Das BMEL-Projekt. Christoph Fühner. Helmholtzzentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ. Dptm. Umwelt- und Biotechnologsiches Zentrum

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1 Das BMEL-Projekt Einsatz der Hydrothermalen Carbonisierung (HTC) für die nachhaltige Behandlung und Verwertung von Fraktionen des Sanitärsektors im Sinne eines Biochar/Sewchar-Konzepts Christoph Fühner Helmholtzzentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ Dptm. Umwelt- und Biotechnologsiches Zentrum Fachforum des Deutschen Biomasseforschungszentrum Biobasierte hydrothermale Prozesse (HTP) Leipzig 12. November 2014

2 Koordination Verbundstruktur CARBOWERT

3 Das Biochar-Konzept Biomasse Pyrolyse "Metabolische Stabilisierung" Physikochemische Modifizierung Biochar Ertragssteigerung Boden Bodenverbesserung Kohlenstoffbindung

4 Das Sewchar-Konzept

5 "Sewchars" sind Carbonisierte Materialien (Kohlen) werden hergestellt aus Humanexkrementen, Fäkalschlämmen, Klärschlämmen werden hergestellt durch Trockene Pyrolyse oder Hydrothermale Carbonisierung werden hergestellt für Kohlenstoffsequestrierung und Verbesserung von Böden in Landwirtschaft, Forstwirtschaft, Landschaftsbau

6 Das HTC-basierte Sewcharkonzept CO 2 PW-Behandlung HTC Prozess- Wasser Substitution fossiler Energie Substitution von Dünger EX / FS / KS Ertragssteigerung Nahrung C-Sequestrierung EX: Humanexkremente FS: Fäkalschlamm KS: Klärschlamm Land/Forstwirtschaft Bodenverbesserung HTCB

7 Potentiale des Sewchar-Konzepts (I) Quantitäten und Qualitäten von Humanexkrementen Exkremente Urin Faezes p. cap (1) Exkremente global (2) MD-Äqu. (3) Volumen 1,35 1,2 0,15 [l. d -1 ] 3, [m 3. a -1 ] Trockenmasse ,0 45,0 [g. d -1 ] [t. a -1 ] Kohlenstoff 30,5 8,5 22,0 [g. d -1 ] 76, [t. a -1 ] Stickstoff 13,0 11,0 2,0 [g. d -1 ] 32, [t. a -1 ] 22,1% Phosphor 1,6 1,0 0,6 [g. d -1 ] 4, [t. a -1 ] 46,7% Kohlenstoff 29,2 14,2 48,9 [% m/m TG ] Stickstoff 12,7 18,3 4,4 [% m/m TG ] Phosphor 1,5 1,7 1,3 [% m/m TG ] C/N 2,3 0,8 11 [m/m] (1) Del Porto D., Steinfeld C. (2000) (2) Bezug auf Weltbevölkerung 6.9 Mio. im Zeitraum 05/ /2011 (UN 2009) (3) Äquivalent des globalen Mineraldüngerverbrauchs 2010/2011 (FAO 2008)

8 Potentiale des Sewchar-Konzepts (II) Quantitäten und Qualitäten von Klärschlämmen Mittl. Gehalt Europäische Union USA [% m/m TG ] [10 3 t. a -1 ] [10 3 t. a -1 ] Trockensubstanz (1) (2) Kohlenstoff 37,5 (3) Stickstoff 4,0 (4) Phosphor 3,1 (4) C H O [% m/m TG ] Klärschlamm (5) 45,4 6,2 34,2 Koniferen-Holz (6) 50,8 6,2 43,0 Laubhölzer (6) 49,2 6,0 44,8 (1) Fytili and Zabaniotou (2008) (2) US-EPA (1999) conserve/rrr/composting/pubs/biosolid.pdf (3) UBA (2006) publikationen/fpdf-l/3011.pdf (4) EU (2001) waste/sludge/pdf/sludge_disposal3.pdf (5) Yoshida and Antal (2009) (6) ÖNORM M 7132 (1986)

9 Thermochemische Konversionstechnologien Pyrolytische Hydrothermale Prozesse Pyrolyse "Trockene Destillation" Hydrothermale Prozesse / Verfahren HTC ("Nasse Pyrolyse"), Desintegration Ausgangsmaterial trocken nass/feucht Temperatur C C (HTC) Druck isobar 0,8-4,0 MPa (HTC) Dauer < 2 h > 2 h (HTC) Reaktionen anaerob anaerob (primär) endotherm (primär) exotherm nicht-hydrolytische Bindungsbrüche, Cytolyse, Hydrolysen, Dehydratation, Decarboxyl., Decarbonyl., Demethyl. Dehydratation, Decarboxylierung Kondensations-/Aromatisierungsreaktionen (u.v.a.) Kondensations-/Aromatisierungsreaktionen (u.v.a.) Produkte Kohle/Koks ("Pyrolyse-Char") Kohle/Koks ("HTC-Biokohle") Pyrolyseöle/Pyrolysegase (CO, CH 4 ) (Öle, Gase) (Prozesswasser) Prozesswasser Klärschlammbehandlung Niedertemperaturkonvertierung: 1 h/ C Hydrothermale Carbonisierung (HTC) EnerSludge (ESI) 1 GTA (Laufzeit <1 Jahr) ARTEC: >2 h / 200 C Versuchsanlage LoTeCoTec DA Mintraching, AZV Pfattertal AVACO: h / C DA Karlsruhe Pyrolyseverfahren bei höheren Temperaturen TerraNova Energy: >2 h / 200 C DA (z. Zt.) Düsseldorf PYREG: < 750 C DA Untere Selz, Ingelheim Thermo-Druck-Hydrolyse (Desintegration) Kombinierte Pyrolyse und Gasifizierung Porteous: >30 min / >185 C 60er Jahre ca. 30 GTA Pyrobustor (Eisenmann AG): > C min. 2 FSP (D/I) THP (CAMBI): min / 165 C 38 GTA SlurryCarb (EnerTech): <1 h / 220 C 1 GTA, Rialto GTA: DA: Großtechnische Anlage (pr. Betrieb) Demonstrationsanlage

10 Hydrothermale Verfahren der Klärschlammbehandlung Thermo-Druck-Hydrolyse Desintegration Porteous: >30 min / >185 C 60er Jahre ca. 30 GTA THP (CAMBI): min / 165 C 38 GTA SlurryCarb (EnerTech): <1 h / 220 C 1 GTA, Rialto HTC Carbonisierung ARTEC: >2 h / 200 C Versuchsanlage AVACO: h / C DA Karlsruhe TerraNova Energy: >2 h / 200 C DA (z. Zt.) Düsseldorf GTA: Großtechnische Anlage des Praxisbetriebs DA: Demonstrationsanlage

11 Einsatz hydrothermaler Verfahren im Sanitärsektor Faezes / BrW Urin / GW CSB 100% N 100% Vorklärbecken CSB 23% N 63% Grauwasser P 100% Belebungsbecken Biogas CSB 23% P-Schlamm CSB 45% N 4% P 26% P-Fällmittel Faulturm Nachklärbecken F-Schlamm CSB 51% N 25% P 96% Ü-Schlamm CSB 29% N 21% P 70% Effluent CSB 3% N 12% P 4% Desintegration Entwässerung Desintegration Methanogenese Desinfektion Stoffliche Verwertung

12 Einsatz der HTC zur Klärschlammentwässerung Bilanzen der Terra Nova Energy GmbH KS-Vorlage- Behälter Klärschlamm 23% TS Dickstoff- Pumpe Kolbenpumpe Exzenterpumpe Input thermische und elektrische Energie MWh Verlust Brennwert H s Festphase 554 MWh (=7,5%) Alternative thermische Entwässerung MWh Energieeinsparung 45% Band/Kondens- Trockner HTC-Kohle 90% TS Kammerfilter- Presse HTC-Kohle ca. 60% TS Wärmetauscher H 2 SO 4 -Dosierer HTC Rührreaktor Wärmetauscher auf ca. 200 C ph C bar 2-4 h auf ca. 90 C Buttmann M. (2011) Chemie Ingenieur Technik 83,

13 Vorteile von Sewchar-Konzepten für Klärschlämme Gegenüber biologischen Verfahren der Schlammbehandlung (z. B. aerobe und anaerobe Stabilisierung, Kompostierung) Kürzere Behandlungszeit (wenige Stunden gegenüber Tage), d. d. h. h. potenziell potenziell Einsparung Einsparung von von Investitions- Investitionsund und Betriebskosten Betriebskosten Vollständige Hygienisierung Vollständige Hygienisierung Weiter reichender Abbau von organischen Schadstoffen Weiter reichender Abbau von organischen Schadstoffen Günstigere Kohlenstoffbilanz Günstigere Kohlenstoffbilanz Geringere Emissionen von klimarelevanten Spurengasen (CH 4, N 2 O) Geringere Emissionen von klimarelevanten Spurengasen (CH 4, N 2 O) Gegenüber der Klärschlammverbrennung Gegenüber der Klärschlammverbrennung Geringere technische Anforderungen (u.a. an die Filtertechnologien) Geringere Dezentraler technische Einsatz und Anforderungen verminderte Transportaufwendungen (u. a. die Filtertechnologien) Dezentraler Größeres Potenzial Einsatz für und ein verminderte nachhaltiges Transportaufwendungen Stoffstrommanagements, v.a. Größeres hinsichtlich Potenzial der Bindung für organischer ein nachhaltiges Kohlenstofffraktionen Stoffstrommanagements, v. und a. der hinsichtlich Kreislaufführung der Bindung von Pflanzennährstoffen organischer Kohlenstofffraktionen und der Kreislaufführung von Pflanzennährstoffen

14 Das BMEL-Verbundprojekt

15 Das HTC-basierte Sewcharkonzept CO 2 PW-Behandlung HTC Prozess- Wasser Substitution fossiler Energie Ertragssteigerung Land/Forstwirtschaft Substitution von Dünger Nahrung EX / FS / KS C-Sequestrierung Bodenverbesserung EX: Humanexkremente FS: Fäkalschlamm KS: Klärschlamm HTCB

16 Das HTC-basierte Sewcharkonzept CO 2 PW-Behandlung HTC Prozess- Wasser Ertragssteigerung Land/Forstwirtschaft Substitution fossiler Energie Innovative Verfahren Substitution für die von Dünger Konversion und Co-Konversion EX / FS / KS von Fraktionen des Sanitärsektors durch HTC sowie die Konditionierung von HTCB Nahrung Terra Nova Energy GmbH (TNE) C-Sequestrierung Bodenverbesserung EX: Humanexkremente FS: Fäkalschlamm KS: Klärschlamm HTCB

17 Das HTC-basierte Sewcharkonzept CO 2 PW-Behandlung HTC Ertragssteigerung Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) Land/Forstwirtschaft Substitution fossiler Energie C-Sequestrierung Bodenverbesserung Prozess- Wasser Prozessmodellierung/-optimierung, Probenherstellung EX / FS / KS und physikalische Analytik Nahrung Substitution von Dünger EX: Humanexkremente FS: Fäkalschlamm KS: Klärschlamm HTCB

18 Das HTC-basierte Sewcharkonzept CO 2 PW-Behandlung HTC Prozess- Wasser Substitution fossiler Energie UFZ-Dptm. Technische Umweltchemie (TUCHEM) Ertragssteigerung Nahrung Abbau von umweltrelevanten Xenobiotika mittels HTC sowie Nutzungsmöglichkeiten der Prozesswässer Land/Forstwirtschaft Substitution von Dünger EX / FS / KS C-Sequestrierung Bodenverbesserung EX: Humanexkremente FS: Fäkalschlamm KS: Klärschlamm HTCB

19 Das HTC-basierte Sewcharkonzept UFZ-Dptm. Bodenökologie (BOOEK) CO 2 PW-Behandlung Langzeitverhalten von HTCB in Böden: Effekte auf die mikrobielle Bodenbiomasse, Potenzial zur Kohlenstoffbindung und Minderung von CO 2 - und N 2 O-Emissionen Prozess- Wasser HTC Substitution fossiler Energie Ertragssteigerung Land/Forstwirtschaft Substitution von Dünger Nahrung EX / FS / KS C-Sequestrierung Bodenverbesserung EX: Humanexkremente FS: Fäkalschlamm KS: Klärschlamm HTCB

20 Das HTC-basierte Sewcharkonzept UFZ-Dptm. Umwelt- CO und Biotechnologisches 2 PW-Behandlung Zentrum (UBZ) Physikochemische Eigenschaften von HTCB und Effekte auf den Boden und die Pflanzenentwicklung Prozess- Wasser HTC Substitution fossiler Energie Ertragssteigerung Land/Forstwirtschaft Substitution von Dünger Nahrung EX / FS / KS C-Sequestrierung Bodenverbesserung EX: Humanexkremente FS: Fäkalschlamm KS: Klärschlamm HTCB

21 Projektstruktur / Projektarchitektur Verwertung Bezug zu Standort + Konversion Bilanzierung Bezug zu Verwertung + Konversion Konversion Bezug zu Produkt + Biomasse Verbesserung prozesstechnischer, energetischer, wirtschaftlicher Effizienzen Neue Anwendungsmöglichkeiten

22 Helmholtzzentrum für Umweltforschung GmbH UFZ Dr. Marc Breulmann Dr. Christoph Fühner Prof. Dr. Frank-Dieter Kopinke Dr. Elke Schulz Dr. Manfred van Afferden Dr. Barbara Weiner Deutsches Biomasseforschungszentrum ggmbh DBFZ Dipl-Ing. Andreas Clemens Dr.-Ing. Marco Klemm Dr. Kathleen Meisel Hochschule Trier, Institut für Angewandtes Stoffstrommanagement IfaS Prof. Dr. Michael Bottlinger M. Sc. Sarah Hanauer M. Sc. Moritz Mildenberger Joris Verstegen TerraNova Bionergy GmbH Dipl.-Ing. Marc Buttmann Dipl.-Ing. Andreas Decker Dipl.-Ing. Christian Schuster Institut für Angewandte Stadtökologische Projekte a. d. Humboldt-Universität Berlin IASP Dr. Andreas Muskolus