Drei Konzepte zur Nassvergärung im Rahmen einer MBA

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1 Jürgen Martens / Rolf Sieksmeyer: 3 Konzepte zur Nassvergärung Kasseler Abfallforum 2004 Seite 1 von 11 Drei Konzepte zur Nassvergärung im Rahmen einer MBA Dipl.-Phys. Jürgen Martens / Dipl.-Ing. Rolf Sieksmeyer Die Entwicklung der Verfahrenstechnik für MBA-Anlagen ist in Deutschland in den letzten Jahren rasch vorangeschritten. Dabei sind durch wissenschaftliche Versuche und praktische Erfahrungen insbesondere die Vorteile der Anaerob-Technik deutlich geworden. Diese Vorteile sind nicht nur technischer und ökologischer Art, sondern ermöglichen vor allem eine deutliche Reduzierung der Investitionskosten für MBA- Anlagen gegenüber herkömmlicher Rotte, die je nach gewählter Verfahrensvariante bis über 30 % betragen kann. Das gilt insbesondere bei Einsatz der Nassvergärung. Im Folgenden sollen 3 Verfahrensvarianten mit Nassvergärung diskutiert werden. 1. Einleitung Der Umsetzungsprozess des biogenen Abfallanteils in der anaeroben Stufe einer MBA-Anlage verläuft im Prinzip genau so wie ein einer Deponie, nur wesentlich schneller. Eine Anaerob-Anlage setzt sich daher aus vielen technischen Komponenten zusammen, die auch in der Deponietechnik zur Standardausrüstung gehören: Biogastechnik mit Nutzung in Blockheizkraftwerken, Sickerwasserbehandlung und Abluftbehandlung. HAASE Energietechnik ist Spezialist für Anaerobtechnik und realisiert bereits seit Jahrzehnten Anlagen zur Behandlung von Deponiegas und Sickerwasser. Vor diesem Erfahrungshintergrund ist eine fundierte Einschätzung von Vor- und Nachteilen, Kosten und Risiken für MBA-Anlagen aller Größenordnung möglich. Zur Zeit baut HAASE gemeinsam mit der Firma Horstmann Recyclingtechnik GmbH eine MBA-Anlage für die Behandlung von Tonnen Haushaltabfall in León, Spanien (Bild 1). Das Projekt wird von der Europäischen Union gefördert. Das Vergärungsmodul für einen Teilstrom von ca Tonnen p. a. wird komplett von der HAASE Anlagenbau AG erstellt.

2 Jürgen Martens / Rolf Sieksmeyer: 3 Konzepte zur Nassvergärung Kasseler Abfallforum 2004 Seite 2 von 11 Bild 1: MBA-Anlage León: 2 Reaktoren vom Typ Biostabilator à m 3 Ein erster Schritt von der herkömmlichen Kompostierung zur Anaerobtechnik in Deutschland war die trockene Vergärung. Bild 2 zeigt die Ansicht einer Teilstrom-Trockenvergärung mit anschließender Tunnelrotte und Nachrotte. Bild 2: Trockenvergärung + Rotte ( t/a)

3 Jürgen Martens / Rolf Sieksmeyer: 3 Konzepte zur Nassvergärung Kasseler Abfallforum 2004 Seite 3 von 11 Obwohl die Trockenvergärung gegenüber der reinen Kompostierung einige energetische Vorteile bietet, zeichnet sich das Gesamtkonzept immer noch durch großen Platzbedarf und erheblichen baulichen Aufwand aus. Hohe Personalkosten, großer Energiebedarf und eine denkbar schlechte CO 2 -Bilanz lassen diese Verfahrenskombination heute als ungünstige Lösung erscheinen. Erst durch Einsatz der Nassvergärung lassen sich diese Faktoren minimieren. Dazu möchten wir an dieser Stelle 3 Konzepte diskutieren: 1. Nassvergärung mit Tunnelrotte 2. Nassvergärung mit Aerobisierung 3. Nassvergärung mit thermischer Trocknung. 2. Vorstellung der drei Konzepte 2.1. Vollstrom-Nassvergärung mit Tunnelrotte Das Konzept Nassvergärung mit Nachrotte wurde von HAASE Energietechnik bereits vor 5 Jahren in einer ersten kleineren Anlage für t/a mit guten Ergebnissen realisiert. (Bild 3) Zur Zeit sind einige große Anlagen dieses Typs in Spanien im Bau (León t/a, Salamanca t/a). In Deutschland folgt man diesem Konzept erst jetzt, z. B. in Lübeck mit einer t-Anlage. Bild 3: Abfallbehandlung Nordhausen/Nentzelsrode für t/a

4 Jürgen Martens / Rolf Sieksmeyer: 3 Konzepte zur Nassvergärung Kasseler Abfallforum 2004 Seite 4 von 11 Im Vergleich zur Trockenvergärung zeichnet sich diese Verfahrenskombination durch einen deutlich geringeren Platzbedarf aus. (Bilder 4 und 5) Bild 4: Nassvergärung mit Nachrotte (3-D-Ansicht) Bild 5: Nassvergärung + Nachrotte (Aufstellplan)

5 Jürgen Martens / Rolf Sieksmeyer: 3 Konzepte zur Nassvergärung Kasseler Abfallforum 2004 Seite 5 von 11 Im Aufstellplan ist deutlich die Nassaufbereitung erkennbar. Hier wird eine flüssige Suspension mit ca. 10 bis 15 % Trockensubstanz angesetzt. Durch nachgeschaltete Leicht- und Schwerstoffabscheider wird eine gut vergärbare Substanz erzeugt. Nach der Vergärung findet die Trennung der Suspension in Feststoff und Flüssigkeit mittels Separatoren statt. Die Flüssigkeit wird in den Mixer zurückgeführt, die Feststoffe in die Nachrotte befördert. Die Nachrotte ist als Intensiv-Tunnelrotte ausgeführt. Hier findet in ca. 5 Wochen ein weiterer biologischer Substanzabbau statt, verbunden mit einer biologischen Trocknung. Das fertige Material entspricht der deutschen Ablagerungsverordnung und kann daher auch nach dem weiter abgelagert werden. Die Vorteile des Konzepts Nassvergärung + Tunnelrotte: Verkürzte Behandlungszeit Weniger Platzbedarf Kein Energieimport nötig Energieüberschuss kann exportiert werden Bessere CO 2 -Bilanz 2.2 Nassvergärung mit Aerobisierung Die optimierte Lösung für Kombinationssysteme aus aerober und anaerober Behandlung stellt sich im Konzept Nr. 2 dar. Hier wird die Tunnelrotte (trockene aerobe Stufe) für die Nachbehandlung der Gärreste ersetzt durch ein System zur nassen Aerobisierung. Das vergorene Material wird als flüssige Phase in Aerobisierungstanks gepumpt und dort belüftet. Die Entwässerung und damit die Trennung des Materials in Feststoffe und Prozesswasser erfolgt in diesem Konzept nicht nach der Vergärung, sondern erst nach der Aerobisierung. Der wesentliche Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass die gesamte Behandlung in geschlossenen Behältern stattfindet und somit kein Systemsprung zwischen anaerober und aerober Stufe erforderlich ist. Bild 6 zeigt den übersichtlichen Baukörper, der nur noch aus dem Gebäude für die mechanische Sortierung und den Aerobisierungstanks für die flüssige Intensivrotte besteht. Als dritte Stufe schließt sich eine offene, passive, nicht belüftete Nachrotte in Form einer Lagerfläche an. Diese Stufe kann als Sicherheitspuffer verstanden werden. Zukünftige Betriebserfahrungen werden zeigen, ob sie tatsächlich erforderlich ist.

6 Jürgen Martens / Rolf Sieksmeyer: 3 Konzepte zur Nassvergärung Kasseler Abfallforum 2004 Seite 6 von 11 Bild 6: Nassvergärung + Aerobisierung (3-D-Ansicht) Abluft Abfall mech. Vorbehandlung Siebung / Sortierung 60/80 mm Fraktion Mixer Abscheider Vergärung BHKW el. Energie therm. Energie aerober Abbau Entwässerung offene Nachrotte Fe Ne Glas Plastik Papier Plastik Sand Steine Glas Abwasser Verwertung Verbrennung Deponie Deponie el. Energie el. Energie el. Energie Bild 7: Nassvergärung + Aerobisierung (Fließschema)

7 Jürgen Martens / Rolf Sieksmeyer: 3 Konzepte zur Nassvergärung Kasseler Abfallforum 2004 Seite 7 von 11 Vorteile des Konzepts Nassvergärung + Aerobisierung: Weitere Reduzierung von Platzbedarf und baulichem Aufwand Strombedarf reduziert Weniger Personalkosten, da die Mechanik der Tunnelrotte entfällt Gas- und wassertechnisch geschlossene Systeme. Es entstehen keine Emissionen, die sich der Abluftbehandlung in einer VocsiBox entziehen könnten. 2.3 Nassvergärung + Trocknung In Konzept Nr. 3 wird der planerische Ansatz der Aufwandsminimierung, der sich schon in den Konzepten 1 und 2 zeigte, in letzter Konsequenz angewendet (Bilder 8 und 9). Hier wird die aerobe Nachbehandlung vollständig eingespart und durch einen thermischen Trockner ersetzt. Der Gärrest aus der Nassvergärung wird entwässert und sofort in den Trockner verbracht. Das Endprodukt ist im Sinne der Verordnung zwar nicht ablagerungsfähig, der Reststoff besitzt jedoch etwa den Heizwert von Braunkohle und kann daher als Sekundärbrennstoff von hervorragender Qualität in konventionellen Kraftwerken zur Stromerzeugung verwendet werden. Bild 8: Nassvergärung + Trocknung (3-D-Ansicht)

8 Jürgen Martens / Rolf Sieksmeyer: 3 Konzepte zur Nassvergärung Kasseler Abfallforum 2004 Seite 8 von 11 RTO Abfall mech. Vorbehandlung Siebung / Sortierung 60/80 mm Fraktion Mixer Abscheider Vergärung BHKW el. Energie therm. Energie Entwässerung Trockner Pelletierung Fe Ne Glas Plastik Papier Verwertung Verbrennung Sand Steine Glas Deponie Abwasser Verbrennung el. Energie el. Energie el. Energie el. Energie/ therm. Energie Bild 9: Nassvergärung + Trocknung (Fließschema) Die Autoren halten dieses Konzept für die optimale Lösung nach dem heutigen Stand der Technik. Der Baukörper ist überschaubar, die Verfahrenstechnik effizient und kontrollierbar. Dies ist quasi eine Anlage zur Herstellung von Brennstoff aus Hausmüll. Das gilt gleich zweifach: In der Vergärung entsteht Biogas, im Trockner heizwertreicher Sekundärbrennstoff. Die Energie für den Betrieb des Trockners wird aus dem Biogas generiert, Energieüberschüsse können exportiert werden. Die CO 2 -Bilanz über alles ist besser als in allen anderen Verfahren. Bild 10 zeigt die Massenbilanz dieses Verfahrens. Klärschlamm Organikreiche Abfälle Brennstoffhaltige Abfälle t/a t/a t/a Sortierung Vergärung Trockner Heizwertreiche Überschußwasser zur Reststoffe Fe-Metalle Ne-Metalle Schwerteile Biogas Fraktion t/a 832 t/a t/a t/a t/a t/a t/a Sand zur Deponie t/a Bild 10: Massenbilanz des Konzepts Nassvergärung + Trocknung

9 Jürgen Martens / Rolf Sieksmeyer: 3 Konzepte zur Nassvergärung Kasseler Abfallforum 2004 Seite 9 von 11 Vorteile des Konzepts Nassvergärung + Trocknung: Gleiches Behandlungsziel wie Konzept Nr. 2, aber viel geringerer Aufwand Geringster Platzbedarf Endprodukt Sekundärbrennstoff spart Deponievolumen Beste CO 2 -Bilanz von allen Verfahren 30 % weniger Kosten Die Energiebilanzen dieses Konzepts in den Bildern 11 und 12 verdeutlichen noch einmal die Vorteile der Biogasnutzung mittels BHKW-Technik. Nm³/a kwh/a Heizung Reaktor kwh/a Brenner / Heizung Biogas Nm³/a RTO Abgas kwh/a kwh/a Brenner / Trockner Abgas kwh/a RTO Nutzung bauseits BHKW Basis: t/a FF t/a KS 60% TS 50% ots Bild 11: Energiebilanz ohne BHKW (Konzept Nassvergärung + Trocknung)

10 Jürgen Martens / Rolf Sieksmeyer: 3 Konzepte zur Nassvergärung Kasseler Abfallforum 2004 Seite 10 von 11 Nm³/a kwh/a Heizung Reaktor kwh/a Brenner / Heizung Biogas Nm³/a RTO Abgas kwh/a Heizung Rotte kwh/a Eigenbedarf: 6.600,- Meh/a el. Energie kwh/a BHKW Überschuß: 7.400,- MWh/a Tischkühler kwh/a Basis: t/a FF t/a KS 60% TS 50% ots Abgas kwh/a Brenner / Trockner Abgas kwh/a Bild 12: Energiebilanz mit BHKW (Konzept Nassvergärung + Trocknung) 3. Zusammenfassung Gegenüber der herkömmlichen Kompostierung und der Trockenvergärung stellt die Nassvergärung nach dem heutigen Stand der Technik die effizientere Variante dar. Die Verfahrensstufe Vergärung lässt sich kombinieren mit 1. Intensiv-Nachrotte, ausgeführt als Tunnelrotte, oder 2. Aerobisierung + offene Nachrotte, oder 3. thermischer Trocknung. Platzbedarf, baulicher Aufwand, Kosten sowie CO 2 - und Energiebilanzen aller drei Varianten fallen besser aus als bei herkömmlichen Kompostierungs- oder Trockenvergärungs-Anlagen, wobei Konzept Nr. 3 nach Auffassung der Autoren die derzeit beste Lösung darstellt. Dies verdeutlicht noch einmal Tabelle 1, wo die Konzepte Nr. 1 und Nr. 3 einer konventionellen Kompostierung gegenüber gestellt werden.

11 Jürgen Martens / Rolf Sieksmeyer: 3 Konzepte zur Nassvergärung Kasseler Abfallforum 2004 Seite 11 von 11 Konventionell Kompostierung Konzept Nr. 1 Nassvergärung +Rotte Konzept Nr. 3 Nassvergärung +Trocknung Gasproduktion t/a El. Anschlusswert KW el Spitzenlast elektrisch KW el Stromverbrauch Mwh el. /a Spitzenlast thermisch KW therm Wärmeverbrauch MWh therm. /a Tabelle 1: Gegenüberstellung Autoren: Dipl.-Phys. Jürgen Martens Dipl.-Ing. Rolf Sieksmeyer