VDI-Expertenforum: Richtlinie VDI 3925 Blatt 1 Werkzeuge zur Bewertung von Abfallbehandlungsverfahren 03. Dezember 2013 Jugendherberge, Düsseldorf

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1 VDI-Expertenforum: Richtlinie VDI 3925 Blatt 1 Werkzeuge zur Bewertung von Abfallbehandlungsverfahren 03. Dezember 2013 Jugendherberge, Düsseldorf Die Methode der Stoffflussanalyse Wesentliche Begriffe und Prozeduren Anwendungen anhand von Beispielen Bewertung von SFAen mittels Statistischer Entropieanalyse Technische Universität Wien Institut für Wassergüte, Abfallwirtschaft und Ressourcenmanagement VDI-Expertenforum Werkzeuge zur Bewertung von Abfallbehandlungsmethoden

2 Die Stoffflussanalyse im Kontext der VDI 3925 Sozio-Ökoeffizienz-Analyse Kosten-Nutzen-Analyse Ökoeffizienz-Analyse Kosten-Wirksamkeits-Analyse Ökobilanz Stoffflussanalyse Massenbilanz Stoffbilanz CO 2 -Bilanz Energiebilanz Exergiebilanz Kosten Gesellschaft & soziale Aspekte VDI-Expertenforum

3 Worum geht es.. Analyse, Bewertung und Gestaltung von Systemen SFA ist ein Instrument zur Analyse materieller Systeme SFA dient als eine Grundlage für die Bewertung von Systemen SFA unterstützt die Gestaltung von Systemen VDI-Expertenforum

4 Unterstützung für SFA VDI 3925 ÖNORM S 2096 Software STAN ( STAN2WEB VDI-Expertenforum

5 Ablauf einer SFA AUFGABENSTELLUNG wenn notwendig ZIELSETZUNG SYSTEMDEFINITION - Systemgrenzen - Prozesse - Güter - Stoffe - funktionale Einheit - Subsysteme GROBBILANZ - grobe Datenbeschaffung - Grobbilanzierung - Genauigkeit - Sensitivitätsanalyse Iterative Arbeitsschritte, um effektivstes System zu modellieren NEIN Ist das System zur Erreichung des Zieles geeignet? J A BILANZ - Datenbeschaffung - Datenaufbereitung - Bilanzierung - Berechnung der Transferkoeffiziente AUSWERTUNG+INTERPRETATION SCHLUSSFOLGERUNGEN DARSTELLUNG BEWERTUNG METHODEN STEUERUNG SIMUL A TION - Güterfluss orientiert - Definition von Szenarien VDI-Expertenforum Stofffluss orientiert - Bilanzierung von Szenarien 5 - Energie orientiert - Kombinationen davon

6 Klare Definition von Begriffen Stoff Material, das aus identischen Einzelteilen besteht und entweder ein chemisches Element (Einzelteil Atom, zb Stickstoff, Kohlenstoff oder Kupfer) oder eine chemische Verbindung in reiner Form (EinzeIteil Molekül, zb NH 3, CO 2, Kupfersulfat) ist. Papier, Kunststoff sind keine Stoffe sondern Güter (Materialien) Gut Material, das aus einem oder mehreren Stoffen besteht und handelbar ist. VDI-Expertenforum

7 Güterbilanz - Stoffbilanzen 1. Ebene Güter [t/t Abfall] Abfall 1+3 % Adsorbens 0, % Ammoniaklösung 0,003+2 % Wasser 0,56+2 % Verbrennungsluft 4,1+20 % Reingas 4,9+10 % Flugasche 0,26+5 % Schlacke 0,029+1 % Fe-Schrott 0,35+2 % REA Gips 0,004+5 % Neutralisationsschlamm 0, % MVA Stoffebenen (Subebenen) 0,39+3 % Abwasser C Cl Cd [%] 98+0 Reingas [%] Reingas 0, [%] Reingas <0,4 Abfall 100 MVA Flugasche 0,12+6 Schlacke 1,6+6 Fe-Schrott 0,58+12 REA Gips 0,005 Neutralisationsschlamm 0,004+8 Abfall 100 MVA Flugasche 13+5 Schlacke 8+6 Fe-Schrott 0 REA Gips 0, Neutralisationsschlamm 0,31+6 Abfall 100 MVA Flugasche 43+9 Schlacke Fe-Schrott REA Gips 0, Neutralisationsschlamm 5,9+12 0, Abwasser 70+1 <0,01 Abwasser Abwasser VDI-Expertenforum

8 Output Input Output Input Input Wesentliches Element der SFA: Visualisierung Güter und Prozessliste Erzberg Herkunftsprozess Inputgut Zielprozess Massenfluss in Mio t/a Erzberg Erz Inland Stahlproduktion 1,4 Güter und Prozessliste Stahlproduktion Herkunftsprozess Inputgut Zielprozess Massenfluss in Mio t/a Import Erz Stahlproduktion 3,3 Erzberg Erz Stahlproduktion 1,4 Herkunftsprozess Outputgut Zielprozess Massenfluss in Mio t/a Stahlproduktion Stahl Güterproduktion 4,7 Stahlproduktion Produktionsabfälle Deponien Halden <0,1 Güter und Prozessliste Güterproduktion Herkunftsprozess Inputgut Zielprozess Massenfluss in Mio t/a Import Stahl/Produkte Import Güterproduktion 5,3 Import Schrott Import Güterproduktion 0,8 Abfallwirtschaft Schrott Güterproduktion 0,3 Stahlproduktion Stahl Güterproduktion 4,7 Herkunftsprozess Outputgut Zielprozess Massenfluss in Mio t/a Güterproduktion Stahl/Produkte Export Export 7,2 Güter und Prozessliste Konsum Herkunftsprozess Inputgut Zielprozess Massenfluss in Mio t/a Güterproduktion Produkte Konsum 3,8 Herkunftsprozess Outputgut Zielprozess Massenfluss in Mio t/a Konsum Konsumabfälle Abfallwirtschaft 1 Güterproduktion Produkte Konsum 3,8 Stahlproduktion Produktionsabfälle Deponien Halden <0,1 VDI-Expertenforum Güterproduktion Produktionsabfälle Abfallwirtschaft 0,1 Abfallwirtschaft Reststoffe Deponien Halden 0,2 Input Output Lager Input Output Input Güterproduktion Produkte ins Lager Konsum 2,8 Güter und Prozessliste Abfallwirtschaft Herkunftsprozess Inputgut Zielprozess Massenfluss in Mio t/a Güterproduktion Produktionsabfälle Abfallwirtschaft 0,1 Konsum Konsumabfälle Abfallwirtschaft 1 Herkunftsprozess Outputgut Zielprozess Massenfluss in Mio t/a Abfallwirtschaft Schrott Export Export 0,8 Abfallwirtschaft Reststoffe Deponien Halden 0,2 Abfallwirtschaft Schrott Export Güterproduktion 0,3 Güter und Prozessliste Deponien Halden Herkunftsprozess Inputgut Zielprozess Massenfluss in Mio t/a

9 Wesentliches Element der SFA: Visualisierung Σ Import = 9,4 Lager = ,4 Σ Export = 8,0 Import Schrott Import 0,8 Stahl Import 5,3 Eisenflüsse [Mio t/a] Eisenlager [Mio t] Konsum- Erz Stahl- Stahl Güter- Produkte abfälle Konsum 3,3 produk- 4,7 produk- 3,8 1 tion tion 44 +2,8 1,4 Erz 0,3 Schrott Produktionsabfälle Erzberg Produktionsabfälle Deponien <0,1 Halden 100-1,4? +0,2 0,1 Abfallwirtschaft Stahl Export 7,2 0,2 Reststoffe Schrott Export 0,8 Export Systemgrenze Österreich Quelle: Eigene Abschätzung auf Basis von Daxbeck et al VDI-Expertenforum

10 Beispiele auf Prozessebene 1.1 Behandlung von Restmüll in MVA Behandlung von Restmüll in MBA und Zementwerk VDI-Expertenforum

11 Beispiele auf Prozessebene 1.2 : Hg - Bilanz Behandlung von Restmüll in MVA Behandlung von Restmüll in MBA und Zementwerk VDI-Expertenforum

12 Beispiele auf Systemebene Phosphorhaushalt Österreich Egle et al VDI-Expertenforum

13 Beispiele auf Systemebene Phosphorhaushalt Österreich Gesamtimport: t P/a Gesamtexport: t P/a Verbleib im System: t P/a LW Böden: t P/a PHH: t P/a Deponien: t P/a Verluste Gewässer: t P/a über Abwasser: 960 t P/a über Erosion: t P/a Recyclingrate AWS: ~ 50% Substitution LW: ~ 25 % VDI-Expertenforum Rechberger et al. 2013

14 SFA als Tool zur Gestaltung - Phosphorhaushalt Österreich teiloptimiert Gesamtimport: - 35% Gesamtexport: - 10% Verbleib im System: - 68% Änderungen gegenüber IST: Mineraldünger: - 83% Deponien: - 76% IST Recyclingrate AWS: ~ 50% Substitution LW: ~ 25 % OPT. Recyclingrate AWS: ~ 85% Substitution LW: ~ 50 % VDI-Expertenforum

15 Bewertung von Stoffbilanzen 1. Hauptsatz: Massenerhaltungssatz (quantitative Aussage) 2. Hauptsatz: Entropiesatz (qualitative Aussage) VDI-Expertenforum

16 SFA als Basis der Bewertung (quantitativ) Beispiel: Varianten der Klärschlammentsorgung I. Verwertung in der Landwirtschaft (LW) II. Mono-Verbrennung und Deponierung der Aschen III. Mono-Verbrennung und Verwertung der Aschen in der LW IV. Mit-Verbrennung in der Zementindustrie V. Mit-Verbrennung in Kohlekraftwerken VI. Mono-Verbrennung und thermo-chemische Behandlung der Aschen VDI-Expertenforum

17 SFA als Basis der Bewertung: EU-Projekt SUSAN Var. Güter P As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn I II III IV 60 Stoffbilanzen 20 Prozesse 100 Flüsse >1000 Einzeldaten V VI VDI-Expertenforum

18 Variante I: Phosphor VDI-Expertenforum

19 Variante I: Cadmium VDI-Expertenforum

20 Variante IV: Phosphor VDI-Expertenforum

21 Variante VI: Cadmium VDI-Expertenforum

22 SFA als Basis der Bewertung (qualitativ) Konzentrieren vs. verdünnen mg Cd/kg VDI-Expertenforum

23 Statistische Entropieanalyse In the science of descriptive statistics the entropy is a measure to quantify any distribution. k HS = Pi log2(pi ) max 2 i= 1 H = log (k) H rel =H S /Hmax P i P i P i H rel = 1 = Max. H rel = 0 = Min. H rel = 0,85 VDI-Expertenforum

24 Analogie zwischen Müllverbrennen und Würfeln Optimum P i H rel = 0 = Min. Pessimum P i H VDI-Expertenforum rel = 1 = Max.

25 Bewertung von Prozessen/Systemen mittels SEA Behandlung von Restmüll in MVA Behandlung von Restmüll in MBA und Zementwerk H - 24% + 18% VDI-Expertenforum

26 Analyse von Systemen: Beispiel globaler Cu-Haushalt Max. Semi-product Waste Ø Earth crust Production Fabrication, Manufacture Use Waste management Entropy Ore Final product Secondary Ore 0 Pure copper Stage 1 Stage 2 Stage 3 Stage 4 Stage 5 Life cycle of copper 26 Source: Rechberger & Graedel, 2002

27 Soll-Zustand Kreislaufwirtschaft Max. Ø Earth crust Production Fabrication, Manufacture Use Waste management Entropy Circular economy 0 Pure copper Stage 1 Stage 2 Stage 3 Stage 4 Stage 5 Life cycle of copper Source: Rechberger & Graedel,

28 Die Folgen des 2. Hauptsatzes Max. Ø Earth crust Entropy Trend of infinite energy 0 Stage 1 Stage 2 Stage 3 Stage 4 Stage n Time Pure copper 28

29 Der gegenwärtige Trend Max. Ø Earth crust Production Fabrication, Manufacture Use Waste management Entropy 0 Pure copper Stage 1 Stage 2 Stage 3 Stage 4 Stage 5 Life cycle of copper Source: Rechberger & Graedel,

30 Anforderungen an die Gestaltung des Stoffhaushalts Max. Ø Earth crust Production Fabrication, Manufacture Use Waste management Entropy 0 Pure copper Stage 1 Stage 2 Stage 3 Stage 4 Stage 5 Life cycle of copper Source: Rechberger & Graedel,

31 Die Stoffflussanalyse dient dem besseren Verständnis von Prozessen und Systemen ist eine notwendige Basis für die Bewertung und Gestaltung kann durch SEA ergänzt werden VDI-Expertenforum