Monoverbrennung von Klärschlamm Ab welcher Größe ist das realistisch? Dr. Born - Dr. Ermel GmbH - Ingenieure Jörn Franck 19. März 2015
Gliederung Einleitung Verfahrensübersicht Anlagenbeispiele Wirtschaftlichkeit Zusammenfassung und Ausblick 2
Einleitung Quelle: http://www.spektrum.de/news/klaerschlamm-enthaelt-gold-fuer-millionen-von-euro/1328552; abgerufen 16.03.2015 3
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Aufgabenstellung Umweltaspekte Reduzierung potentieller Umweltgefahren, z.b. durch Überdüngung, Schwermetalle, persistente organische Verbindungen und andere Schadstoffe (z.b. Mikroplastik). Hygieneaspekte Medikamentenreste aus der kommunalen Abwasserbehandlungsanlage oder der Massentierhaltung können resistente Bakterienstämme enthalten, die über Umwelt und Nahrungsmittel in den menschlichen Organismus gelangen können. Aussage des Koalitionsvertrages Deutschlands Zukunft gestalten für die 18. Legislaturperiode die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken zu beenden und Phosphor und andere Nährstoffe zurück zu gewinnen (Phosphor-Recycling Verordnung). 5
Klärschlammentsorgung D Gesamtaufkommen Klärschlamm aus der kommunalen Abwasserbehandlung 2013: ca. 1,8 Mio. Mg TR Gesamtaufkommen Klärschlamm aus der nicht-öffentlichen Abwasserbehandlung 2010: ca. 1,7 Mio. Mg TR Deponierungsende 2005 durch TA Siedlungsabfall Derzeitige Aufteilung: 50 % stoffl. Verwertung in der Landwirtschaft 50 % therm. Verwertung in Verbrennungsanlagen Entwicklung der Klärschlammverwertungswege in Deutschland Quelle: UBA: Monitoring von Klarschlammaschen, UBA Texte 49/2014 6
Klärschlammentsorgung D Klärschlammverwertungswege in den Bundesländern Quelle: Wiechmann, B; Dienemann, Kabbe, Brandt, Vogel und Roskosch: Klärschlammentsorgung in der Bundesrepublik Deutschland, Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau, 2012 7
Klärschlammentsorgung Nds 2013 8
Potentieller Kapazitätsbedarf D Bundesland Bedarf TMgTR/a BW 100 B 85 BB 15 HB-NDS 175 HH-SH 20 HES 50 MV 20 NRW 15 RP 50 SL 20 SA 50 SA-A 30 THÜR 20 Summe 650 Entwicklung von Mono-Klärschlammverbrennungskapazitäten in Deutschland Quelle: Malms, Montag, Pinnekamp, Schmelz, v. d. Meer, Blöthe, Lehrmann, Eitner und Klett: Langzeitlagerung von Verbrennungsaschen, 27. Aachener Kolloqium für Abfall und Ressourcenwirtschaft, Aachen, 2014 9
Potentielle Anlagenstandorte D Bundesland Anzahl Anlagen BW 2 B 1 BB 0 HB-NDS 2 HH-SH 1 H 1 MV 1 NRW 1 RP 1 SL 1 SA 1 SAA 2 T 1 Summe 15 Ø 43 TMgTR/a Bestehende und mögliche Standorte für Mono- Klärschlammverbrennungskapazitäten in Deutschland Quelle: Malms, et al. Ebd, Aachen, 2014 10
Abwasserbehandlung Nds 11
Strategien Zeitgemäßer Ausstieg aus der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung durch: Kurzfristige Erweiterung der Nutzung vorhandener Klärschlamm- Mitverbrennungskapazitäten Mittelfristige Anpassung / Erweiterung der Kapazitäten bestehender thermischer Klärschlammbehandlungsanlagen Langfristiger Neubau von thermischen Mono- Klärschlammbehandlungsanlagen Parallele Prüfung der Umrüstung von bestehenden Abfallverbrennungsanlagen Übergangsfristen TA Siedlungsabfall 10 Jahre (1995 2005) Phosphor-Recycling-Verordnung 10 Jahre? (2016 2026) Ausgewogener Kapazitätszubau Vermeidung von Über-/Unterkapazitäten, Entsorgungssicherheit Wirtschaftlichkeit und Preisstabilität 12
Gliederung Einleitung und Ausgangslage Verfahrensübersicht Anlagenbeispiele Wirtschaftlichkeit Zusammenfassung und Ausblick 13
Anforderungen Brennstoff Massenreduktion durch Entwässerung und Trocknung Quelle: Lehrmann, F.: Überblick über die thermische Klärschlammbehandlung, UBA, 9/2013 Heizwerterhöhung durch Entwässerung und Trocknung Quelle: Lehrmann, F.: Überblick über die thermische Klärschlammbehandlung, UBA, 9/2013 14
Verfahrensübersicht - Thermische KS-Entsorgungswege Monobehandlung Verbrennungsverfahren λ > 1 Wirbelschichttechnologie ca. 75 % Thermische Klärschlammbehandlung Vergasungsverfahren λ > 0 Erzeugung von qualitativ hochwertigem Produktgas durch Umwandlungsprozesse Pyrolyseverfahren λ = 0 Kohlekraftwerke Thermochemische Spaltung organischer Verbindungen ohne zusätzlichen Sauerstoff Staubfeuerung Mitbehandlung Zementwerke Drehrohrofen Abfallbehandlung Rostfeuerung 15
Verfahrensübersicht Klärschlamm-Mitverbrennung Entwicklung der Klärschlamm-Mono- und -Mitverbrennung in Deutschland Quelle: Wiechmann, B.: Klärschlammbehandlung in Mono- und Mitverbrennungsanlagen Stand und Perspektiven, UBA, 9/2013 16
Verfahrensübersicht Andere Verfahren 17
Gliederung Einleitung und Ausgangslage Verfahrensübersicht Anlagenbeispiele Wirtschaftlichkeit Zusammenfassung und Ausblick 18
Konzeptentwicklung Klärschlamm Mengen, Qualitäten, zukünftige Entwicklung Verfügbarkeit / Entsorgungssicherheit Standort Flächenverfügbarkeit, Umgebungssituation Planungs- und Genehmigungsrecht, Infrastruktur, Anbindung Synergien Energie Energiebezug vs. Energieabgabe (Strom / Wärme) Wirtschaftlichkeit Ist-Kosten vs. Zukunftskosten Kooperationsmodelle Mengenpool Zusammenarbeit 19
Stationäre Wirbelschichtfeuerung Verbrennung ist eine Redoxreaktion, die unter Abgabe von Energie (exotherm) bei einem Sauerstoffverhältnis λ > 1 erfolgt Heizwert Klärschlamm >4.000 kj/kg zur autothermen Verbrennung (Entwässerung / Trocknung) Temperaturen in der Wirbelschicht 850 950 C Ascheaustrag bevorzugt über Rauchgaspfad Gestufte Verbrennung mit PL O2-Gehalt ~0 % & SL O2-Gehalt >>1 % Reduzierung von NOx-Bildung durch Primärluft (PL) Vollständige Verbrennung durch Sekundärluft (SL) Prinzipieller Aufbau einer stationären Wirbelschicht Quelle: Firma Eisenmann: Stationäre Wirbelschichtfeuerung. 20
Anlagenbeispiele Mono KVA 35.000 MgTR/a Abdeckung des Energieeigenbedarfs und Export Schlammannahme (entwässert) vom Klärwerk wie auch von Dritten Trocknung auf ca. 45 % TR Nutzung Brüden für Heizzwecke Aufbereitung Brüdenkondensat und Einleitung in KA Zweistufiger Verbrennungsofen Hochdruckdampfkessel für hohen Wirkungsgrad Feuerungsleistung: ca. 11 MW 12 t Dampf pro Stunde Abgasrezirkulation & Luftvorwärmung Nettostromabgabe: ca. 0,4 MW Abgasreinigung mit Partikelabscheider und quasi-trocken-verfahren 21
Anlagenbeispiele - Abgasreinigung Bewährte Anlagentechnik zur Einhaltung der Emissionsgrenzwerte nach der 17. BImSchV Partikelabscheidung mit E-Filter oder Zyklone zur Gewinnung von Aschen für P-Recycling Quasi-Trocken Verfahren auf Kalk-Basis Zugabe von geringen Mengen an Herdofenkoks zur Abscheidung von Schwermetallen und organischen Verbindungen 22
Anlagenbeispiele Mono KVA 2.000 MgTR/a Sicherung eines energieautarken Klärwerksbetriebes mit BHKW Schlammannahme nur vom Klärwerk Trocknung auf ca. 65 % TR Wärmezufuhr über Thermalölkessel Abdampfnutzung für Heizzwecke Zweistufiger Verbrennungsofen Zwangsdurchlauf-Thermalöl-Kessel für optimale Leistungsnutzung Feuerungsleistung: ca. 1 MW Abgasrezirkulation & Luftvorwärmung Stromerzeugung aus Kostengründen nicht vorgesehen Abgasreinigung mit Elektrofilter und quasi-trocken-verfahren 23
Anlagenbeispiele Skalierung von WS Anlagen Parameter / Faktor Großanlage Kleinanlage Feuerraumvolumen Groß Klein Leerrohrgeschw. 1 2 m/s 1 2 m/s Luftzugabe (PL, SL) Mehr Düsen Weniger Düsen Gasdurchmischung Brennstoffzugabe Wärmefreisetzung FR Hoher Impuls Mehrere Aufgaben Membranwände Geringerer Impuls Wenige Aufgaben Adiabate Kammer Links: 30 MWth Hong Kong Rechts: 1 MWth Raschka Engineering 24
Anlagenbeispiele CFD Simulation, Gasgeschwindigkeit 25
Anlagenbeispiele - Anlageneckdaten Parameter Einheit Wert Durchsatz gesamt Mg TR /a 35.000 2.000 Stündlicher Durchsatz Mg TR /h 4,40 0,250 TR-Gehalt, Mischung Ofeneintritt % 45 60 Feuerungswärmeleistung MW th 11 0,950 Luftvorwärmung C 120 200 Klemmenleistung Turbine MW el 1,4 - Stromabgabe Turbine, netto MW el 0,4 - Energiebedarf Trocknung MW th 7,0 0,430 Wasserverdampfung (Trocknung) t H2O /h 7,8 0,475 Branntkalkbedarf Rauchgasreinigung kg/h 115 12 HOK-Bedarf kg/h 5 0,2 Reststoffe zur Entsorgung t/a 1.800 480 Asche zur Verwertung t/a 15.500 930 26
Genehmigungsaspekte Anforderungen gemäß BImSchG, weil Abfallstoff Einstufung gemäß 4 BImSchG Neuanlage Förmliches Verfahren gemäß 10 BImSchG mit UVP gemäß UVPG Richtlinie über Industrieemissionen (IED-RL) seit Frühjahr 2013 maßgebend: Nr. 8.1.1.4, 4. BImSchV (Vereinfachtes Verfahren) Vorprüfung Einzelfall Umweltverträglichkeitsuntersuchung Anforderungen IED-Richtlinie: Boden-Ausgangszustandsbericht Einsatz der Best Verfügbaren Technik (BVT) Regelmäßige Umweltinspektionen durch die Behörde Es gelten die Anforderungen der 17. BImSchV Abgasemissionen/Betrieb Nach Vollständigkeit, 7 Monate Genehmigungszeitraum Vorgelagerte Genehmigungsvoraussetzungen prüfen: Planungsrecht - B-Plan / F-Plan (Aufstellungsfläche, Abfallanlagen ) Natur- und Artenschutz ggf. Nachbarschutz / Brandschutz 27
Gliederung Einleitung und Ausgangslage Verfahrensübersicht Anlagenbeispiele Wirtschaftlichkeit Zusammenfassung und Ausblick 28
Wirtschaftliche Eckdaten Investitionskosten Bautechnik Verfahrenstechnik E / MSR Technik Jahresbetriebskosten Personal Instandhaltung Betriebsmittel (z.b. Wasser, Abwasser, Chemikalien) Energie (Strom, Gas/Brennstoffe) Entsorgung (Analysen, Transport) Kapitaldienst Verwaltung (z.b. Versicherung etc.) Erlöse Energie (Strom und Wärme) 29
Wirtschaftlichkeit Investitions- und Betriebskosten Großanlage Kleinanlage Jahreskapazität 35.000 t TR /a 2.000 t TR /a Verfahrenstechnik 24.150.000 3.590.000 Bautechnik 5.150.000 880.000 E-MSR-Technik 2.250.000 1.130.000 Nettoherstellkosten 31.800.000 5.600.000 Nebenkosten 3.200.000 1.000.000 Nettoinvestition 35.000.000 6.600.000 Jahresbetriebskosten 5.490.000 1.020.000 Spezifische Kosten 157 /t TR 510 /t TR Alle Angaben netto Spezifische Kosten für kleinere Einheiten sind um ein vielfaches höher als für größere Einheiten Laut UBA-Umfage (2013) ist mit spezifischen Kosten bei der Monoverbrennung von 180 400 /MgTR für großtechnische Anlagen zu rechnen 30
Wirtschaftliche Potentiale Finanzierung (Zinsaufwendungen / Kapitaldienst) Standortsynergien (Personal) Stromkosten vs. Stromerlöse (Eigenversorgung / Markt) Wärmekosten vs. Wärmeerlöse (Fernwärmeauskopplung) Ascheverwertung (Deponiekosten) Phosphat-Rückgewinnung (Markt) (Ersatz)Brennstoffe (Markt) 31
Gliederung Einleitung und Ausgangslage Verfahrensübersicht Anlagenbeispiele Kosten Zusammenfassung und Ausblick 32
Zusammenfassung und Ausblick Die Bestrebungen zur Beendigung der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung erfordern zukünftig große Kapazitäten an thermischen Behandlungsanlagen für eine gesicherte Klärschlammentsorgung Koordination der Kapazitäten. Ein effektives Ausstiegsszenario beinhaltet kurzfristige, mittelfristige und langfristige Maßnahmen Mitverbrennung, Ausbau des Bestandes, Neubau. Die stationäre Wirbelschicht ist zurzeit das dominierende großtechnische Verfahren für die thermische Mono-Klärschlammbehandlung - die mehrstufige Verbrennung zeigt Vorteile beim Emissions- und Ausbrandverhalten. Mono-Anlagen ermöglichen die Phosphorrückgewinnung aus den Verbrennungsaschen. Kleinere und mittlere Klärschlammverbrennungen sind technisch realisierbar und entsprechen dem Stand der Technik von Großanlagen. Anlagengrößen ab 4.000 t TR /a sind aus wirtschaftlichen Überlegungen anzustreben ein Zusammenschluss von kommunalen Abwasserverbänden zu Entsorgungsgemeinschaften ist empfehlenswert. Die spezifischen Entsorgungskosten bei Kleinanlagen sind (noch) höher als bei Großanlagen - die Kosten liegen bei mittleren Anlagen im Bereich der Mitverbrennung. Der Ausbaustandard von Mono-KVA ist individuell festzulegen - eine Faulung vor der Verbrennung ist im Rahmen des Gesamtkonzeptes oftmals energetisch sinnvoll. 33
David gegen Goliath? Weltgrößte Anlage Hong Kong Entwässerter Klärschlamm 4x 45.000 MgTR/a Klein(st)e kommunale Anlage Entwässerter und getrockneter Klärschlamm 1x 2.000 MgTR/a 34
Thermische Klärschlammbehandlung in Hong Kong 35
Unsere Aktivitäten im Bereich Klärschlamm Studien Klärschlammentsorgungskonzepte Technische Konzepte für Klärschlammbehandlung Standortuntersuchungen und -vergleiche Anlagenplanung, -bau und -betrieb Alle Leistungsphasen der HOAI Bestandsuntersuchungen und Optimierung Projektmangement / Bauherrenunterstützung Forschung / Innovation Abwasserbehandlung der Zukunft - Energiespeicher in der Interaktion mit technischer Infrastruktur im Spannungsfeld von Energieerzeugung und -verbrauch. Aufgabenpaket thermische Klärschlammbehandlung. Vorträge / Publikationen Berliner Abfall und Energiekonferenz 2015 VKU Infotage 2015 zur neuen Klärschlammverordnung (19.05. in Berlin bzw. 09.06. in Frankfurt) 36
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit SMALL CAN BE BEAUTIFUL Finienweg 7 28832 ACHIM Tel: 04202-758 - 0 Email: be@born-ermel.de www.born-ermel.de 37