängigkeit der Temperaturdifferenzen zwischen gewünschter Fermentersubstrattemperatur und zugeführten Prozesswässern bzw. rückgeführten Substrate

12 12 Abbildung 4-22: Typischer Wochenverlauf der Biogasproduktion einer quasi-kontinuierlich betriebenen Trockenvergärungsanlage (Frischen und Vielhaber, 2009) Abbildung 4-23: Schematische Einbindung der Vakuum-Siede-Extraktion in ein Gesamtverfahren (Bahr, 2010) Abbildung 4-24: Grundschema des ursprünglich projektierten Verfahrensablaufs der Vakuum Siede- Behandlung Abbildung 4-25: Aufbau eines Reaktors zur intermediären Belüftung (Thiel, 2013) Abbildung 4-26: Elektrischer Wirkungsgrad verschiedener BHKW-Module Abbildung 4-27: Thermischer Wirkungsgrad verschiedener BHKW-Module Abbildung 4-28: Entwicklung der Wirkungsgrade von Biogas-BHKW (Schnatmann, 2011) Abbildung 4-29: Elektrischer Wirkungsgrad in Abhängigkeit der BHKW-Auslastung von BHKW (exemplarische Darstellung) Abbildung 4-30: Thermischer Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Auslastung von BHKW (exemplarische Darstellung) Abbildung 4-31: Ökologische Bewertung von Konzepten zur Biogasnutzung (Knappe et al., 2012). 171 Abbildung 4-32: Überschusswasser bei der Vergärung von Bio- und Grünabfällen differenziert nach Verfahrens- und Prozessarten Abbildung 4-33: Schematische Darstellung der Problembereiche im Wassermanagement bei Bio- und Grünabfallverwertungsanlagen mit integrierter Vergärungsstufe Abbildung 4-34: Hemmwirkungen von Stickstoffverbindungen auf den anaeroben Abbauprozess (Dichtl, 1998) Abbildung 4-35: Aufbau zur zerstörungsfreien Strommessung mit Hilfe einer Rogowski-Klemme (PEM, 2012) Abbildung 4-36: Schematische Darstellung des Aufbaus der Messdatenerfassung und verarbeitung Abbildung 4-37: Durchschnittliche, prozentuale Verteilung des Elektroenergiebedarfes der betrachteten Kläranlagen nach Einführung der Co-Vergärung Abbildung 4-38: Verallgemeinerte prozentuale Verteilung des Elektroenergiebedarfes einer Kläranlage mit anaerober Schlammstabilisierung (UBA, 2009) Abbildung 4-39: Mittelwerte ausgewählter Kriterien im Kläranlagenbetrieb mit Co-Vergärung bei einem durchschnittlichen Einwohnergleichwert von Abbildung 4-40: Durchschnittliche Transportentfernung verschiedener Anlagen Abbildung 4-41: Zusammenhang zwischen der installierten Feuerungswärmeleistung und der durchschnittlichen Transportentfernung Abbildung 4-42: Installierte elektrische Leistung bezogen auf den Jahresnutzungsgrad Abbildung 4-43: Installierte Feuerungswärmeleistung bezogen auf den Jahresnutzungsgrad Abbildung 4-44: Auswertung der Befragung hinsichtlich des Jahresnutzungsgrad (Strom) Abbildung 4-45: Auswertung der Befragung hinsichtlich des Jahresnutzungsgrad (Wärme) Abbildung 4-46: Auswertung der Befragung hinsichtlich des Jahresnutzungsgrad Abbildung 4-47: Erzeugte Energiemenge (Strom) pro Mitarbeiter Abbildung 4-48: Erzeugte Energiemenge pro Mitarbeiter Abbildung 4-49: Erreichung der theoretisch maximalen Energieerzeugung Abbildung 4-50: Interner Transportaufwand

13 Abbildung 4-51: Bewertung der Brennstoffverfügbarkeit durch die Anlagenbetreiber Abbildung 4-52: Zusammenhang zwischen der Bewertung der Brennstoffverfügbarkeit und dem erreichten Jahresnutzungsgrad Abbildung 4-53: Bewertung der Brennstoffqualität durch die Anlagenbetreiber Abbildung 4-54: Zusammenhang zwischen der Bewertung der Brennstoffqualität und dem erreichten Jahresnutzungsgrad Abbildung 4-55: Zusammenhang zwischen dem Abstand zur Wohnbebauung und den erreichten Jahresnutzungsgraden Abbildung 4-56: Schematische Einteilung von Heiz(kraft)werken in verschiedene Aufgabenbereiche Abbildung 4-57: Zusammensetzung des Energiebedarfs einzelner Anlagen in verschiedenen Bereichen Abbildung 4-58: Zusammensetzung des Energiebedarfs einzelner Anlagen in verschiedenen Bereichen Abbildung 4-59: Stickstoffgehalt der ausgewählten Versuchsbrennstoffe Abbildung 4-60: Chlorgehalt der ausgewählten Versuchsbrennstoffe Abbildung 4-61: Schwefelgehalt der ausgewählten Versuchsbrennstoffe Abbildung 4-62: Heizwert der ausgewählten Versuchsbrennstoffe Abbildung 4-63: Feuchte der ausgewählten Versuchsbrennstoffe Abbildung 4-64: Aschegehalt der ausgewählten Versuchsbrennstoffe Abbildung 4-65: Stickoxidemissionen bei den durchgeführten Verbrennungsversuchen Abbildung 4-66: Emissionen von Schwefeloxiden bei den durchgeführten Verbrennungsversuchen. 220 Abbildung 4-67: Chlorwasserstoff-Emissionen bei den durchgeführten Verbrennungsversuchen Abbildung 4-68: Staubkonzentration bei den durchgeführten Verbrennungsversuchen Abbildung 4-69: Kohlenmonoxid-Emissionen bei den durchgeführten Verbrennungsversuchen Abbildung 4-70: Glühverluste der Verbrennungsrückstände bei den durchgeführten Verbrennungsversuchen Abbildung 4-71: Abluftreinigung mittels Biofilter und gemeinsamer Abluftbehandlung (Desplantes 2010) Abbildung 4-72: Täglicher Energiebedarf einer Abluftreinigung gemäß Abbildung Abbildung 4-73: Spezifischer Energiebedarf zur Behandlung von je 1000 Nm 3 Abluft: Einfluss von Druckverlust und Förderwirkungsgraden Abbildung 4-74: Abluftreinigung mittels Biofilter und getrennter Abluftbehandlung (Desplantes 2010) Abbildung 4-75: Vergleich des spezifischen Energiebedarfs für getrennte und gemeinsame Abluftbehandlung (Desplantes, 2010) Abbildung 4-76: Temperaturniveau von Wärmequellen und Wärmesenken bei industriellen Wärmepumpen (Heidelck o.j.) Abbildung 4-77: Leistungszahl in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz, 0,5 ε c bezogen auf T 0 = 273 K (0 C) (Heidelck o.j.) Abbildung 4-78: Wirkprinzipien von (links) Kompressionswärmepumpe und (rechts) Absorptionswärmepumpe (Adam o.j.) Abbildung 4-79: 9x9 Paarvergleichsmatrix (leer)

14 14 Abbildung 4-80: Ausgefüllte Paarvergleichsmatrix gemäß Beispiel

15 15 Tabellenverzeichnis Tabelle 2-1: Organische Abfallmengen nach Siedlungsstrukturen im Landkreis Neustadt / Aisch (Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, 2002) Tabelle 2-2: Substrattabelle biogener Reststoffe (FNR 2005, Simon et al. 2008, Reichenberger et al. 2008, Hartmann 2006) Tabelle 2-3: Genutzte Eigenschaften und Aggregate zur mechanischen Aufbereitung von Abfallgemischen vor der Vergärung Tabelle 2-4: Vor- und Nachteile trockener und nasser Vergärungsverfahren Tabelle 2-5: Vor- und Nachteile diskontinuierlicher und kontinuierlicher Vergärungsverfahren Tabelle 2-6: Milieuanforderungen bei der Vergärung biogener Roh- und Reststoffe (Weiland 2001) Tabelle 2-7: Gegenüberstellung von Konzentrationen ausgewählter Nährstoffe in kg/mg Frischmasse Bioabfall bzw. Kompost Tabelle 2-8: Humusreproduktionsleistung verschiedener organischer Reststoffe (Witzenhausen- Institut, 2010) Tabelle 2-9: Typischer Verlauf der Massereduzierung bei der Kompost- und Humusbildung (EPEA Internationale Umweltforschung GmbH, 2008) Tabelle 2-10: Wertgebende Bestandteile in Bio- und Grünabfällen (Witzenhausen-Institut, 2010) Tabelle 2-11:Flächenbedarf für Kompostierungsanlagen entsprechend der Betriebsform (Amt für Gewässerschutz und Abfallwirtschaft des Kantons Bern, 2006) Tabelle 2-12: Emissionen von Ammoniak, Lachgas und Methan in Gramm pro Mg Abfall bei der Kompostierung in Abhängigkeit der Anlagenform (Werte nach Witzenhausen-Institut, 2010) Tabelle 2-13: Kategorien für die Hygienisierung von tierischen Nebenprodukten und für Vergärungsanlagen relevante Behandlungsoptionen (DWA, 2009) Tabelle 2-14: Verarbeitungsmethoden nach Verordnung (EG) Nr. 1774/2002: Kapitel III (DWA, 2009) Tabelle 2-15: Kennwerte einer anaeroben Stabilisierungsanlage für Klärschlamm (MUNLV, 2001). 65 Tabelle 2-16: Maximale Biogasausbeuten bei vollständigem Abbau der organischen Inhaltsstoffe (MUNLV, 2001) Tabelle 2-17: Relevante Fälle der Co-Vergärung und die rechtliche Einordnung des Gärrückstandes bei stofflicher Verwertung (DWA, 2009) Tabelle 2-18: Zulässige Höchstgrenzwerte für Schwermetallbelastungen biologischer Abfälle (MUNLV, 2001) Tabelle 2-19: Matrix von Wechselwirkungen verschiedener Faktoren beim Betrieb von kommunalen Kläranlagen (+: positiv; o: neutral; -:negativ) (HABERKERN u. a., 2008) Tabelle 2-20: Emissions- und Grenzwerte in Kompostierungs- und Vergärungsanlagen (Desplantes, 2010) Tabelle 2-21: PESTEL-Analyse (nach Zingel, 2009) Tabelle 3-1: Schwerpunkte der Prozesskettenanalyse Tabelle 4-1: Mit Grün- und Bioabfällen vergorene Abfallströme Tabelle 4-2: Status quo Behandlungsanlagen für die Bio- und Grünabfallverwertung (Stand 2012) sowie für die mechanisch-biologische Restabfallbehandlung (Stand 2011) Tabelle 4-3: Prognose über zusätzlich vergär- und kompostierbare Bio- und Grünabfälle aus den schon erfassten Mengen

16 16 Tabelle 4-4: Ermittlung der zusätzlich abschöpfbaren Mengen an Bioabfällen bei flächendeckender Implementierung des Systems Biotonne Berechnungsansatz: Ermittlung über das Bioabfallpotenzial und Annahmen realisierbarer Erfassungsquoten Tabelle 4-5: Ermittlung der zusätzlich abschöpfbaren Bioabfallmengen bei flächendeckender Implementierung des Systems Biotonne Berechnungsansatz über Anzahl nicht angeschlossener Bürger Tabelle 4-6: Ermittlung der des Potenzials zusätzlich Vergärbarer Restabfallmengen Tabelle 4-7: Prognose der Gesamtmenge an zusätzlich vergärbarer Bio- und Grünabfällen Tabelle 4-8: Vergärungsanlagen zur Verwertung von Bio- und Grünabfällen in Deutschland - Stand Tabelle 4-9: In Bau befindliche Vergärungsanlagen zur Verwertung von Bio- und Grünabfällen Deutschland - Stand Tabelle 4-10: Stillgelegte Vergärungsanlagen zur Verwertung von Bio- und Grünabfällen Deutschland - Stand Tabelle 4-11: In Betriebnahmezeitpunkte der Vergärungsanlagen für Bio- und Grünabfälle, differenziert nach Art der Verfahrens- bzw. Betriebsweise Stand ß Tabelle 4-12: Spezifische durchschnittliche Methangehalte der verschiedenen Prozess- und Verfahrenstechniken bei der Vergärung von Bio- und Grünabfällen - bezogen auf Fermenter-Input 134 Tabelle 4-13: Gegenüberstellung von Stromerzeugung und Strombedarf sowie erzielbare Netto- Stromausbeuten der verschiedenen Prozess- und Verfahrenstechniken bei der Vergärung von Bio- und Grünabfällen - bezogen auf Fermenter-Input Tabelle 4-14: Gegenüberstellung von Stromerzeugung und Strombedarf sowie erzielbare Netto- Stromausbeuten der verschiedenen Prozess- und Verfahrenstechniken bei der Vergärung von Bio- und Grünabfällen - bezogen auf Anlagen-Input Tabelle 4-15: Gegenüberstellung der Netto-Strom- und Netto-Wärmeausbeute von kontinuierlichen und diskontinuierlichen Trockenverfahren (UBA, 2010) Tabelle 4-16: Anteil des Strom- und Dieselbedarfs (umgerechnet in Elektrizität) an der erzeugten Strommenge Tabelle 4-17: Gegenüberstellung von Wärmeerzeugung und Wärmebedarf sowie erzielbare Netto- Wärmeausbeuten der nassen und trockenen Vergärung von Bio- und Grünabfällen, differenziert nach mesophiler und thermophiler Betriebsweise bezogen auf Fermenter-Input Tabelle 4-18: Gegenüberstellung von Wärmeerzeugung und Wärmebedarf sowie erzielbare Netto- Wärmeausbeuten der nassen und trockenen Vergärung von Bio- und Grünabfällen, differenziert nach mesophiler und thermophiler Betriebsweise bezogen auf Anlagen-Input Tabelle 4-19: Anteil des Wärmebedarf an der erzeugten Wärmemenge Tabelle 4-20: Gewählte Parameter zur Berechnung des Wärmebedarfs von Nassvergärungsverfahren Tabelle 4-21: Gegenüberstellung von Energieerzeugung, Eigenbedarf, Verluste in BHKW und Netto- Energieausbeute bezogen auf Fermenter-Input Tabelle 4-22: Gegenüberstellung von Energieerzeugung, Eigenbedarf, Verluste in BHKW und Netto- Energieausbeute bezogen auf Anlagen-Input Tabelle 4-23: Zusammenstellung Energiedaten Vergärung von Bio- und Grünabfällen in Deutschland Ist-Situation Stand Tabelle 4-24: Desintegrationsverfahren für Abfälle und Schlämme (nach Bahr, 2010) Tabelle Art der Biogasverwertung und Wärmenutzung Tabelle 4-26: Übersicht über Biogasaufbereitungsverfahren (Knappe et al. 2012)

17 Tabelle 4-27: Energiebedarf der Biogasaufbereitung bei unterschiedlichen Methangehalten im Roh- Biogas (Thiel, 2013) Tabelle 4-28: Beispielhafte Aufstellung der Verwertungs- und Entsorgungswege für Überschusswasser verschiedener Bioabfallvergärungsanlagen (ergänzt nach Fricke et al. 2004) Tabelle 4-29: Vergleichende Abschätzung des Strombedarfs einer Entwässerungsstufe bei einer nassen und kontinuierlichen trockenen Vergärungsanlage mit einem Jahresdurchsatz von Mg Tabelle 4-30: Mineralstoffanteil ausgewählter Bioabfälle differenziert nach Korngrößen (Kranert et al., 2002) Tabelle 4-31: Störstoffanteil im Bioabfall und Zusammensetzung der Störstoffe bezogen 100% (Fricke et al., 2003) Tabelle 4-32: Stickstoff-Gehalte im Prozesswasser bei der Bio- und Grünabfallverwertung und MBA mit und ohne Vergärung (nach Fricke et al., 2009) Tabelle 4-33: Korrosive Wirkkomponenten Tabelle 4-34: Korrosive Effekte und Wirkungen MIC Tabelle 4-35: Organische Belastungen im Prozesswasser bei Bioabfall- und Restabfallbehandlungsanlagen mit und ohne Vergärung (Fricke et al., 2009) Tabelle 4-36: Abluftqualität (Rohluft) am Beispiel einer MBA (Tafelniete) mit integrierter Anaerobstufe (Fricke et al., 2009) Tabelle 4-37: Gegenüberstellung von geometrischen (bzgl. Mietenform) und baulichen (bzgl. Anlagenkomponenten) Randbedingungen entsprechend HBPS mit den lt. Befragung überwiegend vorhandenen Anlagenbestandteilen bei den 4 statistisch auswertbaren Baumusterklassen Tabelle 4-38: Gegenüberstellung und Bewertung relevanter Vergleichskriterien der 4 statistisch auswertbaren Baumusterklassen Tabelle 4-39: Übersicht über die ausgewählten Versuchsbrennstoffe Tabelle 4-40: Teilnutzenwerte Verfahren A - Nassvergärung Tabelle 4-41: Teilnutzenwerte Verfahren B Trockenvergärung, kontinuierlich Tabelle 4-42: Teilnutzenwerte Verfahren C Trockenvergärung, diskontinuierlich Tabelle 4-43: Stärke-Schwächen, Chancen-Risiken Katalog Tabelle 4-44: SW - Stärken-Schwächen-Katalog Kompostierung Tabelle 4-45: OT - Chancen-Risiken-Katalog Kompostierung Tabelle 4-46: SW - Stärken-Schwächen-Katalog Co-Vergärung Tabelle 4-47: OT - Chancen-Risiken-Katalog Co-Vergärung Tabelle 4-48: Stärken-Schwächen-Katalog Tabelle 4-49: Chancen-Risiken-Katalog Tabelle 5-1: Verwendete Optimierungsansätze bei der Vergärung von Bio- und Grünabfällen Angaben bezogen auf den Anlageninput Tabelle 5-2: Gegenüberstellung von Energieerzeugung, Eigenbedarf, Verluste in BHKW und Netto- Energieausbeute bezogen auf Anlagen-Input bei Greifen der Optimierungsansätze Tabelle 5-3: Bewertung betrieblicher Aspekte bei der Vergärung von Bio- und Grünabfällen differenziert nach den unterschiedlichen Verfahrens- und Prozesstypen Tabelle 5-4: Gegenüberstellung der Leistung der Vergärung von Bio- und Grünabfällen - Status quo 2013 incl in Bau befindlichen Anlagen und bei greifen der Optimierungsansätze

18 18 Tabelle 5-5: Energieausbeute bei zusätzlicher Vergärung derzeitig schon erfassten aber kompostierten Bio- und Grünabfälle Tabelle 5-6: Energieausbeute bei flächendeckender Implementierung des Systems Biotonne Tabelle 5-7: Gesamtpotenzial zusätzlich erschließbarer Energien (Nettoausbeute) durch die Vergärung von Bio- und Grünabfällen

19 19 Abkürzungen AbfKlärV Afex BBodSchV BF BGK BHKW BimSchV BioAbfV BM BMHKW B R BSB 5 C/N-Verhältnis COP CRC CSB DEA DüMV DüV DVWK DWW EEG EFF EGW El EVU EW Fe FM FuE GE GIS GV GV KS HBPS HCl HKW Klärschlammverordnung Ammonia Fibre Expansion Bundes - Bodenschutz- und Altlastenverordnung Biofilter Bundesgütegemeinschaft Kompost Blockheizkraftwerk Bundes Immissions Schutz Gesetz Bioabfallverordnung Baumuster Biomasseheizkraftwerk maximale zulässige Raumbelastung des Faulturms biologischer Sauerstoffbedarf in 5 Tagen Kohlenstoff-Stickstoff- Coefficient of Performance (Leistungszahl) Clausius-Rankine-Cycle chemischer Sauerstoffbedarf Diethanolamin-Wäsche Düngemittelverordnung Düngemittelverordnung Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.v. Druckwasserwäsche Erneuerbare Energien Gesetz europäische Effizienzklassen Einwohnergleichwerten Elektrisch Energieversorgungsunternehmen Einwohnerwert Eisen Frischmasse Forschung und Entwicklung Geruchseinheit Geoinformationssysteme Glühverlust Glühverlust Rohschlamm Hygiene-Baumusterprüfsystem Chlorwasserstoff Heizkraftwerk

20 20 HRT HW KEA KrWG kw kwh KWK m/s MBA MBS MCFC-Brennstoffzelle MEA MPS MUNLV MVA MW MWel NaWaRo Ne Nm³ o.g. ORC öre ots ots Pa bio PCDD/F PEMFC- Brennstoffzelle PESTEL-Analyse P ges PSA RAL RASH s.o. SCR SNCR SWOT Hydraulic retention time (Hydraulische Verweilzeit) Heizwerk Kumulativer Energieaufwand Kreislaufwirtschaftsgesetz Kilowatt Kilowattstunde Kraft-Wärme-Kopplung Meter pro Sekunde Mechanisch-biologische Abfallbehandlungsanlage mechanisch-biologische Stabilisierung Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle Monoethanolamin-Wäsche Mechanisch-physikalische Stabilisierung Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz Müllverbrennungsanlage Megawatt elektrische Leistung (MW) Nachwachsende Rohstoffe Nicht-Eisen Metalle Normkubikmeter oben genannt Organic Rankine Cycle öffentlich-rechtliche Entsorgungsträger organische Trockensubstanz biolgisch abbbaubare Organische Trockensubstanz Pascal Polychlorierte Dibenzodioxine bzw. Furane Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle Political, Economic, Social, Technical, Ecological, Legal Gesamtphosphat Pressure Swing Adsorption (Druckwechsel-Adsorbtion) Deutsches Institut für Gütesicherung und Kennzeichnung e.v. Rapid-Steam-Hydrolysis siehe oben Selektive katalytische Reduzierung Selektive nicht-katalytische Reduzierung Strength Weaknesses Opportunities Threats

21 21 TA-Luft t atro TierNebV TM TOC TR CO TR KS TS UASB-Prinzip V V F Vol-.% VZÄ Technische Anleitung Luft Tonne Trockenmasse Tierische Nebenprodukte Beseitigungsverordnung Trockenmasse Total Organic Carbon Trockenrückstand im Co-Substart Trockenrückstand im Rohschlamm Trockensubstanz Upflow anaerobic sludge blanket Volt Faulturmvolumen Volumenprozent Vollzeitäquivalent

22 22 1 Einleitung Die effektive Nutzung der in Rest- und Abfallstoffen enthaltenen Wertstoffe leistet einen wichtigen Beitrag zur Schonung von Ressourcen und zum Klimaschutz. Hierzu gehören auch Biomasseprodukte, die als Nebenprodukt, Reststoff oder Abfall/Abwasser in unterschiedlichen Wirtschaftsbereichen neben dem eigentlichen Produkt entstehen. Hierbei überspringt die aktuell geführte Diskussion zur Optimierung der biologischen Abfallbehandlung festgefahrene Denkkategorien. Bei der Suche nach dem optimalen Weg zur Verwertung biogener Reststoffe geht es längst nicht mehr um eine Abwägung der infrage kommenden Technologien, also Vergärung, Kompostierung oder thermische Verwertung, sondern um deren Integration in ganzheitliche Betrachtungsweisen eines organischen Stoffstrommanagements (UBA, 2010). Wendenburg und Bergs (2008) sprechen in diesem Zusammenhang von Reststoff-Biomassen und weisen darauf hin, dass diese hinsichtlich des Treibhausverminderungspotenzials in der Gesamtökobilanz besser abschneiden als solche Materialien, welche eigens zum Zweck der energetischen Nutzung angebaut werden wie beispielsweise nachwachsende Rohstoffe. Um eine nachhaltige Ressourcenbewirtschaftung zu gewährleisten, muss jedoch das gesamte darin enthaltende Potenzial zur energetischen wie auch stofflichen Verwertung genutzt werden. Neben einer technischen Nutzung von zugänglichen Energiepotenzialen sind hierbei relevante Mengen organischer und mineralischer Düngemittel und Bodenverbesserer zu nennen, durch deren Nutzung über die Substitution mineralischer Dünger und Nährstoffe wiederum Energie und Rohstoffe aus fossilen Ressourcen eingespart werden können. Die ökonomische Vorteilhaftigkeit und ökologische Wirksamkeit werden maßgeblich durch die Effizienz der zum Einsatz kommenden Systeme und technischen Verfahren beeinflusst. Potenzial- und Stoffstromanalysen mit entsprechenden Lösungsansätzen zur Optimierung der Verfügbarkeit biogener Reststoffe zur energetischen und stofflichen Nutzung liegen in großem Umfang vor, ebenso wie auf hypothetischer Grundlage erstellte Optimierungsszenarien zur grundsätzlichen Abschätzung der Potenziale aktueller und künftiger Verwertungstechnologien. Hierbei zeigen die getroffenen Annahmen Entwicklungskorridore für technologische Lösungen auf, errechnen die angegebenen Zielgrößen jedoch auf Basis theoretischer, überschlägiger, zum Teil grober Abschätzungen. Die resultierenden Angaben sind zur Umsetzung konkreter Optimierungsmaßnahmen auf spezifischen Anlagen nur bedingt geeignet, da bestehende Probleme und Lösungsansätze nur sehr allgemein benannt werden können. Um die Effizienz einzelner Technologien, Verfahrensweisen oder auch einzelner Anlagen bewerten und hieraus Optimierungspotenziale ableiten zu können, bedarf es jedoch eines vergleichenden Ansatzes und einer Datenmatrix, die es ermöglichen auch Anlagen unterschiedlicher Bauart und Verfahren zu vergleichen. Diesen Ansatz zu entwickeln und die notwendige Datenbasis zu schaffen ist Ziel der vorliegenden Studie. Zu diesem Zweck haben die beteiligten Forschungseinrichtungen umfangreiche Erhebungen zu technischen Daten von Verwertungsanlagen durchgeführt, ergänzt durch Untersuchungen zu internen wie externen Einflussfaktoren nichttechnischer Art. Weiterhin wurden Recherchen zum Aufkommen verschiedener Substrate und deren Eignung für unterschiedliche Verwertungswege durchgeführt, um hieraus Optimierungspotenziale im Bereich der Erfassung wie auch des Stoffstrommanagements aufzuzeigen und zu quantifizieren. Ergänzt werden diese Recherchen durch die Ergebnisse von Verbrennungsversuchen, welche das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT (UMSICHT) im Rahmen dieser Studie durchgeführt hat. Die Datenerhebung wurde anhand der untersuchten Technologien in vier Teilbereiche untergliedert, welche jeweils von einem der beteiligten Institute untersucht wurden. Diese Bereiche sind: Vergärung, untersucht durch die Abteilung für Abfall- und Ressourcenwirtschaft des Leichtweiß-Institutes der Technischen Universität Braunschweig (TUBS) Kompostierung, untersucht durch die Bauhausuniversität Weimar (BUW) Co-Vergärung, untersucht durch BUW Thermische Verwertung, untersucht durch UMSICHT

23 Des Weiteren führt das Institut für chemische und thermische Verfahrenstechnik Untersuchungen zur Energieeffizienz der Abluftreinigung bei der Verwertung biogener Reststoffe durch. Unterstützung erfuhren die Projektbeteiligten im Bereich Stärken- und Schwächenanalyse durch das Center for Performance Management UG. 23

24 24 2 Grundlagen 2.1 Substrate Im Zuge der Projektbearbeitung wurden viele Daten zu diversen Abfallsubstraten zusammengetragen, welche teilweise für die technologiespezifischen Betrachtungen von Bedeutung waren, aber auch für die spätere Betrachtung von Technologiekombinationen. Daneben wurden jedoch auch Daten gesammelt, welche nicht weiter in der Projektarbeit verwendet wurden, da sie bei näherer Betrachtung nicht relevant waren. Insgesamt wurde so ein reicher Fundus an Substratdaten zusammengestellt, welcher ein Teilergebnis der Projektarbeit darstellt. Um dieses Ergebnis für weitere Forschungsarbeiten zugänglich zu machen, wurden alle Daten in einer gemeinsamen Tabelle zusammengestellt. Der Tabellenaufbau erfolgte entsprechend der Liste zulässiger Ausgangsstoffe der Bundesgütegemeinschaft Kompost e. V. für die Herstellung gütegesicherter Komposte und Gärprodukte, welche sich an den Güte- und Prüfbestimmungen der RAL-GZ 251 und der RAL-GZ 245 orientiert (Bundesgütegemeinschaft Kompost e.v., 2012). Als weiterer strukturgebender Hintergrund wurden die zulässigen Ausgangsstoffe für die Aufbereitung von Düngemitteln, Bodenhilfsstoffen, Kultursubstraten und Pflanzenhilfsmitteln der Düngemittelverordnung herangezogen (DüMV, Tabellen 11 und 12 der Anlage 2) sowie Substratlisten der Bioabfallverordnung (BioAbfV) und der Tierische Nebenprodukte- Beseitigungsverordnung (TierNebV). Die Tabelle beinhaltet im Einzelnen Informationen über Abfallstoffe aus den folgenden Bereichen: Privathaushalte und Gewerbe (Kategorie A) Rückstände aus der Lebens-, Genuss- und Futtermittelherstellung oder -verarbeitung (Kategorie B) Rückstände aus der betriebseigenen Abwasserbehandlung der Lebens-, Genuss- und Futtermittelproduktion (Kategorie C) Wirtschaftsdünger tierischer und pflanzlicher Herkunft (Kategorie D) Rückstände aus der Verarbeitung landwirtschaftlicher Rohstoffe (Kategorie E) Rückstände aus technischen Prozessen (Kategorie F) Rückstände aus der Forstwirtschaft und Holzverarbeitung (Kategorie G) Sonstige pflanzliche Materialen (Kategorie H) Sonstige Rückstände mit tierischen Anteilen (Kategorie I) Mineralische Stoffe (Kategorie J) Erntegut aus der Landwirtschaft (ehemalige Kategorie K) Aufbereitungs- und Anwendungshilfsmittel (Kategorie L). Die folgenden Substrateigenschaften wurden jeweils als Minimum-, Mittel- und Maximalwert zusammengetragen, sofern sie verfügbar waren: Trockensubstanz (TS) organische Trockensubstanz (ots) Schüttdichte Gesamtstickstoff (N GES ) Phosphat (P2O 5 ) Kalium (K O) 2 Biogaspotenzial pro Mg ots Methangehalt im Biogas.

25 Die Datensammlung enthält zusätzlich Angaben zu möglichen Nutzungsschienen der Substrate. Dabei sind die Nutzungen Kompostierung, Vergärung, Co-Vergärung und Verbrennung unter Nennung der jeweils relevanten rechtlichen Verordnungen berücksichtigt. Zur Nachvollziehbarkeit der zusammengetragenen Daten wurden die entsprechenden Quellenangaben in numerischer Struktur in die Sammlung eingearbeitet. Es gibt sowohl jeweils übergreifende Quellen, bei denen mehrere Angaben aus einer Quelle stammen, als auch spezifische Angaben, bei denen einzelne Substratwerte aus verschiedenen Quellen stammen Aufkommen verschiedener biogener Reststoffe Die getrennte Erfassung vom Bio- und Grünabfällen hat in Deutschland ein hohes Niveau erreicht. Allerdings ist der Anteil der daraus gewonnenen Energie noch vergleichsweise gering, die Biomasse wird überwiegend über den Weg der Kompostierung verwertet. Nach Angaben des Statistischen Bundesamtes wurden im Jahr ,73 Mio. Mg Bio- und Grünabfälle erfasst (Destatis 2012). Die erfassten Bio- und Grünabfälle werden in ca. 990 Kompostanlagen und 63 Vergärungsanlagen (Stand 4/2012) verarbeitet. Bei den 63 Vergärungsanlagen handelt es sich ausschließlich um Anlagen, die überwiegend Bioabfälle verarbeiten, die über die Biotonne erfasst werden. Die organischen Abfälle aus urbanen Räumen (Siedlungsabfälle) haben in Deutschland ein weitaus größeres Volumen als alle übrigen organischen Abfälle aus der Land- und Forstwirtschaft und der Fischerei zusammen (s. Abbildung 2-1). Die Mengen getrennt gesammelter biologischer Abfälle in Deutschland entsprachen in den Jahren 2006/2007 in etwa der Hälfte des existierenden Gesamtpotenzials (Barth u. a., 2008). Insofern bestehen noch Spielräume für eine Steigerung der getrennten Erfassung. Abbildung 2-1: Organisches Abfallaufkommen in Deutschland für das Jahr 2006 (Witzenhausen- Institut, 2010) Die Siedlungsstruktur beeinflusst die Menge und die Qualität der gesammelten Bioabfälle in Deutschland entscheidend. Während im Innenstadt- und Mehrfamilienhausbereich unabhängig des anfallenden spezifischen Bioabfallvolumens ein relativ hoher Fremdstoffanteil zu erwarten ist, herrscht im ländlichen Bereich ein umgekehrtes Verhältnis vor (Witzenhausen-Institut, 2010). Aufgrund des dezentralen Charakters der Abfallentsorgung mit einem relativ geringen Anschlussgrad

26 26 der Haushalte an die Biotonne wird oft eine Vor-Ort-Kompostierung im Hinterhof praktiziert, welche durch eine für ihre Zwecke etwas günstigere organische Abfallzusammensetzung als in Stadtgebieten noch zusätzlich gefördert werden kann (siehe Tabelle 2-1). Die tatsächlich vorhandene Bioabfallmenge kann dadurch regional deutlich über den statistisch erfassten Mengen liegen. Tabelle 2-1: Organische Abfallmengen nach Siedlungsstrukturen im Landkreis Neustadt / Aisch (Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, 2002) Verwertbare organische Fraktionen Urbane Struktur (kg/e u.a) Land Stadt Innenstadt Küchenabfälle 15,50 13,86 12,28 Gartenabfälle 2,33 0,63 0,87 Sonst. Organik 0,28 0,15 0,04 In Tabelle 2-2 ist eine Auswahl an Substraten dargestellt, die hinsichtlich ihrer physikalischchemischen Beschaffenheit sowie in Bezug auf ihre Potenziale für eine thermische Verwertung besonders geeignet sind. Tabelle 2-2: Substrattabelle biogener Reststoffe (FNR 2005, Simon et al. 2008, Reichenberger et al. 2008, Hartmann 2006) Abfallbezeichnung gemäß AVV Stoffeigenschaften Nr. Bezeichnung TS (%) ots von TS (%) Abfallschlüssel Schüttdichte (kg/m³) unterer Heizwert Hu (MJ/kg) Waldrestholz 80,0-88,0 99,0-99, ,4-18, Schwachholz 80,0-88,0 99,0-99, ,4-18,8 4 Landschaftspflegeholz 80,0-88,1 99,0-99, ,4-18, Rinde 60,0-85, , ,2 6 Industrierestholz 76,8 99, ,4-18, Sägerestholz 99, ,4-18,8 8 unbehandeltes Altholz 85,0 91, behandeltes Altholz 85,0 91, Stroh 60,0-90,0 93,8-95, ,1-17,5 11 Landschaftspflegeheu 30,0-55,0 94,3 17, Abfall- und Mindergetreide 84,0-91,0 97,3-97, , Mühlennebenprodukte 90,0 93,3-93, ,4-17, Gärreste 87,0 90, Gleichzeitig zu den verfügbaren Heizwertpotenzialen bei Grünabfällen sind auch ihre natürlichen saisonbedingten Mengenschwankungen zu beachten (Abbildung 2-2). Anders verhält es sich mit Substraten aus Küchen und Haushalten ihre Monatsmengen sind im ganzen Jahr relativ konstant.

27 27 Abbildung 2-2: Jahresverteilung ausgewählter organischer Substratarten Die im novellierten Kreislaufwirtschaftsgesetz (Anonym 2012) geforderte Recyclingquote von 65% und die Pflicht zur getrennten Sammlung der Bioabfälle ab Januar 2015 wird eine Schlüsselfunktion hinsichtlich des Ausbaus der Bioabfallverwertung einnehmen. Im Bericht wird folgende Definition für Bio- und Grünabfälle verwendet. Bioabfälle: Über die Biotonne erfasste Küchenabfälle bei anteiliger Miterfassung von Gartenabfällen (Abfallschlüssel Abfälle aus der Biotonne ). Grünabfälle: Über separate Sammelsysteme (Hol- und/oder Bringsysteme) erfasste Gartenabfälle und Strauchschnitt (ohne Vermischung mit nassen Küchenabfällen) (Abfallschlüssel Biologisch abbaubare Abfälle aus Garten- und Parkabfällen ). Diese Definition weicht damit von der EU-Abfallrahmenrichtlinie aus dem November 2008 (Art. 2 Nr. 4) ab, nachdem Bioabfälle die Gesamtheit der biologisch abbaubaren Garten- und Parkabfälle, Nahrungs- und Küchenabfälle aus Haushalten, aus dem Gaststätten- und Cateringgewerbe und aus dem Einzelhandel sowie vergleichbare Abfälle aus Nahrungsmittelverarbeitungsbetrieben umfassen Verwertungswege biogener Reststoffe Biogene Reststoffe sind, je nach ihrer stofflichen Zusammensetzung für einen einzelnen oder mehrere Verwertungswege prädestiniert. In der folgenden Betrachtung wird zuerst auf die biologische Verwertung fokussiert, welche die Kompostierung, die Vergärung und die Co-Vergärung einschließt. Im zweiten Teil der Betrachtung wird auf die thermische Verwertung eingegangen, welche Verbrennung und Pyrolyse umfasst Biologische Verwertungswege Die biologische Abfallverwertung wird grundsätzlich in Kompostierung (aerob) und Vergärung (anaerob) unterschieden. Allerdings können Gärreste sehr wohl nachträglich kompostiert werden beide Verfahren schließen sich somit nicht gegenseitig aus, sondern können teilweise aufeinander