Alternative Methoden zur Bestimmung der fossilen CO 2 Emissionen bei der Abfallverbrennung

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1 Alternative Methoden zur Bestimmung der fossilen CO 2 Emissionen bei der Abfallverbrennung Johann Fellner, Oliver Cencic & Helmut Rechberger Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft Technische Universität Wien

2 Inhalt Problemstellung Methodenübersicht Feldvergleich einzelner Methoden

3 Problemstellung CO 2 von. Quellen fossile Massenanteile im Abfall fossilen biogenen biogene Materialien Energie von. Quellen Abfall Müllverbrennung biogenen fossilen

4 Bestehende Methoden Sortieranalyse Selektive Lösungsmethode 14 C Methode Bilanzenmethode

5 Sortieranalyse Inputverfahren 1. Probennahme 2. Manuelle Sortierung 3. Zuordnung von Heizwert bzw. C- Gehalt Sortierrest 27.8% Papier 12.9% Glas 2.2% Biogenes 15.5% 1.7% Metalle 3.6% Textilien Holz 5.9% Hygienewaren 1.6% 15.4% Kunststoffe 13.2% Verbund Massen- und Heizwertanteil, Kohlenstoffgehalt

6 Sortieranalysen + Zuordnung von Heizwerten Sortieranalyse + Wassergehaltsbestimmung Bewertung mit Heizwerten Heizwertzuordnung Heizwertanteilsberechnung Fraktion Massen anteil [m% FS] Wasser gehalt [m% FS] Massen anteil [m% TS] Heizwert [kj/kg TS] biogen [-] Anteil fossil [-] Heizwertanteil biogen [kj/kg FS] fossil [kj/kg FS] Papier 13, , Hygienewaren 10,7 45 5, ,66 0, Biogenes 18,4 60 7, Kunststoffe 17, , Textilien 10,3 20 8, ,85 0, Summe 100,0 74,

7 Sortieranalyse - Zusammenfassung Stärken Schwächen aufwendig repräsentative Probenahme Sortierrest (>25%) Zuordnung biogen - fossil Momentaufnahme große Unsicherheiten

8 Selektive Lösungsmethode Inputverfahren 1. Probennahme 2. Probenaufbereitung 3. Selektives Lösen g 5g 150ml 78% H 2 SO 4-16h 5g 30ml 35% H 2 O 2 5h biogener Massenanteil

9 Selektive Lösungsmethode - Zusammenfassung Stärken Schwächen repräsentative Probenahme aufwendige Aufbereitung Lignin wird nicht gelöst Momentaufnahme große Unsicherheiten

10 C14 Methode (Radiocarbonmethode) Input- oder Outputverfahren Isotop 14 C (Halbwertszeit Jahre) Biomasse: 14 C/ 12 C 1,3*10-12 Fossile Energieträger: 14 C/ 12 C = 0

11 C14 Methode Probennahme - Analyse 14 C/ 12 C Probe C biogen = 14 C/ 12 C Biomasse C ges Mohn & Szidat (2007) Verhältnis biogener Kohlenstoff zu Gesamtkohlenstoff

12 14 C/ 12 C Biomasse 14 C Gehalt des atmosphärischen CO CO 2 Vermunt 14 C [pmc] CO 2 Jungfraujoch 14 C tree rings [Stuiver and Quay, 1981] Year after Levin et al Johann Fellner Bilanzenmethode Technische Universität Wien

13 Mittlerer 14 C Gehalt vs. Baumalter mittl. 14 C pmc [%] 200% 190% 180% 170% 160% 150% 140% 130% 120% 110% Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) 100% 90% Johann Fellner Bilanzenmethode Technische Universität Wien

14 Mittlerer 14 C Gehalt der Biomasse 200% 190% Baum ( ) Baum ( ) mittl. 14 C pmc [%] 180% 170% 160% 150% 140% 130% 120% Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Baum ( ) Sperrmüll Papier, Karton Küchen- und Gartenabfälle 110% Baum ( ) 100% Bauholz 14 C/ 12 C Biomasse 112 ± 8 pmc 90% Johann Fellner Bilanzenmethode Technische Universität Wien

15 14 C-Methode Stärken Schwächen Beprobung der gesamten Abfallmenge geringe Messunsicherheiten bewährtes Verfahren Ergebnis Verhältnis C biogen zu C fossil Analyseaufwand Kontaminationen?? weitgehend inputunabhängig einfache mathematische Lösung

16 Bilanzenmethode Outputverfahren Massenbilanz m B + m F + m I + m w = 1 Aschen bilanz + m I = a Abfall Kohlenstoffbilanz c B m B + c F m F = c Abfall Energiebilanz HW B m B + HW F m F m W = HW Abfall O 2 -Verbrauch o 2 C,B m B + o 2 C,F m F = o 2 C Abfall Differenz aus O 2 -Verbr. +CO 2 -Prod. d O2 -CO 2,B m B + d O 2 -CO 2,F m F = d O2 -CO 2,Abfall Aus den Betriebsdaten ableitbar

17 Sauerstoffverbrauchsbilanz m B cc ch co cn cs M 4 M 2 M 2 M M c B B B B B C H O N S 10 ClF ch c F C M c F Cl O c F N c F SF = = m F M 4 M 2 M 2 M M C H O N S V 100 c Reingas O cco co c 2,L CO 2,L = M 2,Rg 2,Rg co c 2,L O2,Rg Abfall 10 O V 2,Verbrauch m

18 Bilanzenmethode

19 Inputdaten Stoffgruppe Biogen (m B ) Fossil (m F ) C H O N S Cl [g/kg wasser- und aschefrei] Reingas (Volumenstrom, O 2, CO 2 ) Abfall (Masse) Zusatzbrennstoffe (Heizöl, Gas) (Masse) Dampfkessel (Dampfmenge, Dampfdruck und temp., Kesselwirkungsgrad) Feste Rückstände (Masse von Schlacke, Flugasche, Filterkuchen, Schrott)

20 PC ABS SAN PMMA Zusammensetzung der Kunststoffe 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% Massenanteile [%] 10% PE+PP PS, EPS PVC PET PUR SAP PA Amino ASA Phenole 0%

21 Zusammensetzung der Biomasse 0,60 C H O N S Gehalt an C, H, O, N, S [kg/kg wasser- und aschefrei] 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 Holz Papier, Pappe + Hygieneartikel Gartenabfälle Küchenabfälle Textilien (Naturfasern) 0,00

22 Lösung des Gleichungssystems Materialdaten Betriebsdaten k a + Δk a d a + Δd a Nichtlineare Ausgleichsrechnung k n + Δk n d n + Δd n x + Δx, y + Δy Massenanteile, Heizwertanteile Kohlenstoffgehalte

23 Bilanzenmethode Stärken Schwächen Beprobung der gesamten Abfallmenge geringe Unsicherheiten kein zusätzlicher Analyseaufwand bedingt inputabhängig (Bio-Kunststoffe, Pflanzenöle, Altreifen) mathematisch komplex Ergebnis Heizwertanteile + CO 2 Frachten beliebige zeitliche Auflösung

24 Vergleichsmessungen ( 14 C Bilanzenmethode) Project FOCAWIN (Fossil carbon dioxide emissions from waste incineration facilities) Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft (BAFU) R. Quartier (robin.quartier@bafu.admin.ch ) L. Emmenegger & J. Mohn, Empa Dübendorf S. Szidat, Universität Bern J. Fellner, O. Cencic & H. Rechberger, TU Wien

25 Vergleichsmessungen MVA A zwei Verbrennungslinien, gemeinsamer DeNOx Kat zwei Rauchzüge Anlage als Einheit betrachtet Oktober November Proben (über je 72h) MVA B zwei Verbrennungslinien separate Rauchgasreinigung und Kamine Eine Verbrennungslinie betrachtet November Dezember Proben (über je 72h) MVA C zwei Verbrennungslinien, gemeinsamer DeNOx Kat ein Rauchzug Anlage als Einheit betrachtet Jänner Februar Proben (über je 72h) Mohn (2007)

26 Auswahl der Anlagen

27 Resultate (Anteil fossiles CO 2 MVA A) 70% Anteil der fossilen CO 2 Emissionen [%] 60% 50% 40% 30% 20% 10% Bilanzenmethode 14 C Methode 0% Mittelw.

28 Resultate (Anteil fossiles CO 2 MVA B) 70% Anteil der fossilen CO 2 Emissionen [%] 60% 50% 40% 30% 20% 10% Bilanzenmethode 14 C Methode 0% Mittelw.

29 Resultate (Anteil fossiles CO 2 MVA C) 70% Anteil der fossilen CO 2 Emissionen [%] 60% 50% 40% 30% 20% 10% Bilanzenmethode 14 C Methode 0% Mittelw.

30 Zusammenfassung - Vergleich Anteil fossile CO 2 Emissionen [%] KVA A KVA B KVA C Mittelwert 14C Methode 46.9 ± ± ± ± 1.5 Bilanzenmethode 48.1 ± ± ± ± 2.4 Differenz (absolut)

31 Vergleich 14 C Selektive Lösungsmethode CEN/TC 343/Working Group 3 Solid Recovered Fuels - Methods of Sampling - Methods for Sample preparation - Methods for the determination of biomass - Report on the relative difference between biodegradable and biogenic fractions of SRF - Guidelines on occupational health aspects

32 Resultate ( 14 C Selektive Lösungsmethode) 40% 35% Selektive Lösungsmethode 14 C Methode Anteil biogener Kohlenstoff [%] 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0%

33 Mittelw. Resultate ( 14 C Selektive Lösungsmethode) 40% 35% Selektive Lösungsmethode 14 C Methode 30% 25% 20% 15% 10% Anteil biogener Kohlenstoff [%] 5% 0%

34 Zusammenfassung Vergleich Anteil biogener Kohlenstoff gemäß 14 C (für 112,2 pmc) [%] 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Vergleich Bilanzenmethode - 14C Vergleich Selektive Lösungsmethode - 14C 0% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% Anteil biogener Kohlenstoff gemäß SLM bzw. BM [%]

35 Zusammenfassung und Schlussfolgerung Selektive Lösungsmethode und Sortieranalyse große Unsicherheiten geringe Unsicherheit von 14 C und BM ( 4%) sehr gute Übereinstimmung von 14 C und BM zukünftig: Vergleichsmessungen über ein Jahr

36 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!