Maßnahmenblatt des Runden Tisches Gewässerschutz Werra / Weser und Kaliproduktion

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1 Maßnahmenblatt des Runden Tisches Gewässerschutz Werra / Weser und Kaliproduktion Bezeichnung der Maßnahme Weitere Verfahren zur Eindampfung von Salzabwasser (Sonnenenergie, Schwefelverbrennungsanlage, Hochfrequenzverbrennung) Maßnahmengruppe: Optimierung des Betriebs / der Produktion Kurzbeschreibung / Spezifikation der Maßnahme Im Werk Werra fallen an den drei Standorten durchschnittlich ca. 14 Mio. m³/a Salzabwasser an. Es gibt verschiedene Ansätze, wie diese durch Verdunsten oder Verdampfen reduziert werden können: 1. Nutzung von Sonnenenergie Außerdem wurden in der Vergangenheit Vorschläge von verschiedenen Ideengebern bei K+S eingereicht, die Eindampfung der Salzabwässer anhand folgender Verfahren durchzuführen: 2. Eindampfen durch Abwärme einer Schwefelverbrennungsanlage 3. Hochfrequenzverbrennung Zu 1. Es soll überprüft werden, ob es möglich ist, durch Nutzung der Sonnenenergie die Salzabwassermengen zu verdampfen und dadurch zu reduzieren. Die auf der Erdatmosphäre auftreffende Bestrahlungsstärke des Sonnenlichts beträgt 1350 W/m². Durch die Lufthülle wird die Bestrahlungsstärke verringert. Am höchsten ist die verbleibende Bestrahlungsstärke am Äquator, mit zunehmendem Breitengrad (nördlich oder südlich) wird dieser Wert kleiner. Auch innerhalb Deutschlands macht sich diese Breitengradabhängigkeit als Nord- -Süd-Gefälle deutlich bemerkbar. Auf Grund der unterschiedlichen, täglichen und wetterbedingten Einstrahlungsbedingungen steht die solare Strahlungsenergie nur saisonal (täglich, jahreszeitlich und wetterabhängig) zur Verfügung. Sonnenstrahlung (Globalstrahlung) lässt sich in direkte und diffuse Strahlung unterteilen. An klaren Sommertagen, an denen es nur wenig diffuse Strahlung gibt, beträgt die Bestrahlungsstärke in der Region um Heringen ca. 950 W /m² während der Sonnenstunden, an bewölkten Tagen reduziert sich die Bestrahlungsstärke auf teilweise unter 150 W/m². Folgende Möglichkeiten zur Nutzung der Sonnenenergie zur Verringerung der Salzabwassermengen wären theoretisch denkbar: a. Anlage eines Beckensystems wie bei der Meersalzproduktion (Salzgärten) b. Errichtung eines solarthermischen Kraftwerkes und Nutzung der Energie zur Verdampfung der Salzabwassermenge c. Errichtung von Sonnenkollektoren und Nutzung der Energie zur Verdampfung der Salzabwassermenge - 1 -

2 d. Errichtung einer Photovoltaikanlage und Nutzung des Stroms zur Verdampfung der Salzabwassermenge zu a. Die natürliche Verdunstungsrate wird z.b. bei der Meersalzherstellung in Südeuropa genutzt. Dort wird in sogenannten Salzgärten Meersalz hergestellt. Dies ist allerdings nur in den Sommermonaten möglich, da es in den Wintermonaten zuviel regnet und das Wasser nicht komplett verdunsten kann. Die Becken zur Herstellung, die kaskadenförmig angelegt werden, sind sehr flach gehalten, weil dadurch die Verdunstung begünstigt wird. Ausgehend von den klimatischen Bedingungen in Mitteldeutschland, die keine niederschlagsarmen und heißen Sommer beinhalteten (siehe hierzu auch Maßnahme 20 Auf der Halde verrieseln ) ist hier eine Verdunstung ähnlich wie in Südeuropa nicht zu erreichen. zu b. Solarthermische Kraftwerke nutzen Hochtemperaturwärme aus konzentrierenden Sonnenkollektoren (gängige Systeme: Parabolspiegel, Rinnenkollektoren) um eine konventionelle Kraftmaschine anzutreiben. Die Anlagen können zur reinen Stromerzeugung, aber auch zur Kraft- Wärme-Kopplung eingesetzt werden, also zur kombinierten Erzeugung von Strom und Prozesswärme. So kann ein solarthermisches Kraftwerk z.b. gleichzeitig Elektrizität, Kälte über eine Absorptionskältemaschine und industriellen Prozessdampf erzeugen und somit einen hohen Anteil der geernteten Solarwärme in Nutzenergie umwandeln. Es ist heute auch bereits technisch möglich, durch thermische Speicherung der erzeugten Solarwärme (z.b. in Salzschmelze) und Zufeuerung mit konventionellen Brennstoffen eine bessere Verfügbarkeit des Kraftwerkes zu erreichen. zu c. Mit Sonnenkollektoren wird die Strahlung der Sonne in Wärme umgesetzt, um etwa Wasser für den täglichen Bedarf zu erwärmen oder Gebäude zu heizen. Wichtig hierbei ist der Temperaturunterschied zwischen Kollektor und Außentemperatur. zu d. Solarzellen wandeln Sonnenlicht ohne mechanische, thermische oder chemische Zwischenschritte in elektrischen Strom um. Herzstück jeder Solarzelle ist ein Halbleiter, meist Silizium. Solarzellen beruhen auf dem photovoltaischen Effekt: bei bestimmten übereinander angeordneten Halbleiterschichten entstehen unter dem Einfluss von Licht (Photonen) freie positive und negative Ladungen, die durch ein elektrisches Feld getrennt und als Elektronen über einen elektrischen Leiter abfließen können. Der so entstehende Gleichstrom kann direkt zum Betrieb elektrischer Geräte genutzt oder in Batterien gespeichert werden. Er kann auch in Wechselstrom umgewandelt und in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Der Wirkungsgrad der Solarzelle liegt bei nur ca. 15 % (d.h. aus 1000 W Sonneneinstrahlung entstehen 150 W Strom). Zu 2. Eindampfen durch Abwärme einer Schwefelverbrennungsanlage in Kehlheim Es liegt keine genauere Beschreibung des Maßnahmenvorschlags vor. Die Salzlösung müsste via Zug/Kesselwagen nach Kehlheim transportiert werden. Zu 3. Abwasserreinigung mittels Hochfrequenzverbrennung Der Ideengeber arbeitet mit einer Technologiefirma zusammenarbeiten, welche eine Entwicklung für - 2 -

3 ein neuartiges Abwasserreinigungssystem lanciert. Es werden in Verbindung mit der vertretenen Hochfrequenztechnologie Einsatzmöglichkeiten auf der Basis von der Aufspaltung aller chemischen Verbindungen gesehen, sodass ein solches Verfahren zur Reinigung der Salzlauge durch HF- Verbrennung möglicherweise die Probleme lösen solle. Es müsse eine Pilotanlage zu Testzwecken mit einem geschätzten Investitionsvolumen von 10 bis 15 Mio. Euro veranschlagt werden. Akteur für Durchführung der Maßnahme K+S KALI GmbH Wirkung der Maßnahme Primärwirkung (Effektivität der Maßnahme): Die primäre Wirkung der Maßnahmen soll zu einer Wiedergewinnung der in den Produktions- bzw. Haldenabwässern gelösten Salze und einer Reduzierung der Abwassermengen führen. Es wurde keine Quantifizierung des Reduktionspotenzials vorgenommen. Theoretisch könnte das entstehende Salzabwasser vollständig eingedampft werden. Sekundärwirkung: Ressourcenverbrauch: Abfallerzeugung: Durch die Eindampfung des Salzabwassers entstehen Rückstände, die entsorgt werden müssen. Sonstiges: zu 1b, 1c und 1d: Es besteht ein extrem hoher Flächenbedarf. Räumliche Wirkung Für die Beurteilung der Maßnahme im Sinne der Aufgabenstellung sind Betrachtungen der räumlichen Wirkung nicht maßgebend und werden daher an dieser Stelle nicht weiter ausgeführt. Zeitbedarf bis zur Umsetzung Für die Beurteilung der Maßnahme im Sinne der Aufgabenstellung sind Betrachtungen des Zeitbedarfs zur Umsetzung nicht maßgebend und werden daher an dieser Stelle nicht weiter ausgeführt. bis zur Wirksamkeit Theoretisch direkt nach der Umsetzung einer Maßnahme. Wechselwirkungen mit anderen Maßnahmen Für die Beurteilung der Maßnahme im Sinne der Aufgabenstellung sind Betrachtungen der Wechselwirkungen nicht maßgebend und werden daher an dieser Stelle nicht weiter ausgeführt. Kostenabschätzung Für die Beurteilung der Maßnahme im Sinne der Aufgabenstellung sind Betrachtungen der Kosten nicht maßgebend und werden daher an dieser Stelle nicht weiter ausgeführt. Mögliche Konflikte, Risiken, Unsicherheiten zu 1a. Nach Rücksprache mit Experten im Bereich solare Energien schätzen diese den Wirkungsgrad - 3 -

4 einer solchen Anlage als sehr gering ein, da in unseren Breitengraden die Sonnenenergie zu gering und der Niederschlag zu hoch ist (Verdünnung in den Becken). zu 1b. Solarthermische Kraftwerke sind zurzeit technisch nur sinnvoll errichtbar im Sonnengürtel der Erde (z.b. Nordafrika, Südeuropa), da lediglich der direkte Anteil der Sonnenstrahlung mittels Spiegeln gebündelt werden kann. Der hohe Anteil diffuser Strahlung und die insgesamt niedrigere Einstrahlung erschweren den wirtschaftlichen Einsatz hier in unseren Breiten. Solarturm- Forschungsprojekt in Jülich (2008): Ein rund m² großes Spiegelfeld - vergleichbar mit der Größe von drei Fußballfeldern - wird die Sonnenstrahlen auf einen Empfänger an der Spitze des 50 Meter hohen Solarturms bündeln. Die so entstehenden hohen Temperaturen werden zur Dampferzeugung genutzt und von einer Turbine schließlich in Strom umgewandelt. Das Turmkraftwerk wird eine Leistung von ca. 1,5 MW besitzen und etwa 2330 MWh Wärme oder 1000 MWh elektrischen Strom erzeugen. Parabolrinnenkraftwerks- Projekt (Andasol-1) in Spanien (2008): In 2008 soll das erste kommerzielle Rinnenkraftwerk Andasol-1 in Betrieb gehen. 624 Rinnen (je 150m lang und 5,5 m breit) ergeben insgesamt m² Spiegelflächen. Das Kraftwerk hat eine Leistung von 50 MW und soll 178 Mio. kwh/a Strom erzeugen. Würde man die Technik aus dem jülicher Forschungsprojekt in Heringen anwenden wollen (einziges Projekt in unseren Breiten), um mit der erzeugten Wärme die Sole einzudampfen, käme man auf folgende Eckwerte: Wärmemenge, um 14 Mio. m³ Sole einzudampfen: Notwendige installierte Leistung: Erforderliche reine Spiegelfläche: Fläche für Sole-Speichersee für ca m³ (20m tief): 5,900 Mio MWh 3798 MW th 5064 ha 35 ha Zusammenfassend kann man sagen, dass allein der Flächenverzehr sich so dramatisch auf die Landschaft auswirken würde, dass vergleichsweise etwa die Hälfte des gesamten Stadtgebiets Kassels (gesamt 106 km²) mit Spiegelfläche bedeckt wäre, hinzu kommt der Flächenbedarf für einen Solesee sowie für Kraftwerks- und Eindampfanlagen. Ein solches System wäre in unseren Breiten somit nicht realisierbar. Mit einem zusätzlichen Kraftwerk (konventionelle Energieerzeugung mittels Primärenergie) würde man zwar auf ein großes Speicherbecken verzichten und die Spiegelfläche um die Hälfte reduzieren können, jedoch würden die mehrfachen An- und Abfahrvorgänge technisch und wirtschaftlich nicht sinnvoll sein. Ferner wären zwei immens große Wärme erzeugende Systeme wechselnd im Einsatz, wobei das konventionelle Kraftwerk mit ca. 6500h/a (81%) (vgl. Maßnahmengruppe 2 / Datenblatt Nr. 10) und das Solarturmheizwerk mit ca h/a (19%) im Einsatz wäre, wodurch auch doppelte Investitionen nötig wären für Systeme mit schlechten Nutzungsgraden. Eine Hybrid-Lösung wäre - 4 -

5 folglich auf Grund von wirtschaftlichen Faktoren sowie schlechten Nutzungsgraden nicht zu empfehlen. zu 1c. Soll Wasser verdampft werden, müsste der Temperaturunterschied zwischen Kollektor und Außentemperatur sehr hoch sein, und es müsste ein Kollektorsystem eingesetzt werden, welches geringe Wärmeverluste hat. Es wären hierfür immense Flächen notwendig (nochmals erheblich größere als bei Einsatz eines solarthermischen Kraftwerks), um die entsprechend benötigte Energie zu erzeugen. zu 1d. Der entstehende Strom könnte direkt genutzt werden. Allerdings müsste dieser dann wieder in Wärme umgewandelt werden und man hätte nochmals einen entsprechenden Wirkungsgrad Verlust. Ähnlich wie bei Variante 1b. würden auch hier immense Flächen benötigt werden, um entsprechende Wassermengen verdampfen zu können. zu 2. Nach interner Prüfung wurde kein zielführender, verfahrenstechnischer Ansatz zur Aufarbeitung der Salzlösung gefunden. zu 3. Das Verfahren wurde noch nicht im praktischen Versuch getestet. Umsetzbarkeit der Maßnahme Technische Umsetzbarkeit Zu 1. Die Maßnahme ist theoretisch technisch umsetzbar. Es besteht jedoch ein extrem hoher Flächenbedarf. Bezüglich der übrigen Vorschläge ist die technische Machbarkeit nicht sicher. Rechtliche Umsetzbarkeit Die rechtliche Machbarkeit der Maßnahmen wäre im Einzelfall zu klären. Zusammenfassung Zu 1. Durch verschiedene Möglichkeiten könnten die Produktionsabwassermengen durch Eindampfen bzw. Verdunstung durch Sonnenenergie reduziert werden. Allerdings ist dafür ein enorm hoher energetischer und finanzieller Aufwand notwendig. Bei einer vollständigen Eindampfung ist die Entsorgung der eingedampften Rückstände noch nicht gelöst. Für Variante 2 und 3 ist die technische Machbarkeit nicht geklärt bzw. es liegen keine genauen Verfahrensbeschreibungen vor. Es bestehen derzeit zu viele Unsicherheiten, um die genannten Maßnahmen in Szenarien zu berücksichtigen. Die Maßnahmen sind zum Teil technisch (noch) nicht realisierbar, zum Teil verursachen sie erhebliche Nebenwirkungen. Eine kurz- bis mittelfristige Entlastung der Werra im Sinne der Aufgabestellung des Runden Tisches ist durch diese Maßnahmen nicht zu erwarten. Eine Betrachtung dieser Maßnahmen über den aktuellen Kenntnisstand hinaus ist daher vorläufig nicht erforderlich

6 Quellen Erarbeitet im Rahmen des Runden Tisches Gewässerschutz Werra/Weser und Kaliproduktion auf der Grundlage verschiedener Maßnahmenvorschläge und Stellungnahmen, beschlossen auf der 12. Sitzung des RT am