Verfahrenstechnik Sprung ins grüne Wasser

09.12.2013

Der Carbon Footprint liefert Entscheidungsgrundlagen für die ökologisch sinnvolle Wasseraufbereitung. Dabei verdeutlichen die Analysen: Die CO2-äquivalente, die dem Bau der Anlage entsprechen, fallen kaum ins Gewicht. Es dominieren die im Betrieb benötigten Chemikalien und die laufend verbrauchte Energie. Hilfreich ist der Carbon Footprint auch beim Vergleich alternativer Verfahren, etwa zur Kühlwasser-Konditionierung. Carbon Footprints von Wasseraufbereitungsanlagen entlarven Energie- und Chemikalienverbrauch als CO2-Treiber

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Förderung der Erneuerbaren Energien und Reduktion von Emissionen - die Klimaschutzpolitik hat in vielen Bereichen zu einem Umdenken in der Wasserwirtschaft geführt. Mit der Berechnung des Carbon Footprints für Wasseraufbereitungsanlagen wird die Umsetzung dieser Ziele für Anlagenplaner, -bauer und -betreiber messbar. Sie liefert einen Indikator für Verfahrenslösungen, die Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit verbinden. Der Carbon Footprint betrachtet nämlich neben den CO2-Treibern Energie- und Chemikalienverbrauch auch weitere Faktoren wie Betriebskosten über die gesamte Lebensdauer der Anlage. Er weist somit bei Entscheidungen zwischen alternativen Technologien auf langfristig ressourcenschonende und kostenoptimierte Lösungen hin. Außerdem gibt er die Richtung für Verfahrensweiterentwicklungen und -optimierungen an. Berkefeld, Teil der Wassertechniksparte von Veolia, berechnet systematisch den Carbon Footprint von Verfahren zur Wasseraufbereitung, Abwasserreinigung und zum Wasserrecycling. Geht es um maßgeschneiderte Systeme, kann eine vergleichende Analyse eine Entscheidungshilfe bei der Wahl zwischen alternativen Verfahrenslösungen sein. Berechnungen zeigen, dass ein geringer Carbon Footprint auch auf niedrigere Betriebskosten über den gesamten Lebenszyklus einer Anlage hinweg hinweist.Die Berechnung basiert auf der international anerkannten Gesamtbilanz für Kohlenstoff und berücksichtigt alle direkten und indirekten Klimagasemissionen. Dazu wird die Anlage virtuell in ihre Bestandteile zerlegt und der Carbon Footprint der verschiedenen Materialien unter Berücksichtigung der Art der Energieerzeugung kalkuliert. Wie eine solche Analyse aussieht, zeigt das vergleichsweise einfache Beispiel einer Umkehrosmose-Anlage (Typ Berkefeld megaRO 320 x 5) zur Entsalzung von Brauch- und Prozesswasser in Industriebetrieben. Für Bau und Installation werden neun Materialien quantifiziert erfasst, unter anderem 645 kg C-Stahl und 113 kg Aluminium. Diese Mengen werden mit den jeweiligen Emissionen aus der Herstellung der Materialien multipliziert.Die Emissionswerte stammen aus anerkannten Quellen, etwa aus der ELCD-Datenbank der Europäischen Kommission, der französischen Energieagentur ADEME oder des Weltklimarats IPCC. Bei Differenzen zwischen den Datenbanken werden Mittelwerte herangezogen. Demnach entstehen bei der Produktion eines Kilogramms C-Stahl 3,29 kg CO2-e, für die benötigte Stahl-Menge fallen somit 2,12 t CO2-e an. Die ermittelte Menge Aluminium bedingt bei einem Emissionswert von 11,89 kg CO2-e pro kg Material einen Klimagasausstoß von 1,35 t CO2-e. Einschließlich aller Materialien entstehen bei der Konstruktion der Anlage rund 19 t CO2-e.

Treibhausgase und Stromkosten sparen

Auf dieser Grundlage errechnet sich auch der Carbon Footprint für den Betrieb des Systems. Dabei wird der Klimagasausstoß durch die Herstellung von Ersatzteilen und Verbrauchsmaterialien ebenso ermittelt wie Emissionen aus Chemikalieneinsatz, Abwasser und Energieverbrauch der Anlage im Betrieb. Die Einzelwerte werden addiert und mit der Lebensdauer der Anlage multipliziert. Analysen und ein internationaler Vergleich von 45 Wasseraufbereitungstechnologien haben nachgewiesen, dass der weit überwiegende Anteil der Emissionen durch den Betrieb der Anlagen entsteht. Der Anlagenbau und die Entsorgung sind vergleichsweise vernachlässigbar. Eine weitere Erkenntnis: Die größten Einflussfaktoren auf den Carbon Footprint einer Wasseraufbereitungsanlage sind ihr Bedarf an Energie und Chemikalien.Energiebedingte Emissionen werden mit lokalen Emissionswerten berechnet, da diese je nach Art der Energieerzeugung im Einsatzland der Anlage stark schwanken. Länder mit einem großen Anteil an fossilen Energieträgern im Energiemix erzeugen ungleich höhere Emissionswerte als Länder mit einem hohen Prozentsatz an regenerativen oder nuklearen Energiequellen. In einer megaRO-Anlage in Deutschland beträgt beispielsweise der Carbon Footprint aus dem Energieverbrauch für eine Betriebsdauer von 20 Jahren knapp 90 Prozent der Gesamtemissionen von 2.268 t CO2-e. Wählt der Betreiber das megaRO-Modell mit optionaler frequenzgeregelter Pumpe, sinkt der Energiebedarf des Systems durch eine an den schwankenden Betriebsdruck angepasste Pumpleistung deutlich und der Klimagasausstoß verringert sich um 726 t CO2-e. Damit spart der Einsatz von energieeffizienter Technik in 20 Jahren gut 32 Prozent der Treibhausgase und Stromkosten.Auch der Verbrauch an Dosierchemikalien treibt CO2-Emissionen in die Höhe, denn insbesondere die Herstellung von Bioziden ist energieintensiv. Wie nachhaltig sich ein optimierter Chemikalienbedarf auf den Carbon Footprint auswirkt, belegt das Beispiel des KNG Steinkohlkraftwerks Rostock. Hier wurde die konventionelle Biozid-Desinfektion des Kühlkreislaufs im Naturzugkühlturm (Durchsatz von 50.000 m3/h) durch das Mol-Clean-Verfahren ersetzt. Diese Katalysatortechnologie eliminiert Biofilme bei deutlich minimiertem Chemikalieneinsatz und reduzierte allein dadurch den Klimagasausstoß des Kraftwerks pro Jahr um 41 Prozent von 117 auf 69 t CO2-e.

CO2-neutrale Abwasseraufbereitung

Hilfreich sind Carbon-Footprint-Analysen vor allem, wenn der Anlagenbetreiber bei einer Anwendung die Wahl zwischen alternativen Verfahren hat und bei der Investitionsentscheidung langfristige Kosten und Umweltschutz eine Rolle spielen. So wurden beispielsweise drei Verfahren zur Teilentsalzung von Trinkwasser untersucht. Die Studie zeigt, dass der Carbon Footprint von Nanofiltrations- und Umkehrosmoseanlagen um 68 Prozent bzw. 88 Prozent höher ist als beim Ionenaustauscherverfahren Carix. Bei allen drei Verfahren stammt der größte Anteil an Emissionen aus dem Stromverbrauch während des Betriebs. In der Papierfabrik Schoellershammer in Düren (Nordrhein-Westfalen) konnte zum Beispiel der Carbon Footprint der Abwasseraufbereitung mit innovativen Technologien sogar „neutralisiert“ werden. Die Erhöhung der Produktionskapazität hatte eine Erweiterung der zweistufigen Anlage erfordert. Die neue Behandlungsstraße besteht aus einem anaeroben Biobed-Biogasreaktor mit anschließender Belebung und Nachklärung. Das biologische Verfahren eignet sich besonders für Abwässer mit einem hohen Anteil an organischen Verunreinigungen (CSB > 1.000 mg/l), den es in Biogas umwandelt. Das Biogas wird in einem Blockheizkraftwerk zur Erzeugung von Energie für die Fabrik genutzt und vermeidet dadurch während einer Lebensdauer von 20 Jahren 31.000 t CO2-e, die sonst für die Stromproduktion angefallen wären. Der Carbon Footprint der Abwasseranlage beträgt für diese Zeitspanne 30.000 t CO2-e. Die vermiedenen Emissionen gleichen die Emissionen für Bau und Betrieb der Anlage aus, und die Abwasseraufbereitung der Papierfabrik ist CO2-neutral.

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