Müll gut nutzen mit Waste-to-Energy
Foto: Jan Truter
In den letzten vier Jahrzehnten haben wir Menschen unseren Verbrauch der natürlichen Ressourcen der Erde verdreifacht, heißt es in einem aktuellen Bericht des Umweltprogramms der Vereinten Nationen. Und nach Angaben des World Resources Institute „werden innerhalb von nur einem Jahr die Hälfte bis drei Viertel der jährlichen Ressourceneinträge in die Industrieländer als Abfälle in die Umwelt zurückgeführt.“
Im Jahr 2013 produzierten die USA 254 Millionen Tonnen Müll oder Siedlungsabfälle. Etwa 87 Millionen Tonnen davon wurden entweder kompostiert oder recycelt, 32,7 Millionen Tonnen wurden zur Energiegewinnung verbrannt und 134,3 Millionen Tonnen gingen auf Deponien.
Siedlungsabfälle bestehen aus Papier, Pappe, Lebensmitteln, Grasschnitt, Laub, Holz, Leder, Kunststoffen, Metallen und synthetischen Materialien auf Erdölbasis. Daher wird eine „Hierarchie der Abfallbewirtschaftung“ verwendet, um die Strategien für den Umgang mit Abfällen nach ihren Umweltauswirkungen zu ordnen. Ein Schlüsselprinzip der nachhaltigen Abfallwirtschaft ist es, mit Abfällen so weit oben in der Abfallhierarchie wie möglich umzugehen.
Die erste Priorität besteht darin, die Produktion von 
Abfall zu vermeiden, indem Verbrauch und Verpackung reduziert werden. Die nächstbeste Option ist das Recycling; Kompostierung von organischen Abfällen kommt als nächstes. Es folgt die Verbrennung des nachrecycelten Abfalls zur Energiegewinnung und schließlich die Deponierung.
Die Anzahl der US-Deponien hat im Laufe der Jahre abgenommen, aber die durchschnittliche Größe der bestehenden Deponien hat zugenommen. Deponien können Kohlendioxid, Methan, flüchtige organische Verbindungen und andere gefährliche Schadstoffe in die Luft abgeben. In den USA sind sie der drittgrößte Verursacher von Methanemissionen, deren Treibhauspotenzial 25-mal stärker ist als das von Kohlendioxid über 100 Jahre. Deponiegase können sich auch unterirdisch bewegen und möglicherweise Brände und Explosionen verursachen, und die Flüssigkeit oder das Sickerwasser, die sich auf Deponien ansammeln, können das Grundwasser kontaminieren. Darüber hinaus sind Deponien unansehnlich und geruchlos.
Eine Deponie in Danbury, Conn. Foto: Vereinte Nationen
Die Deponierung fester Abfälle bringt die oben beschriebenen Probleme mit sich und bedeutet auch, dass die gesamte dem Abfall innewohnende Energie verschwendet wird. Die Verbrennung des Abfalls in Müllverbrennungsanlagen reduziert nicht nur sein Volumen um 87 Prozent, sondern kann auch seine eingebettete Energie nutzen und sinnvoll nutzen.
Anlagen, die Abfälle zur Stromerzeugung verbrennen, wurden erstmals in den 1970er Jahren gebaut. Nach Inkrafttreten des Clean Air Act wurde klar, dass die Anlagen gefährliche Quecksilber- und Dioxinemissionen produzierten. Es wurden Standards festgelegt, die die unkontrollierte Verbrennung von Abfällen und die Begrenzung der Partikelemissionen untersagten. In den 1990er Jahren, die USA. Die Environmental Protection Agency hat die maximal erreichbaren Vorschriften für die Steuerungstechnik festgelegt, die die Installation von Luftreinhaltemaßnahmen durch Abfallverwertungsanlagen vorschreiben. Im Jahr 2007 verglich die EPA die Abfall-zu-Energie-Emissionen zwischen 1990 und 2005; es fand Abnahmen von 24 Prozent in Stickoxid, 88 Prozent in Schwefeldioxid, 99 Prozent in Dioxinen und 96 Prozent in Quecksilber.
In den USA gibt es derzeit 77 Waste-to-Energy-Anlagen in 22 Bundesstaaten, die täglich 95.023 Tonnen Abfall verarbeiten und 20.800 Gigawattstunden Strom pro Jahr erzeugen können. Europa hat über 400 solcher Pflanzen, und weitere 300 sind in anderen Teilen der Welt zu finden.
Die meisten dieser Anlagen sind Massenverbrennungsanlagen. Der Abfall wird in großen Bunkern gelagert und dann zu einem beweglichen Rost in einem Ofen transportiert, wo er mindestens zwei Sekunden lang bei über 850C verbrannt wird, um eine vollständige Verbrennung sicherzustellen. Die Hitze vom Ofen erhitzt Wasser in einem Kessel und verursacht Dampf, der eine Turbine dreht, um einen Generator zu fahren, der Strom macht. Der Strom gelangt dann ins Netz. In Europa kombinieren einige Anlagen die Stromerzeugung mit einem Fernwärmesystem und nutzen den überschüssigen Dampf, um Wärme zu erzeugen, die zum Heizen von Häusern verwendet wird.
Abfall, der darauf wartet, verbrannt zu werden. Foto: Ari Herzog
Etwa 20 Prozent dessen, was nach dem Verbrennen übrig bleibt, ist ungefährliche Bodenasche; Ein Teil davon wird zur Deckung auf Deponien verwendet, um Sickerwasser zu reduzieren, oder wird deponiert. In Europa wird es häufig in der Bauindustrie oder im Straßenbau eingesetzt.
Die Verbrennung von Kunststoffen wie Polyvinylchlorid erzeugt toxische Emissionen, so dass das Abgas des Kessels, das Rauchgas, mit Filtern, Absorption, Wäsche und / oder anderen Geräten behandelt werden muss, bevor es in die Atmosphäre freigesetzt werden kann. Das Rauchgas enthält Flugasche, die aus Partikeln und giftigen Chemikalien besteht. Die Flugasche macht weniger als 5 Prozent des Abfalls aus, der in die Anlage gelangt; Es kann behandelt werden, muss aber als gefährlicher Abfall entsorgt werden. Tatsächlich müssen alle Schadstoffe, auch wenn sie gefiltert oder eingeschlossen sind, auf speziellen Deponien entsorgt werden. Das von der Anlage produzierte Abwasser wird behandelt und dann freigesetzt.
Das Luftreinhaltegesetz legt Standards für die Emission von Schwefeldioxid, Chlorwasserstoff, Stickoxiden, Kohlenmonoxid, Partikeln, Cadmium, Blei, Quecksilber und Dioxinen fest. Das Federal Resource Conservation and Recovery Act verlangt die Prüfung der übrig gebliebenen Asche, um sicherzustellen, dass sie nicht gefährlich ist und ordnungsgemäß entsorgt oder wiederverwendet wird. Staatliche Anforderungen sind manchmal sogar strenger als die Bundesvorschriften.
Da Dioxinemissionen das Hauptanliegen von Abfallverwertungsanlagen sind, veröffentlichten Nickolas Themelis, Direktor und Gründer des Earth Engineering Center der Columbia University und Vorsitzender des Global Waste-to-Energy Research and Technology Council, und sein Student Henri Dwyer eine Bestandsaufnahme der Dioxinemissionen von 2012.
„Alle Müllverbrennungsanlagen kamen für ein Jahr auf etwa drei Gramm“, sagte Themelis. „Zum Vergleich: Die gesamten Dioxine der USA betrugen 3.000 Gramm. Eine der großen Quellen waren Deponiebrände mit 1.300 Gramm.“
„Alle Werke in den USA. emittieren Sie signifikant niedrigere Dioxinemissionen als die national festgelegten Grenzwerte … etwa 100-fach niedriger „, sagte Athanasios Bourtsalas, außerordentlicher Assistenzprofessor in der Abteilung für Erde und Ingenieurwesen der Columbia University. „Und es gibt keine Hinweise auf toxische Substanzen, die mit Waste-to-Energy in Verbindung gebracht werden. Alle unsere bisherigen Forschungen haben gezeigt, dass Waste-to-Energy eine sehr nachhaltige Abfallbewirtschaftungstechnik für die derzeit weltweit über 1.000 in Betrieb befindlichen Anlagen ist.“
Die Klaue in Covantas Werk in Haverhill, MA. Foto: Rebecca Zieber
Covanta, ein Branchenführer mit 41 Anlagen auf der ganzen Welt, behauptet, dass seine US-Werke mit mehr als 60 bis 90 Prozent unter den erforderlichen Emissionsgrenzwerten arbeiten. Seine hochmoderne Emissionskontrolltechnologie injiziert Ammoniak oder Harnstoff in den Ofen, um Stickoxid (eine Komponente von Smog und saurem Regen) in harmlosen Stickstoff umzuwandeln; Aktivkohle, die den Rauchgasen zugesetzt wird, absorbiert Quecksilber und Dioxine; Kalkschlamm wird in den Auspuff gesprüht und entfernt 95 Prozent Schwefeldioxid und Salzsäure; und ein „Baghouse“, ähnlich wie ein Staubsauger, entfernt 99,5 Prozent der Partikel aus dem Rauchgas. Covanta überwacht Emissionen 24/7.
Neben der nachhaltigen Bewirtschaftung von Abfällen bieten Waste-to-Energy-Anlagen weitere Vorteile, wie z. B. Gate-Gebühren (die Gebühr pro Tonne, die die Gemeinde an die Anlage für die Aufnahme des Abfalls zahlt), den erzeugten Strom und / oder die erzeugte Wärme, den Wert des gesammelten Altmetalls und möglicherweise Emissionsgutschriften für erneuerbare Energien (Da die Brennstoffquelle nachhaltig ist, gilt Waste-to-Energy als erneuerbare Technologie). Eine durchschnittliche Anlage, die Siedlungsabfälle verarbeitet, kann etwa 500-600 kWh pro Tonne erzeugen; Bei 6 Cent pro kWh kann eine Tonne Abfall 30 bis 36 US-Dollar einbringen. Die Stromerzeugung durch Abfälle anstelle fossiler Brennstoffe spart auch ein Barrel Öl oder eine Vierteltonne Kohle für jede Tonne festen Abfalls, die verbrannt wird. In Bezug auf die CO2-Emissionen spart Waste-to-Energy im Vergleich zu Deponien, die ihre Methanemissionen nicht zurückgewinnen, eine Tonne CO2 pro Tonne Abfall; Im Vergleich zu Deponien, die ihre Deponiegase zurückgewinnen, spart es etwa eine halbe Tonne CO2 pro Tonne Abfall.
Drei neue Technologien haben das Potenzial, toxische Emissionen weiter zu reduzieren, weniger Rückstände zu hinterlassen und Synthesegas herzustellen, ein Gasgemisch, das als Brennstoff für Elektrizität oder zu anderen Energieprodukten verarbeitet werden kann. Die drei neuen Technologien – Vergasung, Plasmaverasung und Pyrolyse — gelten als „Umwandlungstechnologien“, bei denen es sich nicht um eine Verbrennung (Verbrennung mit Sauerstoff) handelt. Sie überhitzen feste Abfälle in sauerstoffarmen Umgebungen, was die Produktion toxischer Emissionen stark reduziert und die sofortige Rückgewinnung von Metallen und Schlacken erleichtert, so dass weniger Rückstände auf Deponien gelangen und das, was übrig bleibt, weniger giftig ist.
Trotz dieser Vorteile wurde in den USA noch keine dieser neuen Technologien im kommerziellen Maßstab eingeführt. In Japan und Europa, wo Land für Deponien knapp ist, wurden Umwandlungstechnologieanlagen mit staatlichen Subventionen und günstigen Vorschriften unterstützt. Die Kosten sind jedoch hoch, da einige Anlagen homogenere Abfälle benötigen, deren Vorsortierung die Kosten erhöht, und die derzeitigen Methoden zur Reinigung von Synthesegas teuer sind.
Bourtsalas erklärte, dass Massenverbrennungsanlagen zwar über 1.000 Tonnen feste Abfälle pro Tag verarbeiten können, die Umwandlungstechnologieanlagen in Japan jedoch nur etwa 100 Tonnen pro Tag verarbeiten; Sie befinden sich in der Pilotphase. Die 900 Millionen US-Dollar teure Anlage in Tees Valley in Großbritannien wurde mit Vergasung gebaut, um 700.000 Tonnen Abfall pro Jahr zu verarbeiten. Es sollte 2015 eröffnet werden, kam nie auf den Weg und ging bankrott.
„Die gesamte Technologie, die jetzt verwendet wird, ist die grundlegende Verbrennung, die Dampf erzeugt, mit Ausnahme der kleinen Anlagen in Japan. Es wäre gut, mehr als eine Technologie zu haben „, sagte Themelis. „Aber eines der Probleme von Waste-to-Energy im Vergleich zur Deponierung ist, dass es ein bisschen mehr kostet — im Durchschnitt kostet es 20 Dollar pro Tonne mehr. Selbst das bisschen Geld ist genug, um einen Unterschied zu machen, also wenn Sie einen neuen Prozess bekommen, der $ 100 mehr kosten wird, wird es nicht gehen. Es ist Ökonomie.“
Kunststoffe machen 13 Prozent der Siedlungsabfälle aus.
Der beste Weg, die Umwandlungstechnologien zu fördern, wäre, mehr von den 10.000 verschiedenen Arten von Kunststoffen im Siedlungsabfall zu trennen. Derzeit werden nur 10 Prozent der Kunststoffe in Recyclingprogrammen getrennt. „Wenn Sie alle Kunststoffe trennen könnten, hätten Sie ein gutes Ausgangsmaterial für die Umwandlungstechnologien … daran arbeiten wir“, sagte Themelis. „Der Siedlungsabfall von New York hat durchschnittlich 11 Megajoule pro Kilogramm. Kunststoffe hätten, wenn sie getrennt würden, 35 Megajoule pro Kilogramm, daher ist es sinnvoll, damit zu beginnen.“
Da die Recyclingquoten in den USA seit Jahren bei rund 34 Prozent liegen, argumentieren einige Befürworter von Umwandlungstechnologien, dass Recycling und Kompostierung nicht mit dem gesamten Abfall umgehen können und dass, um die Menge zu reduzieren Deponien, Eine Form der thermischen Verarbeitung ist notwendig. Diejenigen, die gegen Waste-to-Energy sind, behaupten, dass es mit dem Recycling konkurriert, weil die Anlagen in der Lage sein müssen, genug Abfall zu verarbeiten, um rentabel zu sein, und ihn manchmal sogar von weit her transportieren müssen, wodurch mehr Treibhausgasemissionen beim Transport entstehen. Und da fast die Hälfte der Kosten einer Anlage in die Bekämpfung der Umweltverschmutzung fließt, könnte das Geld ihrer Meinung nach besser für die Abfallreduzierung und das Recycling verwendet werden.
Kopenhagens Waste-to-Energy-Anlage
In Europa ist Waste-to-Energy jedoch kein Abschreckungsmittel für das Recycling. Schweden, Dänemark und die Niederlande gehören zu den Ländern mit den meisten Abfallverbrennungsanlagen und weisen einige der höchsten Recyclingraten auf. Einige der hochmodernen Werke Europas bieten jetzt auch andere Attraktionen. Ein Werk in Kopenhagen, das im März 2017 eröffnet werden soll, wird über eine Skipiste verfügen, und das Spittelau-Werk in Wien gilt aufgrund seines phantasievollen Außendesigns als eine der Top 10 Sehenswürdigkeiten der Stadt.
Die Spittelau-Anlage in Wien
In den USA wurden 2013 etwa 12 Prozent der Siedlungsabfälle durch Abfallverbrennung verbrannt, gegenüber 15 Prozent in den frühen 1990er Jahren. Dies liegt zum Teil daran, dass die Deponierung in den USA, wo es reichlich Land gibt, immer noch eine wirtschaftlichere Option ist. Ausnahmen sind Orte wie New York City, die Müll über große Entfernungen transportieren müssen.
Seit vielen Jahren hat New York etwa 550.000 Tonnen Abfall an Müllheizkraftwerke in anderen Teilen des Staates geschickt, aber vor kurzem hat sich das Department of Sanitation verpflichtet, 800.000 Tonnen zu senden, mit Erhöhungen in der Zukunft. In New York City gehen 25 Prozent der Abfälle in solche Anlagen und 75 Prozent auf Deponien, was besser ist als der nationale Durchschnitt von 10 Prozent und 90 Prozent, sagte Themelis.
Es gibt mehrere Gründe für die ins Stocken geratene Entwicklung von Waste-to-Energy in den USA. Es hat immer noch einen unbegründeten Ruf für Umweltverschmutzung in einigen Kreisen, und Gemeinden können Einwände gegen die Ansiedlung von Einrichtungen in ihrer Mitte erheben. Darüber hinaus sind die Kosten für den Bau einer neuen Anlage hoch und es kann Jahre dauern, bis wirtschaftliche Vorteile erzielt werden.
„In den meisten Bundesstaaten der USA ist die Deponiesteuer kostengünstiger als die Abfall-Energie-Gate-Gebühr, und es gibt keine nationale Gesetzgebung“, sagte Bourtsalas. „In Europa gibt es sehr strenge Richtlinien — alle Länder der Europäischen Union sind verpflichtet, Waste-to-Energy in ihre Abfallbewirtschaftungssysteme zu integrieren. In den USA hat jeder Staat seine eigene Gesetzgebung, sie haben keine einzige Richtlinie mit der Fähigkeit, Gesetzgeber und verschiedene Interessengruppen zu drängen, eine nachhaltige Abfallwirtschaft voranzutreiben.“
Die erste und einzige Waste-to-Energy-Anlage, die seit 1995 in den USA gebaut wurde, wurde im vergangenen Sommer in Palm Beach County, Florida, in Betrieb genommen. Die hochmoderne Anlage im Wert von 672 Millionen US-Dollar soll den Abfall auf der Deponie um 90 Prozent reduzieren, 100 MW Strom erzeugen und 27.000 Tonnen Metalle zurückgewinnen, nachdem der Abfall jedes Jahr verbrannt wurde. Es erfüllt die niedrigsten Emissionsgrenzwerte einer solchen Anlage in Betrieb in den USA.
Das Werk Shenzhen
Die weltweit größte Müllverbrennungsanlage entsteht in Shenzhen, China. Auf 35 Hektar mit Stadiondesign wird die fünf Hektar große Anlage täglich 5.500 Tonnen Abfall verbrennen, ein Drittel des Mülls, der von den Bewohnern von Shenzhen erzeugt wird. Das hochmoderne Werk, das voraussichtlich 2020 eröffnet wird, verfügt außerdem über einen Park und ein Hotel. Das Wachstum der Technologie in China ist bemerkenswert: Im Jahr 2005 gab es 15 Waste-to-Energy-Anlagen, heute sind es 188.
Oslo, das norwegische Werk Klemetsrud, das Strom und Wärme produziert, emittiert jedes Jahr über 330.700 Tonnen CO2, wenn es Siedlungsabfälle verbrennt. Kürzlich führte die Anlage einen Test durch, um die CO2-Emissionen aus den Dämpfen zu erfassen, und konnte verhindern, dass bis zu 90 Prozent davon in die Atmosphäre gelangen. Norwegen plant nun eine 300-Millionen-Dollar-Anlage zur vollständigen Kohlenstoffabscheidung bis 2020. Das aufgefangene CO2 wird in die Nordsee verschifft, um dort eingespritzt und unter dem Meer gelagert zu werden, oder in Öl- und Gasfelder eingespritzt, um die Produktion zu steigern.
Der globale Waste-to-Energy-Markt wird laut einem Bericht aus dem Jahr 2015 voraussichtlich jährlich um etwa 5,9 Prozent auf 37,64 Milliarden US-Dollar bis 2020 wachsen, gegenüber 25,3 Milliarden US-Dollar im Jahr 2013. Der Waste-to-Energy Research and Technology Council fördert dieses Wachstum, indem er die besten Technologien fördert, mit seinen Schwesterorganisationen in Brasilien, Chile, China, Indien, Italien und anderswo zusammenarbeitet und die Vorteile von Waste-to-Energy bekannt macht.