Waste to Energy

Die Angewohnheiten der Verbraucher der modernen Lebensweise bereiten weltweit riesige Probleme mit Abfällen.

 

Abfallverarbeitungstechnologien 

Die organischen Technologien “Energie aus Abfällen” können im Allgemeinen als biochemische, chemische oder Wärmeprozesse qualifiziert werden.

 Biochemische Veränderungen

Die Zersetzung ist ein biochemischer Prozess, bei dem die organischen Abfälle sauerstoffhaltig oder sauerstoffarm sind, zerlegt von der Wirkung der Bakterien bis hin zu einfachen Molekülen. Wenn die Abfälle durchlüftet sind, verläuft die sauerstoffhaltige Zersetzung so, wie zum Beispiel in den frühen Stadien der Zersetzung von Hausmüll und während der Kompostierung. Die sauerstoffarme Zersetzung verläuft dort, wo die Luftzufuhr zu den Abfällen eingeschränkt ist, wie zum Beispiel in den fortgeschrittenen Stadien der Zersetzung von hartem Hausmüll oder bei der Zersetzung von Ablagerungen oder Abwasser in geschlossenen Behältern. Als Resultat der sauerstoffhaltigen Zerlegung entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser, während bei der sauerstoffarmen Zersetzung Methan und Wasser entstehen, аber auch ein bisschen Kohlenstoffdioxid und Schwefelwasserstoff. Folglich können die Gase, die bei der sauerstoffarmen Zersetzung entstehen, verbrannt werden und zur Herstellung von Elektro- oder Wärmeenergie benutzt werden, wobei sich auf diese Weise das Methan in Kohlenstoffdioxid verwandelt (mit einem niedrigen Treibhauspotenzial).

Deponiegase

Das Deponiegas ist ein zusätzlicher Brennstoff, der ein Sekundärprodukt aus der gegenwärtigen Praxis zur Abfallverwaltung ist und demnach erst entsteht, nachdem der Hausmüll auf eine absolut instabile Weise weggeschmissen wird.  Die sauerstoffarme Zersetzung von vergrabenen harten organischen Abfällen führt zur natürlichen Bildung von Deponiegas, da die bakterielle Zersetzung der organischen Stoffe in der Zeit anhält. Das ist eine außerordentlich uneffektive Weise zur Umwandlung von Energie aus Hausmüll. Da die Verwendung von Mülldeponien unvermeidlich nachlässt, wird langfristig das Deponiegas als Rohstoff verschwinden.

Das Methan, das auf den Deponien entsteht, wird gewöhnlich in die Atmosphäre freigelassen, außer das Deponiegas wird erfasst und gewonnen - durch die Aufstellung von perforierten Rohren auf der Mülldeponie.

In diesem Verfahren verläuft das Gas durch die Rohre unter der Wirkung seines natürlichen Drucks oder eines schwachen Vakuums, damit es eingesammelt und als Energierohstoff benutzt wird, anstatt einfach in die Atmosphäre freigelassen zu werden.

So wie zur Gewinnung von Elektroenergie, kann das Deponiegas auch zur Herstellung von Wärmeenergie benutzt werden, indem das Gas verbrannt wird, damit es die Erwärmung von Gebäuden gewährleistet und für Industriezwecke verwendet werden kann. Während diese Anwendung weniger rentabil sein kann als die Herstellung von Elektroenergie wegen der Transportkosten, die mit dem Transport des Gases an den gewünschten Ort verbunden sind, erhöht der Gebrauch des Gases auf dem Gelände  (wie zum Beispiel durch den Bau von Anlagen von betriebsfähigen Deponien) die Anwendbarkeit.

Thermochemische Umwandlung

Die thermische Behandlung von organischen Abfällen kann Wärme erzeugen oder eine Reihe flüssiger und gasförmiger Brennstoffe. Es gibt drei grundsätzliche Möglichkeiten für die Verwertung der Energie aus harten Abfällen:

  • durch Verbrennung (von Brennstoffen oder direkter Einäscherung) des Hausmülls ohne vorherige Behandlung
  • durch die Herstellung von mehr oder weniger raffinierten Brennstoffen aus dem Grundstrom von Abfällen teilweise oder bei einer höheren Stufe behandelter Brennstoffe, hergestellt aus Abfällen wie Granulaten zur weiteren Verbrennung  (z. B. in Rotationsöfen) oder durch neue Methoden für eine Pyrolyse oder zur Vergasung, und
  • durch die Ausarbeitung neuer Herangehensweisen, die die Gewinnung von Chemikalien wie Kunststoffmonomeren, in Verbindung mit einer Vergasung, Pyrolyse, Hydrierung und/oder einer Verbesserung der hergestellten Gase und Öle beinhalten.

Direkte Verbrennung

Auch als Massenverbrennung oder direkte Verbrennung beschrieben, ist das eine Verbrennung von Abfällen zur Herstellung von Wärme zum Kochen, Raumheizung, Industrieverfahren zur Gewinnung von Elektroenergie. Die Asche aus dem Brennprozess  kann auch zum Bau von Gebäuden und Landstrassen verkauft werden, mit dem Ziel zur zusätzlichen Mengenreduzierung des Endabfalls. Zur direkten Verbrennung werden getrocknete Abfälle benutzt, aber es können auch getrocknete Ablagerungen aus Kläranlagen verwendet werden.

In großem Maßstab können die harten Abfälle  (inkl. der Abfälle aus der Land- und Forstwirtschaft) in Öfen zur Herstellung von Wärme für die Erwärmung von Dampfturbinengeneratoren verbrannt werden. Die Größe des Kraftwerks wird oft vom Vorhandensein lokaler Rohstoffe eingeschränkt und beträgt im Allgemeinfall weniger als 25 – 40 MWe. Durch die Verwendung von speziell dafür vorgesehenen Rohstoffquellen jedoch, wie zum Beispiel der Anordnung von Müllverbrennungsanlagen auf den Deponien, kann das Volumen auf bis zu 50 – 75 Mwe erweitert werden, wobei beträchtliche Einsparungen aufgewiesen werden können. 

Refuse Derived Fuels (RDF)

Die Verwendung von rohem, unbearbeitetem Hausmüll als Brennstoff ist wegen der heterogenen Natur des Materials, welches von Stadtteil zu Stadtteil und von Jahreszeit zu Jahreszeit variiert, problematisch. Dieser hat auch einen niedrigen thermischen Wert und einen hohen Anteil an Asche und Feuchtigkeit. Das behindert die Projektanten und Betreiber der Werke, sie müssen immer akzeptable Niveaus der Luftsauberkeit während der Verbrennung gewährleisten. Die Abfallbehandlung zu Brennstoffen bewältigt teilweise diese Probleme, die Brennstoffe können nachher erfolgreich für die Verbrennung auf andere Wege benutzt werden.

Abfälle mit hohem organischem (Kohlenstoff-) Gehalt sind für die Herstellung von Briketts und Granulaten geeignet, wobei als erstes die nicht brennbaren und geeigneten Materialien zur Rohstoffrückgewinnung abgesondert werden. Diese Verfahren beinhalten die Verdichtung der Abfälle bei hohen Temperaturen und sehr hohem Druck. Die organischen Stoffe werden für die Herstellung von Briketts und Granulaten zu Würfeln gepresst. Es ist wichtig anzumerken, dass die Verwendung von behandelten Abfällen zur Gewinnung von Elektroenergie (nach Beseitigung, der für die Rohstoffrückgewinnung geeigneten und nicht brennbaren Komponenten), die Effektivität des Verfahrens Energie aus Abfällen beachtlich steigern wird, aber wegen der aufwendigeren Verarbeitung des Produkts zu einem höheren Preis.

Vergasung

Diese Methode der Teilverbrennung mit beschränkter Luftzufuhr, zwecks Bildung eines sauerstoffarmen Umfelds, kann zur Umwandlung der Biomasse und der Kunststoffabfälle in ein synthetisches Gas mit einem Erwärmungswert von 10-15% von dem des Erdgases, benutzt werden. Wenn es mit der Herstellung von Elektrizität verbunden wird, kann es sich als wirtschaftlich und umweltattraktiv erweisen, obwohl es für reine Biomasse geeigneter erscheint, wie zum Beispiel Baumabfälle. Das synthetische Gas (СО + Н) wiederum kann in Methanol, synthetisches Benzin umgewandelt werden oder direkt als Erdgasersatz verwendet werden.

Gärung

Die organischen Abfälle können durch eine bakterielle Gärung in Ethanol, in Alkohol, der in Getränken enthalten ist, umgewandelt werden, welche die Kohlenhydrate in dem Rohstoff in Ethanol (Spiritus) umwandelt. Zurzeit beinhalten die Rohstoffe landwirtschaftliche Abfälle, wie Melasse oder Abfallstärke, wobei die letzten Ausarbeitungen sich auf den Hausmüll, inkl. der Nahrung und Kanalisationsablagerungen fokussieren. Die Herstellung von Ethanol aus Komponenten, die Zellulose enthalten, wie Maiskolben und Reisstängel, ist im Erarbeitungsprozess.

Die vollständige chemische Reaktion, die von Mikroorganismen hervorgerufen wird, wird mit der folgenden chemischen Gleichung dargestellt: C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2. Ein Großteil des Ethanols wird durch Gärung hergestellt und als Brennstoff verwendet.

Esterifizierung

Das Biodiesel kann durch rein pflanzliches Öl, tierische Fette/Schmalz, Talg und Abfallöle hergestellt werden. Fast die ganze Menge an Biodiesel wird durch eine grundsätzliche katalysierte Transesterifizierung hergestellt, weil das die günstigste Methode ist. Sie erfordert lediglich geringe Temperaturen und Druck, und gibt zu 98% ein Endprodukt. Der Prozess Transesterifizeirung ist eine Reaktion von Triglyceriden (Fett/Öl) mit Alkohol bis zur Bildung von Ester und Glycerol. Das härtere begleitende Produkt, das Glycerol, setzt sich auf den Boden ab und kann in dieser Form verkauft oder aufbereitet werden und in anderen Produktionen gebraucht werden, z. B. in der Pharmazie, der Kosmetikbranche u.a. Das Biodiesel ist weniger toxisch und ein besser biozerlegbarer Brennstoff als das Erdöldiesel und wird oft mit dem Erdöldiesel, zur Gewährleistung einer erneuerbaren Komponente im Brennstoff, gemischt.

Pyrolyse 

Die Pyrolyse wird als Verbrennung unter sauerstoffarmen Bedingungen definiert und ist eine andere Möglichkeit für Energie aus Abfällen, die erforscht wird. Pilotprojekte, die die Pyrolyse für Kunststoffabfälle und für gemischten harten Hausmüll benutzen, haben potentiell eine sehr hohe Energieeffizienz. Kombinierte Pyrolyse- und Vergasungssysteme und kombinierte Pyrolyse und Verbrennung werden auch erarbeitet und angewendet.

Enersludge-Verfahren

Eine Alternative der Verbrennung oder der sauerstoffarmen Zersetzung der Kanalisationsablagerungen (oder ihr Wegwerfen ins Meer, was immer noch eine oft angewendete Wegwerfmethode ist), ist der innovative  Enersludge-Prozess (Energie aus Ablagerungen), welcher die Ablagerungen in nützliche Bioöle umwandelt. Das Konzept wurde ursprünglich von Prof. Bayer in Deutschland, Anfang der 80er Jahre, vorgeschlagen, aber erst kürzlich hat ihn der ökologische Druck der anderen Verarbeitungsmöglichkeiten konkurrenzfähig gemacht.

Brennkammern

Die Verbrennungstechnologie von Kohle wurde für die Verbrennung von Biobrennstoffen und Abfallprodukten angepasst. Die Verbrennung von Biomasse ist komplizierter als die Verbrennung von Kohle wegen der Inhomogenität, des unterschiedlichen Gehalts an Feuchtigkeit und der unterschiedlichen Zusammenstellung des Rohstoffs.  

Die besten und größten

Kalifornien ist der “Geburtsort” des weltweit größten Kraftwerks für Energie aus Abfällen, welches Deponiegas in brauchbares Erdgas umwandelt. Der Hauptbetreiber von Deponien, die Waste Management, in Partnerschaft mit der Linde Group, haben neulich ihre Anlage im Wert von 13,5 Millionen Dollar in der Nähe der Stadt Livermore eröffnet, mit Werken mit einer Leistungskapazität von 4 Millionen Gallonen (etwas über 15 Millionen Liter) Brennstoff jährlich.

Die Experten in thermischer Umwandlung aus Südafrika sind führend in der weltweiten Industrie für Abfallumwandlung in Brennstoffe. Im März 2008 haben sie das weltweit größte Werk zur Umwandlung von Abfällen eröffnet.

Diese neuen Technologien anwendend, hat das Kraftwerk der Prestige Thermal, die sich in Wadeville befindet, eine Leistungskapazität von 3 MW elektrischer Energie aus drei Tonnen hartem Hausmüll. Zur selben Zeit erhält die Gesellschaft beachtliche Aufmerksamkeit aus Europa. Die Gesellschaft ist als einer der weltweiten Industrieführer, besonders im Bereich der besten Praktiken zur Abfallverwaltung, anerkannt. 

Ottawa, Ontario – (Marketwire, 22. Oktober 2009 ) – Eine Technologie, die den harten Hausmüll in Elektrizität umwandelt, wurde heute zur Kommerzialisierung vorangetrieben. Die Sustainable Development Technology Canada (SDTC) hat erklärt, dass das Projekt für eine Plasmavergasung aus hartem Hausmüll, ausgearbeitet von der Plasco Energy Group Inc. (Plasco), beendet ist. Dieses Projekt ist das Resultat aus mehr als 25 Jahren gezielter Untersuchungen und Entwicklung.

Das Projekt hat ein Verfahren einer Plasmavergasung dargestellt, welches täglich 75 Tonnen harten Hausmüll in synthetisches Gas, harte inerte Stoffe und Wärme umwandelt. Das Gas wird in Kraftwerken zur Herstellung von Energie verwendet, welche an das Elektrizitätsnetz verkauft wird. Bis jetzt hat die Stadt Ottawa eine unterschriebene Absichtserklärung zur Lieferung einer Anlage  Plasco mit einer Leistung von 400 t/Tag, die Central Waste Management Commission in Red Deer, Alberta, hat einen Vertrag für eine Anlage Plasco mit einer Leistung von 200 t/Tag unterschrieben.

Europa ist der weltweit größte Markt für Energiekraftwerke aus Abfällen, mit einer sehr gut entwickelten Infrastruktur und über 429 installierten Kraftwerken in 2008. Eine neue Analyse von Front & Sullivan (European Waste to Energy Plants Market) zieht die Schlussfolgerung, dass dieser Markt in 2008 Einnahmen im Wert von 3,10 Milliarden Dollar hatte.

Länder wie Deutschland und Frankreich haben die größte Anzahl an Energiekraftwerken aus Abfällen. Solche Kraftwerke erleichtern die effektive Abfallverarbeitung, von den Deponien abgeleitet, wobei sie diesen Ländern die Möglichkeit geben, erfolgreich ihre Ziele in dieser Hinsicht zu verwirklichen.