Neuplanung und Realisierung von Klärschlamm-Monoverbrennungsanlagen

Neuplanung und Realisierung von Klärschlamm-Monoverbrennungsanlagen Dipl.-Ing. Jörn Franck Dr. Born - Dr. Ermel GmbH Ingenieure 28832 Achim jf@born-ermel.de +49 4202 758-744

Inhalt Einführung Die dezentrale / zentrale KVA Rügen Das Großprojekt der TVM in Mainz Das Erweiterungskonzept ZVK Steinhäule / Neu-Ulm Zusammenfassung und Ausblick

Worum es geht Ca. 310 Mio m³/a Gülle Ca. 800.000 t TS /a Klärschlamm Ca. 200 Mio m³/a Gärreste > 500 Mio m³/a LNF: 16,7 Mio. ha 30 m³/a*ha = 3 l/a*m²

Worum es (auch) geht Phosphor-Recycling; Aussage des Koalitionsvertrages Deutschlands Zukunft gestalten für die 18. Legislaturperiode die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken zu beenden und Phosphor und andere Nährstoffe zurück zu gewinnen (AbfKlärV) Hygieneaspekte; Medikamentenreste aus der kommunalen Abwasserbehandlung oder der Massentierhaltung können zu resistenten Bakterienstämmen führen, die über Umwelt und Nahrungsmittel in den menschlichen Organismus gelangen können Umweltaspekte; z.b. durch Überdüngung, Schwermetalle, persistente organische Verbindungen und andere Schadstoffe (z. B. Mikroplastik)

Klärschlamm in den Bundesländern Gesamtaufkommen aus der kommunalen Abwasserbehandlung 2013: ca. 1,9 Mio. Mg TS Gesamtaufkommen aus der nicht-öffentlichen Abwasserbehandlung 2010: ca. 1,7 Mio. Mg TS Derzeitige Entsorgung: Ca. 40 % stoffl. Verwertung in der Landwirtschaft Ca. 60 % therm. Verwertung in Verbrennungsanlagen Neu-Ulm Mainz Klärschlammverwertungswege in den Bundesländern Quelle: Statistisches Bundesamt: Abwasser und Klärschlamm in Deutschland statistische Betrachtungen, Korrespondenz Abwasser, Abfall 2014 (61) Nr. 12 Rügen

Status Quo der Thermischen Klärschlammbehandlung Möglichkeit thermische Klärschlammentsorgung Mitverbrennung in Kohlekraftwerken, Zementwerken oder Abfallverbrennungsanlagen Mono-Klärschlammverbrennungsanlagen Aspekte der Mitverbrennung Limitierung von Kontingenten aufgrund genehmigungsrechtlicher und /oder betrieblicher Vorgaben einzelner Standorte Kapazitätseinschränkungen durch Energiewende (Abkündigung von Kraftwerken) Wirtschaftliche Aspekte der Entsorgung (Transport, Aufbereitung, Qualitäten) Mono-Klärschlammverbrennungsanlagen Effektive Schadstoffsenke für den Klärschlamm Prioritärer Weg der Phosphorrückgewinnung aus der Verbrennungsasche Effiziente Nutzung des im Klärschlamm enthaltenen Energiepotentials Wirtschaftlich unabhängig von steigenden Entsorgungspreisen, somit hohe Entsorgungssicherheit

Verfahrensübersicht - Thermische Klärschlammbehandlung 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, zirkulierende Wirbelschicht Mitbehandlung Zementwerke Drehrohrofen Abfallbehandlung Rostfeuerung

Anlagenreferenzen in Deutschland Verfahren Referenzen Größenordnung Anbieter Stationäre Wirbelschicht ca. 20 realisierte Anlagen 4.000 bis 95.000 t TS /a Diverse Vergasung ca. 3 Anlagen: Balingen, Mannheim, Koblenz 2.300 5.000 t TS /a z. B. Sülzle- Kopf Pyrolyse Modulare Konzepte mit wenigen Anwendungen im Klärschlammbereich 3 Anlagen: Versuchsanlage Dörth, Linz- Unkel, Homburg (im Bau), Emmerich (in Planung) Im Bereich von 1.000 t TS /a z. B. Pyreg, Pyromax, Thermosyst ems

Wirbelschichtverfahren Klärschlamm-Monoverbrennung Standort Nom. TS Anzahl Trockner Kapazität Gehalt Öfen t TS /a % J/N (Art) Inbetriebnahme 1. Berlin-Ruhleben 84.100 26 3 N 1985 2. Bitterfeld-Wolfen* 15.200 25 1 J (S) 1997 Aktivitäten? Neubau Wassmannsdorf, Ertüchtigung Ruhleben angedacht Neuer Ofen für kommunalem Klärschlamm angedacht 3. Bonn 8.000 23,5 2 N 1981 Unbekannt 4. Bottrop 44.000 40 2 N 1991 Unbekannt 5. Düren 14.000 40 1 J (S) 1975 Unbekannt 6. Elverlingsen-Werdohl 61.320 28-32 1 N 2002 Stand-alone Konzept wegen KW Abschaltung in Umsetzung 7. Frankfurt am Main 52.560 28 4 Intern 1981 Neubauplanung vergeben 8. Gendorf* 10.000 20-35 1 J (S) 2006 Unbekannt 9. Hamburg 78.840 40 3 J (S) 1997 Erweiterungsplanung angedacht 10. Herne 22.200 25 1 N 1990 Unbekannt 11. Karlsruhe 20.000 25 2 J (S) 1982 Linie 2 erneuert, Linie 1? 12. Lünen 95.000 25 1 N 1997 Unbekannt 13. München 22.000 25 2 J (S) 1997 Neubauplanung nach umfangreichen Machbarkeitsstudien angedacht 14. Stuttgart 32.000 25 2 J (D) 2007 Ertüchtigung WSO 2, Planung vergeben 15. Neu-Ulm 16.000 25 2 J (D) 1979 Neubauplanung 3 Linie, vergeben 16. Wuppertal 32.000 25 2 J (D) 1977 Neubauplanung nach umfangreichen Machbarkeitsstudien angedacht Quelle: UBA (2012) *Verbrennen kommunalen und industriellen Klärschlamm

Abwasserbehandlung in Mecklenburg-Vorpommern Gesamtaufkommen Klärschlamm aus der kommunalen Abwasserbehandlung 2013: ca. 35.000 Mg TR /a Davon in M-V landwirtschaftlich genutzt ca. 32.000 Mg TR /a Aus anderen Bundesländern ca. 10.000 Mg TR /a Aufbau einer zentralen KVA im Raum Rostock durch die Klärschlamm-Kooperation MVP GmbH Kommunale Abwasserbeseitigung in Mecklenburg Vorpommern, Lagebericht 2015 Quelle: Landesamt für Umwelt, Naturschutz und Geologie, Güstrow 7/2015

Klärschlammentsorgung ZWAR Rügen Schlammaufbereitung Entwässerung teilweise dezentral durch Zentrifugen TS-Gehalte zwischen 21% und 25% Mengenströme und Entsorgungswege Klärschlamm Co- Vergärung in Biogasanlage Landwirtschaftliche Verwertung des Gärrestes Entsorgungskosten (netto) Entwässerter KS 30 /tts Transport 14 /t (ca. 8 km) Rechengut thermische Verwertung Strandgut Kompostierung Gutachten / Studien Verwertungsarten /-technik Entsorgungsgebiete Nur Rügen (2001) Region Vorpommern und Rügen gemeinsam (2005) Nur Rügen (2006) Gespräche mit Betreibern Mora, Bruneck, Bad Vösslau, Gifhorn und Balingen Test in KVA Neu-Ulm (Algen) Insel-Lösung Autarke Lösung zur thermischen Verwertung des Klärschlamms für und auf der Insel Rügen

Standorte Kläranlagen Rügen ZKW Bergen

Anlagenkonzept Rügen Kombiniertes Schlammbehandlungsverfahren Schlammfaulung mit Gasspeicher Schlammentwässerung und -trocknung Thermische Schlammbehandlung in stationärer Wirbelschicht Abgasreinigung im quasi-trocken Verfahren Energienutzung Faulgasnutzung in BHKW-Motor Strom und Wärme für KA Standort Wärme aus Klärschlammverbrennung Trocknung des KS für autotherme Verbrennung Reststoffe Asche aus Verbrennung für mögliches späteres P-Recycling Reststoffe aus Abgasreinigung zur externen Entsorgung

Anlageneckdaten Parameter Einheit Wert Faulung Durchsatzleistung m³/d 120 Gasmenge m³/h 110 Energieerzeugung (BHKW) kw el. 330 Energieerzeugung (thermisch) kw th. 360 Verbrennung Brennstoffmenge (Klärschlamm, Rechengut, Strandgut) Mg TS /a 2.000 Durchsatzleistung Ofen kg TS /h 180-270 TR-Gehalt, Mischung Ofeneintritt % ca. 55 Feuerungswärmeleistung MW th 0,900 Luftvorwärmung C 245 Verbrennungsasche (nutzbar) t/a ca. 800 Rückstandsmenge (Deponie) t/a ca.500

Genehmigungsverfahren Genehmigung gemäß 4 BImSchG für Neuanlage Einstufung V nach Spalte 8.1.1.4, Anhang 1, 4. BImSchV, da Durchsatz < 3 t/h Vereinfachtes Verfahren ( 19) Einstufung A nach Nr. 8.1.1.3 Spalte 2; allgemeine Vorprüfung des Einzelfalles zur UVP nach UVPG Es gelten die Anforderungen der 17. BImSchV für die Abgasemissionen und den Betrieb

Aufstellungskonzept Monoverbrennung Faulung BHKW Gasspeicher

Anlagenkonzept Faulung Faulreaktor Gasspeicher Notfackel Co-Substrat Dick- Schlamm BHKW Roh- Schlamm Eindicker Entwässerung

Anlagenkonzept Verbrennung Gewebefilter Trockner Ofen E-Filter Kessel

Konzept Wirbelschichtofen TR-Gehalt vor Ofen Ca. 55 % Temperaturen Wirbelschicht <750 C Freibord >850 C Gestufte Verbrennung PL O2-Gehalt λ ~0,45 SL O2-Gehalt λ > 1,2 Reduzierung von NOx Verbessertes Teillastverhalten Brennstoffaufgabe Abgasaustritt Nachbrennkammer Sekundärluftzugabe Primärbrennkammer Anfahrbrennkammer, Primärluft-, Reziluftzugabe

Ausschreibungsverfahren Los Nr. Los / Titel Abfrage Angebote Preisspanne [Mio. gerundet, netto] 1 Bautechnik 12 3 3,3 3,9 2 Maschinentechnik Faulung inkl. Entwässerung und Trocknung 19 6 2,4 3,7 3 BHKW-Motorenanlage 18 4 0,39 0,48 4 Klärschlammverbrennu ng inkl. Abgasreinigung 16 5 4,3 7,2 5 EMSR-Technik 5 4 0,92 1,34

Kostenrahmen Leistungen Kosten [, netto] Bauleistungen 2.700.000 Maschinentechnik Faulung 2.000.000 Blockheizkraftwerk 300.000 Verbrennungstechnik 3.600.000 Elektro- und Leittechnik 900.000 Standortinfrastruktur und Auftragsabwicklung 1.800.000 Gesamtsumme 11.300.000

Projektrealisierung Baufeldfreimachung III/2015 Grundsteinlegung 27.11.2015 IBN Faulung IV/2016 IBN Gesamtanlage II-III/2017 Projektstand 10/2016

Klärschlammentsorgung 2014 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 68 25 35 50 42 39 sonstige Verwertung Landbau Landwirtschaft Thermische Entsorgung

Bedarf an Mono-Verbrennungskapazität Rheinland Pfalz 50.000 t TS /a Hessen 50.000 t TS /a Saarland 20.000 t TS /a Summe: 120.000 t TS /a

Standortprüfung Mainz

Gründung der TVM

Wer liefert zur TVM GmbH

Anlagenkonzept - Schlammmengen Herkunft Klärschlamm ZKW Mainz Klärschlamm ZKW Kaiserslautern Konsistenz Trockensubstan z (%) Massenstrom trocken (Mg TS /a) Massenstrom feucht (Mg/a) entwässert 26 6.000 23.080 entwässert 26 2.470 9.500 Fremdschlamm Granulat 90 2.000 2.220 AVUS entwässert 23 2.000 8.700 Fremdschlamm entwässert 23 25.040 108.870 Durchsatz, gesamt 37.510 152.360

Anlagenkonzept - Aufstellungsort Anlagenstandort

Anlagenkonzept TVM Mainz Energieerzeugung Turbine Annahme, Lagerung und Aufbereitung Luft-Kondensator Warme Abluft Brüden zum ZKW Schlamm ZKW Schlamm KL Fremd- Schlamm, entwässert Schlamm- Annahmehalle Entwässerung Schlammbunker Stapelbereich Schlamm Trocknung Wirbelsand Harnstoff Abhitzekessel Economiser Überhitzer Verdampfer Sorbenssilo Elektro- Filter Wasser Quenche Gewebefilter Kamin Abluft Wirbelschichtofen Luftkammer Fremd- Schlamm, getrocknet Trockengutsilo Aschesilo Aschesilo Reststoffsilo Thermische Behandlung Stromerzeugung LKW- Abfuhr LKW- Abfuhr

Anlagenkonzept Schlammannahme / Lagerung

Anlagenkonzept Wirbelschichtofen / Kessel Zwei-stufiger Ofen Primärluft: 0,5 fache Menge der minimalen Verbrennungsluft Sekundärluft: 1,2 fache Menge der minimalen Verbrennungsluft Rezi-Luft: Erzeugung Wirbelbett Keine SNCR-Anlage (Verbrennungstemp. < 1.000 C, NOx) Vorteil: Vergleichsweise niedriger Strombedarf (Gebläsetechnik) geringere NOx-Bildung (< 50 mg/m 3 N,tr) Hochdruck-Dampf-Kessel 65 bar/450 C für Turbine und 3,5 bar/190 C für Trocknung Nachbrennkammer Wirbelbett

Anlagenkonzept Abgasreinigung Allgemein: Abscheidung Schadstoffe, Schwermetalle, Dioxine, Furane aus Abgas Stand der Technik: Quelle: Abgasreinigung für Mono-Klärschlammverbrennungsanlagen, M. Gutjahr, K. Niemann

Abgasreinigungsverfahren Trockenes Verfahren

Anlagenkonzept Emissionsgrenzwerte Parameter Einheit Beantragte Tagesmittelwerte 17. BImSchV Tagesmittelwerte Gesamtstaub mg/m 3 N,tr 5 10 Kohlenmonoxid mg/m 3 N,tr 50 50 Schwefeldioxid mg/m 3 N,tr 40 50 Stickstoffmonoxid mg/m 3 N,tr 150 200 Quecksilber mg/m 3 N,tr 0,02 0,03 Ammoniak mg/m 3 N,tr 10 30 Cadmium u. Thallium mg/m 3 N,tr 0,05 0,05 Arsen mg/m 3 N,tr 0,05 0,05 Dioxine u. Furane ng/m 3 N,tr 0,05 0,10

Sachstand Genehmigung 14/07 - Erhalt der BImSchG-Genehmigung von SGD 14/09 - Eingang Widersprüche / Widerspruchsbearbeitung 15/03 - Klage beim Verwaltungsgericht Mainz 15/05 - Bekanntgabe der Alternativprüfung 15/07 - Erneuter Stadtratsbeschluss 15/08 - Anordnung Sofortvollzug durch SGD 16/01 - Beschluss OVG Sofortvollzug 16/06 - Beschluss VG Klage abgewiesen

Ausschreibungsverfahren Los Nr. Los / Titel Qualifiziert / Aufgefordert Angebote Status 1 Schlammentwässerung - - Ausschreibung 1. Hj 2017 2 Brückenkrananlage 4 2 Auswertung, Vergabe IV/16 3 Klärschlammtrocknung 3 3 Auswertung, Vergabe IV/16 4 Feuerung / Kessel 5 4 Auswertung, Vergabe IV/16 5 Abgasreinigung 5 3 Auswertung, Vergabe IV/16 6 Turbogenerator 5 4 Auswertung, Vergabe IV/16 7 Bautechnik - - Ausschreibung 1. Hj 2017 8 E/MSR Technik - - Ausschreibung 1. Hj 2017 9 Technische Gebäudeausrüstung - - Ausschreibung 1. Hj 2017

Sachstand Realisierung 16/02 - Ausführungsplanung 16/05 - EU-Teilnahmewettbewerb Maschinentechnik (MT) 16/07 - Ausschreibung der MT (5 Lose) 16/10 - Auswertung der MT (5 Lose) 16/12 - Vergabe MT (5 Lose) 17/01 - Werk- und Montageplanung MT 17/04 - Ausschreibung Bau und E-Technik 17/08 - Vergabe Bau und E-Technik 17/09 - Baubeginn Bau 18/04 - Montagebeginn MT 18/12 - Kalt-Inbetriebnahme 19/03 - geplante Warm-Inbetriebnahme

Der Zweckverbrand Klärwerk Steinhäule Gegründet 1984 11 Verbandsmitglieder Einzugsgebiet von rd. 440.000 Einwohnern Reinigung von 80.000 bis 150.000 m³/tag Abwasser in der zentralen Kläranlage Steinhäule Fläche der Kläranlage rund 25 Hektar, 4 Reinigungsstufen Thermische Entsorgung des Klärschlamms auf der Kläranlage

Die Kläranlage Steinhäule

Bestandsanlage Thermische Klärschlammbehandlung 2 Linien, IBN 1979 Einsatz von Nicht-gefaultem Klärschlamm, 96.000 t OS /a, 24.000 t TS /a mit ca. 25 % TS, Zentrifugen und Dünnschichttrockner Ofenkapazität 2x 2,5 t TS /h Dampfparameter 40 bar / 400 C Abgasreinigung E-Filter 2-Stufige Nasswäsche Flugstromadsorber m. Gewebefilter

Anlass für Neukonzeption KVA Ulm Die beiden bestehenden Linien verfügen jeweils über eine Durchsatzleistung von 2,5 t TS /h. Der Klärschlammanfall beläuft sich derzeit im Mittel auf 2,7 t TS /h, weshalb eine Bestandslinie nicht ausreichend ist, um den gesamten Schlamm zu verbrennen. Die Anlage ist insgesamt mit einem Alter von rd. 40 Jahren sanierungsbedürftig bzw. abgängig Mit der Neu-Anlage soll ein zukunftsfähiges umwelt- und energieoptimiertes Konzept der thermischen Klärschlammbehandlung umgesetzt werden

Alternativenprüfung 1. Neue Mono-Verbrennung mit Schlammannahme Fremdschlammannahme Eigenschlammentwässerung Trocknung Verbrennung mit Energieverwertung und Rauchgasreinigung 2. Faulung der eigenen Schlämme mit externer Entsorgung Schlammfaulung inkl. Gasverwertung Entwässerung Prozesswasserreinigung (Zentratentstickung) Phosphorrückgewinnung 3. Faulung eigener Schlämme mit Mono-Verbrennung und Schlammannahme: Schlammfaulung inkl. Gasverwertung (BHKW) Schlammentwässerung Prozesswasserreinigung (Zentratentstickung) Klärschlammverbrennung

Rahmenterminplan Ausschreibung der Planungsleistung Anfang 2015 Vergabe der Planungsleistung Anfang 2016 Abschluss der Vorplanung Ende 2016 Abschluss der Entwurfsplanung Mitte 2017 Abschluss Genehmigungs- und Ausführungsplanung Mitte 2018 Genehmigungsverfahren Ende 18 Anfang 19 Baubeginn Anfang 2019 Inbetriebnahme / Übernahme Ende 2021

Zusammenfassung und Ausblick Eine Beendigung der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung erfordert neue thermische Behandlungskapazitäten. Erwarteter Kapazitätsbedarf ca. 500.000 600.000 tts/a. Stationäre Wirbelschicht war und ist das dominierende großtechnische Verfahren für die thermische Mono- Klärschlammverbrennung. Verbrennung ist die priorisierte Vorbehandlung für ein effektives P- Recycling. Derzeit befinden sich die 3 Anlagen Rügen, Mainz und Ulm nach dem Prinzip der stationären Wirbelschicht in der Planungs- bzw. Realisierungsphase.

Potentielle Anlagenstandorte Monoverbrennung 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 Ulm

Zusammenfassung und Ausblick Die Entsorgungskosten für die Klärschlammbehandlung zeigen eine steigende Tendenz aufgrund sicher verändernder Rahmenbedingungen wie Vermehrte Mengen an Wirtschaftsdüngern (Klärschlamm, Gülle, Gärrest) treffen auf Einschränkungen bei der Flächenverfügbarkeit in der Landwirtschaft Reduzierung der Kapazitäten in der Mitverbrennung bei Kraftwerden und Abfallverbrennungsanlagen Die bevorstehende Novelle der AbfKlärV Erste Erfahrungen bei der Realisierung von neuen Klärschlamm- Monoverbrennungsanlagen bestätigen den erwarteten Kostenrahmen.

Investitionskosten Rügen Ulm Mainz?? Gesamtanlage Verbrennung Verwertungskonzept der Klärschlammkooperation MV GmbH Quelle: 16. Dialog Abfallwirtschaft MV, Rostock 4/2014

David trifft Goliath Weltgrößte Anlage Hong Kong Entwässerter Klärschlamm 4x 45.000 Mg TS /a Klein(st)e kommunale Anlage Entwässerter und getrockneter Klärschlamm 1x 2.000 Mg TS /a http://www.born-ermel.eu/rügen_klärschlammverwertung.html