TONNENWEISE ENERGIE! ENERGIEGEWINNUNG AUS ENTSORGUNGSSTOFFEN: EFFIZIENT & UMWELTFREUNDLICH. Die Kosten für Energie steigen und steigen. Umso wichtiger wird es für Unternehmen und Kommunen, nach günstigen Brennstoff-Alternativen zur Energieversorgung zu suchen. Wir kennen sie: Haus- und Gewerbemüll, Industrie-Reststoffe oder Ersatzbrennstoffe. Und seit vielen Jahren beweisen wir, wie sich aus ihnen über thermische Verwertungsprozesse Nutzenergie zur Erzeugung von Strom, Prozessdampf oder Fernwärme gewinnen lässt. Mehr Infos und Referenzen unter: www.standardkessel-baumgarte.de STANDARDKESSEL BAUMGARTE - Kraftwerksanlagen, Anlagen-Service und Dienstleistungen rund um die Gewinnung von Strom, Dampf und Wärme aus Entsorgungsstoffen, Primärbrennstoffen, Abhitze und Biomasse.
Trends in der energetischen Abfallverwertung Trends in der energetischen Abfallverwertung Ganzheitliche Recyclingkonzepte für Energie aus Abfall unter verschiedenen Marktbedingungen Jörg Eckardt 1. Abfall Herausforderung und Energieträger heute und morgen...93 2. Verschiedene Märkte unterschiedliche Lösungen...94 3. Konzept Europa Beispiel Deutschland...95 3.1. Beispiel Deutschland...96 3.2. Technologie in Europa...97 4. Konzept Japan...98 4.1. Technologien in Japan...99 4.2. Prozess-Beschreibung der Vergasung...101 4.3. Betriebsergebnisse...103 4.3.1. Ersatzbrennstoff-Eigenschaften...103 4.3.2. Betriebserfahrungen...103 4.3.3. Emissionen...103 4.3.4. Schlacke...104 5. Zusammenfassung...104 6. Quellen...105 1. Abfall Herausforderung und Energieträger heute und morgen Die Herausforderungen für Abfallwirtschaft wachsen ständig. Während in den OECD- Ländern die gesamte erzeugte Abfallmenge in etwa konstant bleiben wird, verdoppelt sich bis 2025 die Menge der Abfälle weltweit von 3,5 auf 6,1 Millionen Tonnen pro Tag. [8] Nachhaltige Entwicklung bei steigendem Wohlstand wird vor allem in den heutigen Schwellenländern sehr wahrscheinlich nicht mit Konsumverzicht erreicht werden. Abfälle entstehen nahezu überall und bedürfen wegen deren Schädigungspotential für Mensch und Umwelt der besonderen Behandlung. Sie sind jedoch auch ein bedeutender Energieträger der Neuzeit. Ihr energetisches Potential dient der Strom- und Wärmeerzeugung und kann Primärbrennstoffe wie Kohle, Öl oder Gas ersetzen. 93
Jörg Eckardt Durch die energetische Verwertung von Abfällen wird die Entstehung von Treibhausgase verringert und vermieden. Verringert, weil die bei der Deponierung der Abfälle entstehenden zusätzlichen Emissionen verhindert werden, und vermieden, weil durch Substitution weniger fossile Brennstoffe verbrannt werden. Allein ein striktes Deponierungsverbot in Europe bietet schon ein Einsparpotential an Treibhausgasen von weit über 100 Millionen Tonnen pro Jahr [6]. Neben Wind, Wasser und Sonne baut die deutsche Stromversorgung noch immer auf den Einsatz von Stein- und Braunkohle. Der Heizwert deutscher Rohbraunkohlen liegt zwischen 6,5 und 10 MJ/kg und somit in einer ähnlichen Größenordnung wie der von unbehandeltem Haushaltsabfall. Aufbereitete Abfälle haben mit Heizwerten von 11 bis 18 MJ/kg ein noch größeres energetisches Potential. Die elektrische Energie und Wärme aus Abfall- und Ersatzbrennstoffkraftwerken unterliegt keinen jahreszeitlichen Schwankungen und ist nicht von Sonne oder Wind abhängig. Zudem kann Haushaltsabfall aufgrund des hohen biogenen Anteiles zum Teil als CO 2 neutral eingestuft werden. Den neuen Entwicklungen vom Entsorgungsmarkt zum Verwertungsmarkt folgend haben sich die kommunalen und privaten Entsorger zum Energiedienstleister gewandelt. Industriekunden, insbesondere energieintensiver Industrien, entdecken nahezu weltweit Abfälle als Energiequelle und als wirtschaftliche Alternative zu den fossilen Brennstoffen. Für die Herstellung ihrer Produkte benötigen die Industriekunden Energie in Form von Strom und/oder Dampf. Die Baumgarte Anlage in Stavenhagen versorgt einen Lebensmittelhersteller seit Anfang 2007 zuverlässig mit Dampf und Strom, hergestellt aus Ersatzbrennstoffen. Am Standort Bernburg sichern 3 Linien mit je 70 MW thermischer Verbrennungsleistung die Energieversorgung für ein Chemieunternehmen. Die Dampfzentrale Weener wie auch das EBS Kraftwerk der Spree Recycling GmbH in Spremberg versorgen Papierfabriken mit Prozessdampf, erzeugt aus kommunalen und industriellen Abfällen. Auch Kommunen entdecken den Energieträger Abfall wieder als Einnahmequelle. Einst privatisierte MVA s werden Schritt für Schritt von der Kommune zurückerworben, so auch bei uns in Bielefeld und kommunale Zweckverbände erkennen Ihre Marktmacht. Allen ist eins gemein: die sichere Versorgung Ihrer Prozesse ist wesentlich, sei es der private Haushalt oder der Industriebetrieb oder die Netzeinspeisung. Eine ausgereifte und verlässliche Technik ist deshalb enorm wichtig. 2. Verschiedene Märkte unterschiedliche Lösungen Erfahrungen, Vorschriften, technische Möglichkeiten aber auch geopolitische Gegebenheiten bestimmen das Marktgeschehen. Zudem setzen kommerzielle Anreize Steuern, Gebühren, Subventionen Impulse für Entwicklungen in die eine oder andere Richtung. Hieraus erklären sich unter anderem auch viele regionale Unterschiede in der Herangehensweise das Abfallentsorgungsproblem zu lösen. 94
Trends in der energetischen Abfallverwertung So hat sich in Großbritannien z.b. ein Markt für Alternative Technologien entwickelt der nur durch Subventionen am Leben erhalten wird und deshalb auch nicht auf andere Länder übertragbar ist. Hier wird, obschon technologisch die zur Anwendung kommenden Alternativen Technologien vergleichbar sind mit der traditionellen Rostverbrennung eine Lösung bevorzugt die lediglich auf dem Papier fortschrittlich ist. Der klassische Verbrennungsprozess wird nach der Vergasung unterbrochen um dann ein paar Sekunden später durch Sauerstoffzufuhr die Oxidation einzuleiten. Kenner des Verfahrens fragen sich zurecht wo denn da der technologische Fortschritt steckt. In Sachen Effizienz, Verfügbarkeit, Invest- und Betriebskosten kommen viele Alternativen nicht an die weltweit erprobte und geschätzte 2.000-mal installierte Rost-Lösung heran. Deutschland hat eigene Erfahrungen mit alternativen Technologien gesammelt. Die Dioxin-Problematik gepaart mit dem Wunsch nach effizienten Verwertungslösungen hat insbesondere in den achtziger und neunziger Jahren Verfahren wie Thermoselect Konversion und Schwel-Brenn die Bühne bereitet. [14] Heute sind diese Anwendungen eine teure Fußnote der deutschen Abfallwirtschaftsgeschichte. Aber auch diese negativen Erfahrungen prägen Entscheidungen, da sie zum Glück bei dem Einen oder Anderen noch im Gedächtnis sind. Manche Länder können oder möchten sich derartigen Luxus oder die klassische Einstiegsvariante MVA noch gar nicht leisten und setzen weiterhin auf Deponierung mit einer langfristig ausgelegten Strategie den Deponierungsanteil zu reduzieren. In Japan ist Deponierung keine Lösung. Das Land, bestehend aus 6.852 Inseln mit einer Gesamtfläche etwa so groß wie Deutschland, weist neben den geologischen Besonderheiten, mit etwa 120 Millionen Einwohnern auch eine hohe Bevölkerungsdichte auf. Über dem gesamten Archipel verläuft eine Gebirgskette, die mehr als zwei Drittel der Landmasse Japans ausmacht. Für die Landwirtschaft, Industrie und Besiedlung stehen nur etwa zwanzig Prozent der Landfläche zur Verfügung [17]. Aufgrund des Mangels an Flachland werden Berghänge durch Terrassenfeldbau kultiviert und es ist verständlich, dass unter diesen Umständen Abfalldeponierung gar nicht in Frage kommt. Abfallreduzierung und die Vermeidung von Schädigungen der stark limitierten bewohnbaren Bereiche durch Müll und Abfall haben deshalb höchste Priorität und werden in Japan als hoheitliche Aufgabe angesehen und deshalb aus dem öffentlichen Budget finanziert. 3. Konzept Europa Beispiel Deutschland Abfallvermeidung und eine abfallfreie Gesellschaft ist das höchste Ziel. Hiervon sind wir jedoch noch weit entfernt, so dass der Gesetzgeber mit Regeln und Vorschriften und mancherorts auch mit finanziellen Anreizen oder Sanktionen die Abfallwirtschaft steuert. Kennzeichnend hierfür sind zum Beispiel Gesetze wie Waste Frame Directive und die Waste Incineration Directive. Dabei wird der Wiederverwendung sowie der stofflichen und der thermischen Verwertung von Abfällen der Vorzug vor der Deponierung gegeben. 95
Jörg Eckardt Die Bundesregierung hat in ihrer Nachhaltigkeitsstrategie ein wichtiges Ziel für den Ressourcenverbrauch gesetzt, nämlich die Rohstoffproduktivität bis zum Jahr 2020 gegenüber 1994 zu verdoppeln das heißt: für die Herstellung der gleichen Menge an Gütern nur halb so viel Rohstoffe einzusetzen. [7] Allen ist auch bewusst, dass endlos recyceln nicht funktioniert. Weil z.b. das für die Papierherstellung erforderliche Fasermaterial nach dem 4. oder 5. Recyclingprozess auf Grund der sich reduzierenden Faserlänge einfach nicht mehr zur Papierherstellung zu gebrauchen ist. Weil der Anteil der stofflichen Verwertung von Plastikabfällen ohne Produktionsabfälle bei etwa zwölf Prozent liegt [11]. Weil es beim Recyceln zu Anreicherungen von Schadstoffen kommt die irgendwann aus dem Recyclingprozess ausgeschleust werden müssen. Weil aus der mechanischen Stufe mechanisch-biologischer Aufbereitungsanlagen (MBA) vor allem Metalle gewonnen und vermarktet werden. Und der größte Teil der übrigen Materialien wie Kunststoffe oder Papier wegen Vermischung und Verunreinigung keine anderen Abnehmer als Ersatzbrennstoffkraftwerke (EBS) und die Zementindustrie finden. Wie sollte also unter diesen Bedingungen ein Gesamtabfallwirtschaftskonzept aussehen? 3.1. Beispiel Deutschland Mit dem 1. Juni 2005 endete in Deutschland die Ablagerung von Haushaltsabfall auf Deponien. Müllverbrennungsanlagen (MVA) sowie mechanisch-biologische Anlagen (MBA) dienen heute der Vorbehandlung von Abfällen mit dem Ziel, nur noch inertes Material zu erzeugen, damit in Deponien keine umweltschädlichen Emissionen mehr entstehen. Einige Zahlen aus Deutschland machen deutlich, wie die Herausforderungen gemeistert wurden: Die Altpapiererfassung stieg von 4,8 Millionen Tonnen (1990) auf 14 Millionen Tonnen (2007); während 1990 damit noch weniger als 50 Prozent des Altpapiers getrennt gesammelt wurden, sind es heute weit über 80 Prozent. [1] Die Recyclingquote für mineralische (Bau-)Abfälle stieg von 1995 bis 2005 von etwa 50 Prozent auf knapp 90 Prozent. [9] Die Behandlung von Siedlungsabfällen in Deutschland führte 1990 noch zu über 25 Millionen Tonnen Emissionen an CO 2 -Äquivalenten. Das Umweltministerium stellte fest, dass schon im Jahr 2005 die Bilanz positiv war: Es wurden etwa 4,5 Millionen Tonnen durch stoffliche und energetische Verwertung von Abfällen vermieden und damit die Klimabilanz entlastet. [2] 96
Trends in der energetischen Abfallverwertung Ähnliche Entwicklungen wie in Deutschland sind u.a. auch in den Niederlanden, im Skandinavischen Raum und der Schweiz zu verzeichnen. Die folgende Grafik zeigt, dass in den neuen Mitgliedstaaten und Südeuropa ein hoher Anteil an Siedlungsabfällen deponiert wird, und dass Länder mit hohem Anteil an energetischer Verwertung auch vergleichsweise hohe stoffliche Verwertung praktizieren. Hier wird deutlich, dass die Verbrennung nicht das Recyceln verdrängt. Abfallaufkommen kg je Einwohner 700 81 600 215 185 48 59 500 24 284 121 3 132 109 78 181 127 148 52 400 130 85 79 87 8 122 132 165 103 60 86 8 75 51 3 66 149 47 84 34 141 300 71 13 6 19 44 18 179 88 63 37 83 113 93 41 105 71 23 96 171 175 6 31 237 485 32 6 8 115 127 200 29 1 62 78 522 75 405 349 1 16 14 270 5 293 100 192 318 215 323 254 351 239 240 233 35 183 160 165 152 224 185 247 212 116 153 174 263 172 0 5 17 3 93 8 18 3 EU (28 Länder) Belgien Bulgarien Dänemark Deutschland Recycling Estland Finnland Frankreich Griechenland Irland Italien Kroatien Lettland Litauen Luxemburg Malta Niederlande Österreich Polen Portugal Rumänien Schweden Slowakei Slowenien Spanien Kompostierung Verbrennung Deponierung Tschechien Ungarn UK Zypern Bild 1: Aufkommen und Behandlung von Siedlungsabfällen in Europa Daten: EUROSTAT 2012 3.2. Technologie in Europa Das Fundament der Abfallentsorgung in Europa bildet die Verbrennung, also rostbasierte energetische Verwertung des Abfalles. Es gibt nur wenige Ausnahmen. Bild 2: Abfallbehandlungskonzept mit Vorsortierung und energetischer Verwertung Der heutige Trend zeigt in eine Richtung, die Vorsortierung und effiziente thermische Behandlung mit Kraft-Wärme-Kopplung vereint (Bild 2). Das Aussortieren von wiederverwertbaren Wertstoffen ist durchaus sinnvoll und kann sogar wirtschaftlich sein. Technologisch wird der Markt von der Rosttechnik bestimmt. Die hohe Flexibilität und Bandbreite der mit dieser Technik thermisch verwertbaren Abfälle reicht von niederkalorischem Haushaltsabfall über eine Vielzahl industrieller Abfälle bis zu den hochkalorischen Fraktionen des EBS (RdF). Die große Brandbreite, die z.b. der Baumgarte (BBS) Rost durchsetzen kann, ist in Bild 3 gut sichtbar. 97
Jörg Eckardt Bild 3: Bild 4: Vorschubrost 5.000 bis 15.000 kj/kg Luftkühlung 11.000 bis 18.000 kj/kg 15.000 bis 30.000 kj/kg Hu 5.000 bis 30.000 kj/kg Luft/ Wasserkühlung Wasserkühlung Heizwertbandbreite verschiedener Varianten der Rostkühlung Baumgarte Rost in 3D-Darstellung Da diese Technologie so weit verbreitet ist und hinlänglich beschrieben wurde, wird an dieser Stelle auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet und stattdessen auf die Veröffentlichungen [3] und [4] des Autors verwiesen. 4. Konzept Japan Schon im Jahre 1893 wurde die erste Verbrennungsanlage auf Basis einer Rostverbrennung in Tsuruga in Betrieb genommen. Im Jahre 1967 wurde der Welt erstes übergreifendes Umweltrecht mit einem Rahmengesetz zum Immissionsschutz eingeführt. Seitdem war und blieb die Abfallverbrennung die tragende Säule der Abfallentsorgung in Japan [16]. Viele Kleinanlagen, die zum Teil auch nur diskontinuierlich, manchmal von Montag bis Freitag oder aber auch nur stundenweise betrieben werden, kennzeichnen das Bild der japanischen MVA s. Brennstoffschacht (wassergekühlt) Brennstoff- Aufgabeschieber Aufgabetrichter Klappe Rost Schlackeschacht Aschetrichter Verbrennungsluft (Primär) Ascheförderer Stößelentschlacker Schlackeaustrag Schlackeförderer Bild 5: Baumgarte Rost im Schnitt 98
Trends in der energetischen Abfallverwertung Fehlende Deponiefläche hat dazu geführt die Schlacken und Rostaschen nachzubehandeln. Zudem wurde ein Dioxin Grenzwert über alle Reststoffe festgelegt, wodurch das Einschmelzen der Schlacken und Stäube die bevorzugte Lösung wurde und diverse Schmelzverfahren in den siebziger Jahren ihren Einzug hielten. Die Technologielieferanten dachten den hier begonnen Prozess zu Ende indem sie konsequenterweise das Aufschmelzen der Schlacken in den thermischen Entsorgungsprozess integrierten. So wurden die Schmelz- und Vergasungsverfahren etabliert. Es ist jedoch keinesfalls so, dass die Mehrzahl der heutigen Anlagen in Japan Vergasungs- oder Schmelzverfahren sind. 2012 waren nach Aussage des Umweltministeriums 1.189 Anlagen zur thermischen Abfallbehandlung in Betrieb, davon waren 98 oder 8 Prozent mit Vergasungsverfahren ausgerüstet. Diese Anlagen repräsentieren 18.000 t/d oder knapp 10 Prozent der Gesamtkapazität. Die breiteste Anwendung findet die schon sehr früh eingeführte Festbettvergasung im Schachtofen mit 49 Anlagen und die Vergasung in der Wirbelschicht mit 40 Anlagen, beide mit direkter Verbrennung des entstehenden Synthesegases und nachgeschalteter Abgasreinigung. [16] Abfallreduzierung und ein hohes Maß an Abfalltrennung ist heute kennzeichnend für den japanischen Weg. Die Regierung fördert gegenwärtig die Entwicklung und den Bau von energieoptimierten Anlagen und die konsequente Abfalltrennung beginnt schon im Haushalt. 4.1. Technologien in Japan am Beispiel JFE Engineering Corporation Die in etwa 1.750 japanischen Städten und Gemeinden jährlich entstehenden rund 50 Millionen Tonnen Abfall müssen in den Kommunen direkt behandelt werden und dürfen nicht in angrenzende Territorien verbracht werden. Dies hatte zur Folge, dass jede Kommune, entsprechend dem örtlichen Abfallaufkommen, eine eigene MVA gebaut hat. Im Durchschnitt haben japanische MVA s eine Durchsatzleistung von 70.000 t/a und sind damit kleiner als in Deutschland. Im Zuge der bereits geschilderten Anstrengungen, die Umweltbeeinflussung i.w. Landverbrauch und Dioxin, durch Abfallbehandlung zu reduzieren wurden Vergasungs- und Schmelzverfahren als Alternative Technologien entwickelt. Im Folgenden werden die Verfahren weiterhin als Alternative Technologien bezeichnet. In Japan sieht man die folgenden Punkte als wesentlichen Vorteil der alternativen Technologien: a) Reduzierung der Dioxin Emissionen b) Recycling von Wertstoffen aus Schlacke und Asche c) Reduzierung der erforderlichen Deponieflächen d) Reststoffe sind nicht toxisch Neben anderen lokalen Anbietern ist JFE Engineering (JFE-E) mit verschiedenen Technologien im japanischen Markt vertreten. Durch die insgesamt 160 Referenzanlagen mit 336 Verbrennungslinien hat das Unternehmen einen Marktanteil von etwa 30 Prozent, bestehend aus 150 klassischen Rostfeuerungen und 10 Anlagen mit Vergasungsverfahren (Bild 6). 99
Jörg Eckardt Mit langjährigen Erfahrungen in der Stahlund Hüttentechnik hat das Unternehmen aus den eigenen Hochofen und Wirbelschicht-technologien ein kombiniertes Vergasungs-Schmelzverfahren entwickelt. Dieses Verfahren wird durch folgende Merkmale gekennzeichnet: die Behandlungsmöglichkeit verschiedenster Reststoffe, wie kommunaler und industrieller Abfall, Ersatzbrennstoff und Klärschlamm, die brennbare Bestandteile des Abfalles werden in Synthesegas umgewandelt, Bild 6: Rostfeuerung Vergasung Landkarte von Japan mit JFE-E Referenzen Dioxin Emissionen sind minimiert, es wird eine hohe Anlageneffizienz- ηel = 30 Prozent, erzielt, die entstehenden Verbrennungsrückstände sind nicht toxisch. Seit 2003 wurden 10 Anlagen 20 Linien mit dieser Technologie an japanische Kunden geliefert. Der technologische Trend in Japan lässt sich in drei Stufen aufteilen: Jahre 2000 bis 2010 Rostfeuerungen 45 % Andere 4 % Jahre 2010 bis 2015 Alternative Technik 15 % Andere 1 % Alternative Technik 51 % Rostfeuerungen 84 % Bild 7: Anteile der Abfallbehandlungstechnologien in Japan In die Zeit vor dem Jahr 2000, die Zeitspanne von 2000 bis 2010 und die dann folgenden Jahre. Vor dem Jahre 2000 weisen verschiedene Quellen einen Anteil der altern. Technologien am Gesamtbauvolumen in Japan mit etwa 10 Prozent aus. Für die 10 Jahre nach der Jahrtausendwende haben die Alternativen Technologien in Japan, also i. W. die Vergasung, etwas mehr als 50 Prozent Marktanteile, siehe Diagramm links. Dies waren sozusagen die Boom-Jahre der Vergasung. Im Zeitraum 2010 bis 2015, Diagramm rechts, wurden von insgesamt 54 Anlagen noch 6 mit alternativen Technologien errichtet wodurch sich der Marktanteil dieser Techniken auf 15 Prozent reduziert hat. 100
Trends in der energetischen Abfallverwertung Der Trend ist also klar rückläufig aber durchaus vergleichbar mit dem Kundenverhalten in Europa. Hier wurden in den letzten 4 Jahren (2012 bis 2015) insgesamt 46 Anlagen [15] beauftragt wovon 6 bis 13 Prozent mit alternativen Technologien ausgerüstet sind. Es ist anzunehmen, dass dies wohl auch die Verteilung der Folgejahre beschreibt. 4.2. Prozess-Beschreibung der Vergasung [13] Die Vergasung der brennbaren Bestandteile des Abfalles findet im Hochtemperaturbereich des Reaktors statt. Nichtbrennbare Teile werden aufgeschmolzen und nach dem Abstich für den weiteren Recyclingprozess verwendet. Über den Reaktorkopf wird der Abfall dem Reaktor zugeführt wobei gleichzeitig Koks (fünf Prozent) und Kalk (drei Prozent) hinzugegeben werden. Die Koksschüttung ist zum einen Energiequelle für den Hochtemperaturprozess und stellt zum anderen die Gas- und Schlackedurchlässigkeit sicher. Durch die Zugabe von Kalkstein werden der Schmelzpunkt und die Viskosität der Schlacke so beeinflusst dass die Fließfähigkeit erhalten bleibt. Innerhalb des Reaktors herrscht eine reduzierte Atmosphäre wodurch die gasförmig vorliegenden Schwermetalle nicht oxidieren können. Die von Schwermetallen freie Schlacke wird aufgeschmolzen und flüssig aus dem Reaktor abgezogen. In einem Wasserbad wird diese dann granuliert wobei sich Schlacke und Metalle durch den Dichteunterschied auftrennen und so später einfach über einen Metallabscheider ausschleusen lassen. Abfall Koks und Kalk Synthesegas Luftzone 3 Zone 3 Freiraum Zone 2 Pyrolysezone Luftzone 2 Zone 1 Hochtemperatur Schmelzbett Luftzone 1 Schlacke Bild 8: Metall Gas- und Schmelzkammerreaktor 101
Jörg Eckardt Der Gas- und Schmelzkammerreaktor (Bild 8) wird in drei Zonen aufgeteilt: Zone 1: Hochtemperatur/Schmelze Zone 2: Trocknung, Pyrolyse, Vergasung Zone 3: reduzierende Atmosphäre für Abgasreinigung Das Schmelzbett ist gefüllt mit einem Koksbett in dem in einer Sauerstoff angereicherten Atmosphäre 35 Prozent O 2 der im Abfall gebundene Kohlenstoff oxidiert. In die über 2.000 C heiße Schmelzkammer wird die angereicherte Luft eingeblasen und die nicht brennbaren Bestandteile des Abfalles aufgeschmolzen. Der Schlackeabzug erfolgt bei etwa 1.600 C. Das in der Schmelzkammer entstehende CO 2 reduziert zu CO und geht mit etwa 1.000 C in Zone 2 über. Hier findet in einem durch die Luftzuführung in Luftzone 2 entstehendem Wirbelbett eine Vorwärmung, die thermische Aufspaltung und Teilverbrennung der am Reaktorkopf eingegebenen Stoffe statt. In Zone 3 wird in einer reduzierten Hochtemperaturatmosphäre, ein Teil der entstandenen Gase bei über 850 C mit einer Verweildauer von mehr als zwei Sekunden verbrannt. Dieser Ablauf verhindert die Entstehung von Dioxin und fördert die Pyrolyse des Teeres. Das so entstandene Synthesegas wird in die Brennkammer des Dampferzeugers geleitet und dort unter Zugabe von Verbrennungsluft vollständig verbrannt. Ein automatisch arbeitendes Kontrollsystem regelt die Zugabe der Verbrennungsluft und die Menge der rückgeführten Abgase. Die Verbrennungsgase werden in einer Abgasreinigung nachbehandelt und erfüllen höchste Emissions-Standards. Der Dampferzeuger liefert den Dampf an eine Dampfturbine wodurch Strom und Wärme in die jeweiligen Netze eingespeist werden können. Bild 9: Schmelz-Vergasungsanlage Fukuyama Recycle Power Plant Mit der im März 2004 fertiggestellten Schmelz-Vergasungsanlage Fukuyama Recycle Power Plant (Bild 9) in Hiroshima hat JFE-E die derzeit größte im Betrieb befindliche Anlage dieser Art in der Welt errichtet. Die Anlage besteht aus einer Verfahrenslinie und erzeugt 20 MW el aus 13 t/h EBS. Der Dampferzeuger produziert 90,8 Tonnen Hochdruckdampf mit 450 C und 6 MPa. Als Abgasreinigung kommt ein Trockenverfahren mit Kalk und Aktivkohle als Reaktionsmittel zum Einsatz, ergänzt um einen Schlauchfilter und einen DeNOx- Reaktor. 102
Trends in der energetischen Abfallverwertung 4.3. Betriebsergebnisse 4.3.1. Ersatzbrennstoff-Eigenschaften In einer separaten Aufbereitungsanlage werden aus Haushaltsabfall Pellets (Bild 10) hergestellt. Obschon Abweichungen zu erkennen sind, können die hier nachfolgend aufgeführten Brennstoffeigenschaften als charakteristisch bezeichnet werden. Die Betriebswerte entsprechen im Wesentlichen den Auslegungsdaten der Anlage aus der Planungsphase. Tabelle 1: Eigenschaften der Ersatzbrennstoffe EBS Eigenschaften Einheit Heizwert (Hu) kj/kg 18.200 16.160 19.720 Feuchte Ma.-% 8,0 2,2 5,8 Brennbares Ma.-% 81,4 78,7 86,5 Asche Ma.-% 10,6 9,9 15,5 Durchsatz pro Linie t/h 13,0 (314 t/d) Bild 10: Ersatzbrennstoff- Pellets Die Anlage ist seit acht Jahren ohne nennenswerte Störungen in Betrieb. 4.3.2. Betriebserfahrungen Die Materialbilanz des fünften Betriebsjahres (2009) weist folgende Zahlen aus. EBS Durchsatz 70.753 t/a Schlacke 7.012 t/a Metalle 439 t/a Die Energiebilanz zeigt eine Jahresstromproduktion von 104.245 MWh/a wovon 86.387 MWh/a ins Netz eingespeist wurden und für An- und Abfahrprozesse 2.549 MWh/a aus dem Netz bezogen wurden. Die hocheffiziente Anlage weist einen testierten Bruttowirkungsgrad von 31 Prozent aus. Obschon die Dampftemperatur von 450 C eine erhöhte Materialabzehrung durch Korrosion erwarten ließ, mussten bislang noch keine außergewöhnlichen Reparaturoder Ersatzmaßnahmen vorgenommen werden. 4.3.3. Emissionen Die nachfolgende Tabelle 2 zeigt die vertraglich vereinbarten Emissionsgrenzwerte, die durch eine Selbstverpflichtung des Kunden niedriger sind als die gesetzlichen Grenzwerte. Im Vergleich dazu sind die realen Betriebswerte als Messwert aufgeführt die Referenzwerte gem. 17. BImSchG und Messwerte deutscher Anlagen. 103
Jörg Eckardt Tabelle 2: Vergleich Emissionen bei 11 % O 2, trocken, als Tagesmittelwert Einheit Staub mg/m 3 N SO x mg/m 3 N NO x mg/m 3 N CO mg/m 3 N Dioxine ng-teq/m 3 N * Durchschnittswert deutscher MVA s in 2010 nach ITAD: Jahresbericht 2013, Seite 41 Grenzwert Messwert Grenzwert Messwert * Fukuyama Fukuyama Deutschland Deutschland < 11,1 1,1 5 0,6 < 63,44 3,1 50 8,6 < 114,0 84,3 150 (100) 103 < 41,63 4,1 50 10,6 < 0,06 0,000059 0,1 0,005 4.3.4. Schlacke Die in Tabelle 3 ausgewiesenen Messwerte der Schalckequalität zeigen, dass die in der Bekanntmachung Nr. 46 des japanischen Umweltministeriums geforderten Grenzwerte eingehalten und zu großen Teilen stark unterschritten werden. Die Schlacken werden ohne weitere Aufbereitung als Füllmaterial z.b. im Straßenbau eingesetzt. Einheit Grenzwert Messwert Grenzwert * Japan Fukuyama Deutschland Cd mg/l < 0,01 < 0,001 0,05 Pb mg/l < 0,01 < 0,005 0,2 Cr 6+ mg/l < 0,05 < 0,02 0,05 As mg/l < 0,01 < 0,005 0,2 T-Hg mg/l < 0,0005 < 0,0005 0,005 Se mg/l < 0,01 < 0,002 0,03 F mg/l < 0,8 < 0,08 5 B mg/l < 1,0 < 0,01 5 Tabelle 3: Vergleich Eluatwert der Schlackequalität * Deponieklasse I, AbfAblV, Anhang 1 Aus Sicht der japanischen Gesellschaft ist das Aufschmelzen der Aschen und Schlacken eine effektive Methode jedwede Umweltschädigung auszuschließen. Die limitierten Ressourcen, zu denen auch die begrenzten Deponieflächen zählen, begründen diese Herangehensweise. 5. Zusammenfassung Marktbesonderheiten haben Einfluss auf die Technologielandschaft führen aber letztendlich nicht zu signifikanten Unterschieden. Auch in Japan ist die Rosttechnologie die am weitesten verbreitete Technologie und auch heute werden noch MVA s auf Rostbasis gebaut. Deren Marktanteil bei den Beauftragungen in den Jahren 2010 bis 2015 beträgt 84 Prozent. Die Anlagengröße gleicht sich jedoch eher denen in Europa an. 104
Trends in der energetischen Abfallverwertung Mit dem Fokus auf Entsorgung und auch wegen der oft überdimensionierten Auslegung der Anlagen legen die japanischen Betreiber, anders als die Europäer, keinen großen Wert auf die Jahresbetriebsleistung. Sechs- bis siebentausend Betriebsstunden sind daher die Regel. Technische Gründe gibt es dafür nicht, denn die Technik ähnelt in Ihrem Design und den gewählten Parametern sehr denen in Europa. Die Abfallverbrennung mittels Verbrennungsrost stellt also weiterhin den bestverfügbaren Stand der Technik zur Behandlung von gemischten Restabfällen dar. Die Heterogenität der Abfälle ist die größte Hürde, sie macht recyceln ebenso schwierig wie sie alternative thermische Behandlungsverfahren kompliziert und teuer macht. Prof. Quicker sagt dazu: Keines der sogenannten alternativen Verfahren kann unter vergleichbaren Rahmenbedingungen eine ähnliche Leistungsfähigkeit und Flexibilität nachweisen. Alternative thermische Verfahren, die in wirtschaftlicher und gleichzeitig ökologischer Hinsicht mit den Maßstäben der Abfallverbrennung konkurrieren können, sind nicht verfügbar. Aufgrund der höheren Komplexität der alternativen Verfahren sind derartige Entwicklungen aus aktueller Sicht auch für die Zukunft nicht zu erwarten. Die Behandlung von gemischten Restabfällen sollte daher grundsätzlich den hierfür ausgelegten und bewährten Verbrennungsverfahren vorbehalten bleiben. [12] Selektives Recycling mit Blick auf qualitativ hochwertige Materialien in Verbindung mit einer effizienten thermischen Verwertung der nicht recycelten Stoffströme stellt die ökonomisch und ökologisch sinnvollste Kombination dar. Die neuen Recyclingziele der EU-Kommission, die im Rahmen der neuen Kreislaufwirtschaftsgesetzgebung angestrebt werden, untermauern dies noch einmal. Unabhängig davon bleibt festzuhalten, dass mit jedem Recyclingprozess eine Verschlechterung der Produkteigenschaften einhergeht und jeder Wertstoff eine endliche Lebensdauer hat. Dann ist es Zeit für eine effiziente energetische Verwertung. 6. Quellen [1] Bilitewski, B.; Krüger, T: Grenzen des Altpapierrecyclings. Vortrag, 2010, Nordhausen [2] BMUNR: Beitrag der Abfallwirtschaft zur nachhaltigen Entwicklung in Deutschland. In: UM- WELT 10/2004, S. I XXIV [3] Eckardt, J.: Anlagentechnik zur thermischen Verwertung von Abfällen Einflussgrößen für die optimale Auslegung und den bedarfsgerechten Anlagenbetrieb. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall Band 8. Nietwerder: TK Verlag Karl Thomé- Kozmiensky, 2011, S. 237-245 [4] Eckardt, J.; Grüner, G.: Das Baumgarte Konzept für Abfälle Rost und Kessel als Einheit. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall Band 6. Nietwerder: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2009, S. 79-95 [5] EUROSTAT 2012 [6] Friege, H.: Abfallwirtschaft und Ressourcen: Setzen wir die richtigen Prioritäten? In: Müll und Abfall 5-15 105
Jörg Eckardt [7] Friege, H.: Ressourcenmanagement und Siedlungsabfallwirtschaft. Challenger Report für den Rat für Nachhaltige Entwicklung, 10-2015 [8] Hoornweg, D.; Bhada-Tata, P.: What a Waste (Hrsg.: World Bank), 2012, Washington D.C. [9] http://www.euwid-recycling.de/news/wirtschaft/einzelansicht/artikel/arge-kreislaufwirtschaftstraeger-bau.html [10] ITAD: Jahresbericht 2013, Seite 41 [11] Lindner, C.: Kunststoffrecycling in Deutschland. Potentiale und Realität; https://www.itad.de/ information/studien/20130620/lindnerconsultic_kunststoffrecyclingindeutschland.pdf [12] Quicker, P.; Neuerburg, F.; Noël, Y.; Huras, A.: Sachstand zu den alternativen Verfahren für die thermische Entsorgung von Abfällen, 2014 [13] Suzuki, A.; Nagayama, S.: High Efficiency WtE Power Plantusing High-Temperature Gasifying and Direct Melting Furnace. In: JFE Engineering Corporation, Yokohama 2308611, Japan [14] Vaccani, A.; Asato, S.: Internationale Märkte für alternative Verfahren zur Behandlung von Haus- und Gewerbeabfällen und Strategien der wichtigsten Marktteilnehmer. In: Müll und Abfall 5-2015 [15] Vaccani; Zweig; Assosiates: European EfW Awards 2012 2015, Analyses für BBS Nov. 2015 [16] Vehlow, J.; Seifert, H.; Friege, R. E.: Japans Abfallmanagement im Strukturwandel. In: Müll und Abfall 5-15 [17] Wikipedia 106