Grundzüge Ökologische Systemanalyse Übungsblatt D: Wirkungsbilanz Diese Übung korrigieren wir auf Wunsch. Bitte Lösung bis zum auf der Homepage angegebenen Termin an die angegebene Adresse emailen oder in der Vorlesung dem Dozierenden abgeben. Aufgabe 1 (Wirkungsabschätzung) Nennen Sie drei verschiedene Methoden zur Wirkungsabschätzung und beschreiben Sie in Stichwor- ten die wichtigsten Charakteristiken und Unterschiede zwischen diesen Methoden bezüglich der Ge- wichtung von Wirkungskategorien. Aufgabe 2 (Wirkungsbilanz) Es soll eine Ökobilanz einer Biogasanlage durchgeführt werden. Zur Bilanzerstellung verwenden Sie die ökonomische Allokation. Der Input in die Anlage besteht aus jährlich 14 000 t biogenem Abfall, der nach mechanischer Aufbereitung in den Fermenter eingespiesen wird. Im Fermenter werden jährlich 1,2 Millionen m 3 Roh- Biogas produziert. 80 % des produzierten Rohgases werden in einem Blockheizkraftwerk verfeuert und zu Strom und Wärme umgewandelt. Die restlichen 20% Rohgas werden zu Erdgasqualität aufbereitet und als Treibstoff für Fahrzeuge verwendet. Das Rohgas hat einen Heizwert von 5.5 kwh pro m 3 Rohgas. Die Wirkungsgrade des Blockheizkraftwerks betragen 40% für die Elektrizität und 50% für Wärme. Der Fermenter hat einen Eigenbedarf an Wärme von 0.5 GWh pro Jahr. Die mechanische Aufbereitung, die Entwässerungs-Presse und die Biogasaufbereitung haben zusätzlich einen Eigenbedarf an Elektrizität von insgesamt 0,6 GWh jährlich. 1 GWh = 1 000 000 kwh; 1 kwh = 3,6 MJ Die jährlichen Emissionen der gesamten Anlage betragen: CH 4 -Emission [kg] 45 404.8 NH 3 -Emission [kg] 2646 N 2 O-Emission [kg] 186.2 Biogene CO 2 -Emission [kg] 527 968 Übung D Seite 1
a) Führen Sie eine Wirkungsabschätzung nach der Methode ReCiPe durch und berechnen Sie den Carbon footprint gemäss der unten angegebenen Faktoren. Welches sind die Hauptprob- leme der Anlage und welche Emissionen sollten daher möglichst verringert werden? Tab.: Wirkungsfaktoren Methode ReCiPe [Punkte/kg Emission] Methode Carbon footprint [kg CO 2-Aequivalente/kg Emission] Biogene CO 2 -Emission 0 0 CH 4 -Emission 2.9 23 NH 3 -Emission 1.59 0 N 2 O-Emission 13.7 296 b) Berechnen Sie die Allokationsfaktoren für alle Outputprodukte nach ökonomischer Allokati- on. Welches sind die Wirkungen pro kg entsorgtem biogenem Abfall, pro kwh Strom, pro kwh Wärme und pro kwh Treibstoff (aufbereitetes Biogas)? Tab.: Preise für die verschiedenen Output-Güter der Biogasanlage Produkt Bioabfallentsorgung Strom Wärme Biogas als Treibstoff Gärrest als Kompost Preis 0,2 Fr pro kg frischem Abfall 0,2 Fr pro kwh Strom 0,1 Fr pro kwh Wärme 0,15 Fr pro kwh Biogas wird gratis an Landwirte abgegeben c) Sie könnten durch Installation eines Biofilters die Abluft reinigen. Der Biofilter eliminiert 50% des Ammoniaks (NH 3 ) in der Abluft, welches aber zu einer Bildung von Lachgas (N 2 O) führt. Pro kg eliminiertem NH 3 entstehen 0,1 kg N 2 O. CO 2 und CH 4 werden nicht im Biofilter eliminiert. Würden Sie die Installation empfehlen? Übung D Seite 2
Aufgabe 3 (Interpretation) Die Entsorgungsmöglichkeiten von biogenen Abfällen sind sehr vielfältig. Grünschnitt, biogene Küchenabfälle, Metzgereiabfälle und Gartenabfälle werden heutzutage meistens in Kompostierwerken oder Vergärungsanlagen verarbeitet. Klärschlämme werden in Kehrrichtverbrennungsanlagen behandelt. Nun drängt eine neue Form der Verwertung von biogenen Abfällen auf den Markt: Die Hydrothermale Carbonisierung (HTC), bei der Biokohle produziert wird, die energetisch genutzt werden kann (z.b. in einer KVA). Die Hydrothermale Carbonisierung basiert auf dem natürlichen Prozess der Inkohlung, wobei organisches Material über lange Zeit in Kohle, Erdöl und Erdgas umgewandelt wird. Bei der hydrothermalen Carbonisierung läuft dieser Prozess in wenigen Stunden ab. Die funktionelle Einheit wurde wie folgt definiert: Verwertung von einer Tonne biogenem Abfall mit einer variablen Zusammensetzung aus Grüngutabfall und Klärschlamm. Nachfolgend werden die Vergärung und die Kompostierung mit der neuen hydrothermalen Carbonisierung verglichen. Die folgenden Abbildungen zeigen die Resultate der Wirkungsbilanzen. Hierbei wurde das Gutschriftenverfahren (Systemerweiterung) angewendet, wenn die Systeme mehr Leistungen/Produkte liefern als in der funktionellen Einheit definiert. Es wurden verschiedene Methoden gewählt (Carbon footprint und Eco-Indicator 99). Interpretieren Sie die Ergebnisse dieser Wirkungsbilanz (Abb. 1). Spielt es eine Rolle, welche Methode verwendet wird? Wie sind die Resultate der CO 2 -Emissionen zu interpretieren? Welche Technologie würden Sie anhand dieser Resultate empfehlen? Zusätzlich sind die Ergebnisse einzelner Prozessschritte abgebildet (Abb. 2 und 3). Identifizieren Sie problematische Prozessschritte und Verbesserungsmöglichkeiten. Nachfolgend werden zudem die Resultate der Sensitivitätsanalyse gezeigt (Abb. 4). Dargestellt sind die Umweltauswirkungen (als Eco-Indicator 99 Punkte) aus der Entsorgung von einer Tonne biogenem Abfall mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Es wird angenommen, dass sich der biogene Abfall aus Grüngutabfall (Grünschnitt und biogene Küchenabfälle) und Klärschlamm zusammensetzt. Interpretieren Sie die Sensitivitätsanalyse. Abb. 1: Vergleich der Entsorgungsmöglichkeiten von biogenen Abfällen. Angaben pro Tonne biogenem Abfall. Oben wird die Methode Carbon Footprint, unten wird die Methode Eco-Indicator 99 verwendet. Übung D Seite 3
Abb. 2: Detaillierte Resultate einzelner Prozessschritte (Eco-Indicator 99-points, pro t) Übung D Seite 4
Abb. 3: Detaillierte Resultate einzelner Prozessschritte (Carbon Footprint, pro t) Übung D Seite 5
Abb. 4: Summe der Umweltwirkungen aus der Entsorgung von 1 t biogenem Abfall mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Der biogene Abfall setzt sich zusammen aus einem Anteil Klärschlamm und einem Anteil Grüngutabfall (Grünschnitt, biogene Küchenabfälle). Übung D Seite 6