Ersatzbrennstoffe in Kohlekraftwerken

Im Zuge der Beendigung der Deponierung unbehandelter Siedlungsabfälle zum 1.6.2005 sind in weiten Teilen Deutschlands – neben der bereits langjährig erprobten Abfallverbrennung – mechanisch(-biologische) Abfallbehandlungsanlagen (M(B)A-Anlagen) zur Restabfallvorbehandlung errichtet worden. Diese haben ihre Bewährungsprobe jedoch zum Teil noch vor sich.
Aus diesen M(B)A-Anlagen resultiert ein Aufkommen an Ersatzbrennstoffen in der Größenordnung von knapp 3 Millionen Tonnen pro Jahr. Wesentliche Verwertungswege sind die Monoverbrennung in Ersatzbrennstoff-Kraftwerken, die Mitverbrennung in Kohlekraftwerken und in Zementwerken und die Verbrennung in konventionellen Restabfallverbrennungsanlagen. Allerdings reichen die derzeit verfügbaren Verwertungskapazitäten nicht aus, so dass erhebliche Mengen zwischengelagert werden.
Im Bereich der Kohlekraftwerke bestehen grundsätzlich Potentiale zum Ausbau der Mitverbrennungskapazitäten für Ersatzbrennstoffe und zugleich hohe wirtschaftliche Anreize durch Einsparung von Brennstoffkosten sowie Zuzahlungen
der Ersatzbrennstofflieferanten. Allerdings stellen die Kraftwerksbetreiber sehr hohe Anforderungen an die Qualität der Ersatzbrennstoffe. Um Ersatzbrennstoffe aus Siedlungsabfällen herzustellen, ist ein enormer aufbereitungstechnischer Aufwand erforderlich. Die Berichte der Kraftwerksbetreiber über Nichteinhaltungen der Spezifikationen machen deutlich, dass hier zum Teil noch erheblicher Optimierungsbedarf besteht. Die bisher durchgeführten Versuche zur Mitverbrennung von Ersatzbrennstoffen aus aufbereiteten Siedlungs- und Gewerbeabfällen in Kohlekraftwerken sind sehr unterschiedlich ausgegangen. Bei einigen Anlagen führten sie – nach Anpassungs- und Optimierungsmaßnahmen und ggf. unter Inkaufnahme beherrschbarer Nebenwirkungen – zum erfolgreichen Dauerbetrieb. Bei anderen wurden sie dagegen aufgrund schwerwiegender Schäden oder Störungen des Anlagenbetriebs abgebrochen.
Dies macht deutlich dass die Frage, unter welchen Bedingungen Ersatzbrennstoffe aus der mechanisch(-biologischen) Abfallbehandlung zur Mitverbrennung in Kohlekraftwerken geeignet sind, nicht allgemeingültig beantwortet werden kann.
Zum einen schwankt die Ersatzbrennstoff-Qualität in Abhängigkeit von Art und Zusammensetzung des Abfallinput sowie Konzeption und technischer Ausstattung der jeweiligen M(B)A-Anlage in weiten Grenzen.
Zum anderen ist jedes Kraftwerk durch individuelle verfahrenstechnische Merkmale, Betriebsweisen und Rahmenbedingungen gekennzeichnet. Die Feuerung sowie auch die vor- und nachgeschalteten Anlagenteile und peripheren Einrichtungen – wie Mahlanlage, Entaschung, Wärmeübertragungssystem, Abgasreinigung und Fördersysteme – sind für einen definierten Regelbrennstoff sowie die bei seiner Verbrennung entstehenden festen Rückstände, Abgasströme usw. mit
deren spezifischen Eigenschaften ausgelegt. Aus dem Bestreben, in Prozessen der Energieumwandlung einen Teil der Regelbrennstoffe durch Ersatzbrennstoffe zu substituieren, ergibt sich für die einzusetzenden Ersatzbrennstoffe die Notwendigkeit der brennstofftechnischen Charakterisierung in Hinblick auf die prozessspezifischen Anforderungen.
Zielsetzung dieser Arbeit ist die Untersuchung der Eignung von Ersatzbrennstoffen aus der mechanisch(-biologischen) Abfallbehandlung zur Mitverbrennung in Kohlekraftwerken aus verfahrenstechnischer, ökologischer und wirtschaftlicher
Sicht sowie die Identifizierung der wesentlichen Einflussfaktoren und Optimierungsmöglichkeiten.
Hierzu wird zunächst der Stand der mechanisch(-biologischen) Abfallbehandlung in Deutschland hinsichtlich Anzahl, Kapazität und technischer Ausstattung der Anlagen dargestellt. Wesentliches Ziel der dazu durchgeführten Literaturauswertung und Befragung von Anlagenbetreibern und -errichtern ist, unter Berücksichtigung zurückliegender Projektänderungen, z.B. durch Insolvenzen und Kapazitätserweiterungen, einen vollständigen und aktuellen Überblick unter
eindeutiger Abgrenzung gegenüber Gewerbeabfall-, Sperrmüll- und Ersatzbrennstoff-Aufbereitungsanlagen zu schaffen. Daran schließt sich eine detaillierte systemtechnische Analyse der Anlagen im Hinblick auf die Verfahrenskonzepte, verfahrenstechnischen Konfigurationen sowie die erzeugten Outputströme und deren Verbleib an.
Besondere Aufmerksamkeit kommt den derzeitigen Verwertungswegen der Ersatzbrennstoffe zu, die eine Momentaufnahme des noch in der Entwicklung befindlichen Ersatzbrennstoff-Markts darstellt und auch den aktuellen Stand der Herstellung hochwertiger Ersatzbrennstoffe für den Einsatz in Kohlekraftwerken erkennen lässt. Für solche M(B)A-Anlagen mit Ersatzbrennstoff-Produktion für die Mitverbrennung werden die Ersatzbrennstoff-Ausbeute und -Qualität in Abhängigkeit von Verfahrenskonzept und eingesetzter Aufbereitungstechnik anhand der Massenbilanzen und Ersatzbrennstoff-Analysen ausgewählter Beispielanlagen vergleichend gegenübergestellt.
Im zweiten Teil der Arbeit werden die bislang durchgeführten und derzeit vorbereiteten Projekte zur Mitverbrennung von Ersatzbrennstoffen aus aufbereiteten Siedlungs- und Gewerbeabfällen in deutschen Kohlekraftwerken auf der
Grundlage einer Literaturrecherche und der Befragung der Kraftwerksbetreiber untersucht.
Die positiven und negativen Betriebserfahrungen der Kraftwerksbetreiber werden vor dem Hintergrund der charakteristischen Merkmale der verschiedenen Feuerungssysteme sowie der weiteren wesentlichen Rahmenbedingungen der jeweiligen Anlagen bzw. Projekte ausgewertet. Zusammenfassend wird die verfahrenstechnische Eignung der verschiedenen Kraftwerkstypen zur Mitverbrennung im Hinblick auf deren mögliche Auswirkungen auf den Kraftwerksbetrieb, die festen Rückstände und die Emissionen bewertet sowie die wesentlichen Anforderungen an die brennstofftechnischen Eigenschaften des Ersatzbrennstoffs in Abhängigkeit von Feuerungssystem, Abgasreinigung und Betriebsweise des jeweiligen Kraftwerks dargestellt. Darüber hinaus werden Hinweise zur technischen Gestaltung der Mitverbrennung, möglichen Substitutionsraten für den dauerhaften Einsatz siedlungsabfallstämmiger Ersatzbrennstoffe sowie zur ener-getischen Bewertung der Brennstoffsubstitution gegeben.
Die derzeitigen und für 2008 prognostizierten Einsatzmengen an Ersatzbrennstoffen aus gemischten Siedlungsabfällen in deutschen Kohlekraftwerken werden dem abgeschätzten bundesweiten Ersatzbrennstoff-Aufkommen aus der mechanisch(-biologischen) Abfallbehandlung gegenübergestellt. Schließlich werden zum einen Optimierungspotentiale der Ersatzbrennstoffherstellung im Hinblick auf die Qualitätsanforderungen seitens der Kraftwerksbetreiber und zum anderen wesentliche Einflussfaktoren auf die weitere Entwicklung der Mitverbrennung in Kohlekraftwerken aufgezeigt.