Energie aus der Müllverbrennung

Im Rahmen der Vorlesung „Abfalltechnik“, HS 2011
Patricia Gröninger, Andrea Binkert
Energie aus der Müllverbrennung Früher stand bei der Kehrichtverbrennung vor allem eine sichere und zuverlässige Beseitigung des Abfalls im
Vordergrund. Im Jahr 1991 wurde in der technischen Verordnung über Abfälle bestimmt, dass ein Teil der
anfallenden Wärme genutzt werden muss, sie definierte aber nicht in welchem Ausmass. Heute betrachtet man
Abfall immer mehr als wertvolle Rohstoffressource, durch deren Verbrennung man Energie in Form von Strom
und Wärme erzeugen kann.
Das Verbrennen von organischem Material im Abfall liefert Energie. Siedlungsabfälle enthalten etwa ein
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Energieäquivalent von 300 kg Erdöl pro Tonne Abfall. Die 30 in der Schweiz in Betrieb stehenden KVAs haben
im Jahr 2008 an die 5000 GWh Strom produziert. Dies entspricht etwa 2% des Energieverbrauchs der Schweiz
(Buchs, 2010).
Die KVA als Energieproduzent Die KVA als Energieproduzent ist
a.)
teilweise erneuerbar,
b.)
sehr ökologisch,
c.)
relativ kostengünstig,
d.)
über ein grosses Potential verfügend, und
e.)
relativ rasch realisierbar.
a.) Im Gegensatz zu erneuerbaren Energien wie Solar- und Windenergie wurden Energieproduzenten wie die
KVA lange Zeit kaum wahrgenommen. Dies hat sich seit dem Jahr 2009 mit der Revision des
Energiegesetzes in der schweizerischen Gesetzgebung schlagartig geändert. Aufgrund des Anteils an
erneuerbaren Stoffen in den Siedlungsabfällen dürfen heute 50% der produzierten Energie der KVAs als
erneuerbar bezeichnet werden. Nach Wasserkraftwerken bietet die Kehrichtverbrennung mit 83% die höchste
Stromlieferung der erneuerbaren Energien in der Schweiz (ohne Berücksichtigung der Wasserkraft, welche
allein schon 70% ausmacht). Die KVA trägt ausserdem 27% zur erneuerbaren Wärmeproduktion in der
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Schweiz bei, welche vor allem in Form von Fernwärme genutzt wird (Kernen & Müller, 2006).
b.) Die KVAs weisen eine hervorragende Ökobilanz auf und schneiden bezüglich der Umweltbelastung besser ab
als alle anderen erneuerbaren Technologien. Dies primär, weil die Entsorgungsanlagen bereits bestehen und
es keiner aufwändigen zusätzlichen Infrastruktur für die Energieproduktion bedarf. Vor allem neue KVAs, bei
welchen man die Energieproduktion schon von Anfang an in die Planung mit einbeziehen kann, werden als
sehr ökologisch bewertet. Die Umweltbelastung bezüglich der Stromproduktion ist etwa 2000-mal kleiner als
bei stromerzeugenden Gaskombikraftwerken, jene bezüglich der Wärmeproduktion ungefähr 100-mal besser
als eine Gasheizung. Die Ökobilanz sollte aber allgemein immer mit kritischem Auge betrachtet werden, da
die Resultate der Bilanz unter anderem stark von den Systemgrenzen abhängig sind (Kernen & Müller, 2006).
c.) Der Energiepreis ist im Vergleich zu anderen Energieressourcen sehr gering. Die Energie aus den KVAs ist
immer mehr von Interesse, nicht zuletzt aufgrund des steigenden Erdölpreises und der finanziellen
Unterstützung und Förderung durch den Staat. Die produzierte Energie kann entweder zur Deckung der
Eigenbedarfs der KVA dienen, oder in Form von erneuerbarem Strom oder Wärme verkauft werden. Mit der
Energieproduktion entstehen für KVAs neue wirtschaftliche Anreize. Folglich wächst auch das Interesse an
einer Effizienzsteigerung und einer Verbesserung der Technologie auf Seite der KVA.
Bei der KVA Thurgau, zum Beispiel, macht der Verkauf von Strom und Wärme ungefähr einen Viertel (ca. 10
Mio. CHF) des Gesamtjahresumsatzes aus (Buchs, 2010).
d.) Das Potential der Energieproduktion durch KVAs ist sehr gross. Gemäss Schätzungen verschiedener
Fachvereine könnte die Hälfte aller Wohnbauten in der Schweiz mit erneuerbarer Energie beheizt werden.
Davon könnte wiederrum bis zu einem Drittel durch KVA-Fernwärme gedeckt werden. Dies entspräche etwa
16% aller Gebäude in der Schweiz oder ungefähr 1.25 Mio. Einwohner. Es stellt sich die Frage, wie viel von
diesem Potential mit gezielter Förderung umgesetzt werden kann. Erfahrungen zeigen, dass im Bereich der
Fernwärme die Projekte leider häufig über der Wirtschaftlichkeitsgrenze liegen (Kernen & Müller, 2006).
e.) Die Technologien zur Energieproduktion sind meist gut bekannt und auch gut realisierbar bezüglich
Machbarkeit und Finanzierung (Rytec, 2011).
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KVA = Kehrichtverbrennungsanlage
Fernwärme bedeutet, dass die Wärmeerzeugung nicht unmittelbar am Ort des Verbrauchs geschieht, sondern dem Verbraucher über ein
Rohrleitungsnetz zum Heizen und zur Warmwasser-Aufbereitung zugeleitet wird (Verband Fernwärme Schweiz).
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Markt 3
Die Auftragslage für EfW-Anlagen zeigt starke jährliche Schwankungen und eine ausgeprägte längerfristige
Wellenbewegung. Nach dem Höhepunkt im Jahr 2005 brachen die Aufträge 2008/2009 stark ein. Im Jahr 2010
betrug die neue Verwertungskapazität 10‘264 Tonnen pro Tag. Damit waren die Aufträge für EfW-Anlagen 19%
höher als im Vorjahr 2009. Die Hälfte der Auftragsvergaben in der Vergangenheit war in heute gesättigten
Märkten. Als gesättigte Märkte gelten heute Deutschland, die Schweiz, Schweden und Niederlande (Vaccani,
2011).
Energieeffizienz in der EG-­‐Abfallrahmenrichtlinie Die Energieeffizienz dient als Mass für die Umweltrelevanz und wird benutzt, um die Anlagen zu klassifizieren. Es
wird unterschieden zwischen Anlagen, die Abfälle thermisch verwerten (Verwertungsanlagen), und Anlagen, die
die Abfälle „nur“ entsorgen (Beseitigungsanlagen). Die Energieeffizienz ist in der EG-Abfallrahmenrichtlinie durch
den R1-Faktor definiert. Der R1-Faktor ist eine Zahl, welche aufgrund politischer Diskussionen entstanden ist,
jedoch auf physikalischen Grundlagen basiert. Die Aussagekraft der Energieeffizienz nach der EGAbfallrahmenrichtlinie wird aber auch als zweifelhaft betrachtet, da die ins System eingehenden Energieflüsse
den Eigenenergiebedarf nicht berücksichtigen. Der R1-Faktor weist folglich den gleichen Wert auf, unabhängig
davon, ob die gesamte produzierte Energie an Dritte abgegeben wird oder ob sie in der Anlage selbst verbraucht
wird. Diese Aussage kann nach gewissen Meinungen keine Grundlage für einen seriösen Systemvergleich und
auch nicht im Sinne der politischen Entscheidungsträger sein (Rytec, 2011) (Löschau, 2010).
Energierückgewinnung am Beispiel der KEZO Die Kehrichtverwertung Zürcher Oberland (KEZO) gewinnt,
wie viele ähnliche Anlagen, die Energie in zwei Formen
zurück. Einerseits als Strom, der direkt ins Netz eingespiesen
werden kann, andererseits als Wärme, die das Wasser für den
Betrieb des Fernwärmenetzes erhitzt.
Konkret funktioniert die Energierückgewinnung
folgendermassen: Das Feuer im Ofenhaus erwärmt die
Wasserleitungen, die sich in den Ofenwänden und im
Rauchgasstrom befinden. Der dadurch entstehende Dampf,
wird dann in die Turbine geleitet (Umwandlung thermische in
mechanische Energie). Ein Teil des Dampfes wird somit
gebraucht, um den Stromgenerator anzutreiben (Umwandlung
mechanische in elektrische Energie). Der Dampf gelangt dann
Abbildung 1: Schema Energierückgewinnung (KEZO) in die Luftkondensatoren, wo er wieder zu Wasser abgekühlt
wird. Hier geht ein grosser Teil der im Feuer freigewordenen
Energie verloren. Der andere Teil des Dampfes wird der Turbine entnommen und in einen Wärmetauscher
geleitet. Die im Dampf enthaltene thermische Energie wird dann auf den Wasserkreislauf des Fernwärmenetzes
übertragen und ermöglicht so die Wärmelieferung zur Versorgung von Gebäuden mit Heizung und Warmwasser.
Energiebilanz einer KVA In der Abbildung 2 ist die Energiebilanz einer konventionellen KVA zu sehen.
Ausgegangen wird von einer jährlichen Müllmenge von 180'000 t und einem
durchschnittlichen Heizwert von 2.326 kWh/kg. Dies ergibt einen Wert für die
Müllwärme von ungefähr 419'000 MWh/a. Gesamthaft betrachtet kann somit 56 %
der Energie genutzt werden (inklusiv elektrischem Eigenbedarf), während 44 %
verloren gehen. Dieser hohe Verlustwert ergibt sich vor allem durch die Kesselund Kondensationsverluste. Die Fernwärme und der Strom werden in diesem
Beispiel ungefähr im Verhältnis 3:1 produziert (Lemann, 2005), wobei dieser Wert
für schweizerische Verhältnisse (Stand 2008) als typisch angesehen werden kann
(Kernen & Müller, 2006).
Abbildung 2: Energiebilanz
über ein Jahr (Lemann, 2005).
Dieses Verhältnis kann aber auch variieren. Von der im Jahr 2010 in der KEZO
produzierten Energiemenge von ungefähr 155 GWh wurde zu 70 % Strom
erzeugt. Ein Viertel dieser Strommenge wurde betriebsintern verbraucht, der Rest
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wurde direkt ins EKZ -Netz eingespiesen. Die erzeugte Wärmemenge (knapp 42
GWh) dient zur Beheizung von Industrieanlagen und Wohnquartieren in der Nähe
der KVA (Fernwärme), sowie zur Erwärmung eine Gewächshauses (Abwärme).
In der KVA Thurgau, die vergleichsweise relativ neu ist (Inbetriebnahme im Jahr
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EfW = Energy from Waste: Allgemeiner Prozess, in welchem man durch Abfall Energie in Form von Elektrizität oder Wärme gewinnen kann.
Dies kann „thermisch“ durch Verbrennung, Vergasen oder Pyrolyse geschehen oder aber auch „nicht-thermisch“ im Sinne der Vergärung.
EKZ = Elektrizitätswerke des Kantons Zürich.
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1996), werden von der total produzierten Energie (398 GWh) mehr als drei Viertel in Form von Wärmeenergie
abgegeben. Dies vor allem deshalb, weil durch die nahe Papierfabrik ein grosser Abnehmer für die Fernwärme
vorhanden ist, aber auch weil bei der Produktion von Fernwärme ein besserer Wirkungsgrad erreicht werden
kann (Kernen & Müller, 2006).
Bezüglich der Gesamtenergieeffizienz liegt der schweizerische Durchschnittswert bei 43 % (Stand 2008). Die
KVA Thurgau überrascht mit einem Wert von fast 85 %. Gründe für diesen hohen Wert sind einerseits die
Verwendung von neueren Technologien und andererseits konnte das Anliegen der Energiegewinnung bereits in
der Planungsphase berücksichtigt werden (Kernen & Müller, 2006).
Dampfturbinen Als die EG-Abfallrahmenrichtlinie eingeführt wurde, sorgte der fest geschriebene R1-Faktor für rege Diskussionen
bezüglich der Effizienz der KVA. Technisch lassen sich die Vorgaben jedoch alleine schon durch effiziente
Betriebsweise und moderne Dampfturbinen erfüllen (Abel-Günther & Witt, 2010). Dies lässt sich auch am Beispiel
der KVA Thurgau zeigen, welche in eine neue Dampfturbine investiert hat und nun rund 20% mehr Strom ins
Netz liefern kann (Buchs, 2010).
Eine Auswertung der R1-Formel zeigt, dass die kombinierte Erzeugung von mechanischer Energie (die dann
meist direkt in elektrischen Strom umgewandelt wird) und nutzbarer Wärme die höchste Ausbeute erbringt
(=Kraft-Wärme-Kopplung). Die Dampfturbine leistet deshalb als zentrale Anlagekomponente einen wichtigen
Beitrag (Abel-Günther & Witt, 2010).
Der idealisierte (verlustfreie) Dampfkraftprozess (Rankine-Cycle) stellt sich wie folgt dar:
• 1 - 2: Adiabate Druckerhöhung durch Kesselspeisepumpe. Diese
fördert das Kondensat in den Dampfkessel.
• 2 - 3: Isobare Wärmezufuhr im Dampfkessel.
• 3 - 4: Adiabate Expansion des Dampfes in der Turbine.
• 4 - 1: Isobare Kondensation des Dampfes im Kondensator (meist
mittels Kühlwasserkreislauf).
Die vom dargestellten Kreisprozess eingeschlossene Fläche
repräsentiert die technisch nutzbare Arbeit bezogen auf die
durchströmende Dampfmenge (Baehr & Kabelac, Thermodynamik,
2009).
Es gibt einige Möglichkeiten, die Anlageeffizienz zu steigern. Die
hierfür zur Verfügung stehenden Massnahmen sind in Abbildung 3
dargestellt:
• A: Turbinenwirkungsgrad optimieren.
Abbildung 3: Dampfkraftprozess inkl.
• B: Frischdampfparameter anheben (Druck und Temperatur): Dies
Optimierungspotenziale
bedingt dann gleichzeitig auch eine Zwischenüberhitzung,
x-Achse: Entropie s (kJ/kg K)
damit die Dampfnässe in der Turbine nicht zu hoch wird.
y-Achse: Temperatur T (K)
• C: Kondensationsdruck absenken (abhängig von lokalen
Umgebungsbedingungen).
• D: Mehrstufige Speisewasservorwärmung: Hierzu wird das Wasser, welches in die Turbine gelangt,
vorgewärmt und resultiert in einer höheren mittleren Temperatur. Dadurch wird für den WärmezufuhrProzess weniger Energie benötigt.
• E: Zwischenüberhitzung: Der Frischdampfdruck im Hochdruckteil der Dampfturbine wird auf den sogenannten
Zwischendampfdruck entspannt und dann dem Dampferzeuger wieder zugeführt. Im Dampferzeuger wird
der Dampf nochmal auf die Frischdampftemperatur erhitzt und dem kombinierten Mittel- und Niederdruckteil
der Dampfturbine zugeführt (Abel-Günther & Witt, 2010).
Organic Rankine Cycle (ORC) Abbildung 4: Komponenten eines ORCKreisprozesses (Richter, 2010)
Wie aus Abbildung 2 ersichtlich ist, geht ein grosser Anteil der
Müllwärme in Form von Wärme verloren. In der KVA Thurgau,
zum Beispiel, verpuffen ungefähr 30% der verwertbaren Wärme
noch ungenutzt in Form von niederkalorischer Energie (45°
Wasserdampf) (Buchs, 2010). Ein Frischdampfdruck von 250 bar
und eine Temperatur von bis zu 550°C sind heutzutage übliche
Parameter zur Stromerzeugung mittels Expansion von
Wasserdampf in Turbinen.
Der Verwandte dieses Rankine-Kreisprozesses, der ORC, arbeitet
auch bei niederigen Temperaturen und Drücken (Brüggemann).
Dies ist ein erfolgsversprechender Ansatz, die überschüssige
Wärme der KVA zu nutzen und somit mechanische Leistung zu
erbringen. Diese kann dann verwendet werden kann, um
Arbeitsmaschinen anzutreiben oder vorhandene Antriebe zu
unterstützen (Richter, 2010).
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Patricia Gröninger, Andrea Binkert
Das ORC-Prinzip basiert auf einem Generator, der wie eine herkömmliche Dampfturbine funktioniert, indem
Wärmeenergie erst in mechanische Energie und schließlich in elektrische Energie mittels eines Stromerzeugers
umgewandelt wird. Anstelle von Wasserdampf verdampft im ORC-System eine organische Flüssigkeit, deren
Molekülmasse höher als beim Wasser ist, was zu einer langsameren Umdrehung der Turbine und zu einem
niedrigeren Druck wie auch zu einem geringeren Verschleiß der Metallbestandteile und Laufschaufeln führt
(Turboden s.r.l., 2011).
Fazit Die Energieproduktion aus KVAs hat jedoch auch ihre Grenzen. Deshalb fordern zum Beispiel die Betreiber der
KVA Thurgau, dass beim Umgang mit Abfall folgende Grundsätze beachtet werden:
Als erster Punkt soll durch Abfalltrennung mengenmässig weniger Abfall generiert werden. Zweitens sollen vor
allem organische Abfälle und Papier rezykliert werden. Und drittens soll die Energie, die beim Verbrennen der
restlichen Abfallmenge anfällt, effizient genutzt werden (Buchs, 2010).
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Patricia Gröninger, Andrea Binkert
Literaturverzeichnis
Abel-Günther, K., & Witt, M. (Juni 2010). Dampfturbinen in Abfallverbrennungsanlagen. UmweltMagazin, pp. 3738.
Buchs, M. (Juli 2010). Kehrichtsäcke voller Energie. energeia (4), pp. 4-5.
Baehr, H. D., & Kabelac, S. (2009). Thermodynamik. Springer-Verlag.
Baehr, H. D., & Stephan, K. (2010). Wärme- und Stoffübertragung. Springer-Verlag.
Brüggemann, D. P.-I. (n.d.). LTTT - Universität Bayreuth. Retrieved 7. November 2011 from Multitalent ORC:
http://www.lttt.uni-bayreuth.de/de/index.html
KEZO. (n.d.). Energierückgewinnung. Retrieved 7. November 2011 from http://www.kezo.ch/index2.html
Kernen, M., & Müller, E. A. (März 2006). Erneuerbare Energien in der Schweiz. gwa, pp. 179-185.
Lemann, M. F. (2005). Abfalltechnik (3. erweiterte Auflage ed.). Bern: Peter Lang AG.
Löschau, M. (September 2010). Aussagekraft der Energieeffizienz. UmweltMagazin, pp. 76-77.
Rytec. (10.05.2011). Bundesamt für Energie BFE - Energie in KVA. Retrieved 07.11.2011 from
http://www.bfe.admin.ch/infrastrukturanlagen/01079/index.html?lang=de&dossier_id=01690
Richter, H. (September 2010). Wärme nutzen mit einer passenden ORC-Anlage. UmweltMagazin, pp. 72-74.
Turboden s.r.l. (2011). Wärmerückgewinnung Anwendungen. Retrieved 7. November 2011 from
http://www.turboden.eu/de/downloads/downloads.php?categoria=presentations
Turboden s.r.l. (2011). Rankine. Retrieved 7. November 2011 from http://www.turboden.eu/de/rankine/rankinetheory.php
Vaccani, A. (April-Mai 2011). Rückkehr des europäischen EfW-Markts. UmweltMagazin.
Verband Fernwärme Schweiz. (n.d.). Fernwärme: Die Komfort-Energie. Retrieved 7. November 2011 from
http://www.fernwaerme-schweiz.ch/fernwaerme-deutsch/allgemeine-Fragen/Was-ist-Fernwaerme.php?navid=1p