Neue Entwicklungen in der Deponiegasentsorgung
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- Annika Esser
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1 Neue Entwicklungen in der Deponiegasentsorgung Fachgebiet 22 - Anlagentechnik, Technische Überwachung Christian Mader, Matthias Müller Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt
2 Gliederung: 1. Grundlagen der Deponiegasbildung 2. Arten der Deponiegasentsorgung/ -verwertung Deponiegas-BHKW Mikrogasturbine Deponiegaskessel Sterlingmotor Hochtemperaturfackel Schwachgasfackel Kohlenwasserstoffkonverter (CHC) Regenerativ thermisches Oxidationsverfahren (RTO) Wirbelschicht Biofilter Methanoxidationsschicht Deponiebelüftung/ -absaugung 3. Zusammenfassung und Ausblick Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 2
3 WAS IST DEPONIEGAS? Definition: Als Deponiegas werden im Allgemeinen die im Deponiekörper durch mikrobielle Abbauprozesse entstandenen gasförmigen Stoffwechselprodukte, soweit sie nicht gelöst werden, sowie die in die Gasphase übergegangenen abgelagerten Stoffe bezeichnet. Inhaltsstoffe: Hauptbestandteile: Nebenbestandteile: Methan, Kohlendioxid Sauerstoff, Stickstoff, Schwefelwasserstoff, Wasser und weitere organische Bestandteile Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 3
4 ENTSTEHUNG VON DEPONIEGAS 1. Stufe Hydrolyse 2. Stufe Säurebildung 3. Stufe Essigsäurebildung 4. Stufe Methanbildung Wasserstoff Kohlendioxid Biomasse Polysaccharide Proteine Fette Zucker Aminosäuren Fettsäuren Kohlendioxid Methan Carbonsäuren Alkohole Essigsäure hydrolytische Bakterien gärende Bakterien acetogene Bakterien methanogene Mikroorganismen Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 4
5 PHASEN DER DEPONIEGASBILDUNG Quelle: Stachowitz, 21. Kasseler Abfallforum Phase I - aerobe Phase Phase II - saure Gärung Phase III - Methangärung instabil Phase IV - Methanbildung stabil Phase V - Langzeitphase Phase VI - Lufteindringphase Phase VII - Methanoxidationsphase Phase VIII - Kohlendioxidphase Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 5
6 SCHADPOTENZIAL VON DEPONIEGAS Geruch Erstickungsgefahr Toxische Wirkung Explosionsgefahr Brandgefahr Vegetationsschäden Beeinträchtigung auf die Atmosphäre Deponie-Brand in Klagenfurt 2008 (Quelle: Kleine Zeitung/Kimeswenger) Quelle: Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 6
7 RECHTLICHES ZUR DEPONIEGASENTSORGUNG Verordnung über Deponien und Langzeitlager - Anhang 5 (DepV) Forderung zum Unterbinden oder Minimieren der Gasaustritte über die Deponieoberfläche und der Gasmigration in das Deponieumfeld Betreiber einer Deponie der Klasse I, II oder III hat Deponiegas schon in Ablagerungsphase zu fassen und zu behandeln, nach Möglichkeit energetisch zu verwerten Verwertung nach Stand der Technik Bei geringer Restgasemission Verzicht auf Behandlung, wenn das Methan vor Eintritt in Atmosphäre weitgehend oxidiert wird Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 7
8 WAS PASSIERT WENN DAS DEPONIEGAS NICHT GEFASST UND BEHANDELT WIRD? Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 8
9 2. ARTEN DER DEPONIEGASENTSORGUNG Aktive und passive Entgasung Aktiventgasung - Gasverwertung - Gasentsorgung Passive Entgasung - Gasentsorgung Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 9
10 DEPONIEGAS BLOCKHEIZKRAFTWERK (BHKW) Verwertung Deponiegas bei Methangehalten 40 Vol.-% Verstromung und Wärmeauskopplung möglich Regelmäßige Erlöse durch Strom- / Wärmeeinspeisung Quelle: Deposerv GmbH Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 10
11 Vorteile: DEPONIEGAS BLOCKHEIZKRAFTWERK (BHKW) regelmäßige Einnahmen Einhaltung Grenzwerte TA Luft Unterschiedliche Leistungsgrößen Verwertung des Deponiegases Nachteile: Mindestanforderungen an Gasqualität und -quantität Hohe Investitionskosten Bei hohen Schadstoffgehalten im Deponiegas erhöhter Wartungsaufwand und ggf. Gasreinigung erforderlich Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 11
12 MIKROGASTURBINE Stromerzeugung bei Methangehalten 30 Vol.-% Aggregate mit niedriger elektr. Leistung für Deponien mit geringem Gasbildungspotential Generator, Verdichter und Turbine auf einer Welle befestigt Umgebungsluft wird auf 5 bar verdichtet Abgastemperatur beträgt ca. 600 C Wärmenutzung Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 12
13 MIKROGASTURBINE Vorteile: Niedrige Wartungskosten Hohe Wärmenutzung möglich Einhaltung Grenzwerte TA Luft Niedrigere Methangehalte erforderlich Nachteile: Hohe Investitionskosten Niedrigerer elektrischer Wirkungsgrad Hoher Eigenenergiebedarf Quelle: Elliott Meist Gasreinigung erforderlich (Schwefelwasserstoff, Siloxane) Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 13
14 DEPONIEGASKESSEL Wärmeerzeugung bei Methangehalten 30 Vol.-% Verbrennung des Deponiegases in Hochtemperaturbrennkammer und Abhitzekessel Verbrennungstemperatur C, Verweilzeit 0,3 sec. Einspeisung der erzeugten Wärme z.b. in Fernwärmenetz Quelle: Deposerv GmbH Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 14
15 DEPONIEGASKESSEL Vorteile: Wärmetechnische Gasnutzung bei geringen Methangehalten Erlöse durch Wärmeverkauf Nachteile: Wärmeabnehmer in unmittelbarer Nähe erforderlich Relativ hohe Investitionskosten Keine Erzeugung von elektr. Energie Quelle: Deposerv GmbH Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 15
16 STERLINGMOTOR Vorteile: Methangehalt 20% Kaum Schadstoffprobleme Einhaltung der TA Luft Nachteile: Keine Langzeiterfahrungen Dichtungsprobleme an Expansionszylindern Quelle: S. Seyfert, 2014 Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 16
17 HOCHTEMPERATURFACKEL (HTF) Verbrennung Deponiegas bei Methangehalten ca. 30 Vol.-% Verbrennungstemperatur > C Bei Altanlagen keine Wärmeauskopplung möglich Günstige Entsorgungsvariante Quelle: Deposerv GmbH Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 17
18 HOCHTEMPERATURFACKEL Quelle: Pro2 Anlagentechnik Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 18
19 HOCHTEMPERATURFACKEL Vorteile: Relativ kostengünstige Entsorgungsvariante Einhaltung Grenzwerte TA Luft Unterschiedliche Leistungsgrößen Kein Stützgas erforderlich Nachteile: Keine Schwachgasverbrennung möglich Keine Wärmeauskopplung möglich Altanlagen meist überdimensioniert Quelle: Haase Energietechnik Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 19
20 SCHWACHGASFACKEL (SGF) Verbrennung Deponiegas bei Methangehalten 12 Vol.-% Verbrennungstemperatur > C Wärmeauskopplung möglich Unterschied zur herkömmlichen Hochtemperaturfackel angepasste Brennkammer (geringerer Fackeldurchmesser) angepasste Brennerdüsen Stützgas für Anfahrprozess und Aufwärmphase Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 20
21 SCHWACHGASFACKEL Quelle: Deposerv GmbH Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 21
22 SCHWACHGASFACKEL Vorteile: Methangehalte 12 Vol.-% Wärmenutzung möglich Einhaltung Grenzwerte TA Luft Unterschiedliche Leistungsgrößen Anbindung an bestehende Gasverdichterstationen gut möglich Nachteile: Stützgas für Anfahrvorgang auf vorgegebene Solltemperatur Wärmeabnehmer muss im Umfeld vorhanden sein Quelle: Deposerv GmbH Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 22
23 KOHLENWASSERSTOFFKONVERTER Verbrennung Deponiegas bei Methangehalten 12 Vol.-% Verbrennungstemperatur C Unterschied zur Gasfackel: Oberflächenbrenner auf Basis eines Metallgewebes Vollständige Mischung des Deponiegases mit Luft (hoher Sauerstoffüberschuss) Deponiegas-Luft-Gemisch wird über einen Zerstäuber durch ein heißes Metallgewebe gedrückt Quelle: Deposerv GmbH Quelle: Lambda Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 23
24 Quelle: das-ib Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 24
25 KOHLENWASSERSTOFFKONVERTER Vorteile: Methangehalte 12 Vol.-% Geringe Gasdurchsätze 8 m³/h möglich Einhaltung Grenzwerte TA Luft Nachteile: Nach derzeitigem Stand keine Abwärmenutzung möglich Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 25
26 REGENERATIV THERMISCHES OXIDATIONSVERFAHREN Arbeitet mit Reaktorbett aus Hochtemperaturkeramik Das Deponiegas wird durch das Reaktorbett geleitet und dabei erwärmt In der heißen Oxidationszone (ca C) werden die organischen Inhaltsstoffe zu Kohlendioxid und Wasserdampf umgewandelt Bei Schutzentgasung und geringen Deponiegasmengen Methanmengen 2 40 m³/h, d.h. max. originäre Deponiegasmenge m³/h Mindestkonzentration 0,3 Vol.-% Methan, autothermer Betrieb ab 1 Vol.-% Methan im Deponiegas Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 26
27 REGENERATIV THERMISCHES OXIDATIONSVERFAHREN Vorteile: Erfüllung Anforderungen nach TA Luft Einsatz für Deponiegas im Schwachgasbereich Großtechnische Erfahrungen liegen vor Nachteile: Nicht für hohe Methangehalte und große Gasmengen geeignet Hohe Betriebskosten (elektr. Vorheizen, Luftzumischung) Quelle: Haase Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 27
28 WIRBELSCHICHTVERBRENNUNG Thermische Oxidation im Wirbelbett Vorteile stabile Entsorgung über weiten Methangehaltsbereich Bis 10 % Verwertung Bis 5 % Entsorgung möglich Unempfindlichkeit gegenüber Starkwind Kein negativer Einfluss von Silanen Nachteile Teuer Quelle: Steinbrecht, 2007 Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 28
29 BIOFILTER Mikroorganismen nutzen Methan als Energiequelle Biofilter können aktiv wie passiv betrieben werden Deponiegas durchströmt den BF in Folge des Eigendruckes von unten nach oben, in Abhängigkeit der Wetterlage Filtermaterial z.b. Rindenmulch Voraussetzungen für gute Reinigungsleistung: Geringe Methanbelastung des Deponiegases Gute Feuchte- und Sauerstoffversorgung des Filterbettes Möglichst zuverlässige Temperaturführung Quelle: Jörg Jahn, Flörsheim Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 29
30 BIOFILTER Vorteile: Geringe Betriebskosten Geruchsneutralisation Nachteile: Regelmäßige Befeuchtung erforderlich, da sonst der Abbauprozess zum Erliegen kommt Nur für sehr geringe Gasbelastung geeignet Ist anströmende Menge zu hoch, tritt kein Sauerstoff mehr in den BF ein, die Biologie stirbt ab und das Gas tritt unbehandelt aus dem BF in die Atmosphäre Ungeeignet für die meisten Deponien Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 30
31 METHANOXIDATIONSSCHICHT 2 Möglichkeiten vollflächige Methanoxidationsschicht dezentrale Methanoxidationsfelder BQS 7-3: Methanoxidationsschichten in Oberflächenabdichtungssystemen Methan-Flächenbeschickungsraten bis zu 0,5 l CH 4 /(m²/h) Aufbau: 30 cm humushaltiger Oberboden 70 cm Unterboden mit wenig organischer Substanz Gasverteilerschicht Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 31
32 METHANOXIDATIONSFELDER Spezifische Auslegung von Methanoxidationsfeldern Auslegung anhand der bisherigen Entgasungsdaten sowie der Prognose des weiteren Verlaufs der Gasentwicklung der einzelnen Gasbrunnen sowie über die ggf. in dem Bereich austretenden Methanemissionen Gezielte Einleitung von Deponiegas in die jeweilige MOF über vorhandene Gasbrunnen Auch auf bereits abgedeckten Deponien anwendbar Dezentrale MOF können auch nachträglich installiert werden Nichttechnische Lösung zur Passiventgasung Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 32
33 METHANOXIDATIONSFELDER Quelle: enwi AöR Quelle: DEPOSERV GmbH dezentrale Anordnung der MOF und für das örtliche Gaspotential spezifisch ausgelegt Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 33
34 METHANOXIDATIONSFELDER Quelle: DEPOSERV GmbH Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 34
35 METHANOXIDATIONSFELDER Vorteile: Für jeden Bereich der Deponie ist die Größe spezifisch anpassbar Kostenersparnis, da nicht die gesamte Deponiefläche mit MOF belegt werden Nachteile: Nur für geringe Methanmengen geeignet Witterungsabhängig Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 35
36 DEPONIEBELÜFTUNG/ -ABSAUGUNG Herstellung eines aeroben Milieus in Deponie Sauerstoff toxisch für Methan-MO Aerober Abbau der Organik Verkürzung der Nachsorgedauer Ziel: Nach Abschluss keine Deponiegasbildung Quelle: ruk-online.de Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 36
37 AKTIVE ENTGASUNG ENTSORGUNG DEPONIEBELÜFTUNG/ -ABSAUGUNG Vorteile: Vermeidung lang andauernder Schwachgasbehandlungsmaßnahmen Verkürzung der Nachsorgedauer bei Altdeponien Schnellere Nachnutzung des Deponieraumes Nachteile: Öffnen einer intakten Deponie Neuanfahren der inaktiven Biologie Quelle: Ritzkowski, 2012 Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 37
38 ZUSAMMENFASSUNG Methode Deponiegas-BHKW Mikrogastrubine Deponiegaskessel Sterlingmotor Hochtemperaturfackel Schwachgasfackel Kohlenwasserstoffkonverter Methangehalt bis 40 Vol.-% bis 30 Vol.-% bis 30 Vol.-% bis 20 Vol.-% bis 30 Vol.-% 10 Vol.-% Vol.-% Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 38
39 ZUSAMMENFASSUNG Methode Regenerativ thermisches Oxidationsverfahren Wirbelschicht Methangehalt 1 Vol.-% bis 5-6 Vol.-% Biofilter - (*) Methanoxidationsschicht - (*) Deponiebelüftung - (*) Abhängig von Beschickungsrate Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 39
40 ZUSAMMENFASSUNG - Verschiede Verfahren zur Deponiegasbehandlung vorgestellt - Unterscheidung in aktive und passive Verfahren - Wenn möglich Verwertung des Deponiegases, ansonsten Entsorgung - Auswahl des Verfahrens abhängig vom jeweiligen Standort Ziel Entlassung der Deponien aus der Nachsorge Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 40
41 AUSBLICK - Weiter zurückgehende Deponiegasbildung - Weiterentwicklung von Verfahren, die geringe Methangehalte Verwerten können (Effizienzsteigerung) - Überlegung: Nachnutzung der vorhandenen Anlagentechnik, z.b. in Bioabfallvergärungsanlagen - Verbesserte Nutzung der Abwärme bei Schwachgasfackeln, durch OCR und SCR in Entwicklung Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 41
42 Christian Mader Fachgebiet 22 Anlagentechnik, Technische Überwachung Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt Reideburger Straße Halle (Saale) Tel.: Fax: Matthias Müller Fachgebiet 22 Anlagentechnik, Technische Überwachung Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt Reideburger Straße Halle (Saale) Tel.: Fax: Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt 42
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