Grundlagen für einen Vergleich von verschiedenen Ansätzen der thermischen Verwertung von Klärschlamm - Dr.-Ing. Martin Pohl
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Grundlagen für einen Vergleich von
verschiedenen Ansätzen der
thermischen Verwertung von
Klärschlamm
Dr.-Ing. Martin Pohl
Innovationsforum THERMOLYPHOS
04.-05.Oktober 2016
Allgemeines © ENVERUM Folie 2 von 23
Allgemeines –
Bewertungsmethoden
soziale Aspekte
Wirtschaftlichkeit
Monetäre Gewichtung der Ökobilanz
Gegenüberstellung von Kosten und Wirkungen
Auswirkungen auf die Umwelt (GWP, AP, HTP*,…)
Stoffflussanalysen (z.B. Phosphor)
Bewertungen/ Vergleiche sind
notwendig:
• Soziale Akzeptanz (Bevölkerung)
• ökologische Aspekte
• technische Aspekte (Machbarkeit)
• wirtschaftliche Aspekte (Kosten)
[Bild aus: VDI 3925 Methoden zur Bewertung von Abfallbehandlungsverfahren]
Methoden stehen zur Verfügung
(z.B. zusammengefasst dargestellt in
VDI 3925)
© ENVERUM Folie 3 von 23
Allgemeines
Klärschlammentsorgung
1987-2013 (Anteile in %)
Entwicklung der
in Deutschland
Aus Positionen zur Klärschlammentsorgung (Stand: März 2015)
© ENVERUM Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. Folie 4 von 23
Allgemeines –
Klärschlammverwertung
Klärschlammentsorgung
1987-2013 (Anteile in %)
Entwicklung der
in Deutschland
Aus Positionen zur Klärschlammentsorgung (Stand: März 2015)
© ENVERUM Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. Folie 5 von 23
Thermische Verfahren
Quelle Tabelle: Falko Lehrmann: Überblick über die thermische Klärschlammbehandlung – Trocknung,
© ENVERUM Monoverbrennung und Mitverbrennung.Thomé-Kozmiensky, K. J. und Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Folie 6 von 23
Abfall, Band 10. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2013, S. 901-926
Allgemeines –
Bewertungsmethoden
soziale Aspekte
Wirtschaftlichkeit
Monetäre Gewichtung der Ökobilanz
Gegenüberstellung von Kosten und Wirkungen
Auswirkungen auf die Umwelt (GWP, AP, HTP*,…)
Verteilung von Stoffen (Phosphor, Stickstoff usw.)
Grundlage für die Bewertung und den
Vergleich mit den genannten Methoden
sind zunächst Massen- und Stoffbilanzen &
darauf aufbauende Energiebilanzen
[Bild aus: VDI 3925 Methoden zur Bewertung von Abfallbehandlungsverfahren]
Randbedingungen / Systemgrenzen:
• Örtlich : Prozesse und entsprechende Apparate
(Trocknung, Faulung, Pyrolyse, Vergasung, Verbrennung, Abgasreinigung, Energieumwandlung usw.)
• Zeitlich: Nutzungsdauer, Abschreibungsdauer, Auslastung
© ENVERUM Folie 7 von 23
Systemgrenzen
Für konkrete Beurteilungen sind Systeme mit technischen Zeichnungen, mit geeigneten
Schemata, mit Skizzen usw. darzustellen, um zu zeigen,
• welche Größen (Stoffe, Massen und Energien) betrachtet und welche Zahlenwerte jeweils
angesetzt werden,
• wie die Bilanzen erstellt sind,
• wie die Bilanzen geschlossen werden,
• wo, d.h. an welcher Systemgrenze,
welche Kenngrößen und Kennzahlen
gebildet werden.
Bei den Kennwerten ist daher die Angabe
der jeweils betrachteten Systemgrenze mit
anzugeben.
© ENVERUM Folie 8 von 23
Anwendung von Systemgrenzen Systemgrenzen als Voraussetzung für die Bilanzierung Summe aller eintretenden Massenströme = Summe aller austretenden Massenströme Summe aller eintretenden Energieströme = Summe aller austretenden Energieströme Systemgrenzen als Voraussetzung zu Plausibilitätsfragen Bei fehlenden oder auch bei bekannten, jedoch nicht plausibel erscheinenden Größen sind Kompatibilitätsüberlegungen (z.B. sog. Rückwärtsrechnungen mit Stoff- und Energiebilanzen) an allen Systemgrenzen durchzuführen. Systemgrenzen als Voraussetzung zur Bildung von Kenngrößen und Kennzahlen Kenngrößen und Kennzahlen müssen immer mit Werten jeweils an ein und derselben Systemgrenze gebildet werden Systemgrenzen zur Darstellung zeitlicher Abhängigkeiten Zeichnet man interessierende Ströme zeitlich auf, so kann man aus einer entsprechenden Integration über die Zeit die Stunden-,Tages-, Monats-, Jahresmittel bilden und wenn nötig noch wesentlich längere Zeiten (z.B. bei Deponien) in Betracht ziehen. © ENVERUM Folie 9 von 23
Beschreibung von Verfahrensketten
(Primärenergieaufwendungen)
Berücksichtigung zusätzlicher Aufwendungen für die Abfallaufbereitung, für Hilfsstoffe (z.B.
Sauerstoffbereitstellung für die Anreicherung der Verbrennungsluft,
zusätzliche Aufwendungen für Schlackeaufbereitung, Abgasreinigung, usw.)
Erweiterung der Systemgrenze R der Anlage zur Einbeziehung der Umwandlungsprozesse der Primarenergien
(Systemgrenze S) zur Systemgrenze T
© ENVERUM Folie 10 von 23Beschreibung von Nettoeffekten von Verfahrensketten
(Primärenergieaufwendungen)
Wenn es den Abfall nicht gäbe, waren auch die zuvor genannten Primarenergieaufwendungen
nicht notwendig. In einem weiteren Schritt wird daher eine gedankliche Rückführung
dieser Aufwendungen aus dem Nutzen vorgenommen
Erweiterung der Systemgrenze T zur Darstellung der Rückführung der aufzuwendenden Primarenergien zur Systemgrenze U
© ENVERUM Folie 11 von 23Bsp. Klärschlamm
Vereinfachtes Fließbild - Standort Kläranlage
Kläranlage ohne Faulungs-Prozess Kläranlage mit Faulungs-Prozess
Eigenstromerzeugung ohne Faulung Eigenstromerzeugung mit Faulung
© ENVERUM Folie 12 von 23Bsp. Klärschlamm
Rohschlamm-Beschaffenheit
Bemessungswerte für die Schlammbehandlung :
0,085 kg TR/(EW*d), TR - Rohschlamm = 5 %
Element C H O N P mineral.
Ma.-% von oTR 54,0 7,6 30,6 6,5 1,3 ---
Ma.-% von TR 31,3 4,4 17,7 3,8 0,8 42
Summenformel : C106H180O45N11P
© ENVERUM Folie 13 von 23Bsp. Klärschlamm
Vereinfachtes Fließbild - Standort Verbrennung
elektrische Energie elektrische Energie
TROCKNUNG WIRBELSCHICHT WIRBELSCHICHT
BRÜDEN - DAMPFTURBINE DAMPFTURBINE
KOMPRESSION GENERATOR GENERATOR
elektrische Energie (Zusatzbrennstoff) elektrische Energie
© ENVERUM Folie 14 von 23Bsp. Klärschlamm
Standort Kläranlage – untersuchte Varianten
Kläranlage mit Faulungs-Prozess Kläranlage ohne Faulungs-Prozess
Faulschlamm-Mono- Rohschlamm-Mono-
verbrennung verbrennung
Eigenstromerzeugung ohne Faulung
Eigenstromerzeugung mit Faulung
Trocknung Trocknung Trocknung Trocknung ohne
am Standort am Standort am Standort am Standort Trocknung
Kläranlage Verbrennung Kläranlage Verbrennung
© ENVERUM Folie 15 von 23Bsp. Klärschlamm
grundsätzliches Bilanzschema
Beckmann, M.: Stoff- und Energiebilanzen bei der Verbrennung von Klärschlamm. In: VDÍ Wissensforum. Tagungsunterlagen
© ENVERUM Fachkonferenz Klärschlammbehanldung 27.10-28.10.2010, Folie 16 von 23
Offenbach.Bsp. Klärschlamm
- Anaerob-mesophile Stabilisierung
Einstufige Faulung
• tTS = 20 d
•T ~ 35 °C
• oTR = 42 %
• Reaktionsmodell :
erweiterte Buswell‘sche
Gleichung
C106 H180 O45 N11 P + 59,5 H2O
60,75 CH4 + 35,25 CO2 + 11 NH4+ + 10 HCO3 - + H2PO4 -
Beckmann, M.: Stoff- und Energiebilanzen bei der Verbrennung von Klärschlamm. In: VDÍ Wissensforum. Tagungsunterlagen
© ENVERUM Fachkonferenz Klärschlammbehanldung 27.10-28.10.2010, Folie 17 von 23
Offenbach.Bsp. Klärschlamm
Nacheindickung / Entwässerung
Dekanterzentrifuge + FHM
• Entwässerungsgrad
Faulschlamm: TR = 28 %
• Entwässerungsgrad
Rohschlamm: TR = 26 %
P Entwässerung = 2,0 kWh / m³ Dünnschlamm
Beckmann, M.: Stoff- und Energiebilanzen bei der Verbrennung von Klärschlamm. In: VDÍ Wissensforum. Tagungsunterlagen
© ENVERUM Fachkonferenz Klärschlammbehanldung 27.10-28.10.2010, Folie 18 von 23
Offenbach.Bsp. Klärschlamm
Trocknung
Trocknung am Standort
der Kläranlage
• Teiltrocknung ~ 42 % TR
Trocknung am Standort
der Verbrennung
• Volltrocknung > 90 % TR
P Trocknung,elek. ~ 80 kWh / Tonne Wasserverdampfung
Beckmann, M.: Stoff- und Energiebilanzen bei der Verbrennung von Klärschlamm. In: VDÍ Wissensforum. Tagungsunterlagen
© ENVERUM Fachkonferenz Klärschlammbehanldung 27.10-28.10.2010, Folie 19 von 23
Offenbach.Bsp. Klärschlamm
Klärschlammverbrennung
Klärschlamm -
Monoverbrennung
• Wirbelschicht
• T = 850 °C
Wirbel- • = 1,35
schicht • Luftvorwärmung
• Abhitzekessel
• Dampfturbine + Generator
Beckmann, M.: Stoff- und Energiebilanzen bei der Verbrennung von Klärschlamm. In: VDÍ Wissensforum. Tagungsunterlagen
© ENVERUM Fachkonferenz Klärschlammbehanldung 27.10-28.10.2010, Folie 20 von 23
Offenbach.Bsp. Klärschlamm
Bewertungsmethodik & Ergebnisse
Primärenergiefaktoren ( DIN V 4701-10 )
• elektrische Energie fp,elt = 3,0
• Zusatzbrennstoffe (Heizöl, Erdgas) fp,Z-BS = 1,1
eNutz-PE = (eelt,OUT – eelt,IN) * fp,elt - hZ-BS * fp,Z-BS [ MJ / kg TR ]
eelt,IN Bedarf an elektrischer Energie
hZ-BS Enthalpie der Zusatzbrennstoffe
eelt,OUT Abgabe an elektrischer Energie
Primärenergienutzen ( -aufwand ) der Varianten
eNutz-PE Faulschlamm- Rohschlamm-
[ MJ/kg TR ] verbrennung verbrennung
Trocknung am Standort
der Verbrennung 5,95 3,64
Trocknung am Standort
der Kläranlage 2,91 - 2,05
ohne Trocknung --- - 2,18
Beckmann, M.: Stoff- und Energiebilanzen bei der Verbrennung von Klärschlamm. In: VDÍ Wissensforum. Tagungsunterlagen
© ENVERUM Fachkonferenz Klärschlammbehanldung 27.10-28.10.2010, Folie 21 von 23
Offenbach.Zusammenfassung
• Grundlage für eine Beurteilung ist zunächst die systematische
Beschreibung der Verfahrensketten mit Hilfe von Grundbausteinen (z.B.
Faulung, Entwässerung, Trocknung, Verbrennung) und die einheitliche
Festlegung von Bilanzgrenzen, sowie die Erfassung der ein- und
austretenden Stoff- und Energieströme (Anlagen im Bestand –
Messungen / in Planungsphase – Kenngrößen).
• Je nach Verfahrenskombination der Gesamtkette können sich für ein und
denselben Rohschlamm ganz unterschiedliche Ergebnisse bezüglich der
Energienutzung bzw. des Energieaufwandes ergeben.
• Der bei der Klärschlammbehandlung erzielbare Nutzen oder der
erforderliche Aufwand sind aus den Eigenschaften des Rohschlammes
in Verbindung mit einer kumulierten Bilanzierung der Verfahrenskette,
auch unter Einbeziehung der externen Verluste der
Energiebereitstellung, z.B. im Kraftwerk, zu beurteilen.
© ENVERUM Folie 22 von 23Vielen Dank
Sitz der Gesellschaft: Hohe Straße 17
für ihr
Kontakt:
01069 Dresden
Interesse….
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