Ergebnispapier des Workshops „Ascheverwertung bei der
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Ergebnispapier des Workshops „Ascheverwertung bei der
Service- und Begleitvorhaben des Förderprogramms „Optimierung der Energetische Biomassenutzung“ Ergebnispapier des Workshops „Ascheverwertung bei der energetischen Biomassenutzung zur Schließung von Stoffkreisläufen“ am 23.6.2010 am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Stuttgart Stefan Steiert Dr. Marc-Simon Löffler Dr. Michael Specht Dr. Ulrich Zuberbühler Gefördert durch: Koordiniert: Wissenschaftlich begleitet vom: Veranstaltungsorganisation: Service- und Begleitvorhaben des Förderprogramms „Optimierung der Energetische Biomassenutzung“ INHALT 1 Ziel und Zielgruppe .......................................................................................................1 2 Referenten .....................................................................................................................1 3 Teilnehmer .....................................................................................................................1 4 Zusammenfassung der Inhalte und Vorträge.............................................................2 4.1 Einführung................................................................................................................................2 4.1.1 Rechtliche Rahmenbedingungen: Verwertung von Asche als Düngemittel sowie Beseitigung von Aschen (Vanessa Richarz, DBFZ) ................................................................2 4.1.2 Einführung in den AER-Prozess – Stoffströme und Nutzungsmöglichkeiten (Dr. Michael Specht, ZSW) ......................................................................................................3 4.2 Ascheuntersuchungen .............................................................................................................4 4.2.1 Ascheerzeugung aus Biomasse im Drehrohrofen und anwendungsorientierte Ascheuntersuchung im Wirbelschichtreaktor (Matthias Mann, Universität Siegen)................4 4.2.2 Überblick über Asche-Analysemethoden; Standards und Normen (Dr. Annett Pollex, DBFZ) ........................................................................................................4 4.2.3 Verhalten und mögliche Nutzung von Aschen aus Biomassen (Dr. Marcus Schreiner, TU Freiberg) .......................................................................................5 4.3 Verwertung von Aschen als Düngemittel.................................................................................5 4.3.1 Qualität und Verwertungsmöglichkeiten von Holzaschen aus der Verbrennung naturbelassener Hölzer (Esther Stahl, Fraunhofer UMSICHT) ...............................................5 4.3.2 Phosphordüngung mit Biomasse-Aschen? Ergebnisse aus Feld- und Gefäßversuchen (Katja Schiemenz, PD Dr. Bettina Eichler-Löbermann, Universität Rostock).................................................................................................................6 4.3.3 Verwendung von Holzasche bei der Waldkalkung (Dr. Klaus v. Wilpert, FVA Baden-Württemberg) .......................................................................................................6 4.4 Entsorgung von Spezialaschen ...............................................................................................7 4.4.1 Praktische Erfahrungen bei der Entsorgung von Asche aus Braunkohle gefeuerten Wirbelschichtanlagen (Bernd Müller, MUEG)..........................................................................7 5 Diskussion und Fazit ....................................................................................................8 6 Literaturhinweise ..........................................................................................................9 Gefördert durch: Koordiniert: Wissenschaftlich begleitet vom: Veranstaltungsorganisation: Service- und Begleitvorhaben des Förderprogramms „Optimierung energetische Biomassenutzung“ 1 ZIEL UND ZIELGRUPPE Mit der zunehmenden energetischen Nutzung von Biomasse ist ein Entzug von Nährstoffen aus den natürlichen Stoffkreisläufen verbunden. Unter Gesichtspunkten der Nachhaltigkeit rückt daher die Verwertung von Biomasseaschen zur Schließung von Stoffkreisläufen immer mehr in den Vordergrund. Da Verwertungsmöglichkeiten und auch rechtliche Rahmenbedingungen noch nicht abschließend geklärt sind, war es Ziel des Workshops „Ascheverwertung bei der energetischen Biomassenutzung zur Schließung von Stoffkreisläufen“ den Teilnehmerinnen und Teilnehmern zunächst einen fachlichen Informations- und Wissensaustausch zum Thema Herstellung, Analyse und Verwertung von Biomasseaschen zu ermöglichen sowie die Gelegenheit zur gemeinsamen Diskussion zu bieten. Gleichzeitig stand auch die Vernetzung von Akteuren aus den Bereichen Forschung, Industrie und Administration im Vordergrund. Zielgruppe waren dabei Projektteilnehmer des BMU-Förderprogramms „Energetische Biomassenutzung“ sowie Personen aus Industrie und Administration, die sich mit dem Thema „Ascheverwertung“ beschäftigen. 2 REFERENTEN Matthias Mann, Universität Siegen Bernd Müller, MUEG Dr. Annett Pollex, DBFZ Vanessa Richarz, DBFZ Katja Schiemenz, Universität Rostock Dr. Marcus Schreiner, TU Freiberg Dr. Michael Specht, ZSW Esther Stahl, Fraunhofer UMSICHT Dr. Klaus von Wilpert, FVA Baden-Württemberg 3 TEILNEHMER Daniel Baumkötter, Fachhochschule Münster Konstantin Bedenk, Bioenergie Wächtersbach Wilfried Dieterich, LRA Göppingen Claus Fuhrmann, LRA Göppingen Hans Werner Hempel, RP Stuttgart Markus Klein, Südzucker Dr. Marc-Simon Löffler, ZSW Dr. Manfred Martin, RP Freiburg LGRB Mirjam Matthes, UFZ Christa Müller, LfL Bayern Diana Pfeiffer, DBFZ Dr. Steffen Reich, Bittner Umwelttechnik GmbH Dr. Uwe Pihl, Rheinkalk Daniel Schloz, Hochschule für Forstwirtschaft Rottenburg Dr. Rainer Schrägle, Technologica GmbH Ben Schüppel, Rheinkalk Tim Schulzke, Fraunhofer UMSICHT Peter Sichler ZSW Fabian Stenzel, ATZ Entwicklungszentrum Stefan Steiert, ZSW Katja Weiler, IZES Martin Zeymer, DBFZ Dr. Ulrich Zuberbühler, ZSW Gefördert durch: Koordiniert: Wissenschaftlich begleitet vom: Veranstaltungsorganisation: 1 Service- und Begleitvorhaben des Förderprogramms „Optimierung energetische Biomassenutzung“ 4 ZUSAMMENFASSUNG DER INHALTE UND VORTRÄGE Die Vorträge des Workshops waren in vier verschiedene Themenblöcke gegliedert: Einführung Ascheuntersuchungen Verwertung von Aschen als Düngemittel Entsorgung von Spezialaschen Die Folien zu den Vorträgen sind als pdf-Version unter http://www.refuelnet.de/index.php?id=65 online zum Download verfügbar. 4.1 Einführung 4.1.1 Rechtliche Rahmenbedingungen: Verwertung von Asche als Düngemittel sowie Beseitigung von Aschen (Vanessa Richarz, DBFZ) Da das Ziel bei der energetischen Verwendung von Biomasse die Energiegewinnung und nicht die Erzeugung von Asche ist, sind anfallende Aschen gemäß dem Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (KrW-/AbfG) rechtlich als Abfall einzuordnen. Im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft ist die Verwertung von Abfällen ihrer Beseitigung vorzuziehen, sofern dies die umweltverträglichere Lösung darstellt. Eine stoffliche Verwertung liegt vor, wenn Rohstoffe substituiert werden und gleichzeitig der Hauptzweck der Maßnahme in der Nutzung des Abfalls und nicht in der Beseitigung des Schadstoffpotentials liegt. Eine Verwertung von Aschen als Düngemittel stellt es also dar, wenn Primärrohstoffe (beispielsweise Dolomit) bei der Düngemittelherstellung ersetzt werden können und gleichzeitig eine Anreicherung von Schadstoffen im Wertstoffkreislauf (z.B. in der Nahrungskette bei Verwendung auf landwirtschaftlichen Flächen) ausgeschlossen ist. Die Folge der Einordnung von Aschen als Abfall erfordert vom Ascheerzeuger die Zuordnung eines Abfallschlüssels nach der Abfallverzeichnisverordnung AVV. Dabei kommen für Biomasseaschen die Abfallschlüssel, die mit 10 (Abfälle aus thermischen Prozessen) oder 19 (Abfälle aus Abfallbehandlungsanlagen) beginnen, in Frage. Weiterhin muss zwischen Rost- und Kesselasche, Filterstaub sowie weiteren Abfällen unterschieden werden. Die weiteren relevanten Regelwerke für die Verwertung von Aschen sind nun abhängig von der Art der Verwertung: Für das Inverkehrbringen als Düngemittel ist die Düngemittelverordnung (DüMV) maßgebend. Darin wird geregelt, welche Aschen verwendet werden können sowie welche Mindestgehalte an Nährstoffen bzw. welche Grenzwerte für Schadstoffe eingehalten werden müssen. In Betracht kommen Aschen als eigenständiges Düngemittel (z.B. Kalkdünger) oder als Zumischung (z.B. zu kohlensaurem Kalk). Es dürfen ausschließlich Brennraumaschen von naturbelassenen Hölzern verwendet werden, darüber hinaus sind keine Aschen aus der „letzen filternden Einheit“ einer Anlage oder Kondensatfilterschlämme zugelassen. Die Grenzwerte für Schadstoffe dürfen um bis zu 50 % überschritten werden, wenn die Asche aus der Verbrennung naturbelassener Hölzer stammt und im Rahmen der Hinweise zur sachgerechten Anwendung auf deren ausschließliche Verwendbarkeit auf forstlichen Standorten hingewiesen wird. Soll die Asche mit Kompost gemischt werden, muss sie einem zugelassenen Düngemitteltyp der DüMV entsprechen und es greift die Bioabfallverordnung (BioAbfV). Nicht verwertbare Aschen sind aus dem Stoffkreislauf auszuschließen und gemäß der novellierten Deponieverordnung (DepV) zu klassifizieren und zu beseitigen. Maßgebend für die Einordnung in eine der Deponieklassen I bis IV ist nicht die stoffliche Zusammensetzung der Asche, sondern die Konzentration bestimmter Schadstoffe nach einer Elution der Asche mit Wasser. In der Praxis sollten wenn möglich unterschiedliche Aschefraktionen getrennt voneinander gesammelt werden, um eine fachgerechte Verwertung oder Beseitigung zu ermöglichen. Nach einer Analyse der Inhaltsstoffe kann dann entschieden werden, ob eine Asche verwertbar ist oder beseitigt bzw. deponiert werden muss. Gefördert durch: Koordiniert: Wissenschaftlich begleitet vom: Veranstaltungsorganisation: 2 Service- und Begleitvorhaben des Förderprogramms „Optimierung energetische Biomassenutzung“ 4.1.2 Einführung in den AER-Prozess – Stoffströme und Nutzungsmöglichkeiten (Dr. Michael Specht, ZSW) Der AER-Prozess (Absorption Enhanced Reforming-Prozess) ist eine Weiterentwicklung des Zweibettwirbelschichtverfahrens (Dual Fluidised Bed-Prozess) zur thermochemischen Erzeugung eines wasserstoffreichen Produktgases aus Biomasse, welches z.B. im Biomassekraftwerk Güssing realisiert ist. Beim AER-Prozess wird zunächst in einer stationären Wirbelschicht (Vergaser) Biomasse mit Wasserdampf bei 600-800 °C allotherm vergast und ein wasserstoffreiches Produktgas erzeugt. Die dafür erforderliche Wärme wird durch das heiße zirkulierende Wirbelschichtbettmaterial bereitgestellt. Als Wirbelschichtbettmaterial wird ein Kalkstein auf CaO-Basis eingesetzt, der gleichzeitig als in-situ CO2-Sorbens fungiert. Der bei der Vergasung zurückbleibende Kohlenstoff wird mit dem als Wärmeträger und CO2-Sorbens fungierenden Bettmaterial in die zirkulierende zweite Wirbelschicht gefördert und dort unter Luftzufuhr bei 800-900 °C verbrannt. Dabei wird das vom Bettmaterial gebundene CO2 wieder freigesetzt und das Bettmaterial somit regeneriert. Gleichzeitig wird es erwärmt und anschließend wieder dem Vergaser zugeführt. Ein wesentlicher Vorteil des AER-Prozesses ist, dass aufgrund der niedrigen Vergasungstemperatur und dem Einsatz eines Ca-basierten Bettmaterials (Erhöhung der Ascheerweichungstemperatur) auch mineralstoffreiche Biomassen wie Landschaftspflegematerial eingesetzt werden können. Des Weiteren werden durch den Einsatz des CO2-sorptiven Bettmaterials Reaktionsgleichgewichte (z.B. Wasser-GasShift-Reaktion) in Richtung Wasserstoff verschoben, wodurch ein besonders wasserstoffreiches Gas entsteht. Daraus resultiert eine besondere Flexibilität bei der Produktgasnutzung, da das stöchiometrische Verhältnis von H2 zu CO2 und CO gezielt eingestellt werden kann. Um eine möglichst effiziente Nutzung der Biomasse zu gewährleisten, kann nach dem Poly-Generation-Prinzip gleichzeitig Strom, Wärme und Kraftstoff produziert werden. Derzeit erfolgt die kommerzielle Umsetzung des Verfahrens am Standort Geislingen an der Steige in Zusammenarbeit mit der Technologieplattform Bioenergie und Methan (TBM) in einer Demonstrationsanlage. Beim Betrieb der Demonstrationsanlage fällt ein anorganischer Stoffstrom bestehend aus dem Wirbelschichtbettmaterial (natürlicher Kalkstein, CaCO3/CaO) und mineralischen Pflanzennährstoffen der Biomasse an. Im Sinne einer Rückführung dieser Pflanzennährstoffe in den natürlichen Stoffkreislauf, wird eine Verwertung dieser AER-Prozess-Asche als Düngemittel oder zur Waldkalkung angestrebt. Die jährlich anfallende Menge beträgt bei der 10 MWth-AER-DemonstrationsAnlage etwa 1000-2000 t/a. Gefördert durch: Koordiniert: Wissenschaftlich begleitet vom: Veranstaltungsorganisation: 3 Service- und Begleitvorhaben des Förderprogramms „Optimierung energetische Biomassenutzung“ 4.2 Ascheuntersuchungen 4.2.1 Ascheerzeugung aus Biomasse im Drehrohrofen und anwendungsorientierte Ascheuntersuchung im Wirbelschichtreaktor (Matthias Mann, Universität Siegen) Die Analyse von Brennstoffasche kann in zwei Teilaspekte gegliedert werden. Zum einen eine streng standardisierte Laboranalyse, zum anderen eine anwendungsorientierte Untersuchung in einem Reaktor. Für eine anwendungsorientierte Untersuchung ist das Vorhandensein einer großen Menge von Brennstoffasche eine grundlegende Bedingung, denn nur so kann reproduzierbar mit gleichbleibenden Bedingungen gearbeitet werden. Dazu wird die Asche in einem für dieses Einsatzgebiet adaptierten Drehrohrofen erzeugt. Wichtig ist im Fall der Biomassen, das eine Veraschungstemperatur von 550 °C nicht überschritten wird, da sonst ein Austrag von Alkalien über die Gasphase erfolgt und weitere Untersuchungen ins Leere laufen würden. Der Einsatz des Drehrohrofens ermöglicht eine Aschequalität mit einem Restkohlenstoffgehalt von unter 0,5 %. Nach der Erzeugung der Asche werden die weiteren Untersuchungsschritte in einer Laborwirbelschicht durchgeführt. Halmgutartige Biomassen zeigen hier schon eine Ascherweichung, die bei rund 750 °C beginnt. Die Erweichung führt zu einem Überzug der Bettpartikel. Dieser Effekt verstärkt sich mit ansteigender Temperatur bis es zum Aufschmelzen der Asche kommt. Dadurch beginnen die einzelnen Bettpartikel aneinander zu haften und formen Agglomerate, großvolumige Körper, die das freie Durchströmen des Bettmaterials behindern, und letztlich zu einem Ausfall der Anlage führen. In diesem Zustand ist eine vollständige Defluidisierung eingetreten. In den Versuchen wurden 150 g Asche über eine Dosiereinrichtung mit Förderschnecke in das Bett (Quarzsand) der Anlage gegeben. Dadurch konnte der Eintritt der Agglomeration und schließlich die Defluidisierung durch eine Brennstoffasche bestimmt werden. Anschließend wurde die Asche mit verschiedenen mineralischen Additiven versetzt und deren Eignung zur Erhöhung der möglichen Prozesstemperatur untersucht. Die Verwendung geeigneter Additive ermöglicht eine Prozesstemperaturerhöhung von rund 80 °C. Dies ist eine wichtige Größe, denn mit den aufgezeigten Daten ist es möglich die Prozessstabilität bei einem Anheben der Temperatur nicht zu gefährden. 4.2.2 Überblick über Asche-Analysemethoden; (Dr. Annett Pollex, DBFZ) Standards und Normen Die Analyse einer Ascheprobe setzt sich im Wesentlichen aus vier einzelnen Teilschritten zusammen: Probenahme, Homogenisierung, Probenvorbereitung und Analyse. Da es sich bei Asche um ein „Naturprodukt“ handelt und somit die Zusammensetzung Schwankungen unterworfen ist, sind regelmäßige Ascheanalysen bei jeder Art der Verwertung erforderlich. Bereits die Probennahme ist ein wichtiger Bestandteil der gesamten Analysekette mit großem Einfluss auf das Messergebnis. Die entnommene Teilmenge muss repräsentativ für die gesamte zu analysierende Asche sein, was gerade bei sehr inhomogenen Aschen problematisch sein kann. Für die Qualität der Analyse ist eine gut dokumentierte, reproduzierbare Probenahme unerlässlich. Als zweiter Schritt muss die Probe zerkleinert und homogenisiert werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die chemische Zusammensetzung nicht verändert und die Probe nicht thermisch belastet wird. An die Zerkleinerung schließt sich die Probenvorbereitung an, die sich nach dem zu untersuchenden Parameter richtet. Dabei wird zwischen keiner Vorbehandlung sowie mechanischer (Pressen), physikalischer (Elution) und chemischer (Aufschluss) Vorbehandlung unterschieden. Aschegehalt, Glühverlust und Wassergehalt können ohne Probenvorbereitung direkt untersucht werden. Für die Bestimmung von Heizwert, Ascheschmelzverhalten sowie Elementaranalyse mittels Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) oder Röntgendiffraktometer (XRD) muss die Ascheprobe gepresst bzw. pelletiert werden. Elutionsverhalten, org. Schadstoffe sowie lösliche Verbindung können nach bzw. durch Elution mit Wasser bzw. Lösungsmittel analysiert werden und Schwermetalle sowie Vollanalyse mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) erfolgen nach Säure- oder Schmelzaufschlüssen. Für viele zu bestimmende Parameter existieren genaue Einzelvorschriften, die in DIN-Normen niedergelegt sind. Gefördert durch: Koordiniert: Wissenschaftlich begleitet vom: Veranstaltungsorganisation: 4 Service- und Begleitvorhaben des Förderprogramms „Optimierung energetische Biomassenutzung“ 4.2.3 Verhalten und mögliche Nutzung (Dr. Marcus Schreiner, TU Freiberg) von Aschen aus Biomassen Zur Untersuchung einer möglichen Verwertung der Asche wurden vier verschiedene Biomassesorten ausgewählt: Sägerestholz, Triticale, Weizenstroh, Landschaftspflegeheu. Die Veraschung erfolgte in einem zweistufigen Prozess: Zunächst wurde eine Pyrolyse bei 400 °C durchgeführt und anschließend der Koks in einem Muffelofen unter Luftatmosphäre bei Temperaturen < 550 °C verascht. Die nach dieser Prozedur gewonnenen Aschen wurden unter Variation von Temperatur (700-1100 °C), Druck (1-30 bar) sowie Atmosphäre (inert oder oxidierend) weiterbehandelt, um die Bedingungen in verschiedenen Verbrennungs- bzw. Vergasungsreaktoren nachzustellen. Verglaste Aschen wurden vor der weiteren Analyse aufgemahlen. Zunächst wurde das Ascheschmelzverhalten der Aschen ohne Weiterbehandlung untersucht. Dabei zeigten sich deutliche Unterschiede bei der Ascheschmelztemperatur von Holz und Stroh/Heu und ebenfalls unterschiedliche Ascheschmelztemperaturen bei Holzaschen, die unter reduzierenden bzw. oxidierenden Bedingungen erzeugt wurden. Für die Bewertung einer möglichen Verwertung der Aschen wurden die Aschen nach der oben beschriebenen Behandlung mit Wasser eluiert und das Eluat mittels ICP und Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) auf wasserlösliche und somit pflanzenverfügbare Stoffe untersucht. Zusammenfassend lassen die Ergebnisse erkennen, dass mit steigendem Druck und steigender Temperatur die Gehalte an pflanzenverfügbaren Stoffen abnehmen, da zum einen flüchtige Elemente verdampfen und zum anderen die Asche teilweise verglast. Generell sind die Gehalte an Nährstoffen in der Asche geringer als bei synthetischen Düngern, aber immer noch ausreichend hoch, dass eine Verwertung als Düngemittel und Ausbringung von Asche gerechtfertigt werden kann. Die Basizität der Asche wirkt außerdem neutralisierend auf die Versauerung der Böden. Die Ergebnisse zeigen auch, dass Schadstoffe nach der Behandlung in inerter Atmosphäre generell zwar in höheren Gehalten vorliegen, aber nur wenig eluierbar sind. 4.3 Verwertung von Aschen als Düngemittel 4.3.1 Qualität und Verwertungsmöglichkeiten von Holzaschen aus der Verbrennung naturbelassener Hölzer (Esther Stahl, Fraunhofer UMSICHT) Zur Bewertung der Qualität und der Verwertungsmöglichkeiten von Holzaschen wurden über 200 Holzfeuerungsanlagen in Nordrhein-Westfalen (NRW) beprobt und Grob- und Flugaschen mittels Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) auf Nährstoff- und Schwermetallgehalte untersucht. Bei den Nährstoffen (Ca, Mg, K, P, S) wurden vergleichbare Gehalte in den untersuchten Grob- und Flugaschen ermittelt. Eine Ausnahme bildet Schwefel, der in Zyklonaschen im Mittel höher konzentriert ist, als in Grobaschen. Die Mindestgehalte an Nährstoffen eines Kalkdüngers nach DüMV werden von allen Grobaschen, die eines PK-Düngers nach DüMV werden vom überwiegenden Teil der Grobaschen erreicht. Obwohl die Aschen aus der Verbrennung von naturbelassenem Holz stammten, enthalten sowohl die Grobaschen als auch die Zyklonaschen teilweise erhebliche Schwermetallkonzentrationen. Die Konzentration nimmt dabei mit zunehmendem Nutzungsgrad des eingesetzten Holzes zu. Es wurden bei allen Elementen und unabhängig vom Nutzungsgrad des eingesetzten Holzes hohe Schwankungsbreiten festgestellt. Im Sinne der Rückführung der bei der Energieholznutzung entzogenen Nährstoffe wurde primär die Aufbringung der Aschen in den Wald als Verwertungsoption betrachtet. Dies ist gemäß DüMV entweder bei Deklaration der Aschen als eigenständiges Düngemittel oder in Beimischung von bis zu 30 % zu Kalkdünger möglich. Aufgrund der Schwermetallkonzentrationen ist die Deklaration als eigenständiges Düngemittel beschränkt. Etwa 25 % aller untersuchten Grobaschen konnten die vorgeschriebenen Grenzwerte an Cadmium (Cd), Nickel (Ni), Blei (Pb) und Arsen (As) für die ausschließliche Verwendung der Aschen auf forstlichen Standorten einhalten. Aschen mit einem hohen Anteil an Waldholz konnten diese Grenzwerte zu 35 – 40 % einhalten. Bei einer Beimischung dieser geringer belasteten Aschen zu Düngekalken kann das Gesamtgemisch die Grenzwerte mit hoher Sicherheit einhalten. Die Verwertung in der Landwirtschaft oder im Garten ist aufgrund der Schwermetallgehalte nur eingeschränkt möglich. Gefördert durch: Koordiniert: Wissenschaftlich begleitet vom: Veranstaltungsorganisation: 5 Service- und Begleitvorhaben des Förderprogramms „Optimierung energetische Biomassenutzung“ 4.3.2 Phosphordüngung mit Biomasse-Aschen? Ergebnisse aus Feld- und Gefäßversuchen (Katja Schiemenz, PD Dr. Bettina Eichler-Löbermann, Universität Rostock) Phosphor ist ein limitierter Rohstoff und seine effiziente Nutzung ist für eine nachhaltige Landwirtschaft von Bedeutung. Biomasseaschen (Reststoffe aus der Bioenergieproduktion) enthalten wertvolle Nährstoffe, wie z.B. Phosphor (P). Die Verwendung von Aschen zur P-Düngung im Pflanzenbau ist mit ökologischen und ökonomischen Vorteilen verbunden; sie kann dazu beitragen, Nährstoffkreisläufe zu schließen und Nährstoffressourcen einzusparen. Die Untersuchungen an der Universität Rostock in Kooperation mit zwei Projektpartnern (Institut für Ökologischen Landbau des Johann Heinrich von Thünen-Instituts (vTI) und Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V.) sollten dazu dienen, Erfahrungen mit speziellen, bisher – im Vergleich z.B. zu Holzasche – weniger beachteten Biomasseaschen unter Berücksichtigung diverser Standortgegebenheiten zu erlangen. Es wurden Feld- und Gefäßversuche durchgeführt, um den P-Düngeeffekt von drei Biomasseaschen (Rapsextraktionsschrotasche, Strohasche und Getreide(korn)asche) unterschiedlicher Nährstoffzusammensetzung auf verschiedene Haupt- und Zwischenfrüchte zu testen. Mittels Pflanzen- und Bodenanalysen wurden die Düngeeffekte der Aschen und Wechselwirkungen zwischen Düngung und Fruchtarten untersucht. Innerhalb der zwei Untersuchungsjahre (2007-2008) konnte eine Abhängigkeit der Düngewirkung von der Ascheart, der zu düngenden Kulturart und den Bodeneigenschaften festgestellt werden. Die Aschen zeigten besonders auf sandigem Boden positive Düngeeffekte auf den Ertrag, die pflanzlichen Nährstoffaufnahmen und Bodennährstoffgehalte. Obwohl Voruntersuchungen ergaben, dass die verwendeten Biomasseaschen geringere leicht pflanzenverfügbare P-Gehalte aufwiesen als der leichtlösliche P-Dünger Triplesuperphosphat (TSP), war der P-Düngeeffekt der Aschen generell vergleichbar mit dem von TSP. Somit können Biomasseaschen, sofern sie nicht mit Schwermetallen belastet sind, als gut wirksame P-Quelle zur Düngung im Pflanzenbau genutzt werden. 4.3.3 Verwendung von Holzasche bei der Waldkalkung (Dr. Klaus v. Wilpert, FVA Baden-Württemberg) Durch sauren Regen kam es in den zurückliegenden 50-100 Jahren zu einem Absinken des pH-Wertes im Boden um bis zu zwei pH-Stufen und somit zu einer Versauerung des Oberbodens. Daraus lässt sich ein langfristiger Kalkungsbedarf für Waldböden in Baden-Württemberg ableiten. Gleichzeitig wird in jüngster Zeit von der Gesellschaft eine Intensivierung der Holznutzung eingefordert, um Holzbiomasse als nachwachsenden Rohstoff für die Energieerzeugung zur Verfügung zu stellen. Dadurch werden den Waldökosystemen zusätzlich basenwirksame Bestandteile (Ca, Mg, K) entzogen, insbesondere dann, wenn die besonders basenreichen Biomassekompartimente Rinde und Kronenbestandteile (Äste und Reisig) aus dem Wald entfernt werden. Da in der Holzasche die in der Biomasse enthaltenen Mineralien nach der energetischen Nutzung zurückbleiben, wurde in einem Forschungsprojekt geprüft, ob durch die Verwendung von Holzasche bei der Waldkalkung die Stoffkreisläufe wieder geschlossen und dem Boden die notwendigen Basen wieder zugeführt werden können. Aufgrund der erhöhten Schwermetallbelastung von Zyklon- und Filteraschen wurden dabei ausschließlich Rostaschen verwendet und nur Aschen aus der Verbrennung naturbelassener Hölzer, so dass die nach Bundesbodenschutzgesetzes (BBSchG) zulässigen Schwermetallfrachten sicher eingehalten werden können. Die Asche wurde zunächst aufgemahlen, um Schlackeanteile zu zerkleinern und die Korngrößenverteilung zu homogenisieren und anschließend im Verhältnis 30:70 mit Dolomitkalk gemischt (Gesamtwassergehalt 10%). Dieses Gemisch wurde in den Jahren 2008 / 2009 mit Hubschraubern auf ausgewählten Standorten in Oberschwaben ausgebracht. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Beimischung von Asche eine größere Tiefenwirkung der Kalkung im Waldboden als beim Einsatz reinen Kalks erzielt werden konnte. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass Holzaschen ein wirksamer basischer Mehrnährstoffdünger sind, die zur Standortnachhaltigkeit durch Schließung von Stoffkreisläufen beitragen können. Gefördert durch: Koordiniert: Wissenschaftlich begleitet vom: Veranstaltungsorganisation: 6 Service- und Begleitvorhaben des Förderprogramms „Optimierung energetische Biomassenutzung“ 4.4 Entsorgung von Spezialaschen 4.4.1 Praktische Erfahrungen bei der Entsorgung von Asche aus Braunkohle gefeuerten Wirbelschichtanlagen (Bernd Müller, MUEG) Im mitteldeutschen Raum fallen jährlich bis zu 1 Mio. t Asche aus braunkohlegefeuerten Kraftwerken an, davon bis zu 150.000 t Asche aus Wirbelschichtfeuerungen. Da bei der Braunkohlefeuerung in Wirbelschichten auch Kalk beigemischt wird, um das Produktgas zu entschwefeln, besteht die Asche aus bis zu 63% Kalk. Die Aschen weisen aufgrund des Vorhandenseins von Calcium-, Aluminium- und Schwefelverbindungen ein hohes Verfestigungspotential auf, welches auf die Bildung des Minerals Ettringit zurückzuführen ist. Dieses Potential wird bei der Verwertung der Aschen als Bindemittel im Versatz von untertägigen Hohlräumen, als Rohstoff in der Zementindustrie, Bindemittel bei der Verfestigung von Abfällen oder im Straßenbau genutzt. Gefördert durch: Koordiniert: Wissenschaftlich begleitet vom: Veranstaltungsorganisation: 7 Service- und Begleitvorhaben des Förderprogramms „Optimierung energetische Biomassenutzung“ 5 DISKUSSION UND FAZIT Rechtliche Rahmenbedingungen: Es wurde diskutiert, inwieweit die zunehmende Bedeutung von Aschen ihre Einordnung als Abfall beeinflussen kann. In der neuen Abfallrahmenrichtlinie wird zum einen die Abgrenzung zwischen Abfall und Nebenprodukt, zum anderen die Beendigung der Abfalleigenschaft geregelt. Letzteres erfordert unter anderem, dass für den fraglichen Stoff ein Markt und eine Nachfrage bestehen. Einige Teilnehmer sahen hier ein mögliches Einfallstor, Asche in Zukunft, ggf. nach entsprechender Novellierung des KrW-/AbfG, als (Neben-)produkt anzusehen bzw. die Abfalleigenschaft entfallen zu lassen, so dass die derzeit zu beachtenden abfallrechtliche Vorschriften nicht mehr angewendet werden müssten. Eingewendet wurde allerdings, dass dann das Produktrecht beachtet werden müsse, das teilweise noch komplizierter sei als das Abfallrecht. Eine Verwertungsmöglichkeit für Asche ist auch die Vermischung mit Kompost. Dieses Vorgehen unterliegt jedoch den Vorgaben der Bioabfallverordnung (BioAbfV). Hierfür muss die Asche selbst einem Düngemitteltyp nach DüMV entsprechen, da Asche nicht auf der Positivliste der BioAbfV steht. Sie darf erst nach der Kompostierung zugemischt werden. Mit der Novellierung der BioAbfV wird Asche in Zukunft aber voraussichtlich ein zulässiger mineralischer Zuschlagstoff für Gemische sein. Schadstoffgrenzwerte Für die Verwertung von Asche als Düngemittel auf forstwirtschaftlichen Flächen ist eine Überschreitung der Grenzwerte für Schadstoffe, um bis zu 50 % zulässig. Dies ist ein Sonderfall, der historisch begründet und an bestimmte Bedingungen geknüpft ist. Zum einen muss es sich um Asche aus der Verbrennung naturbelassener Hölzer handeln, zum anderen müssen pflanzenwirksame Bestandteile nachgewiesen werden. Bei Vergasungsprozessen kann je nach Betriebsbedingungen der Restgehalt an organischem Kohlenstoff in der Asche bei der Einordnung in eine Klasse der DepV kritisch sein. Entscheidendes Kriterium hierfür ist der TOC-Gehalt, der zwar nach der DüMV nicht bestimmt werden muss, aber für die Einstufung nach der DepV für eine Deponierung relevant ist. Für Kupfer existiert nach der DüMV kein Grenzwert, sondern nur ein Deklarierungswert. Beim Schwermetall Chrom muss zwischen Cr(III) und dem hochtoxischen Cr(VI) unterschieden werden, für das in der DüMV ein Grenzwert existiert. Bei Überschreitung des Grenzwertes für Cr(VI) gibt es die Möglichkeit die Asche nachzubehandeln und dadurch Cr(VI) in Cr(III) umzuwandeln. Verwertung der Asche aus dem AER-Prozess Da beim AER-Prozess sämtliche Aschefraktionen in einem einzigen Stoffstrom anfallen, könnte eine Entmischung sinnvoll sein, um eine Reduktion der Schadstoffgehalte zu erzielen. Dies ist jedoch sowohl technisch als auch finanziell nahezu unmöglich. Für die Einsetzbarkeit der AER-Prozess-Asche bei der Waldkalkung spielt der Anteil an Carbonat eine wichtige Rolle. Für eine solche Verwertung wäre es vorteilhaft, wenn möglichst viel des Kalks als Carbonat vorliegt, da dies einen geringeren pH-Wert zur Folge hat. Durch entsprechende Lagerung der AER-Prozess-Asche und Aufnahme von CO2 aus der Luft kann der Carbonatgehalt jedoch auch nachträglich erhöht werden. Ascheanalyse Ascheanalysen werden immer relativ große Schwankungen aufweisen, da es sich zum einen beim Ausgangsstoff Holz um ein Naturprodukt handelt, das natürlichen Schwankungen unterworfen ist, und da zum anderen die Reaktionsbedingungen bei der Entstehung von Asche nie identisch sind. Bei der Erstellung von Ascheanalysen kommt der Probenahme eine wichtige Bedeutung zu. In der Literatur ist bei der Veröffentlichung von Ascheanalysen jedoch häufig keine Angabe zur Probenahme zu finden. Um in Zukunft den Einfluss der Probenahme auf das Ergebnis einer Analyse zu verringern und damit Ergebnisse vergleichbarer zu machen, sollte die Probenahme nach einem einheitlichen Verfahren erfolgen. Da es sich bei Asche um Abfälle handelt, bietet sich hier die Probenahme nach der Vorschrift LAGA PN 98 (Länderarbeitsgemeinschaft Abfall Probenahme) an. Gefördert durch: Koordiniert: Wissenschaftlich begleitet vom: Veranstaltungsorganisation: 8 Service- und Begleitvorhaben des Förderprogramms „Optimierung energetische Biomassenutzung“ Bei der Elementaranalyse einer Asche werden je nach Untersuchungsmethode unterschiedliche Ergebnisse ermittelt. Eine Elementaranalyse kann generell sowohl durch Untersuchung nach chemischem Aufschluss mit Flusssäure bzw. Königswasser als auch durch Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) erfolgen. Sowohl in der DüMV als auch in der DepV ist jedoch festgelegt, dass für eine rechtliche Einstufung die Elementaranalyse nach Aufschluss mit Königswasser zu erfolgen hat. Es wurde berichtet, dass bei Analysen mit RFA tendenziell höhere Schwermetallgehalte gemessen werden als nach Aufschluss mit Königswasser. Dies ist im Hinblick auf die Zulassung von Aschen als Düngemittel bei Überschreitung der Schwermetall-Grenzwerte nach DüMV selbstverständlich problematisch. Es wurde angeregt, dass die Vergleichbarkeit der Analysenmethoden ggf. in einem separaten Projekt geprüft werden soll. Durch Eluatuntersuchungen können schnellverfügbare Bestandteile von Aschen bestimmt werden. Die Verfügbarkeit ist häufig von der Oxidationsstufe des Elements abhängig. Für die Verwendung als Düngemittel sind jedoch eher die Gesamtgehalte relevant, da sich durch Redoxreaktionen im Boden die Oxidationsstufe langfristig ändern kann. Durch die Beiträge der Referenten und die gemeinsame Diskussion konnten ein Wissensaustausch sowie eine erste Vernetzung unter den Teilnehmern zum Thema „Ascheverwertung“ realisiert werden. Allerdings zeigte sich gerade bei der gemeinsamen Abschlussdiskussion, dass das Themenfeld „Ascheverwertung“ erst am Anfang der Entwicklung steht und insbesondere für die zukünftige Umsetzung der Verwertungsmöglichkeiten in der Praxis noch zahlreiche Aspekte zu klären sind. Im Sinne einer nachhaltigen Nutzung der Biomasse gilt es dabei stabile Kreislaufkonzepte, die auch eine nachhaltige Verwertung der anfallenden Aschen beinhalten, zu entwickeln und dabei gleichzeitig auch entsprechende rechtliche Rahmenbedingungen zu berücksichtigen. Als weiteres Vorgehen wurde vereinbart das Thema "Ascheverwertung" beim nächsten Statusseminar des BMU-Förderprogramms „Energetische Biomassenutzung“ im Oktober 2010 in die entsprechenden Arbeitsgruppen einzubringen und dort vertieft zu diskutieren. Des Weiteren bietet die Durchführung eines Folgeworkshops die Möglichkeit neue Erkenntnisse zu präsentieren und zu diskutieren. Zusätzlich wurde es als sinnvoll erachtet, für ein oder mehrere konkrete Fallbeispiele exemplarisch die gesamte Prozesskette von der Entstehung bis zur Verwertung einer Asche auszuarbeiten. Solche Anwendungsbeispiele sollen helfen, den (rechtlichen) Rahmen für die Verwendung von Aschen als Teil einer nachhaltigen Nutzung von Biomasse abzustecken und entsprechend anzupassen. 6 LITERATURHINWEISE Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2009, Merkblatt “Verwertung und Beseitigung von Holzaschen“ (http://www.lfl.bayern.de/iab/boden/36526/) Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR), 2005, „Leitfaden Bioenergie – Planung, Betrieb und Wirtschaftlichkeit von Bioenergieanlagen“, Kapitel 4.6 „Aschezusammensetzung und Ascheverwertung“, S. 162 ff., (http://fnr-server.de/cms35/fileadmin/biz/pdf/leitfaden/datensammlung/) Gefördert durch: Koordiniert: Wissenschaftlich begleitet vom: Veranstaltungsorganisation: 9