Übung C

Ökologische Systemanalyse
Frühjahr 2015
Grundzüge “Ökologische Systemanalyse“
Übungsblatt C (kann bis zum 18. Mai in der Vorlesung oder per Email an [email protected] abgegeben werden)
Aufgabe 1 (Wirkungsabschätzung)
Nennen Sie drei verschiedene Methoden zur Wirkungsabschätzung und beschreiben Sie in Stichworten die wichtigsten Charakteristiken und Unterschiede zwischen diesen Methoden bezüglich der Gewichtung 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 m3 RohBiogas 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 m3 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:
CH4-Emission [kg]
45‘404.8
NH3-Emission [kg]
2646
N2O-Emission [kg]
186.2
Biogene CO2-Emission [kg]
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a) Führen Sie eine Wirkungsabschätzung nach der Methode ReCiPe durch und berechnen Sie
den „Carbon footprint“ gemäss der unten angegebenen Faktoren. Welches sind die Hauptprobleme der Anlage und welche Emissionen sollten daher möglichst verringert werden?
Tab.: Wirkungsfaktoren
Biogene CO2-Emission
Methode ReCiPe
Methode Carbon footprint
[Punkte/kg Emission]
[kg CO2-Aequivalente/kg Emission]
0
0
CH4-Emission
2.9
23
NH3-Emission
1.59
0
N2O-Emission
13.7
296
b) Berechnen Sie die Allokationsfaktoren für alle Outputprodukte nach ökonomischer Allokation. 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
Preis
Bioabfallentsorgung
0,2 Fr pro kg frischem Abfall
Strom
0,2 Fr pro kWh Strom
Wärme
0,1 Fr pro kWh Wärme
Biogas als Treibstoff
0,15 Fr pro kWh Biogas
Gärrest als Kompost
wird gratis an Landwirte abgegeben
c) Sie könnten durch Installation eines Biofilters die Abluft reinigen. Der Biofilter eliminiert
50% des Ammoniaks (NH3) in der Abluft, welches aber zu einer Bildung von Lachgas (N2O)
führt. Pro kg eliminiertem NH3 entstehen 0,1 kg N2O. CO2 und CH4 werden nicht im Biofilter
eliminiert. Würden Sie die Installation empfehlen?
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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 CO2-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.
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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.
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Abb. 2: Detaillierte Resultate einzelner Prozessschritte (Eco-Indicator 99-points, pro t)
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Abb. 3: Detaillierte Resultate einzelner Prozessschritte (Carbon Footprint, pro t)
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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).
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