Grundlagen für einen Vergleich von verschiedenen Ansätzen der thermischen Verwertung von Klärschlamm. Dr.-Ing. Martin Pohl

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1 Grundlagen für einen Vergleich von verschiedenen Ansätzen der thermischen Verwertung von Klärschlamm Dr.-Ing. Martin Pohl Innovationsforum THERMOLYPHOS Oktober 2016

2 Allgemeines ENVERUM Folie 2 von 23

3 Allgemeines Bewertungsmethoden soziale Aspekte Wirtschaftlichkeit Monetäre Gewichtung der Ökobilanz Gegenüberstellung von Kosten und Wirkungen Auswirkungen auf die Umwelt (GWP, AP, HTP*, ) Stoffflussanalysen (z.b. Phosphor) Bewertungen/ Vergleiche sind notwendig: Soziale Akzeptanz (Bevölkerung) ökologische Aspekte technische Aspekte (Machbarkeit) wirtschaftliche Aspekte (Kosten) [Bild aus: VDI 3925 Methoden zur Bewertung von Abfallbehandlungsverfahren] Methoden stehen zur Verfügung (z.b. zusammengefasst dargestellt in VDI 3925) ENVERUM Folie 3 von 23

4 Entwicklung der Klärschlammentsorgung in Deutschland (Anteile in %) Allgemeines Aus Positionen zur Klärschlammentsorgung (Stand: März 2015) ENVERUM Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.v. Folie 4 von 23

5 Entwicklung der Klärschlammentsorgung in Deutschland (Anteile in %) Allgemeines Klärschlammverwertung Aus Positionen zur Klärschlammentsorgung (Stand: März 2015) ENVERUM Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.v. Folie 5 von 23

6 Thermische Verfahren Quelle Tabelle: Falko Lehrmann: Überblick über die thermische Klärschlammbehandlung Trocknung, Monoverbrennung und Mitverbrennung.Thomé-Kozmiensky, K. J. und Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 10. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2013, S ENVERUM Folie 6 von 23

7 Allgemeines Bewertungsmethoden soziale Aspekte Wirtschaftlichkeit Monetäre Gewichtung der Ökobilanz Gegenüberstellung von Kosten und Wirkungen Auswirkungen auf die Umwelt (GWP, AP, HTP*, ) Verteilung von Stoffen (Phosphor, Stickstoff usw.) [Bild aus: VDI 3925 Methoden zur Bewertung von Abfallbehandlungsverfahren] Grundlage für die Bewertung und den Vergleich mit den genannten Methoden sind zunächst Massen- und Stoffbilanzen & darauf aufbauende Energiebilanzen Randbedingungen / Systemgrenzen: Örtlich : Prozesse und entsprechende Apparate (Trocknung, Faulung, Pyrolyse, Vergasung, Verbrennung, Abgasreinigung, Energieumwandlung usw.) Zeitlich: Nutzungsdauer, Abschreibungsdauer, Auslastung ENVERUM Folie 7 von 23

8 Systemgrenzen Für konkrete Beurteilungen sind Systeme mit technischen Zeichnungen, mit geeigneten Schemata, mit Skizzen usw. darzustellen, um zu zeigen, welche Größen (Stoffe, Massen und Energien) betrachtet und welche Zahlenwerte jeweils angesetzt werden, wie die Bilanzen erstellt sind, wie die Bilanzen geschlossen werden, wo, d.h. an welcher Systemgrenze, welche Kenngrößen und Kennzahlen gebildet werden. Bei den Kennwerten ist daher die Angabe der jeweils betrachteten Systemgrenze mit anzugeben. ENVERUM Folie 8 von 23

9 Anwendung von Systemgrenzen Systemgrenzen als Voraussetzung für die Bilanzierung Summe aller eintretenden Massenströme = Summe aller austretenden Massenströme Summe aller eintretenden Energieströme = Summe aller austretenden Energieströme Systemgrenzen als Voraussetzung zu Plausibilitätsfragen Bei fehlenden oder auch bei bekannten, jedoch nicht plausibel erscheinenden Größen sind Kompatibilitätsüberlegungen (z.b. sog. Rückwärtsrechnungen mit Stoff- und Energiebilanzen) an allen Systemgrenzen durchzuführen. Systemgrenzen als Voraussetzung zur Bildung von Kenngrößen und Kennzahlen Kenngrößen und Kennzahlen müssen immer mit Werten jeweils an ein und derselben Systemgrenze gebildet werden Systemgrenzen zur Darstellung zeitlicher Abhängigkeiten Zeichnet man interessierende Ströme zeitlich auf, so kann man aus einer entsprechenden Integration über die Zeit die Stunden-,Tages-, Monats-, Jahresmittel bilden und wenn nötig noch wesentlich längere Zeiten (z.b. bei Deponien) in Betracht ziehen. ENVERUM Folie 9 von 23

10 Beschreibung von Verfahrensketten (Primärenergieaufwendungen) Berücksichtigung zusätzlicher Aufwendungen für die Abfallaufbereitung, für Hilfsstoffe (z.b. Sauerstoffbereitstellung für die Anreicherung der Verbrennungsluft, zusätzliche Aufwendungen für Schlackeaufbereitung, Abgasreinigung, usw.) Erweiterung der Systemgrenze R der Anlage zur Einbeziehung der Umwandlungsprozesse der Primarenergien (Systemgrenze S) zur Systemgrenze T ENVERUM Folie 10 von 23

11 Beschreibung von Nettoeffekten von Verfahrensketten (Primärenergieaufwendungen) Wenn es den Abfall nicht gäbe, waren auch die zuvor genannten Primarenergieaufwendungen nicht notwendig. In einem weiteren Schritt wird daher eine gedankliche Rückführung dieser Aufwendungen aus dem Nutzen vorgenommen Erweiterung der Systemgrenze T zur Darstellung der Rückführung der aufzuwendenden Primarenergien zur Systemgrenze U ENVERUM Folie 11 von 23

12 Bsp. Klärschlamm Vereinfachtes Fließbild - Standort Kläranlage Kläranlage ohne Faulungs-Prozess Kläranlage mit Faulungs-Prozess Eigenstromerzeugung ohne Faulung Eigenstromerzeugung mit Faulung ENVERUM Folie 12 von 23

13 Bsp. Klärschlamm Rohschlamm-Beschaffenheit Bemessungswerte für die Schlammbehandlung : 0,085 kg TR/(EW*d), TR - Rohschlamm = 5 % Element C H O N P mineral. Ma.-% von otr 54,0 7,6 30,6 6,5 1,3 --- Ma.-% von TR 31,3 4,4 17,7 3,8 0,8 42 Summenformel : C 106 H 180 O 45 N 11 P ENVERUM Folie 13 von 23

14 Bsp. Klärschlamm Vereinfachtes Fließbild - Standort Verbrennung elektrische Energie elektrische Energie TROCKNUNG WIRBELSCHICHT WIRBELSCHICHT BRÜDEN - DAMPFTURBINE KOMPRESSION GENERATOR DAMPFTURBINE GENERATOR elektrische Energie (Zusatzbrennstoff) elektrische Energie ENVERUM Folie 14 von 23

15 Bsp. Klärschlamm Standort Kläranlage untersuchte Varianten Kläranlage mit Faulungs-Prozess Kläranlage ohne Faulungs-Prozess Faulschlamm-Monoverbrennung Rohschlamm-Monoverbrennung Eigenstromerzeugung ohne Faulung Trocknung am Standort Kläranlage Trocknung am Standort Verbrennung Trocknung am Standort Kläranlage Eigenstromerzeugung mit Faulung Trocknung am Standort Verbrennung ohne Trocknung ENVERUM Folie 15 von 23

16 Bsp. Klärschlamm grundsätzliches Bilanzschema ENVERUM Beckmann, M.: Stoff- und Energiebilanzen bei der Verbrennung von Klärschlamm. In: VDÍ Wissensforum. Tagungsunterlagen Fachkonferenz Klärschlammbehanldung , Offenbach. Folie 16 von 23

17 Bsp. Klärschlamm - Anaerob-mesophile Stabilisierung Einstufige Faulung t TS = 20 d T ~ 35 C otr = 42 % Reaktionsmodell : erweiterte Buswell sche Gleichung C 106 H 180 O 45 N 11 P + 59,5 H 2 O 60,75 CH ,25 CO NH HCO H 2 PO 4 - ENVERUM Beckmann, M.: Stoff- und Energiebilanzen bei der Verbrennung von Klärschlamm. In: VDÍ Wissensforum. Tagungsunterlagen Fachkonferenz Klärschlammbehanldung , Offenbach. Folie 17 von 23

18 Bsp. Klärschlamm Nacheindickung / Entwässerung Dekanterzentrifuge + FHM Entwässerungsgrad Faulschlamm: TR = 28 % Entwässerungsgrad Rohschlamm: TR = 26 % P Entwässerung = 2,0 kwh / m³ Dünnschlamm ENVERUM Beckmann, M.: Stoff- und Energiebilanzen bei der Verbrennung von Klärschlamm. In: VDÍ Wissensforum. Tagungsunterlagen Fachkonferenz Klärschlammbehanldung , Offenbach. Folie 18 von 23

19 Bsp. Klärschlamm Trocknung Trocknung am Standort der Kläranlage Teiltrocknung ~ 42 % TR Trocknung am Standort der Verbrennung Volltrocknung > 90 % TR P Trocknung,elek. ~ 80 kwh / Tonne Wasserverdampfung ENVERUM Beckmann, M.: Stoff- und Energiebilanzen bei der Verbrennung von Klärschlamm. In: VDÍ Wissensforum. Tagungsunterlagen Fachkonferenz Klärschlammbehanldung , Offenbach. Folie 19 von 23

20 Bsp. Klärschlamm Klärschlammverbrennung Klärschlamm - Monoverbrennung Wirbelschicht T = 850 C Wirbelschicht = 1,35 Luftvorwärmung Abhitzekessel Dampfturbine + Generator ENVERUM Beckmann, M.: Stoff- und Energiebilanzen bei der Verbrennung von Klärschlamm. In: VDÍ Wissensforum. Tagungsunterlagen Fachkonferenz Klärschlammbehanldung , Offenbach. Folie 20 von 23

21 Bsp. Klärschlamm Bewertungsmethodik & Ergebnisse Primärenergiefaktoren ( DIN V ) elektrische Energie f p,elt = 3,0 Zusatzbrennstoffe (Heizöl, Erdgas) f p,z-bs = 1,1 e Nutz-PE = (e elt,out e elt,in ) * f p,elt - h Z-BS * f p,z-bs [ MJ / kg TR ] e elt,in h Z-BS e elt,out Bedarf an elektrischer Energie Enthalpie der Zusatzbrennstoffe Abgabe an elektrischer Energie Primärenergienutzen ( -aufwand ) der Varianten e Nutz-PE [ MJ/kg TR ] Faulschlamm- verbrennung Rohschlamm- verbrennung Trocknung am Standort der Verbrennung 5,95 3,64 Trocknung am Standort der Kläranlage 2,91-2,05 ohne Trocknung ,18 ENVERUM Beckmann, M.: Stoff- und Energiebilanzen bei der Verbrennung von Klärschlamm. In: VDÍ Wissensforum. Tagungsunterlagen Fachkonferenz Klärschlammbehanldung , Offenbach. Folie 21 von 23

22 Zusammenfassung Grundlage für eine Beurteilung ist zunächst die systematische Beschreibung der Verfahrensketten mit Hilfe von Grundbausteinen (z.b. Faulung, Entwässerung, Trocknung, Verbrennung) und die einheitliche Festlegung von Bilanzgrenzen, sowie die Erfassung der ein- und austretenden Stoff- und Energieströme (Anlagen im Bestand Messungen / in Planungsphase Kenngrößen). Je nach Verfahrenskombination der Gesamtkette können sich für ein und denselben Rohschlamm ganz unterschiedliche Ergebnisse bezüglich der Energienutzung bzw. des Energieaufwandes ergeben. Der bei der Klärschlammbehandlung erzielbare Nutzen oder der erforderliche Aufwand sind aus den Eigenschaften des Rohschlammes in Verbindung mit einer kumulierten Bilanzierung der Verfahrenskette, auch unter Einbeziehung der externen Verluste der Energiebereitstellung, z.b. im Kraftwerk, zu beurteilen. ENVERUM Folie 22 von 23

23 Sitz der Gesellschaft: Hohe Straße Dresden Kontakt: Fon +49 (0) 351 / Fax +49 (0) 351 / info@enverum.de web Vielen Dank für ihr Interesse. ENVERUM Folie 23 von 23