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Aus der Vogelperspektive: Klärschlamm birgt hohes energetisches Potenzial Bild: AVA CO2
Bioenergie, Erdwärme, Wasserkraft

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Energie aus Klärschlamm

Text: Thomas Kläusli, AVA CO2
Bei der Reinigung von Abwasser in Kläranlagen fällt als Abfallstoff unweigerlich Klärschlamm an. Ihn zu deponieren oder landwirtschaftlich zu verwerten gerät in den letzten Jahren immer stärker in die Kritik. Um so attraktiver erscheint es, daraus Biokohle herzustellen, die sich zudem leicht lagern und transportieren lässt.

Aufgrund der jüngsten Ankündigung der Bundesregierung, aus der stofflichen Verwertung von Klärschlamm auszusteigen, wird die energetische Verwertung künftig an Bedeutung gewinnen. Die hydrothermale Karbonisierung (hydrothermal carbonization, HTC) bietet dabei den Vorteil, dass sie es neben der vorteilhaften Energie- und Ökobilanz erlaubt, aus Klärschlamm einen Brennstoff herzustellen, der fossile Brennstoffe in Zement- oder Stahlwerken ersetzen könnte.

Zudem eröffnet die HTC von AVA-CO2 für die vieldiskutierte Phosphor-Rückgewinnung neue Möglichkeiten. Phosphor ist als Dünger wichtig für die moderne Landwirtschaft. Doch der Rohstoff wird knapp: Zum einen geht die Menge an Phosphatreserven zurück, zum anderen nimmt seine Qualität konstant ab. Klärschlamm enthält große Mengen Phosphor. Da aber die landwirtschaftliche Nutzung von Klärschlamm aus ökologischen Gründen verboten werden soll, wird fieberhaft an der Phosphor-Rückgewinnung aus Klärschlamm geforscht. Aus diesem Grund gibt es eine Vielzahl bestehender oder geplanter Klärschlamm-Monoverbrennungsanlagen, die eine technische und ökonomische Rückgewinnung möglich machen sollen. Wegen der hohen Kosten und des enormen Aufwandes kommt aber heute noch keines der verschiedenen Phosphor-Rückgewinnungsverfahren aus Klärschlammasche kommerziell zum Einsatz. Eine Studie der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) im Auftrag des Schweizerischen Bundesamtes für Umwelt (Bafu) hat nun die Extrahierbarkeit von Phosphor aus HTC-Asche untersucht. Das Ergebnis: Auch bei der Phosphor-Rückgewinnung hat die HTC Vorteile.

Die HTC spart im Vergleich zur Rückgewinnung aus Klärschlamm­asche Säure und somit Kosten. Grund dafür ist die tiefere Alkalinität. Sie beschreibt das Säurebindungsvermögen, also die Menge basisch wirkender Kationen (Natrium, Calcium, Magnesium) oder anderer säurebindender gelöster Stoffe. Eine Mitverbrennung von HTC-Kohle in Monoverbrennungsanlagen könnte also durchaus sinnvoll sein. Neben der effizienteren Phosphor-Rückgewinnung könnte durch den Einsatz der HTC-Klärschlammkohle auch die Stützfeuerung in Monoverbrennungsanlagen ersetzt werden. AVA-CO2 untersucht aber noch weitere alternative Möglichkeiten zur Phosphor-Rückgewinnung direkt im HTC-Prozess. Dieses Verfahren würde es erlauben, eine phosphorfreie HTC-Kohle herzustellen, die in bestehenden Industrieanlagen als Ersatz für fossile Kohle eingesetzt werden könnte. Das würde Klimagase reduzieren und Investitionskosten für Monoverbrennungsanlagen sparen.

Ökobilanz der hydrothermalen Karbonisierung

Die Autoren der Studie (Bättig et al. 2011) verglichen mittels einer Multikriterienanalyse 15 verschiedene Verfahren der Klärschlammentsorgung. Sie verglichen damals unter anderem die Monoverbrennung, die Mitverbrennung in einem Heizkraftwerk, die Verbrennung in einer Müllverbrennung, die Entsorgung in der Zementindustrie, die Schlammvergasung, die Nassoxidation, die Vergärung und die Ausbringung in der Landwirtschaft. Das HTC-Verfahren wurde damals nicht berücksichtigt. Die ZHAW-Studie hat nun nachträglich die Umweltauswirkungen der HTC auf Basis der Multikriterienanalyse umfassend beurteilt und mit den fünf häufigsten thermischen Entsorgungswegen verglichen. Der Vergleich mittels Ökobilanz verfolgte zwei Ziele: Erstens die Identifikation der wichtigsten Beiträge zu den Umweltauswirkungen des HTC-Prozesses und Erarbeitung von Empfehlungen für eine Umweltoptimierung des HTC-Verfahrens. Und zweitens den Vergleich des HTC-Prozesses mit weiteren Verfahren der Klärschlammentsorgung aus Umweltsicht.

Für die funktionelle Einheit und Systemgrenze der Ökobilanz legten die Autoren die Verarbeitung von einem Kilogramm ausgefaultem Klärschlamm mit einem Trockenrückstand von 21,3 Prozent zu HTC-Kohle mit einem Trockenrückstand von 70 Prozent und einem Brennwert von 14 MJ/kg fest. Die Systemgrenze umfasste das gesamte HTC-Verfahren inklusive Energieverbrauch für den HTC-Prozess, die Entsorgung des Prozesswassers und die erforderliche Infrastruktur. Die Bereitstellung des Klärschlamminputs und die Verbrennung der HTC-Kohle wurden nicht miteinbezogen. Beim untersuchten System wurde die von der AVA-CO2 entwickelte Sandabscheidung nicht berücksichtigt. Mit dieser könnte HTC-Kohle mit einem Brennwert von über 20 MJ/kg produziert werden.

Der Vergleich zeigt relativ geringe Unterschiede zur thermischen Klärschlammtrocknung mit Abwärme. Sobald jedoch auch für den HTC-Prozess Abwärme zur Dampferzeugung verwendet wird, zeigt die Ökobilanz eine deutliche Überlegenheit der HTC. Auch der Einsatz von HTC-Kohle als Ersatz für fossile Energieträger, wie dies etwa in Monoverbrennungsanlagen oder in Zement- und Stahlwerken möglich wäre, macht die HTC aus Sicht der Ökobilanz zur bevorzugten Technologie. Der Ersatz von fossilen Brennstoffen durch HTC-Kohle und die damit verbundene Reduktion von Treibhausgasemissionen hat eine Studie von Vogt & Fehrenbach (2012) untersucht [1]. Sie identifizierte ein großes Klimaschutzpotenzial beim Ersatz von Heizöl durch HTC-Kohle in der Stützfeuerung von Schlammverbrennungsanlagen in Berlin. Die ZHAW-Studie bestätigt dieses Potenzial am Beispiel einer entsprechenden Anlage in der Schweiz. Sie kommt zudem zum Schluss, dass aus Sicht der Ökobilanz die Verbrennung von Klärschlamm in einer Müllverbrennungsanlage die höchsten negativen Umwelt­auswirkungen bezüglich Metallen und Mineralien, Eutrophierung, Humantoxizität und der Methode der ökologischen Knappheit verursacht. Im Gegenzug schneidet die Verbrennung von HTC-Kohle in einem Zementwerk, in Bezug auf den Verbrauch von nicht erneuerbaren Energien, den Treibhausgasemissionen, Eutrophierung, Human- und Ökotoxizität sowie radioaktiven Abfällen positiv ab.

Thermische Klärschlamm-Verwertung als Trend

Das künftige Gebot zur thermischen Verwertung von Klärschlamm, das im Koalitionsvertrag enthalten ist, gibt die Richtung vor, wie Klärschlamm bald auch in Deutschland verwertet werden wird. Der Trend zur thermischen Verwertung ist auch in der EU und weltweit zu erkennen. Die HTC eröffnet neue Chancen und Möglichkeiten, um bis zu 70 Prozent an Energie bei der Klärschlammtrocknung zu sparen sowie fossile Energieträger mit Klärschlammkohle zu ersetzen. Damit kann das Verfahren einen wesentlichen Beitrag zur Verminderung des globalen CO2-Ausstoßes leisten. Zudem kann das System zur Phosphor-Rückgewinnung teure Investitionen in Monoverbrennungsanlagen in Zukunft vermeiden. AVA-CO2 erstellt noch 2014 erste kommerzielle HTC-Anlagen.

Weitere Informationen

[1] Vogt & Fehrenbach IFEU Heidelberg für die Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt Referat Abfallwirtschaft Berlin (Senatsverwaltung Berlin) http://goo.gl/O2xovl

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