Technical and Environmental Assessment of Energy and Material Production from Rural and Urban Residual Biomass

Die vorliegende Arbeit umfasst Studien zur Untersuchung technischer und ökologischer Aspekte bei der Nutzung von Restbiomassen in den Nutzungspfaden Energieerzeugung und Aktivkohleproduktion. Im Mittelpunkt der jeweiligen Untersuchung stand das Verfahren zur integrierten Erzeugung von Festbrennstoff und Biogas aus Biomasse (IFBB) und dessen Einfluss auf technische und ökologische Aspekte bei der Verwertung von Restbiomassen. Im Zuge von Naturschutz- und Landschaftspflegemaßnahmen auf extensiv bewirtschafteten Grünlandstandorten und Grünflächen fallen europaweit Restbiomassen an. Die Verwertungswege beschränken sich in den meisten Fällen auf die Kompostierung oder andere Entsorgungsoptionen. Die Nutzung von Restbiomasse zur Deckung vorhandenen Energie- und Materialbedarfs würde nicht nur einen effektiven Nutzungspfad darstellen, sondern auch fossile Ressourcen ersetzen. Daher könnte die Nutzung von Restbiomasse entscheidend dazu beitragen, die Ziele der EU im Rahmen der Richtlinie für erneuerbare Energien und der Bioökonomie-Strategie zu erreichen. Das IFBB wandelt Biomasse durch Maischen und mechanische Trennung in nutzbaren Festbrennstoff und eine energiereiche Presssaft um. Nach der mechanischen Abtrennung wird ein fester Brennstoff mit einer geringeren Schadstoffkonzentration und ein flüssiger Brennstoff, der Biogasanlagen zugeführt werden kann, gewonnen. Die Wirksamkeit von IFBB wurde im Labor- und Prototypenmaßstab nachgewiesen, so dass die erste Studie dieser Arbeit darauf abzielte, die Eigenschaften von Brennstoffen zu untersuchen, die durch einen IFBB-Prozess im kommerziellen Maßstab gewonnenen wurden. Die Reduktion von N, S, Cl, K und Asche war bei der Prozessierung in einer kommerziellen IFBB-Anlage höher, was zu einem qualitativ besseren Festbrennstoff im Vergleich zum Prototyp-Maßstab führte. Aufgrund der reduzierten Konzentration dieser schädlichen Elemente, lagen die Emissionen von NOx und SOx deutlich unter den deutschen Grenzwerten. Extensives Grasflächen, in denen sich invasive Pflanzenarten ausgebreitet haben, produzieren ebenfalls potenzielle Restbiomassen, die vielfach in montanen Gebieten ganz Europas zu finden sind. Diese Flächen müssen für den Erhalt der Biodiversität und Ökosystemdienstleistungen geerntet werden, und die so gewonnene Biomasse steht für die Energiegewinnung zur Verfügung. Das IFBB und die anaerobe Vergärung (AD) sind auch hier zwei potenzielle Techniken zur Wandlung von Restbiomasse in Brennstoffe. Daher wurden in der zweiten Studie die Umwelt- und Primärenergiebilanzen dieser Technologien untersucht und verglichen. Obwohl die (Treibhausgas) THG-Emissionen und der Primärenergieverbrauch für IFBB höher waren, führte eine bessere Energiewandlungseffizienz des IFBB zu höheren THG- und Primärenergieeinsparungen im Vergleich zur AD. Einsparungen für THG und Primärenergie konnten durch den Ersatz netzgebundener Wärme- und Stromquellen mit Brennstoffen aus IFBB und AD erzielt werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Presskuchentrocknung der THG- und Primärenergie-intensivste Prozess im IFBB-System ist. Die mit der Presskuchenproduktion verbundenen THG-Emissionen könnten jedoch durch den Einsatz alternativer Energiequellen gesenkt werden. Die Filterung mit Aktivkohle (AC) wird in Kläranlagen als zusätzlicher Schritt zur Entfernung von organischen Mikroverunreinigungen aus dem Abwasser eingesetzt. Das derzeit verwendete AC wird jedoch überwiegend aus fossilen Quellen gewonnen und muss über weite Strecken transportiert werden. Demgegenüber könnten Restbiomassen, die an Kläranlagen geliefert würden, als Rohstoff für die Herstellung von AC dienen. In der dritten Studie wurden daher die Umwelt- und die kumulierte Energiebedarfsbilanz des Einsatzes von Aktivkohle sowohl aus Restbiomassen als auch aus fossilen Quellen zur Entfernung von Mikroverunreinigungen in der Kläranlage Baden-Baden untersucht und verglichen. Die Bilanzen der THG Emissionen und den kumulierten Bedarf nicht erneuerbarer Energien, die durch den Einsatz von Restbiomasse-Aktivkohle erzielt wurden, waren im Vergleich zur fossilen Aktivkohle niedriger. Die Nutzung der Abwärme aus der Pyrolyse und dem Aktivierungsprozess der Biomasse sowie die Stromerzeugung des BHKW aus Methan der Pressflüssigkeit trugen wesentlich zur Erreichung der niedrigeren Bilanzen bei. Ein zusätzlicher Vorteil der Produktion und Nutzung von AC aus Restbiomasse in der Kläranlage Baden-Baden war ein geringeres soziales Risiko. Die Herstellung von AC aus Restbiomasse mittels IFBB und einer hochmodernen Pyrolyse- und Aktivierungsanlage in Kombination mit einer energetischen Verwertung würde somit die Rohstoffautarkie der Kläranlagen unterstützen und eine nachhaltige Alternative zur Beseitigung von Mikroverunreinigung im Abwasser darstellen.