Entstehung von Abfall und dessen Wechselwirkung mit der Umwelt. Abfall

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1 Entstehung von Abfall und dessen Wechselwirkung mit der Umwelt Rohstoff- Produktion Lagerung Verbrauch gewinnung Transport Gebrauch Abfall Eintrag in die Umwelt Wasser, Boden, Luft Klima Mensch, Tier, Mikroorganismus, Pflanze Material, Konsumgüter

2 Abfälle Definition im Sinne des Abfallgesetzes [ 1 (1) AbfG]:... bewegliche Sachen, deren sich der Besitzer entledigen will oder deren geordnete Entsorgung zur Wahrung des Wohls der Allgemeinheit, insbesondere des Schutzes der Umwelt, geboten ist.

3 Sammlung und Aufbereitung von Abfällen - Getrennte Wert- und Schadstofferfassung im Hausmüll - Duales System für Verpackungsabfälle - Behandlung von Massenabfällen (z.b. Baggergut) - Chemisch-physikalische Behandlung von Industrieabfällen Entgiftung (Cyanid durch Natriumhypochlorit), Emulsionstrennung (z.b. Flockung, Adsorption)

4 Globale und regionale Abfallströme - Verwertungstechnologien sind Ausgangspunkte der Abfallströme - nachhaltige Bewirtschaftung von Ressourcen enthält den Grundsatz, dass die Rate der Schadstoffemissionen die Kapazität zur Schadstoffadsorption nicht übersteigen darf - der Anfall von Bergbauresten liegt mit 20 Mrd.m 3 in der Größenordnung der aktuellen Erosionsrate von Boden und Gestein (dabei ist Erosion schon 6 mal größer als zu vorindustrieller Zeit) - hinter der Herstellung eines Autos (ca. 1 t) liegen 25 t Abfall - es müssen pro Einheit Metall immer größere Mengen von Material bewegt und gefördert werden Vielleicht sind diese riesigen Mengenströme langfristig für die Menschheit gefährlicher als viele chemische Schadstoffe

5 Anreicherungsstufen und Rückstandsmengen bei der Gewinnung von Rohstoffen am Beispiel Rohkupfer 1000 t bewegtes Gestein Tagebau Flotation Verhüttung 200 t Roherz (ca. 0,5% Cu) 4 t Erzkonzentrat (ca. 25% Cu) 1 t Rohkupfer (ca. 98%) Ursachen der Abfallentwicklung Abraum Gangart Schlacke, Schwefelsäure

6 Recycling - Rückführung der bei Produktion und Verbrauch anfallenden Nebenprodukte und Reststoffe in den Produktions- Verbrauchs-Kreislauf - Schließung bislang offener Produktionsabläufe in Analogie zu natürlichen Stoffkreisläufen - Schwierigkeit, da starke Vermischung, starke Verdünnung der Wertstoffe, oft geringere technische Qualität der Recyclingprodukte auch hinsichtlich der Gewährleistung von definierten Qualitäten beim Sekundärprodukt

7 Deponie - Barrierekonzept - Geologie (hydrogeologische und geotechnische Gesichtspunkte) - Dichtung (allseitig wirksames Dichtungssystem) - Entsorgung (Erfassung und Ableitung der Wässer und Gase) - Betrieb (nach Stand von Wissenschaft und Technik) - Überwachung - Nachsorge, Kontrolle Forderung: Immissionsneutralität

8 Ausstattungsmerkmale einer geordneten Deponie - Untergrundabdichtung (Mindestdichtigkeit von 10-8 m/s) - Einrichtungen zur Erfassung und Behandlung (Ableitung) des Sickerwassers - Anlagen zur Erfassung und Behandlung bzw. Verwertung von Deponiegas

9 Zeitliche Veränderung der Gasphase von Siedlungsabfalldeponien N 2, O 2 Anorganika, schwerabb. Organika (nach Christensen/Kjeldsen) - in einer kurzen aeroben Phase nach der Ablagerung werden die meisten organischen Bestandteile durch den Luftsauerstoff in CO 2 und Wasser umgewandelt, 1 - in einer ersten anaeroben Phase nimmt die Bakterienaktivität zu, es bilden sich flüchtige Fettsäuren, CO 2 und auch H 2, die saure Reaktion setzt verstärkt Metallionen frei, 2 - Aktivität methanogener Bakterien nimmt zu, Bildung von Schwefelwasserstoff und Erhöhung des ph-wertes, dadurch nimmt die Löslichkeit der Schwermetalle ab, 3 - die Methanbildung stabilisiert sich bei 50-65% der gesamten Gasproduktion, Anteile an flüchtigen Fettsäuren und Wasserstoff nehmen ab, 4 - am Ende bleiben nur noch schwer abbaubare org. Stoffe zurück, es beginnt Stickstoff und Sauerstoff in die Deponie zu diffundieren 5

10 Temperaturen in der Basisdichtung nach Beginn der Müllschüttung (Deponie Augsburg-Nord, hydrogeologisches Messfeld der TU München)

11 Thermische Behandlung von Abfällen Ziele: - schädliche oder gefährliche Inhaltsstoffe des Abfalls sollen zerstört und immobilisiert (mineralisiert) werden - Volumen und Menge des Abfalls soll vermindert werden - Stoffe sollen zumindest energetisch genutzt werden - verwertbare Abfallkomponenten sollen rückgewonnen werden (z.b. aus Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoffen)

12 Thermische Behandlungsprozesse - Verbrennung (Stoffumwandlung bei höherer Temperatur in Anwesenheit von Sauerstoff, hier T> C) 25% des Hausmülls wird in Deutschland verbrannt, Schweiz 80% - Pyrolyse (Entgasung) (Stoffumwandlung unter Zuführung von Wärme, weitestgehend unter Sauerstoffausschluss) Tieftemperaturpyrolyse: <550 0 C, Mitteltemperaturpyrolyse: C, Hochtemperaturpyrolyse: >800 0 C Schritte: Zersetzung (Depolymerisation-Kettenbruchstücke), dann Polymerisation zu Teer - Vergasung Kombination von Verbrennung und teilweiser Pyrolyse Kohlenstoffhaltige Anteile zu CO bei hohen Temperaturen, dann weitere Verbrennung oder Nutzung - Hydrierung thermische Zersetzung unter Sauerstoffausschluss in Gegenwart von Katalysatoren, danach Reaktion mit Wasserstoff R-Cl + H 2 R-H + HCl

13 Technische Kriterien einer Müllverbrennungsanlage - Haus- und Industriemüll bedarf allgemein keiner Aufbereitung (ev. Zerkleinerung, schlammförmige Abfälle aufdüsen...) - Müllbunker verschlossen, Unterdruck (Verhinderung von Geruchsbelästigung) - Auflockern der Brennstoffschicht, Regelung hinsichtlich Trocknung, Zündung, Verbrennung, Ausbrand (Verweilzeit, Luftdurchsatz) - Rauchgastemperatur mindestens C, nachgeschaltete Brennkammer > C (zum Anfahren Stützbrenner) - Korrosion beachten vor allem bei Kesselanlagen (Halogene!)

14 Wesentliche Systeme einer Müllverbrennungsanlage - Müllbunker mit Aufgabevorrichtung - Verbrennungsraum - Rauchgaskühleinrichtung (oft mit Wärmenutzung) - Entschlackungseinrichtung - Rauchgasreinigungsanlage

15 Rückstandsbehandlung - pro Tonne Müll fallen etwa kg Schlacke und Asche an, ca kg Filterstaub und ca kg Reaktionsprodukte aus Reinigungsstufe - Rückstände werden zum Teil verwertet, zum Teil deponiert - Rückstandsbehandlung (zukünftig) Waschen, Sintern, Schmelzen - Zusammensetzung der Rohschlacken: 3-5% Unverbranntes 7-10% Eisen- und Nichteisenmetalle 5-7% grobstückiges und 80-83% feinstückiges Material (Beton, Ziegel, Steine, Schlackebrocken, Glas, Keramik, Porzellan) - mittels Aufbereitungsverfahren sollen aus Schlacke und Filterstäuben Metalle wiedergewonnen werden - Verfestigungs- und Waschverfahren (immobilisierende Zuschlagstoffe zusetzen) - durch Schmelzverfahren Schlacke (auch Filterstäube) in auslaugungsfestes Produkt überführen

16 Rauchgasreinigung - Reduzierung der Emissionen (NO x, Dioxine) - Untersuchungen zur Prozessführung: verminderter Mülleintrag ergibt reduzierte Belegungsdichte und damit niedrige Dioxin/Furan-Werte hoher Lufteintrag vermindert Dioxin/Furan-Werte hoher Feuchtigkeitsgehalt, geringe Dioxin/Furan-Werte mittels Nasswäsche Abscheidungsgrade von 90% mittels Wasserstoffperoxid können gasförmig vorliegende Dioxine (Furane) zerstört werden

17 Dioxinbildung - Dioxinzerstörung Bildung: - aus chlororganischen Verbindungen (als Nebenprodukte bei der Synthese von Chlorphenolen, Gas- Festkörperreaktionen) - aus anorganischem Chlorid (z.b. Luftoxidation von bituminöser Kohle bei C in Gegenwart von Chlorwasserstoff oder Chlor) Zerstörung: - thermische Gasphasenreaktion (> C) - katalytische Verfahren - photochemische Zerstörung - Reaktion mit Natrium - Hydrolyse

18 Gärung I Definition: ist anaerob verlaufender Prozess zur Energiegewinnung, bei dem der abgespaltene Wasserstoff auf organische Akzeptoren oder CO 2 übertragen wird, die intermediär beim Substratabbau gebildet werden, die dabei reduziert werden - in der natürlichen Umwelt werden dadurch die in den Gewässersedimenten abgestorbenen Organismen und Pflanzenteile abgebaut - Gärung führt zum unvollständigen Abbau, es erfolgt keine Mineralisierung - Endprodukte: Acetat, Formiat, Propionat, Lactat, H 2 und CO 2 Beispiele: alkoholische Gärung: Glucoseabbau über Acetaldehyd als Wasserstoffakzeptor zu Äthanol reduziert Buttersäure-Butanolgärung: Eiweiße/Aminosäuren zu H 2, CO 2, Acetat, Butyrat-Butanol, Aceton-Isopropanol

19 Gärung II - Unterscheidung nach Hauptstoffwechselprodukten: C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 Ethanolgärung C 6 H 12 O 6 3CH 4 + 3CO 2 Methangärung C 6 H 12 O 6 2CH 3 CH(OH)COOH Milchsäuregärung Atmung: - anaerobe Atmung: der Wasserstoff wird auf Sauerstoff in gebundener Form übertragen (verläuft unter Sauerstoffausschluß) z.b. auf Nitrat oder Sulfatsauerstoff als H-Akzeptor: NO 3 - N 2, NH 3 ; SO 4 2- H 2 S - aerobe Atmung: abgespaltener Wasserstoff aus Organika auf molekularen Sauerstoff unter Bildung von Wasser übertragen: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6H 2 O + 6CO 2

20 Kompostierung - Kompostierung beruht auf mikrobiologischen Stoffwechselprozessen - aus organischen Stoffen im Müll in einem exothermen Prozess und Kohlendioxidentwicklung ein organomineralisches Bodenverbesserungs- und Düngemittel (Nitrate, Sulfate, Zellulose und Lignin bilden Humussubstanz) - Rotteprozess ausreichende Luftzufuhr Nährstoffe für Mikroorganismen ph-wert zwischen 5 und 8 Beeinträchtigung durch Geruchsbelästigung

21 Kernenergie in Deutschland - Anteil an Elektrizitätsversorgung in Deutschland > 30%, in EU 36% - 18 im Betrieb befindliche Blöcke - durch Kernenergie jährliche CO 2 - Emissionen von bis zu 160 Mio. t vermieden - Betrieb von Forschungsreaktoren - z.z. ein Forschungsreaktor Neubau (München-Garching) - alle im Osten Deutschlands befindlichen russischen Reaktoren außer Betrieb, Vorbereitung/Durchführung des Abbaus - Verzicht auf deutsche Wiederaufarbeitung (Wackersdorf) - Rückbau von kerntechnischen Anlagen in Karlsruhe, Jülich und Rossendorf - Rückbau der WA-Karlsruhe (Konzept Grüne Wiese ) - Abbau eines Kernkraftwerkes (KKW Niedereichbach) zur Grünen Wiese bereits erfolgreich durchgeführt regierungspolitischer Wille Ausstieg aus Kernenergie (20-25 Jahre)

22 Grundlage der Kernenergiegewinnung - Spaltung schwerer Atomkerne in mittlere Atomkerne und Bildung von Neutronen - Fusion leichter Kerne zu schwereren Kernen Beherrschung der notwendigen Technologie

23 Atommüll - abgebrannte Brennelemente der Reaktoren - radioaktive Prozessabfälle (Glaskokillen), die bei der Wiederaufbereitung von Brennelementen entstehen - aktivierte, bzw. kontaminierte Bauteile von Reaktoren, Kernanlagen und Produktionsanlagen für radioaktive Isotope - anfallende radioaktive Abfälle aus nuklearmedizinischer, industrieller und forschungsseitiger Anwendung - Prozessabfälle bei der Urangewinnung und Aufarbeitung = Radioaktiver Abfall: jegliche radioaktiv kontaminierte, bei Betrieb und Abbau von Kernanlagen und den Umgang mit radioaktiven Stoffen anfallenden Reststoffe, die nicht dekontaminierbar und nicht wiederverwendbar sind. Vielfalt der Abfälle (kontaminierte Kleidung und Geräte, Bauschutt, Reinigungsmittel, Filter, Austauscherharze, Stahl- und Betonstrukturen)

24 Radioaktiver Abfall (Charakteristik) - Toxizität ist im wesentlichen durch die von den radioaktiven Nukliden ausgesandte Strahlung (Art, Energie) bestimmt - Radioaktivität nimmt nach physikalischer Gesetzmäßigkeit im Laufe der Zeit ab, Halbwertszeit für endlagerrelevante Radionuklide von wenigen Jahren bis mehrere zehntausend Jahre - Charakterisierung nach Radioaktivitätsinventar, Radiotoxizität Actinidengehalt und Wärmeentwicklung hoch-, mittel- und schwachradioaktiv - durch geeignete Konditionierung Überführung in zwischen- und endlagerfähige Form (Behandlung, Fixierung, Verpackung) Abfallgebinde - Abgabe, Zwischen- und Endlagerung geregelt

25 Beseitigung von radioaktiven und Nuklearabfällen (Prinzipien) - Oberflächennahe Lagerung - Lagerung untertätig in geologischen Formationen * mit Option Rückholbarkeit * keine Rückholbarkeit - Transmutation langlebiger Nuklide - Transport in den Weltraum - Meeresverkippung, Versenkung - Freisetzung / Verteilung / Verdünnung

26 Stilllegung kerntechnischer Anlagen - Erreichen der Auslegungsbetriebszeit - Unwirtschaftlichkeit - Sicherheitsbedenken -Störfall - politischer Wille

27 Konzept zur Entsorgung von radioaktiven und Nuklearabfällen (D) - Kurzzeitlagerung beim Verursacher - Abgabe an Landessammelstelle (kein Kernmaterial) - Zwischenlagerung in zentralen Lagern - Endlagerung in untertägigen geologischen Formationen (Salz? Granit? Tongestein?)

28 Entsorgungskonzept (Brennelemente) Direkte Endlagerung 2 - Zwischenlagerung/Transport Endlagerung Wiederaufarbeitung 3

29 Entsorgungskonzept für gebrauchte Brennelemente Variante: - Endlagerung nach Wiederaufarbeitung 3 Wiedergewinnung des unverbrauchten Kernbrennstoffes (Uran-235) und des neu gebildeten Kernbrennstoffes (Plutonium-239), Endlagerung der verfestigten hochradioaktiven Abfälle

30 Wiederaufarbeitung Endprodukte - Brennelement Glaskokille mit hochradioaktivem Abfall

31 Entsorgungskonzept (Brennelemente) Wiederaufarbeitung - Zwischenlagerung/Transport Endlagerung Direkte Endlagerung Endlagerung: Ziel: Verhinderung, dass aus dem Abfall stammende Radionuklide in die Biosphäre gelangen, bevor ihre Radioaktivität auf unbedenkliche Konzentration abgeklungen ist. Einbringen von: Container mit Brennelementen, Container mit Glaskokillen Standortkriterien: - Wirtsgestein und dessen Eigenschaften (Größe, Homogenität) - Geogene Faktoren (Tektonik, Seismizität, Hydrogeologie) - Ökologische Faktoren (Schutzgebiete, Bevölkerungs- und Industriedichte, potenzielle Rohstoffvorkommen, Infrastruktur) Potenzielle Wirtsgesteine: Deutschland: Salz?, Ton?, Granit? Finnland, Schweden, Schweiz: Granit USA: Salz, Granit, Basalt, Tuff Genehmigungsverfahren Japan: Granit, Sedimentgestein Frankreich: Granit, Ton, Sedimentgestein

32 Endlager Technologie Erkunden Auffahren (Schacht/Stollen) Einlagerung der Abfallgebinde (Behälter mit Brennelementen/Behälter mit Glaskokillen) in Stollen bzw. Bohrlöcher von Stollensohle aus, Verschließen der Bohrlöcher/Stollen

33 Endlager Mehrfachbarrierensystem

34 Transport der Radionuklide - Eigenschaften des Grundwassers, bzw. des eindringenden Wassers - Hydrogeologie (Fließrichtung, Fließgeschwindigkeit) - Eigenschaften des umliegenden Gesteins (Salzes) - Einstellende chemische Gleichgewichte Chemie der Actinide: Thorium, Uran, Neptunium, Plutonium, Curium, Americium * Löslichkeiten (Abhängigkeit von Ionenstärke, ph-wert, Temperatur, Druck, Redoxpotential) * Kenntnis der Speziation (chemischer Zustandes des Actinids / Radionuklids) * Sorptionsgleichgewichte, Reaktionskinetik