Abfall zu Energie

Waste to Energy

Waste to energy ist ein Prozess, bei dem verschiedene Arten von Abfall in Energie umgewandelt werden. Anstatt Abfall einfach auf Deponien zu entsorgen oder ohne zusätzlichen Nutzen zu verbrennen, zielt Waste-to-Energy darauf ab, diese Abfallstoffe in eine nützliche Energiequelle wie Strom, Wärme oder Biogas umzuwandeln.

Neben der Erzeugung erneuerbarer Energie bietet Waste-to-Energy weitere Vorteile, da es die Menge des auf Deponien entsorgten Abfalls reduziert und die Treibhausgasemissionen durch Vermeidung der anaeroben Zersetzung von Abfall auf Deponien verringert.

Waste-to-Energy sollte nicht als Alternative zur Abfallvermeidung und zum Recycling betrachtet werden, da es vorzuziehen ist, erst gar keinen Abfall zu erzeugen. Waste-to-Energy sollte als Ergänzung zu diesen Bemühungen gesehen werden, insbesondere für Abfälle, die schwer recycelbar oder nicht biologisch abbaubar sind.

Der Aufstieg der Kreislaufwirtschaftspolitik hat zu einer Zunahme der Implementierung von Abfallbehandlungsanlagen geführt, die die Umwandlung von Abfall in Energie ermöglichen. In allen Fällen verfolgen wir ein doppeltes Ziel:

• Eine effizientere Abfallbewirtschaftung finden
• Eine neue Energiequelle erschließen, um die Energieabhängigkeit zu reduzieren

Waste-to-Energy Technologien

Es gibt zahlreiche Abfallarten, die als Brennstoff für Waste-to-Energy verwendet werden können, darunter:

• Kommunale Siedlungsabfälle (MSW)
• Abfälle aus industriellen Prozessen
• Forst- und Agrarbiomasse zur Stromerzeugung
• Tiermist und agroindustrielle Abfälle zur Biogaserzeugung
• Biomasse für Biokraftstoffe

Es gibt verschiedene Waste-to-Energy Technologien, die in biologische und thermische Prozesse eingeteilt werden können.

Die biologischen Prozesse können angewendet werden, wenn der Abfall einen signifikanten biologisch abbaubaren Anteil hat. Thermische Prozesse sind hingegen dann sinnvoll, wenn der Heizwert des Abfalls, gemessen am unteren Heizwert (LHV), mittel bis hoch ist.

Die gebräuchlichsten Waste-to-Energy Verfahren umfassen:

Biometanisierung

Biometanisierung ist ein biologischer Prozess, der in Abwesenheit von Sauerstoff durchgeführt wird und eine heterogene Population von Mikroorganismen umfasst. Dieser Prozess wandelt den am leichtesten abbaubaren Anteil der organischen Substanz in Biogas um, ein Gasgemisch, das hauptsächlich aus Methan und Kohlendioxid besteht, zusammen mit anderen Gasen in kleineren Anteilen (Wasserdampf, CO, N₂, H₂, H₂S usw.).

Biogas ist ein Gemisch aus Kohlendioxid, Methan und anderen geringfügigen Gasen (H2S usw.), das nach einem Waschprozess zur Stromerzeugung durch einen Kraft-Wärme-Kopplungsprozess genutzt werden kann. Biogas ist aufgrund seines hohen Heizwerts (5.750 kcal/m3) eine Energiequelle, die in KWK-Motoren, Kesseln und Turbinen (zur Strom-, Wärme- oder Biokraftstofferzeugung) verwendet werden kann.

Die Art des zu vergärenden Materials beeinflusst maßgeblich den Ertrag und die Zusammensetzung des gewonnenen Biogases. Zur Maximierung der Produktion ist es vorzuziehen, Abfälle mit hohem Fett-, Protein- und Kohlenhydratanteil zu verwenden, da deren Abbau zu erheblichen Mengen flüchtiger Fettsäuren führt, die Vorläufer von Methan sind.

Die Restwärme des Prozesses kann zurückgewonnen und teilweise zur Konzentration des erzeugten Abwassers durch einen Vakuumverdampfungs-Konzentrationsprozess genutzt werden. Das Ergebnis ist hochwertiges Wasser und hochkonzentrierter Abfall.

Biometanisierung ist ein geeigneter Prozess zur Behandlung und Verwertung von landwirtschaftlichen, tierischen und städtischen Abfällen sowie zur Stabilisierung von Schlämmen aus der kommunalen Abwasserbehandlung.

Pyrolyse

Pyrolyse ist ein thermischer Prozess, bei dem organische Substanz in andere, leichter zu behandelnde Verbindungen umgewandelt wird.

Die Pyrolyse erfolgt bei hohen Temperaturen (zwischen 300 und 800 ºC) und in Abwesenheit von Luft, was bedeutet, dass die Zersetzung durch Hitze ohne Verbrennungsreaktionen erfolgt.

Die grundlegenden Merkmale dieses Prozesses sind:

• Das einzige vorhandene Sauerstoff ist der im zu behandelnden Abfall enthaltene.
• Die Betriebstemperaturen liegen zwischen 300°C und 800°C.
• Da keine Oxidationsreaktion der flüchtigeren Verbindungen stattfindet, liegt der Heizwert des Synthesegases aus dem Pyrolyseprozess typischerweise zwischen 10 und 20 MJ/Nm³.

Als Ergebnis des Prozesses erhält man:

• Synthesegas, dessen Grundkomponenten CO, CO₂, H₂, CH₄ und flüchtige Verbindungen sind, die aus der Spaltung organischer Moleküle sowie aus bereits im Abfall vorhandenen Verbindungen stammen. Es handelt sich um ein Gas mit hohem LHV (eine Mischung aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan, Ethan, Ethen usw.), wobei ein Teil der aus dem Gas gewonnenen Energie in den endothermen Pyrolyseprozess selbst investiert werden muss.
• Flüssiger Rückstand, hauptsächlich bestehend aus langkettigen Kohlenwasserstoffen wie Teeren, Ölen, Phenolen oder Wachsen, die durch Kondensation bei Raumtemperatur gebildet werden.
• Fester Rückstand, bestehend aus allen nicht brennbaren Materialien, die nicht umgewandelt wurden oder durch molekulare Kondensation mit hohem Kohlenstoffgehalt, Schwermetallen und anderen inerten Komponenten aus dem Abfall entstanden sind. Dieser feste Kohlenstoff wird durch einen zusätzlichen Verbrennungsprozess entfernt, der mit dem Hauptpyrolyseprozess verbunden ist.

Die niedrigen Betriebstemperaturen führen dazu, dass weniger Kohlenstoff und andere Vorläuferkontaminanten wie Schwermetalle oder Dioxine im Gasstrom volatilisiert werden. Dies erfordert theoretisch eine geringere Behandlung der Verbrennungsgase, um die in der Verbrennungsrichtlinie festgelegten Mindestemissionsgrenzwerte einzuhalten. Verbindungen, die nicht volatilisiert werden, verbleiben in den Pyrolyserückständen und müssen ordnungsgemäß entsorgt werden.

Um Abfälle pyrolysieren zu können, müssen bestimmte Anforderungen erfüllt sein. Es ist jedoch schwierig, die als geeignet oder ungeeignet betrachteten Abfalltypen genau zu definieren, da dies eng mit dem verwendeten Reaktortyp und den Betriebsbedingungen zusammenhängt. Grundsätzlich sind geeignetere Abfallarten Papier, Karton, Holzspäne, Gartenabfälle und ausgewählte Kunststoffe. Unzulässige Abfallarten sind Sperrmüll, Metalle, Baustoffe, gefährliche Abfälle, Glas und einige Kunststoffe wie PVC.

Vergasung

Vergasung ist ein thermischer Prozess, bei dem eine partielle Verbrennung der Materie in Gegenwart von unterstöchiometrischen Sauerstoffmengen stattfindet. Dabei entsteht ein brennbares Gas, bekannt als Synthesegas, dessen Zusammensetzung (eine Mischung aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Wasser und leichten Kohlenwasserstoffen) je nach Abfall und Betriebsbedingungen variiert.

Die Hauptmerkmale eines Abfallvergasungsprozesses sind:

• Es wird Luft, Sauerstoff oder Dampf als Sauerstoffquelle und manchmal als Träger zur Entfernung der Reaktionsprodukte verwendet.
• Die Betriebstemperatur liegt typischerweise über 750°C.
• Die chemischen Reaktionen umfassen molekulares Spalten, bei dem die Temperatur die schwächeren molekularen Bindungen aufbricht und kleinere Moleküle, meist flüchtige Kohlenwasserstoffe, entstehen. Außerdem findet eine Gasreformierung statt, die spezifisch für Vergasungsprozesse ist und oft Wasserdampf als Reaktant einbezieht.

Als Ergebnis des Vergasungsprozesses erhält man:

• Synthesegas, das hauptsächlich aus CO, H₂, CO₂, N₂ (wenn Luft als Vergasungsmittel verwendet wird) und in geringeren Mengen CH₄ besteht. Sekundärprodukte sind Teere, halogenierte Verbindungen und Partikel.
• Fester Rückstand, bestehend aus nicht brennbaren und inerten Materialien im zugeführten Abfall; er enthält in der Regel unvergasten Kohlenstoff. Die Eigenschaften dieses Rückstands ähneln der Schlacke, die in Verbrennungsanlagen entsteht.

Menge, Zusammensetzung und Heizwert der bei der Vergasung entstehenden Gase hängen von der Abfallzusammensetzung, der Temperatur sowie den eingesetzten Luft- und Dampfmengen ab.

Das im Vergasungsprozess erzeugte Synthesegas hat verschiedene potenzielle Verwendungszwecke:

• Als Rohstoff für die Herstellung organischer Verbindungen, wie die direkte Synthese von Methanol, Ammoniak oder die Umwandlung in Wasserstoff durch Dampfreformierung oder katalytische Reformierung.
• Stromerzeugung mittels Verbrennungsmotoren oder Mikroturbinen. Synthesegas kann als Brennstoff in Stromerzeugungsprozessen verwendet werden, die andere thermische Kreisläufe als Wasserdampfkreisläufe nutzen, sei es kombiniert oder einfach.
• Es kann in einen flüssigen Kraftstoff umgewandelt werden, der als Dieselersatz verwendet werden kann.
• Es kann nach Entfernung von CO₂ und verbleibendem Sauerstoff in das Erdgasnetz eingespeist werden.
• Der darin enthaltene Wasserstoff kann in einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung genutzt werden.
• Als Brennstoff in traditionellen Kesseln oder Öfen.

Das Synthesegas muss gereinigt werden, um nutzbar zu sein. Es entstehen auch Feststoffe, Teere und Aschen, die verbrannt werden müssen.

Bezüglich der am besten geeigneten Abfallarten hat die Vergasung ebenfalls die Einschränkung, nur bestimmte Materialien behandeln zu können. Die Eigenschaften des zugeführten Brennstoffs müssen sicherstellen, dass er mindestens die Mindestmenge an inertem und sehr feuchtem Material enthält, eine Partikelgröße zwischen 80 und 300 mm aufweist, genügend Kohlenstoff für die Vergasungsreaktionen enthält, keine gefährlichen Stoffe beinhaltet und idealerweise einen hohen Heizwert besitzt.

Verbrennung oder Verbrennung mit Sauerstoffüberschuss

Verbrennung ist ein schneller thermischer Prozess, bei dem eine vollständige Verbrennung des Materials erfolgt, was zu dessen Oxidation und Umwandlung in Kohlendioxid und Wasser führt. Die wichtigsten Merkmale der Abfallverbrennung sind:

• Für die Verbrennung ist ein Sauerstoffüberschuss erforderlich, um eine vollständige Oxidation sicherzustellen.
• Die Verbrennungstemperatur liegt typischerweise zwischen 850°C und 1.100°C nach der letzten Injektion von Sekundärluft. Die Temperatur variiert je nach Zusammensetzung der halogenierten Verbindungen im behandelten Abfall.
• Damit das Material mit Sauerstoff reagieren und Energie erzeugen kann, muss es Kohlenstoff, Wasserstoff oder Schwefel enthalten.

Als Ergebnis des Verbrennungsprozesses erhält man:

• Verbrennungsgas, das hauptsächlich aus CO₂, H₂O, nicht reagiertem O₂, N₂ aus der bei der Verbrennung verwendeten Luft und anderen Verbindungen in geringeren Anteilen aus verschiedenen Elementen des Abfalls besteht. Die geringfügigen Bestandteile hängen von der Zusammensetzung des behandelten Abfalls ab und können saure Gase aus Halogenreaktionen, Schwefel, flüchtige Metalle oder nicht oxidierte organische Verbindungen enthalten. Schließlich enthalten die Verbrennungsgase Partikel, die vom Gasstrom mitgeführt werden.
• Fester Rückstand, hauptsächlich bestehend aus inertem Schlacke, Asche und Rückständen aus dem Reinigungssystem der Verbrennungsgase.

Der Gesamtprozess wandelt nahezu die gesamte im Brennstoff enthaltene chemische Energie in thermische Energie um, wobei ein Teil der chemischen Energie im Verbrennungsgas und eine sehr geringe Menge in der Asche verbleibt.

Die durch diesen Prozess erzeugte Wärme wird zur Erzeugung von überhitztem Dampf genutzt, mit thermischen Wirkungsgraden von etwa 80 %, unter Berücksichtigung der Wärmeverluste im Ofen und im Wärmerückgewinnungskessel sowie der Mindesttemperatur am Austritt des Verbrennungsgases aus dem Wärmerückgewinnungskessel.

Verbrennungsprozesse sind hinsichtlich der verwendbaren Brennstoffe sehr flexibel, sodass kommunale Siedlungsabfälle, Industrieabfälle, gefährliche Abfälle, Klärschlamm oder Krankenhausabfälle behandelt werden können.

Plasmagenerierung

Plasma ist ein Materiezustand, der aus einem Gas entsteht, das hohen Temperaturen ausgesetzt ist, bei dem nahezu alle Atome ionisiert sind. Das Ergebnis ist ein Fluid, das aus einer Mischung von Elektronen, Ionen und freien neutralen Teilchen besteht, die zusammen elektrisch neutral, aber elektrisch leitfähig sind. Die Merkmale, die diesen Prozess definieren, sind:

• Die Plasmagenerierung erfolgt durch das Durchströmen eines Inertgases durch ein bestehendes elektrisches Feld zwischen zwei Elektroden, wodurch ein sogenannter Plasmabogen entsteht.
• Die Arbeitstemperaturen liegen zwischen 5.000°C und 15.000°C.
• Im Gas finden folgende Reaktionen statt: Atombindungsspaltung, Elektronenverlust aus äußeren Schalen und Bildung positiv geladener Teilchen.
• Das Prinzip des Prozesses ist wie folgt: Wenn ein Gas unter den genannten Bedingungen in ein elektrisches Feld eingeführt wird, entsteht ein elektrischer Strom, der aus freien Elektronen besteht, die sich zum positiven Pol des elektrischen Feldes bewegen, und positiven Teilchen, die sich zum negativen Pol bewegen. Dieser elektrische Strom erzeugt einen Widerstand und somit eine Umwandlung in Wärme, abhängig von der Stromstärke. Durch Erhöhung der Intensität des elektrischen Feldes steigen die elektronische und kationische Intensität, die Wärmeumwandlung und die Temperatur des Gases.
• Dieser Prozess hat praktische Grenzen, die mit der mechanischen und thermischen Belastbarkeit der Elektroden zusammenhängen.

Plasma bietet als thermisches Verfahren zur Abfallbehandlung drei Möglichkeiten:

• Behandlung gefährlicher Gase, die hohen Arbeitstemperaturen ausgesetzt werden und dadurch ihre molekulare Struktur zerstört wird. Ein klares Beispiel ist die Anwendung zur Zerstörung von PCB, Dioxinen, Furanen, Pestiziden usw.
• Vitrifizierung gefährlicher Abfälle, sowohl organischer Abfälle durch Zerstörung ihrer molekularen Struktur als auch anorganischer Abfälle durch Schmelzen zu einer vitrifizierten Masse. Nach dem Abkühlen und Erstarren der geschmolzenen Masse bleibt der Abfall physikalisch in der vitrifizierten Masse eingeschlossen, wodurch er zu einem inerten Feststoff wird und die Auslaugungsmöglichkeit minimiert wird.
• Plasmavergasung, bei der die thermische Energie des Plasmas selbst als Wärmequelle genutzt wird, typischerweise elektrisch erzeugt. So entstehen als Endprodukte ein Gas, das hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, und ein fester Rückstand, der aus einer inerten, meist vitrifizierten Schlacke besteht.

Basierend auf Pilotanlagenversuchen könnte diese Technologie potenziell eine breite Palette von Abfallarten behandeln, darunter kommunale Siedlungsabfälle, Industrieabfälle, Biomasse, Gesundheitsabfälle, Altfahrzeugabfälle, Reifen, Kunststoffe und Sonderabfälle.

Deponie und Nutzung von Deponiegas

In den meisten aktuellen Vorschriften ist es nicht ratsam, diese Option als praktikabel zu betrachten, da die Menge an biologisch abbaubarem Abfall, die auf Deponien abgelagert wird, abnimmt. Dennoch lohnt es sich, die Energie des Deponiegases zu nutzen, trotz technischer Herausforderungen (variabler Heizwert, Vorhandensein zahlreicher Verunreinigungen im Gas, aggressive Bedingungen für KWK-Motoren oder Mikroturbinen usw.).