Stellenwert der energetischen Verwertung von Restfraktionen Trennen und verbrennen? 19. Kölner Abfalltage 2. und 3. November 2010 in Köln Peter Quicker, Yves Noel www.teer.rwth-aachen.de
Vorstellung L & F Arbeitsgebiete Konversion und Veredlung von fossilen, nachwachsenden und sekundären Energieträgern. Insbesondere durch thermochemische Prozess Ausstattung Brennstofflabor Technikum Drehrohr Feuerungsmessstand Biomasse Abfälle Biomasse Kohle Studiengänge Rohstoffingenieurwesen Umweltingenieurwissenschaften Entsorgungsingenieurwesen
Einführung Einordnung der energetischen Verwertung Europäische Abfallhierarchie Stoffliches Recycling vorrangig vor energetischer Verwertung technische Durchführbarkeit wirtschaftliche Vertretbarkeit Vorrang für umweltverträglichere Verwertungsart
Einführung Einordnung der energetischen Verwertung Europäische Abfallhierarchie Abgrenzung Verwertung Beseitigung mit R1-Formel: EE pp (EE ff + EE ii )) RRRR = 00, 9999 (EE ww + EE ff ) = 22, 66 EE pp,eeee + 11, 11 EE pp,tttttttttt (EE ff + EE ii )) 00, 9999 (EE ww + EE ff ) mit E p = Energy produced erzeugt, nicht exportiert, d.h. Energie für Eigenbedarf zählt als erzeugte Energie E f = Input von Energie aus Brennstoffen zur Dampferzeugung E w = Energiemenge im Abfall enthalten, berechnet anhand H u E i = Importierte Energiemenge ohne E w und E f 0,97 = Faktor zur Berücksichtigung der Verluste (Asche, Strahlung). Einheit = [GJ/Jahr] für E x politische Formel, kein Wirkungsgrad! ökolog. Gesichtspunkt: Aufwändige Rauchgasreinigung, die niedrige Emissionen gewährleistet, soll sich nicht nachteilig auswirken
Einführung Zusammenhang Verbrennung - Recycling Situation in Europa Verbrennung 42 48 45 65 59 60 69 33 45 33 35 34 35 17 10 9 3 17 19 33 1 17 9 26 23 0 0 4 8 13 13 10 13 0 1 7 0 0 4 0 0 3 1 0 49 35 39 27 54 Recycling 36 36 19 32 11 36 44 50 55 57 62 65 66 74 75 77 83 83 Deponie 87 87 93 96 97 99 100 1 1 3 3 4 5 Quelle: Eurostat
Einführung Vorteile & Möglichkeiten der thermischen Abfallbehandlung Inertisierung Verhinderung Methanbildung in Deponien derzeit 3 % der globalen Treibhausemissionen! Schutz des Grundwassers vor kontaminierten Sickerwässern Reduktion von Masse und Volumen Verringerung des Abfallvolumens auf 10 bis 15 % 1 m² Deponiebedarf je 10 m³ unbehandelter Siedlungsabfall Wertstoffrückgewinnung Energieversorgung aus Siedlungsabfällen Strom Wärme Prozessdampf Kälte Versorgungssicherheit! Quelle: Thome 2006, Themelis 2010
Energetische Abfallverwertung Verfahren im Überblick Hausmüll Sortierreste Hausmüllähnliche Gewerbeabfälle Sperrmüll Klärschlamm Vorbehandlung EBS Hausmüll- Verbrennungsanlagen Klärschlamm- (Mono-)Verbrennung Gewerbeabfälle Industriefeuerungen EBS-Kraftwerke Alternative Verfahren Sonderabfälle Altholz Sondermüll- Verbrennungsanlagen Altholzkraftwerke
Energetische Abfallverwertung Anlagen in Deutschland MVA Zementwerk Kohlekraftwerk EBS-Kraftwerk 67 Anlagen, Kapazität 19 Mio. t/a 180.000 t/a Deckung 60 % des Energiebedarfs zur Zementherstellung aus Sekundärbrennstoffen 10 Anlagen, ca. 650.000 t/a EBS 35 Anlagen, 4,6 Mio. t/a Energieerzeugung aus Abfall 5 TWh Strom 15 TWh Wärme ca. 50 % davon regenerativ: 7 % des Stroms aus erneuerbaren Energien 9,5 % der Wärme aus erneuerbaren Energien Quelle: Stengler 2010, Thome 2010
Energetische Abfallverwertung Mitverbrennung im Kraftwerk RWE (Stand 2008) Summe: 1,23 Mio. Tonnen 4.000 t Sonstige 1 % Tiermehl 3 % Braunkohle- Kraftwerke 15 % Aufbereiteter Abfall 971.000 t* 82 % 35 % Papierschlamm 405.000 t 46 % Klärschlamm 262.000 t 18 % Aufteilung nach Kraftwerkstyp ohne Petrolkoks Steinkohle- Kraftwerke Aufteilung nach Brennstofftyp Quelle: Busch 2008
Bewertung Mögliche Bewertungskriterien Womit kann der Stellenwert (Bedeutung?, Nutzen?) eines Abfallbehandlungsverfahrens beschrieben werden? Wirtschaftlichkeit Umweltverträglichkeit für Wasser Luft Boden Ressourcenschonung Energierückgewinnung KEA
Bewertung Kumulierter Energieaufwand Auch graue Energie Energiemenge, die für Herstellung, Transport, Lagerung, Verkauf und Entsorgung eines Produktes benötigt wird Auch alle Vorprodukte bis zur Rohstoffgewinnung werden berücksichtigt Energieeinsatz aller angewandten Produktionsprozesse wird addiert Erforderliche Maschinen oder Infrastruktur werden anteilig berücksichtigt Näheres in VDI 4600 Kumulierter Energieaufwand Begriffe, Definitionen, Berechnungsgleichungen
Bewertung: 2 Beispiele Vergleich direkte Verbrennung Vorbehandlung/-sortierung Beispiel 1: LVP Szenario 1: Output: Szenario 2: Output: Getrennte Sammlung, Sortierung Kunststoffe Metalle EBS (in EBS-Kraftwerk Energie) Sortierrest (in MVA Energie) Behandlung mit Restmüll in MVA (theoretisch) Metalle Energie Beispiel 2: Restmüll Szenario 1: Vorbehandlung in MBA Output: Metalle EBS Heizwertarme Fraktion Szenario 2: Direkte Verbrennung in MVA Output: Metalle Energie
Bewertung: Beispiel 1 LVP Vergleich direkte Verbrennung - Vorsortierung LVP: Getrennte Sammlung Behandlung mit Restmüll (theoretisch) LVP mit Hausmüll MVA Metalle Energie LVP LVP-Sortierung Sortierreste EBS Metalle Kunststoffe EBS-Kraftwerk Energie
Bewertung: Beispiel 1 LVP Output und KEA der LVP-Sortierung Verkauf und Anlagenoutput [kg/mg LVP]: Wertstoffe: 365,4 kg Ersatzbrennstoff: 231,2 kg Sortierrest: 403,4 kg Wertstoffe: Fraktion LVP Output [kg/mg] Abfall KEA Output [MJ/kg Wertstoff] KEA Wertstoffe [MJ/Mg Abfall] Fe 220 35,8 7.876 NE 29,3 193,3 5.664 PE 55 91,8 5.049 PS 33,2 91,8 3.048 PP 16,5 118,8 1.960 PET 11,4 101,4 1.156 SUMME 365,4 24.753 Energieäquivalent = KEA Wertstoffe E Aufbereitung = 24.000 MJ/Mg Quelle: UBA 2001, EcoEnergy GmbH 2009
Bewertung: Beispiel 1 LVP Output der LVP-Sortierung Ersatzbrennstoff: Ersatzbrennstoff Heizwert Energie Wirkungsgrad Nutzenergie [kg/mg Abfall] [MJ/kg] [MJ/Mg Abfall] EBS-Kraftwerk [MJ/Mg Abfall] 231,2 18,4 4.245 0,65 2.759 Sortierrest: Sortierrest Heizwert Energie Wirkungsgrad Nutzenergie [kg/mg Abfall] [MJ/kg] [MJ/Mg Abfall] MVA [MJ/Mg Abfall] 403,4 11,1 4.487 0,50 2.244 Gesamtes Energieäquivalent kombinierte LVP-Aufbreitung mit energetischer Verwertung von Ersatzbrennstoff und Reststoffen: E Wertstoffe + E EBS + E Rest = 29.800 MJ/Mg Leichtverpackungsabfall bzw. 184 % des H u von LVP-Abfällen Quelle: Thome 2006, UBA 2001, EcoEnergy GmbH 2009
Bewertung: Beispiel 1 LVP Verwertungsweg Abfallverbrennung Energetische Nutzung des Abfalls: LVP Heizwert Wirkungsgrad Nutzenergie [kg/mgabfall [MJ/kg] MVA [MJ/Mg Abfall] 1000 16,2 0,50 8.100 Wertstoffe: Fraktion LVP Output [kg/mg] Abfall KEA Output [MJ/kg Wertstoff] KEA Wertstoffe [MJ/Mg Abfall] Fe 220 35,8 7876 NE 29,3 193,3 5664 SUMME 249,3 13.540 Gesamtes Energieäquivalent LVP Behandlung in MVA sowie Nutzung der Reststoffe: E LVP + E Metall = 21.600 MJ/Mg Leichtverpackungsabfall bzw. 133 % des H u von LVP-Abfällen Quelle: Thome 2006, EcoEnergy GmbH 2009
Bewertung: Beispiel 1 LVP Fazit [MJ/Mg LVP] Hohes energetisches Äquivalent der gewonnenen Wertstoffe Wertschöpfung durch kombinierte stoffliche und energetische Nutzung von Leichtverpackungen
Bewertung: Beispiel 2 MBA Vergleich direkte Verbrennung - Vorsortierung Restabfall: Vorbehandlung (MBA) direkte Verbrennung Hausmüll MVA Energie Metalle MBA Sortierreste EBS Metalle EBS-Kraftwerk Energie
Bewertung: Beispiel 2 MBA Vergleich direkte Verbrennung - MBA [MJ/Mg] %-Angaben: Anlagenwirkungsgrade 80 % Ausbringung MBA 65 % 85 % 20 % 27 % 30 % 35 % 35 % 50 % Die energetische Verwertung aller Restfraktionen macht den Unterschied! Quelle: Born 2008, Thome 2006, UBA 2010, van Berlo 2010
Bewertung: Beispiel 2 MBA Ergänzung Vergleich MVA Mitverbrennung Beide Systeme besitzen spezifische Vorteile Heizwertreiche, schadstoffreduzierte EBS-Fraktionen in Kraft-/ und Zementwerke Gewerbeabfallfraktionen Heizwertärmere, schadstoffangereicherte Fraktionen in MVA Quelle: MUNLV NRW, 2007
Energetische Abfallverwertung CO 2 - Vermeidungskosten /t CO 2 ] 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1033 Quelle: van Berlo 2010
Energetische Abfallverwertung Effizienz Stoffkonzentrierung Quelle: Rechberger, Brunner 2000
Energetische Abfallverwertung Schadstoffreduktion durch Energiebereitstellung aus MVA Beispiel: MVA mit Strom-, Fernwärme & Dampfbereitstellung Schadstofffreisetzung im Vgl. zu konventioneller Energieerzeugung (Fossile Energieerzeugung normiert auf 100%) Quelle: Emissionswerte anteilsmäßig aus GEMIS 4.2
Energetische Abfallverwertung Emissionen: Vergleich mit der Umgebungsluft Quelle: Brunner, von Roll Inova
Energetische Abfallverwertung Fazit Die energetische Verwertung von Siedlungsabfällen ist eine kostengünstige klimaschonende Form der Energieerzeugung ist im Vergleich zu anderen thermischen Verfahren der Energieerzeug sehr emissionsarm bietet optimale Möglichkeiten zur Schadstoffkonzentration ist in Kombination mit der stofflichen Verwertung die beste verfügbare Alternative zur Abfallbehandlung ist aber sinnvoll in den jeweiligen Anwendungsfall zu integrieren Hohe Effizienz der gesamten Prozesskette erreichbar Sinnvoll Trennen & verbrennen!
Energetische Abfallverwertung Literatur UBA 2001 Umweltbundesamt, Grundlagen für eine ökologisch und ökonomisch sinnvolle Verwertung von Verkaufsverpackungen, 2001 EcoEnergy GmbH 2009 Bewertung der Systemkosten für den Einsatz von Kunststoffen unter Einbeziehung der Kosten für Entsorgung, 2009 Stengler 2010 Stengler, U.; EU legislation What is relevant for WtE?, WtERT annual meeting 2010 Van Berlo 2010 van Berlo, M, Value from Waste, WtERT annual meeting, 2010 Themelis 2010 Themelis, N.; Striving for Sustainable Waste Management in a Rapidly Developing World, WtERT annual meeting, 2010 Thome 2006 Thomé-Kozmiensky, K-J; Beckmann, M.; Optimierung der Abfallverbrennung 3, 2006 Born 2008 Born, M.; Effizienz der energetischen Verwertung von Ersatzbrennstoffen aus Restabfällen, 2008
Dankeschön fürs Zuhören! 19. Kölner Abfalltage am 02./03. November 2010 Peter Quicker, Yves Noel www.teer.rwth-aachen.de