Bewertung und Optimierung des ökologischen Fußabdrucks des Braunschweiger Sanitärkonzepts mihilfe der Ökobilanz-Methodik

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1 Bewertung und Optimierung des ökologischen Fußabdrucks des Braunschweiger Sanitärkonzepts mihilfe der Ökobilanz-Methodik Christian Remy Kompetenzzentrum Wasser Berlin Symposium Re-Water Braunschweig, Projekt wird finanziert von: 1

2 Inhalt Die Methodik der Ökobilanz Bilanzierung des Braunschweiger Systems Bewertung der Umweltwirkungen: Betrieb in 2010 Mögliche Optimierungsmaßnahmen Zusammenfassung 2

3 Die Methodik der Ökobilanz ( Lebenszyklusanalyse ) Emissionen in Luft, Wasser und Boden Systemgrenze Vorgelagerte Prozesse z.b. Strom, Chemikalien Nachgelagerte Prozesse z.b. Abfallentsorgung Produktsystem z.b. Kläranlage pro EW CSB *a Co-Produkte (Strom, Nährstoffe) Ressourcen (Fossile Brennstoffe, Erze, Landnutzung ) 3

4 Die vier Schritte einer Ökobilanz Aufbau einer Ökobilanz ISO 14040/44 Definition von Ziel und Untersuchungsrahmen Systemfunktionen und -grenzen Szenarien + Datenqualität Iterativer Prozess Sachbilanz Wirkungsabschätzung Sammlung von Prozessdaten Aufbau eines Stoffstrommodells Berechnung von Indikatoren Normalisierung + Gewichtung Interpretation Diskussion der Ergebnisse Sensitivitätsanalysen Critical Review durch Experten 4

5 Bilanzgrenzen des Braunschweiger Systems 5

6 Gutschriften für Produkte des Braunschweiger Systems: Ersatz von Netzstrom, Mineraldünger und Pumpen von Grundwasser Bereitstellung (2010) Anrechnung in Ökobilanz Anrechnung in Ökobilanz BHKW Schlamm Winter Schlamm Sommer Klarwasser Strom MWh/a Wärme MWh/a intern verwertet N t/a % P t/a % (Fe) N t/a % (saisonal) P t/a % (Fe) N t/a % (saisonal) P t/a % Wasser Mio m³/a mm/a (Bedarf) 6

7 Bilanzierung und Berechnung des ökologischen Fußabdrucks Bilanzierung des Systems in Braunschweig: Messwerte aus der Eigenüberwachung Betriebsdaten ergänzt durch Abschätzungen + Literatur Aufbau eines Stoffstrommodells mit UMBERTO - Ökobilanzsoftware und ECOINVENT Datenbank Berechnung von ökologischen Indikatoren: Kumulierter Energieaufwand Emission von Treibhausgasen ( carbon footprint ) Eutrophierung (Phosphor + Stickstoff) Versauerung Humantoxizität Ökotoxizität (Wasser + Boden) Treibhauspotential [kg CO2-eq/EWCSB*a] Klärwerk Schlammbehandlung Umberto Direkte Emissionen (N2O, CH4) Transport Chemikalien + Erdgas Wärmebedarf Stromverbrauch Grundwassersubstitution Düngersubstitution Wärmenutzung Stromproduktion Netto Rieselfeld Verregnung Gesamt Carbon footprint 7

8 Kumulierter Energieaufwand in Braunschweig 2010 Kumulierter Energeieauswand [MJ/EWCSB*a] Klärwerk Schlammbehandlung Rieselfeld Verregnung Gesamt Transport Chemikalien + Erdgas Wärmebedarf Stromverbrauch Grundwassersubstitution Düngersubstitution Wärmenutzung Stromproduktion Netto Hohe Eigendeckung des Stromverbrauchs (60%) Pumpen zur Verregnung brauchen viel Strom Düngersubstitution hat energetisch untergeordnete Bedeutung 8

9 Carbon footprint in Braunschweig 2010 Treibhauspotential [kg CO2-eq/EWCSB*a] ? Direkte Emissionen (N2O, CH4) Transport Chemikalien + Erdgas Wärmebedarf Stromverbrauch Grundwassersubstitution Düngersubstitution Wärmenutzung Stromproduktion Netto Klärwerk Schlammbehandlung Rieselfeld Verregnung Gesamt Enger Zusammenhang zwischen Carbon footprint und Energieverbrauch Direkte Emissionen (N 2 O, CH 4 ) nur geschätzt substantieller Beitrag im Klärwerk Netto: 10 kg CO 2 -Äquivalente pro Einwohner und Jahr 9

10 Humantoxizität in Braunschweig 2010 Humantoxizität [kg DCB-eq/EWCSB*a] 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4 Klärwerk Schlammbehandlung Rieselfeld Verregnung Gesamt Schwermetalle zur Landwirtschaft Ablauf zum Aue-Oker-Kanal Chemikalien + Erdgas Stromverbrauch Grundwassersubstitution Düngersubstitution Stromproduktion Netto Emissionen bei Stromproduktion (inkl. Brennstoffgewinnung) haben hohen Beitrag Eintrag von Schwermetallen in die Landwirtschaft über Klärschlamm 10

11 Aquatische Ökotoxizität in Braunschweig 2010 Aquatische Ökotoxizität [kg DCB-eq/EWCSB*a] 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00-0,01 Klärwerk Schlammbehandlung Rieselfeld Verregnung Gesamt Schwermetalle zur Landwirtschaft Ablauf Chemikalien + Erdgas Stromverbrauch Grundwassersubstitution Düngersubstitution Stromproduktion Netto Nur Schwermetalle erfasst (keine organischen Schadstoffe!) Möglicher Transfer von Schwermetallen aus der Landwirtschaft in die Gewässer Hier: hohe Schadfaktoren für Cu und Zn Nachteil für Klärschlamm 11

12 Normalisierung des ökologischen Fußabdrucks Normalisierung = Bezug auf die gesamten Umweltwirkungen in Deutschland 2007 Normalisierte Wirkung (EW*a) 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0-0,05 Umweltwirkung Gutschrift aus Strom, Dünger und Grundwasser -0,1 Netto ,15 Kumulierter Energieaufwand Treibhauseffekt Versauerung Eutrophierung Süßwasser Eutrophierung Meere Humantoxizität Aquatische Ökotoxizität Bodenökotoxizität Geringer Beitrag Hoher Beitrag 12

13 Vergleich mit konventionellem Klärwerk (theoretisch!) Annahme für konventionelles Klärwerk: Klarwasser direkt in Vorfluter entwässerter Schlamm in die Landwirtschaft Normalisierte Wirkung netto (EW*a) 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Weniger Nährstoffbelastung der Gewässer Kumulierter Energieaufwand Treibhauseffekt Versauerung Eutrophierun g Süßwasser Eutrophierun g Meere Braunschweig Konventionelles System Humantoxizit ät Aquatische Ökotoxizität Bodenökotoxizität Braunschweig 0,0029 0,0007 0,0008 0,0961 0,0083 0,0012 0,0247 0,1178 Konventionelles System 0,0017 0,0006 0,0011 0,2433 0,0802 0,0009 0,0388 0,1130 Höherer Energieaufwand 13

14 Mögliche Szenarien zur Optimierung in Braunschweig Szenario Beschreibung Daten Baseline Betrieb (2010) SE/BS Cosubstrate a) Grassilage (+ 10% TS) b) Grassilage (+12% TS) c) Topinambur (+ 10% TS) CoDiGreen Pilot CoDiGreen Großtechnik CoDiGreen Pilot Thermische Hydrolyse a) Überschussschlamm CoDiGreen Pilot b) Überschussschlamm + Grassilage CoDiGreen Pilot c) In zweistufiger Faulung CoDiGreen Pilot d) Zweistufige Faulung mit EXELYS Krüger (DK) Nährstoffrückgewinnung Organic Rankine Cycle NH 3 Strippung MAP-Fällung im Zentrat a) ORC + Grassilage b) ORC + Grassilage + PS-Eindickung ISWW + Literatur BWB SE/BS (PFI) Interne Studie der SE/BS 14

15 Umweltprofil der thermischen Hydrolyse + Grassilage als Cosubstrat Zusätzliche Wirkungen (Stromverbrauch, Emissionen aus BHKW) Zusätzlicher Nutzen über Strom aus Biogas 20 Daten aus Versuchen im Pilotmaßstab 0 Veränderung zum Basisszenario [%] Zusätzliche Wirkung Produkte Kumulierter Energieaufwand Treibhauspotential Versauerung Eutrophierung Meere Eutrophierung Süsswasser Humantoxizität Aquatische Ökotoxizität Bodenökotoxizität 15

16 Umweltprofil der thermischen Hydrolyse über EXELYS Zweistufige Faulung mit Entwässerung vor der Hydrolyse Prozessdaten abgeschätzt durch Hersteller (Krüger DK) 40 Daten vom Hersteller 20 Veränderung zum Basisszenario [%] Zusätzliche Wirkung Produkte Kumulierter Energieaufwand Treibhauspotential Versauerung Eutrophierung Meere Eutrophierung Süsswasser Humantoxizität Aquatische Ökotoxizität Bodenökotoxizität 16

17 Umweltprofil der Stickstoffrückgewinnung über NH 3 -Strippung Zusätzliche Wirkungen (Strom, Wärme, Chemikalien) Zusätzlicher Nutzen über Substitution von mineralischem N-Dünger 140 Daten aus Literatur Veränderung zum Basis-Szenario [%] Produktion von NaOH (4 kg NaOH/kg N) Produkte Zusätzliche Wirkung Kumulierter Energieaufwand Treibhauspotential Versauerung Eutrophierung Meere Eutrophierung Süsswasser Humantoxizität Aquatische Ökotoxizität Bodenökotoxizität 17

18 Überblick über Umwelteffekte möglicher Optimierungsszenarien % CoSub_Gras10 Veränderung zum Basisszenario [%] CoSub_Gras12 CoSub_Topi10 Hyd_LD Hyd_LDgrass Hyd_DLD Hyd_DLDexe NH3stripp MAP CoSub_ORC Kumulierter TreibhauspotentialVersauerung Eutrophierung Energieaufwand Süßwasser Eutrophierung Meere Humantoxizität Aquatische Bodenökotoxizität Ökotoxizität CoSub_ORC_PS 18

19 Zusammenfassung der Ergebnisse Ökobilanzmethodik ermöglicht systematische Erfassung des ökologischen Fußabdrucks der Abwasserreinigung Lebenszyklus = inkl. Vorketten für Strom, Chemikalien, Anrechnung von Produkten möglich Braunschweiger System der Abwasserwiederverwendung: Hohe Eigendeckung des Energiebedarfs Nährstoff- und Wassermanagement bietet Potential zur Optimierung Normalisierung zeigt primären und sekundären Beitrag der Abwasserreinigung Wiederverwendung entlastet die Gewässer! Energetische Optimierung möglich: Dosierung von Grassilage (Potential in der Großtechnik bestätigen) Thermische Hydrolyse (Zweistufige Faulung mit EXELYS ) ISO-Konformität der Methodik durch externen Review (Prof. Finkbeiner/TU Berlin) 19

20 Dank an: C. Siemers (SE/BS), T. Dockhorn, D. Klein, R. Mieske, K. Fülling (ISWW), B. Lesjean (KWB), J. Waschnewski (BWB), M. Finkbeiner (TUB) Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Mehr Informationen: Projekt wird finanziert von: 20

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