Ersatzbrennstoffe: Mitverbrennung in Zement- und Kohlekraftwerken in Europa

Ersatzbrennstoffe: Mitverbrennung in Zement- und Kohlekraftwerken in Europa Anna Esper Leoben, 06.11.2014 1

Inhaltsübersicht 1. Einleitung 2. Status quo der Mitverbrennung 3. Entwicklung der Mitverbrennung bis 2020 4. Fazit 2

1. Einleitung - Datenbasis - Als Basis für den Vortrag wurden im Wesentlichen die folgenden Quellen genutzt: trend:research Datenbank mit 13 Mio. Daten Anlagendaten Multi-Client-Studien, wie z. B. Der Markt für Mitverbrennung alternativer Brennstoffe in Zementwerken und Kohlekraftwerken in Europa bis 2020 Waste-to-energy 2030 (3. aktualisierte und erweiterte Fassung) Der Markt für Schlacken, Aschen und Filterstäube in der Abfallverbrennung bis 2020 (2. Auflage) trend:research seit 1997 in der Energiewirtschaft tätig mit derzeit ca. 50 Mitarbeitern über 600 Studien im Angebot mehr als 900 Referenzen, 90 % Marktabdeckung 4

1. Einleitung - Zielsetzung des Vortrags - Der Vortrag zeigt die aktuellen und zukünftigen Entwicklungen des Ersatzbrennstoffeinsatzes in Zement- und Kohlekraftwerken in ausgewählten Ländern Europas. Status quo: Einsatz alternativer Brennstoffe/ Ersatzbrennstoffe (Mengen, Anzahl Werke) Qualitätsanforderungen an Ersatzbrennstoffe Auswirkungen der Industrieemissionsrichtlinie auf die Mitverbrennung Marktentwicklung bis 2020: Einflussfaktoren Entwicklung der Mitverbrennung (Mengen und Preise) Ziel: Darstellung der Mitverbrennungspotenziale in Ländern mit unterschiedlich stark ausgeprägter Abfallwirtschaft bis 2020 unter den aktuellen und zukünftigen (technischen und rechtlichen) Rahmenbedingungen 5

1. Einleitung - Länderauswahl - In der Studie wurden exemplarisch zwölf europäische Länder mit unterschiedlicher Ausgangsposition analysiert. Länder mit hohem Mitverbrennungsanteil (z. B. Deutschland, Österreich) Länder mit entwickelter Abfallwirtschaft und relevanter Aufbereitungstechnik (z. B. Deutschland, Niederlande, Österreich, Schweden) EU-Länder, die sich hinsichtlich der Abfallwirtschaft noch im Umbruch befinden (Vereinigtes Königreich, Estland, Polen, Tschechien, Ungarn) Nicht EU-Länder, die sich hinsichtlich der Abfallwirtschaft noch im Umbruch befinden (Russland, Türkei, Ukraine) 6

1. Einleitung - Definition - Ersatzbrennstoffe Alle in Zement- und Kohlekraftwerken eingesetzten Brennstoffe, die keine Regelbrennstoffe sind und aus aufbereiteten nicht-gefährlichen Primärabfällen bestehen. Alternative Brennstoffe Alle in Zement- und Kohlekraftwerken eingesetzten brennbaren Stoffe, die keine fossilen Brennstoffe sind und nicht aus unbehandelten Primärabfällen bestehen (Ersatzbrennstoffe sowie weitere als Brennstoffersatz genutzte Stoffe wie Altreifen, Altöle, Klärschlamm, Lösemittel, gefährliche Abfälle und Abfälle aus Biomasse, jedoch keine Biomasse aus nachwachsenden Rohstoffen) Fluffiger Ersatzbrennstoff Grober Ersatzbrennstoff Einsatz von Altreifen im Zementwerk Quelle: LUBW, 2014 7

2. Status quo der Mitverbrennung - Behandlung kommunaler Abfälle - Die Umsetzung der Deponierichtlinie hat erheblichen Einfluss auf die Ausweitung der stofflichen und energetischen Verwertung und damit auch die Mitverbrennung. Hoher Deponierungsanteil in Osteuropa und UK Keine Deponierung, hohe Anteile an Verbrennung und Recycling in Nordund Westeuropa 9

2. Status quo der Mitverbrennung - Nachfrage - Hohe Kosten für fossile Brennstoffe und für den Klimaschutz führen zu einer verstärkten Nachfrage nach alternativen Brennstoffen. Verringerung der Betriebskosten (geringerer Primärbrennstoffbedarf, weniger Emissionszertifikate) Steigende Instandhaltungskosten (erhöhte Konzentration von Chlor, Schwefel und Alkalien) Viele Kohlekraftwerke verzichten auf alternative Brennstoffe oder substituieren nur einen geringen Anteil des Primärbrennstoffs Technische Gründe (Korrosionsgefahr im Dampferzeuger, Verschlackung) Einhaltung gesetzlicher Emissionsgrenzwerte In einigen Ländern wird verstärkt auf Biomasse oder Klärschlämme als Energiequelle gesetzt (z. B. Ungarn, Vereinigtes Königreich) Aufbereitete Abfälle werden vergleichsweise eher selten genutzt (v. a. in Deutschland) 10

2. Status quo der Mitverbrennung - Nachfrage - Aufgrund der angespannten Kostenstruktur in der europäischen Zementindustrie nimmt der Anteil abfallstämmiger Brennstoffe kontinuierlich zu. Die Verbrennung in Zementwerken ist für eine breites Band an Abfällen, darunter auch bestimmte Sonderabfälle geeignet Technisch einfach in den Brennprozess einzubinden sind Altreifen (als Ganzes oder geschreddert) Einige Zementwerke beziehen nur bestimmte Fraktionen aufbereiteter Abfälle (z. B. Kunststoffe oder Papier) 11

2. Status quo der Mitverbrennung - Anforderungen - Durch die hohen Temperaturen (1.250 bis 1.450 C) erfolgt eine rückstandslose Verbrennung der Abfallstoffe; die Asche wird komplett in das Produkt eingebunden. Die Anforderungen an die alternativen Brennstoffe unterscheiden sich je nach: Produktionsverfahren (nass, trocken) Einsatz im Brennprozess (Primär-, Sekundärfeuerung, Calcinator) Rauchgasreinigung Kriterium Anforderung Heizwert (Brennstoffgemisch) 19 bis 25 MJ/kg Feuchtgehalt 10 bis 25 M.-% bevorzugte Kornform 2-dimensionale Partikel Korngröße: 2-dimensionales Material max. 30 mm Kantenlänge, 3-dimensionales Material max. 20 mm Durchmesser Schüttdichte 0,1 bis 0,2 t/m3 (Quelle: www.vdz-online.de) sechs wichtige Voraussetzungen für den Einsatz von Ersatzstoffen: 1. Der Einsatz jedes einzelnen Stoffes ist behördlich genehmigt 2. Die Inhaltsstoffe der Ersatzbrenn- und Ersatzrohstoffe sind kontrolliert 3. Die Emissionen des Zementwerks werden nicht nachteilig beeinflusst 4. Die Produktqualität bleibt konstant hoch 5. Die Stabilität des Herstellungsprozesses wird gewahrt 6. Die Mitarbeiter dürfen durch den Einsatz von Ersatzstoffen nicht gefährdet werden (Quelle: Holcim (Süddeutschland) GmbH) 12

2. Status quo der Mitverbrennung - Übersicht Untersuchungsraum - Die Mitverbrennung fällt in den Kohlekraftwerken deutlich geringer aus als in Zementwerken, fünf Länder sind in diesem Bereich gar nicht aktiv (%) Mitverbrennung in Zementwerken (2010): (%) (%) 13

2. Status quo der Mitverbrennung - Beispiel: Österreich - Der Ersatzbrennstoffeinsatz bildet einen festen Bestandteil der Zementindustrie (72,4 % am Energieeinsatz). Eine hundertprozentige Substitution ist angestrebt. 9 Zementwerke mit Klinkerproduktion (Gesamtkapazität: ca. 5,1 Mio. t/a) EBS-Einsatz 2013: 483.694 t Nur ein Kohlekraftwerk verwendet Klärschlämme aus kommunalen Kläranlagen (< 5%) Quelle: VÖZ, Zeitreihe 14

2. Status quo der Mitverbrennung - Beispiel: Polen- Die Zementindustrie ist in Polen der Hauptnachfrager nach aufbereiten Abfällen, während Kohlekraftwerke (noch) keine EBS einsetzen. Zementwerke 13 Zementwerke, davon 6 mit EBS-Einsatz 3 Werke internationaler Hersteller haben einen Mitverbrennungsanteil von 45 % 2009: Mitverbrennung von ca. 750.000 t Modernisierung (z.b. Trockenverfahren) Mangel an Aufbereitern: Importabhängigkeit für EBS in ausreichender Qualität bei steigender Nachfrage Kohlekraftwerke Kein EBS-Einsatz, da die Rauchgasreinigungsanlagen die Grenzwerte für die Mitverbrennung nicht einhalten (fehlende Stufe zur NOx-Abscheidung) 2016: Übernahme der IED in polnisches Recht ( Nachrüstung der Rauchgasreinigung) 15

2. Status quo der Mitverbrennung - Beispiel: Russland - Aufgrund der kaum entwickelten Abfallwirtschaft findet eine Mitverbrennung nur in wenigen Anlagen (ausschließlich Zementwerke) statt (Anteil jeweils < 10 %). Abfall wird häufig ohne Vorsortierung deponiert: Kein System zur getrennten Abfallsammlung Fehlen eines klaren rechtlichen Rahmens samt Vollzug Niedrige Gebühren für die Abfallentsorgung Deponierung ist deutlich günstiger als Recycling oder eine weitere stoffliche oder energetische Verwertung (inkl. Aufbereitung) Bezug der nötigen Qualitäten zur Mitverbrennung ist schwer, da nur wenige Unternehmen in der Aufbereitungsbranche tätig sind. Im russischen Müll ist alles drin, nur nicht das, was man für die Mitverbrennung braucht (Interviewaussage) Die meisten Zementwerke arbeiten immer noch mit dem nassen Produktionsverfahren In Kohlekraftwerken werden keine alternativen Brennstoffe verwendet (technische Gründe, fehlende Abfallstoffe) 16

3. Entwicklung der Mitverbrennung bis 2020 - Marktmodell: Prämissenübersicht - Die Prognose der Mitverbrennungsmengen in den einzelnen Ländern erfolgt auf Basis von Prämissen, die mittels einer Kombination aus Expertenbefragung und Szenariotechnik bewertet werden. 18

3. Entwicklung der Mitverbrennung bis 2020 - Zementwerke - Im Referenzszenario wird davon ausgegangen, dass die Mitverbrennungsmengen in allen betrachteten Ländern etwa um das Doppelte steigen werden (+ 6,3 Mio. t). 19

3. Entwicklung der Mitverbrennung bis 2020 - Kohlekraftwerke- Im Referenzszenario wird die Mitverbrennung um etwa ein Viertel (von etwa 0,8 Mio. t in 2010 auf etwa 0,6 Mio. t in 2020) zurückgehen. 20

3. Entwicklung der Mitverbrennung bis 2020 - Beispiel: Österreich - In allen drei Szenarien wird davon ausgegangen, dass sich der Trend fortsetzt, die Mitverbrennungsanteile in der Zementindustrie zu erhöhen. Eine hundertprozentige Substitution wird im Referenzszenario (2020) und in Szenario 3 (2018) erreicht, Szenario 1 geht von 95 % aus Zudem steigt die Klinkerproduktion und damit die Mitverbrennungsmenge durch eine positive Entwicklung der Baukonjunktur Die Mitverbrennung alternativer Brennstoffe in Kohlekraftwerken ist nicht relevant 800,0 700,0 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0 2010 2011 2012 Entwicklung der Mitverbrennungsmengen in Zementwerken und deren Preise in Österreich Szenario 1 Referenzszenario Szenario 3 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 120 100 80 60 40 20 0 Mengen alternativer Brennstoffe (in Tsd. t/a) Preisindex (2010=100) 21

3. Entwicklung der Mitverbrennung bis 2020 - Beispiel: Polen - Die Mitverbrennung wird in Zementwerken weiterhin zunehmen und einige Kohlekraftwerke werden durch die Erneuerung der Rauchgasreinigung EBS einsetzen. Defizite an alternativen Brennstoffen sind möglich, wenn Deutschland und andere Länder ihre Ausfuhr reduzieren Die Umsetzung der Industrieemissionsrichtlinie bewirkt, dass einige Braunkohlekraftwerke auf den Einsatz von EBS ausgelegt werden 400 350 300 250 200 150 100 50 0 2010 2011 2012 Entwicklung der Mitverbrennungsmengen in Kohlekraftwerken und deren Preise in Polen Szenario 1 Referenzszenario Szenario 3 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 120 100 80 60 40 20 0 Mengen alternativer Brennstoffe (in Tsd. T) Preisindex (erstes Jahr=100) 22

3. Entwicklung der Mitverbrennung bis 2020 - Beispiel: Russland - Bei der Mitverbrennung alternativer Brennstoffe in Zementwerken wird mit einem starken Anstieg, ausgehend von einem niedrigen Niveau gerechnet. 2011: ca. 390.000 Tonnen in Zementwerken Das russische Unternehmen Eurocement als Hauptmarktakteur plant keinen Einsatz alternativer Brennstoffe Krimcement sowie internationale Produzenten (Holcim, Dyckerhoff, HeidelbergCement) planen einen Einsatz bzw. eine Steigerung der Mengen Die Mitverbrennung in Kohlekraftwerken spielt weiterhin keine Rolle 4.000 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 500 0 2010 2011 2012 Entwicklung der Mitverbrennungsmengen in Zementwerken und deren Preise in Russland Szenario 1 Referenzszenario Szenario 3 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 140 120 100 80 60 40 20 0 Mengen alternativer Brennstoffe (in Tsd. T) Preisindex (2010=100) 23

3. Entwicklung der Mitverbrennung bis 2020 - Markttrends - Als wesentlicher Markttrend im Untersuchungsraum wurde der Anstieg der Mitverbrennung identifiziert (47 % der Befragten). Welche Markttrends werden die Branche in naher Zukunft beeinflussen? (n=38) Zunahme der Mitverbrennung 18 Zunahme der Abfallverbrennungsanlagen 6 Zunehmende Preise für Primärbrennstoffe Änderungen in der Gesetzgebung Verknappung an alternativen Brennstoffen/ unsicherer Markt Zunahme der Aufbereitung Keine Änderung (z.b. Nachfrage nach alternativen Brennstoffen) Konkurrenz zwischen Mitverbrennung und Recycling Weitere Keine Angabe 6 4 4 4 3 2 11 6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Mehrfachnennungen möglich (N=64) 24

3. Entwicklung der Mitverbrennung bis 2020 - Markttrends - In erster Linie werden Modernisierungsmaßnahmen ergriffen (Rauchgasreinigung, Übergang vom Nass- zum Trockenverfahren, Calcinator) Welche Trends erkennen Sie bezüglich der Technologien? (n=38) Verbesserung der Rauchgasreinigung 13 Zunahme der Mitverbrennung 9 Zunahme/ Verbesserung der Aufbereitung Aufrüstung zum Einsatz minderwertigerer Qualitäten Umstellung auf das trockene Verfahren (Zementwerke) Effizienzsteigerung Keine technischen Entwicklungen erkennbar Weiterentwicklung in allen Anlagenbereichen Weitere Keine Angabe 7 5 4 2 3 3 3 5 0 2 4 6 8 10 12 14 Mehrfachnennungen möglich (N=54) 25

4. Fazit In Osteuropa und dem Vereinigten Königreich besteht Nachholbedarf Insgesamt steigende Zahl an Aufbereitungsanlagen und zunehmende Aufbereitungstiefe (deutliche Unterschiede zwischen den Ländern, u.a. auch Vorbehandlung für Export) Der Modernisierungsgrad ist in den osteuropäischen Ländern geringer und schränkt die Mitverbrennung ein (z.b. fehlende Rauchgasreinigung, nasses Produktionsverfahren) V. a. Zementwerke eignen sich für ein breites Band alternativer Brennstoffe mittlere EBS-Einsatz in Osteuropa zumeist unter zehn Prozent Deutschland, Österreich und die Niederlande erreichen im Durchschnitt Anteile von über 60 % Aufgrund des Preis- und Wettbewerbsdrucks ist mit einem steigenden EBS-Einsatz in Zementwerken zu rechnen In Kohlekraftwerken ist der Trend insgesamt eher rückläufig (technische Gründe) 27

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BACKUP Wirtschaftskraft und Abfallaufkommen 31

BACKUP Eine Rauchgasreinigung ist zur Mitverbrennung unerlässlich, ihr Fehlen ist ein wesentlicher Hinderungsgrund zum Einsatz alternativer Brennstoffe (z.b. in Polen). Entstickung (hier: Stufe 1) Primärmaßnahmen verringern schon während der Dampferzeugung die Bildung von thermischem NO (Stickstoffmonoxid), Sekundärmaßnahmen reduzieren den NOx-Anteil im Abgas während der Rauchgasreinigung. Entstaubung (hier: Stufe 2) Bei der Entstaubung werden die Staubpartikel fast gänzlich aus dem Rauchgas entfernt. Mechanische Staubabscheider (Gewebefilter/ Schlauchfilter) nutzen die Fliehkraft oder auch die filternde Wirkung von Stoffen, Elektrofilter machen sich die Kraftwirkung elektrischer Felder zu Nutze. Entschwefelung (hier: Stufe 3) In der Rauchgasentschwefelungsanlage wird das Schwefeldioxid weitestgehend entfernt (Entschwefelungsgrad von 95 bis 97 %). Grundsätzlich sind drei Verfahrensarten zur Entschwefelung zu unterscheiden (Nassverfahren, Trockenverfahren, Additivverfahren) Quelle: http://www.gkk-kiel.de 32

BACKUP 2012 wurden in Deutschland ca. 3,1 Mio. Tonnen Sekundärbrennstoffe eingesetzt, was einem Anteil von ca. 61 Prozent am Gesamtbrennstoffeinsatz entspricht. Der Anteil an alternativen Brennstoffen, der eingesetzt werden kann, richtet sich nach der im jeweiligen Werk vorhandenen Anlagentechnik. Einige Zementwerke erreichen über 90 Prozent, andere liegen deutlich unter dem Mittel 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Sekundärbrennstoff [1.000 t] Reifen 225 247 290 288 265 289 266 245 253 286 234 Altöl 125 116 100 92 69 85 80 73 61 66 56 Fraktionen aus Industrie-/Gewerbeabfällen, davon: 471 626 863 1.152 1.370 1.595 1.548 1.652 1.602 1.643 1.819 Zellstoff, Papier und Pappe 43 156 218 273 244 263 150 175 133 63 96 Kunststoff 128 177 229 309 363 452 460 556 527 474 474 Verpackungen 64 9 13 3 0 0 0 1 0 0 0 Abfälle aus der Textilindustrie 5 15 2 0 9 0 2 9 11 10 3 Sonstige 231 269 401 567 754 907 936 911 931 1.096 1.246 Tiermehle und -fette 380 452 439 355 317 293 231 204 182 187 176 Aufbereitete Fraktionen aus Siedlungsabfällen 106 155 157 198 212 186 220 188 287 336 352 Altholz 63 48 42 42 14 13 12 13 8 8 8 Lösungsmittel 41 48 72 101 93 100 102 81 98 104 96 Bleicherde 15 20 11 11 4 0 0 0 0 0 0 Klärschlamm 0 4 48 157 238 254 267 263 276 Quelle: 304 VDZ, 2012 310 Sonstige (z.b. Ölschlamm,Destillationsrückstände) 12 17 20 28 32 90 175* 78 146 125 54 Summe 1.438 1.733 2.042 2.424 2.614 2.932 2.726 2.797 2.913 3.059 3.105 Anteil am Brennstoffenergieeinsatz (%) 35,0 38,0 42,0 49,0 50,0 52,0 54,0 58,0 61,0 61,0 61,0 33 Quelle: nach Daten des VDZ