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09-2019

Abfall Im Vordergrund

Abfall Im Vordergrund der Bereich der gelbe Wasserquench des Flugstrom-Vergasungsreaktors für staubförmige kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe wie Kohle, Petrolkoks und getrockneten Klärschlamm. Das zirka 22 m hohe Vergasergerüst der FlexiSlag- Pilotanlage wurde 2011 zur Vergasung von Kohle gebaut. Die Anlage wird heute für Tests von verschiedenen festen Kohlenstoffträgern wie Biomasse, Petrolkoks, Kunststoffabfälle inklusive Ozeanmüll genutzt. Synthesedruck von etwa 40 bis 60 bar zu einem erheblichen Effizienzverlust. In Deutschland wird an der nächsten Generation von Vergasungstechnologien gearbeitet – so auch am Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (IEC) der TU Bergakademie Freiberg. Im Technikums- bis Pilotmaßstab werden gleich drei Entwicklungen vorangebracht. Bilder: IEC Die zentrale Entwicklung betrifft die FlexiSlag-Technologie (Flexible Slagging Gasification Pilot Plant). Mit dieser Festbetttechnologie mit flüssigem Schlackabzug wurden bereits im großen Stil und weltweit erstmals bei einem für die Synthesechemie relevanten Vergasungsdruck von 40 bar verschiedenste kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe etwa Biomasse, Kohle, Petrolkoks, ein Abfallprodukt der Raffiniere, sowie aschereiche Kunststoffabfälle, erfolgreich in Synthesegas umgewandelt. Die zweite Entwicklung widmet sich Fortschritten der HTW-Wirbelschichtvergasung (Hochtemperatur-Vergasung nach Winkler), „CO 2 -Reduktion durch innovatives Vergaserdesign“ (Coorved) genannt. In dem im Technikumsmaßstab realisierten Verfahren werden neben Kohle auch Klärschlamm und Bioabälle eingesetzt. Und schließlich drittens die GSP-Flugstrom-Pilotanlage am Standort Freiberg, in der neben Kohle auch Petrolkoks und getrocknete Klärschlämme bei technisch nahen Bedingungen (26 bar Vergasungsdruck, Temperaturen höher als 1.400 °C) chemisch in Synthesegas und Schlacke umgewandelt werden. Technologiebrücke Zukunft Um die Abfallkrise und insbesondere das Kunststoffproblem zu meistern, ist ein ganzheitlicher Ansatz mit aufeinander abgestimmten Stufen der Abfallvermeidung gefragt. Diese beginnen bei der Vermeidung, gefolgt vom recyclinggerechten Design und setzen sich fort über die Stufen des mechanischen und chemischen Recyclings. Plastikabfälle sollen schließlich nur noch im Ausnahmefall in der Müllverbrennung, praktisch nicht mehr in Deponien, und grundsätzlich überhaupt nicht mehr in die Umwelt gelangen. Die Vergasung ist ein „Allesfresser“, mit deren Hilfe es möglich ist, bisher verbrannte Kunststoffabfälle nicht mehr als thermisch zu entsorgende Abfälle zu begreifen, sondern als Rohstoff für die chemische Industrie. Die Vergasungtechnologie ist die einzige, mit der die Brücke von den linearen zur Kohlenstoffkreislaufwirtschaft geschlagen werden kann. Vergasungstechnologien ermöglichen nicht nur das chemische Recycling, sondern leisten durch die vermiedenen CO 2 -Emissionen der Müllverbrennung auch einen Beitrag zu Erreichung der CO 2 -Minderungsziele. Des Weiteren kann die Importabhängigkeit der chemischen Industrie von importiertem Erdöl verringert werden. Entsprechend – dies wird häufig vergessen – entfallen die mit dem Import verbundenen CO 2 -Emissionen entlang der internationale Lieferketten. Und nicht zuletzt kann mit der Option, Braunkohle als Hilfsstoff für die Prozessstabilisierung zu nutzen, die Co-Vergasung von Abfall und Kohle mittelfristig in Deutschland einen Beitrag zum Strukturwandel in den Braunkohlerevieren leisten, solange, bis sich diese Regionen auf neue Zukunftsfelder orientieren können. Fehlende Unterstützung Hier stellt sich die Frage nach der Markeinführung in Deutschland. Diese gestaltet sich schwierig. An erster Stelle steht der Mangel an politischem Willen, das heißt, den fehlenden Rahmenbedingung für die chemische Nutzung von Abfällen: Das wird in der kürzlich in Kraft gesetzten Verpackungsverordnung deutlich. Sie erkennt ausschließlich das werkstoffliche Recycling als Recyclingmethode an. Auch die Nichtberücksichtigung der CO 2 -Emissionen entlang der Erdöl-Lieferketten für die Petrochemie oder die Befreiung der Abfallverbrennung vom CO 2 -Emissionshandel sowie deren Vorrangstellung der Stromeinspeisung tun ein Übriges, dass Chemie-, Energie- und Abfallwirtschaft beim „Business-as-Usual“ verharren. In den Niederlanden hingegen wird bereits die erste Waste-to-Chemicals 38 UmweltMagazin September 2019

Abfall Anlage in Europa geplant. Zusammen mit einem Konsortium von Air Liquide, Nouryon, Shell und den Rotterdamer Hafen plant das kanadische Unternahmen Enerkem eine Vergasungsanlage im Rotterdamer Hafen, in der jährlich aus 360.000 t kunststoffhaltiger Abfälle bis zu 270.000 m 3 „grünes“ Methanol erzeugt werden sollen. Das entspricht der jährlichen Abfallmenge von 700.000 Haushalten. Der CO 2 -Einspareffekt wird mit bis zu 300.000 t jährlich beziffert. Noch einmal China: Mit dem dort erreichten Technologievorsprung ist es naheliegend, dass im Zusammenhang mit der „Zero-Waste Cities“ Strategie das Interesse für die Abfallvergasung in China besonders groß ist. Die Chinesische Akademie der Wissenschaften mit dem dortigen Institut für Kohlechemie (Chinese Academie of Science, Institute of Coal Chemistry CAS ICC) und das Freiberger IEC unterstützen die Provinzregierung von Shanxi mit der Entwicklung von Konzepten und mit der Bewertung von Technologien für die Implementierung des „Null Abfall“-Konzepts in einer Modellstadt als urbanes Leuchtturm-Projekt für den Übergang zur Kohlenstoffkreislaufwirtschaft. Wie in anderen Zukunftstechnologie- Feldern auch, stellt sich hier die Frage, warum Deutschland, das in chemischen Umwandlungstechnologien einmal international führend war, wertvolle Zeit verstreichen lässt und die Initiative für die Jahrhundertaufgabe der Umsetzung der Kohlenstoffkreislaufwirtschaft anderen überlässt, ganz abgesehen vom drohenden Verlust der Technologieführerschaft in einem zentralen, internationalen Zukunftssektor. Roh Pin Lee, Bernd Meyer, IEC, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, Roh-Pin.Lee@iec.tu-freiberg.de Parameter für eine Kreislaufwirtschaft Der Erfolg einer Kohlenstoffkreislaufwirtschaft kann - vereinfacht betrachtet - an zwei Parametern gemessen werden: neben den CO 2 -Emissionen auch an der Kohlenstoffrecyclingquote (C-Recyclingquote). Die C-Recyclingquote beschreibt, wie viel Atome Kohlenstoff des Ausgangsstoffs wie Kunststoffabfall sich im Produkt – etwa neu hergestellter Kunststoff – wiederfinden; die spezifischen CO 2 -Emissionen, wieviel kg CO 2 pro kg neu synthetisiertem Kunststoff freigesetzt wird. Lineare Kohlenstoffwirtschaft: Die heutige Kunststoffchemie beginnt beim Erdöl. Hieraus werden etwa die leichten Olefine Ethen und Propen und daraus durch Polymerisation die mengenmäßig größten Kunststofffraktionen Polyethen (PE) und Polypropen (PP) gewonnen. Das Erdöl wird dazu per Dampfspaltung – dem Naphtha Steam Cracker-Prozess – zerlegt, bevor die Olefine hergestellt werden. Diese landen nach Gebrauch sofort oder nach mehrfachem Down-cycling in der Müllverbrennung. In Summe werden so 5,81 t CO 2 pro t Olefin frei. Die C-Recyclingquote beträgt Null. Das CO 2 -Reduktionspotential durch Vermeidung der Verbrennung und Umstellung der Rohstoffbasis ist sehr hoch. Massenströme von Kohlenstoff (C) in einer Kreislaufwirtschaft mit maximalen Nutzung von „grünem“ Wasserstoff elektrolytisch mit erneuerbarem Strom hergestellt. Einstieg in den Kreislauf: Mittelfristig können heimische Kohlenstoffquellen schrittweise Erdöl und Erdgas als Rohstoff für die chemische Industrie ersetzen. Unsere Rechnungen für eine Großanlage (100 t/h) beziehen sich auf eine Vergasungsanlage mit Ersatzbrennstoffen und etwas Braunkohle. Im Falle von 80 Prozent Ersatzbrennstoff und 20 Prozent mitteldeutsche Braunkohle wird eine C-Recyclingquote von 45 Prozent erreicht. Die spezifische CO 2 -Emission beträgt 3,79 t CO 2 /t Olefin. Kreislauf mit Energiewende: Ist genug „grüner“ Wasserstoff (H 2 ) verfügbar - elektrolytisch mit erneuerbarem Strom gewonnen -, lassen sich Kohlenstoffverluste in Form von CO 2 schrittweise senken und damit die C-Recyclingquote erhöhen. So lassen sich langfristig konzentriert anfallendes CO 2 aus Industrieanlagen chemisch nutzen. Es können C-Recyclingraten von mehr als 90 Prozent erreicht werden. In dieser Vision werden CO 2 -Emissionen um zirka 95 Prozent gegenüber der derzeitigen linearen Wirtschaft, basierend auf Naphtha Steam Cracking, gesenkt. Aufgrund des enormen Bedarfs erneuerbarer Energien scheint eine vollständige Einkopplung von grünen H 2 zurzeit aber kaum realistisch. Sinnvoll ist, die C-Recyclingquoten von 40 Prozent an entsprechend des Angebots an grünem H 2 schrittweise zu erhöhen. Roh Pin Lee, Ludwig Seidl, Bernd Meyer, IEC, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, Roh-Pin.Lee@iec.tu-freiberg.de Graphik: IEC UmweltMagazin September 2019 39

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