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 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 2 Einleitung Quelle: http://www.spektrum.de/news/klaerschlamm-enthaelt-gold-fuer-millionen-von-euro/1328552; abgerufen 16.03.2015 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 3 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 4 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). Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 5 Klärschlammentsorgung D Gesamtaufkommen Klärschlamm aus der kommunalen Abwasserbehandlung 2013: ca. 1,8 Mio. MgTR Gesamtaufkommen Klärschlamm aus der nicht-öffentlichen Abwasserbehandlung 2010: ca. 1,7 Mio. MgTR 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 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 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 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 7 Klärschlammentsorgung Nds 2013 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 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 Entwicklung von Mono-Klärschlammverbrennungskapazitäten in Deutschland THÜR 20 Summe 650 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 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 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 MonoKlärschlammverbrennungskapazitäten in Deutschland Quelle: Malms, et al. Ebd, Aachen, 2014 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 10 Abwasserbehandlung Nds Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 11 Strategien Zeitgemäßer „Ausstieg“ aus der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung durch: • Kurzfristige Erweiterung der Nutzung vorhandener KlärschlammMitverbrennungskapazitäten • Mittelfristige Anpassung / Erweiterung der Kapazitäten bestehender thermischer Klärschlammbehandlungsanlagen • Langfristiger Neubau von thermischen MonoKlärschlammbehandlungsanlagen • 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 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 12 Gliederung Einleitung und Ausgangslage Verfahrensübersicht Anlagenbeispiele Wirtschaftlichkeit Zusammenfassung und Ausblick Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 13 Anforderungen Brennstoff Massenreduktion durch Entwässerung und Trocknung Heizwerterhöhung durch Entwässerung und Trocknung Quelle: Lehrmann, F.: Überblick über die thermische Klärschlammbehandlung, UBA, 9/2013 Quelle: Lehrmann, F.: Überblick über die thermische Klärschlammbehandlung, UBA, 9/2013 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 14 Verfahrensübersicht Thermische KS-Entsorgungswege Verbrennungsverfahren λ>1 Monobehandlung Thermische Klärschlammbehandlung Mitbehandlung Vergasungsverfahren λ>0 Wirbelschichttechnologie ca. 75 % Erzeugung von qualitativ hochwertigem Produktgas durch Umwandlungsprozesse Pyrolyseverfahren λ=0 Thermochemische Spaltung organischer Verbindungen ohne zusätzlichen Sauerstoff Kohlekraftwerke Staubfeuerung Zementwerke Drehrohrofen Abfallbehandlung Rostfeuerung Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 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 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 16 Verfahrensübersicht – Andere Verfahren Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 17 Gliederung Einleitung und Ausgangslage Verfahrensübersicht Anlagenbeispiele Wirtschaftlichkeit Zusammenfassung und Ausblick Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 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 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 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 PLO2-Gehalt ~0 % & SLO2-Gehalt >>1 % • Reduzierung von NOx-Bildung durch Primärluft (PL) • Vollständige Verbrennung durch Sekundärluft (SL) Prinzipieller Aufbau einer stationären Wirbelschicht Quelle: Firma Eisenmann: Stationäre Wirbelschichtfeuerung. Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 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 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 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 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 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 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 23 Anlagenbeispiele – Skalierung von WS Anlagen Parameter / Faktor Großanlage Kleinanlage Feuerraumvolumen Groß Klein 1 – 2 m/s 1 – 2 m/s Luftzugabe (PL, SL) Mehr Düsen Weniger Düsen Gasdurchmischung Hoher Impuls Geringerer Impuls Brennstoffzugabe Mehrere Aufgaben Wenige Aufgaben Wärmefreisetzung FR Membranwände Adiabate Kammer Leerrohrgeschw. Links: 30 MWth Hong Kong Rechts: 1 MWth Raschka Engineering Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 24 Anlagenbeispiele – CFD Simulation, Gasgeschwindigkeit Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 25 Anlagenbeispiele - Anlageneckdaten Parameter Einheit Durchsatz gesamt MgTR/a 35.000 2.000 Stündlicher Durchsatz MgTR/h 4,40 0,250 % 45 60 MW th 11 0,950 °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) tH2O/h 7,8 0,475 Branntkalkbedarf Rauchgasreinigung kg/h 115 12 HOK-Bedarf kg/h 5 0,2 TR-Gehalt, Mischung Ofeneintritt Feuerungswärmeleistung Luftvorwärmung Wert Reststoffe zur Entsorgung t/a 1.800 480 Asche zur Verwertung t/a 15.500 930 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 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 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 27 Gliederung Einleitung und Ausgangslage Verfahrensübersicht Anlagenbeispiele Wirtschaftlichkeit Zusammenfassung und Ausblick Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 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) Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 29 Wirtschaftlichkeit – Investitions- und Betriebskosten Großanlage Jahreskapazität Kleinanlage 35.000 tTR/a 2.000 tTR/a 24.150.000 € 3.590.000 € Bautechnik 5.150.000 € 880.000 € E-MSR-Technik 2.250.000 € 1.130.000 € 31.800.000 € 5.600.000 € 3.200.000 € 1.000.000 € 35.000.000 € 6.600.000 € 5.490.000 € 1.020.000 € 157 €/tTR 510 €/tTR Verfahrenstechnik Nettoherstellkosten Nebenkosten Nettoinvestition Jahresbetriebskosten Spezifische Kosten 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 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 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) Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 31 Gliederung Einleitung und Ausgangslage Verfahrensübersicht Anlagenbeispiele Kosten Zusammenfassung und Ausblick Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 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 tTR/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. Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 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 Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 34 Thermische Klärschlammbehandlung in Hong Kong Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 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) Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit SMALL CAN BE BEAUTIFUL Finienweg 7 28832 ACHIM Tel: 04202 - 758 - 0 Email: [email protected] www.born-ermel.de Monoverbrennung von Klärschlamm - Ab welcher Größe ist das realistisch? 37
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