Koordination

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

Fachbereich 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung
Richard-Willstätter-Straße 11
12489 Berlin

 

Projektleitung
Dr.-Ing. Christian Adam
Tel.: +49 (0) 30 8104 5670
christian.adam@bam.de

 

Projektbearbeitung
Hannes Herzel
Tel.: +49 (0) 30 8104 5680, hannes.herzel@bam.de

Partnerinstitutionen

  • Emter GmbH
  • sePura GmbH
  • Outotec GmbH & Co. KG
  • Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL)
  • Kompetenzzentrum Wasser Berlin gGmbH (KWB)
  • FEhS-Institut für Baustoff-Forschung e. V.
  • Universität Bonn

Laufzeit

01.07.2020 – 30.06.2023 (Phase 1)

Webseite

R-Rhenania

Modifiziertes Rhenania Phosphat aus Klärschlammasche für Bayern

Kurzbeschreibung

Die Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm und Klärschlammaschen ist in Deutschland politisch gefordert. Um einen wirksamen und schadstoffarmen Phosphatdünger aus Klärschlammaschen herzustellen, errichten der Betreiber der Klärschlammverbrennungsanlage Altenstadt – Emter GmbH und der Düngemittelhersteller sePura GmbH im Rahmen des R-Rhenania Projektes eine AshDec®-Demonstrationsanlage. Die geplante Anlage wird neben den Aschen aus Altenstadt zusätzlich die Aschen aus weiteren bayerischen Verbrennungsanlagen verwerten und ist für eine Kapazität von 30.000 Jahrestonnen Asche ausgelegt. Der Projektpartner sePura plant den produzierten Dünger vollständig regional in Bayern zu verwerten.

 

Die Demonstrationsanlage wird durch ein wissenschaftliches Monitoring begleitet und die aschebasierten Düngemittel werden eingehend chemisch-mineralogisch charakterisiert und in Gefäß- sowie Feldversuchen im ökologischen Landbau auf ihre Düngewirksamkeit untersucht. Neben der Düngewirkung des Phosphats werden auch die Wirkungen der Silikate und der enthaltenen Spurennährstoffe auf Pflanzenverfügbarkeit und Pflanzengesundheit untersucht. Um die Übertragbarkeit der AshDec®-Technologie auch für Standorte mit hohen Schwermetallbelastungen zu ermöglichen, werden im kleintechnischen Maßstab Untersuchungen inklusive Engineering und Kostenabschätzung für die großtechnische Umsetzung an hoch belasteten Klärschlammaschen durchgeführt. Ökobilanzierungen und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen werden begleitend für die verschiedenen Anwendungsfälle durchgeführt.

© Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) / Dr.-Ing. Christian Adam

Arbeitsschwerpunkte

  • Errichtung und Betrieb einer großtechnischen AshDec®-Demonstrationsanlage (30.000 t/a) zur Herstellung von Phosphatdüngemitteln aus Klärschlammaschen am Standort Altenstadt, Bayern
  • Wissenschaftliches Monitoring und Optimierung der AshDec®-Demonstrationsanlage
  • Gefäßversuche und Feldversuche im ökologischen Landbau zur Ermittlung der P-Düngewirkung des AshDec®-Produktes
  • Untersuchungen zur Wirkung von Silikaten und Spurennährstoffen im AshDec®-Produkt auf Pflanzenernährung und -gesundheit
  • Kleintechnische Untersuchungen zur Übertragbarkeit der AshDec®-Technologie auf Standorte mit hoch schwermetallbelasteten Klärschlammaschen inkl. großtechnischer Anlagenplanung
  • Ökobilanzierung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen für die Demonstrationsanlage und für weitere Anwendungsfällen der AshDec®-Technologie

Arbeitspakete

Ansprechpartner

Hannes Herzel, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Richard-Willstätter-Straße 11, 12489 Berlin, hannes.herzel@bam.de

 

Kurzbeschreibung

Neben dem projektinternen Austausch zwischen dem R-Rhenania Konsortium steht die Kommunikation mit dem Vernetzungs- und Transfervorhaben TransPhoR sowie weiteren Projekten der Förderinitiative RePhoR im Vordergrund. Für die Öffentlichkeit werden die Projektergebnissen mittels Workshops, Informationsveranstaltungen, Pressemitteilungen sowie über „social media“ (twitter, youtube etc.) bereitgestellt.

Ansprechpartner
Hannes Herzel, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Richard-Willstätter-Straße 11, 12489 Berlin, hannes.herzel@bam.de

 

Projektpartner
sePura GmbH; Outotec GmbH & Co. KG; FEhS-Institut für Baustoff-Forschung e. V.

 

Kurzbeschreibung
Es werden wichtige Voruntersuchungen am thermochemischen Prozess und dessen Einsatzstoffen vorgenommen, deren Ergebnisse direkt in die Planung und Umsetzung der Demonstrationsanlage einfließen sollen. Alle chemisch-mineralogische Untersuchen, die für die weiteren Arbeitspakete notwendig sind (vor allem AP 5 und AP6) werden im AP 2 durchgeführt.

Darüber hinaus soll für das Projekt die anzuwendende Analytik für die Produktbewertung entwickelt werden, vor allem in Hinblick auf eine zeitnahe „Vor-Ort-Analytik“ mit spektrometrischen Analyseverfahren, welche im Sinne der Prozessregelung eingesetzt werden soll.

 

Zusätzlich werden auch Untersuchungen zur Konfektionierung (Mahlung und Granulation/Pelletierung) des AshDec®-Produktes durchgeführt, um es zu einem vermarktungsfähigen Düngemittel aufzubereiten.

Ansprechpartner

Johann Emter, Emter GmbH, Alpenstraße 50, 86972 Altenstadt,
info@emter-gmbh.de

 

Projektpartner
sePura GmbH; Outotec GmbH & Co. KG

 

Kurzbeschreibung
Der Bau der Demonstrationsanlage beinhaltet die Finanzierung der Anlage, Planung der Anlage. Die Planung ist Teil anderer Förderprojekte.

Ansprechpartner
Tanja Schaaf, Outotec GmbH & Co. KG, Ludwig-Erhard-Strasse 21, 61440 Oberursel, tanja.schaaf@outotec.com

 

Projektpartner
Emter GmbH; sePura GmbH; BAM

 

Kurzbeschreibung
Nach Montage der Anlagenkomponenten beginnt die Kaltinbetriebnahme. Die gesamte Anlage wird auf ihre Funktionsfähigkeit geprüft, worunter Anlagenteile und Einzelaggregate fallen. Ziel ist die Herstellung der Betriebsbereitschaft und -sicherheit, die Überprüfung der Funktion der Schnittstellen zwischen den Anlagenteilen sowie die Funktionsüberprüfung der MSR-Technik. Nach der mechanischen Fertigstellung (Mechanical Completion – MC) und der Kaltinbetriebnahme beginnt die Phase der Heißinbetriebnahme, also der Herstellung stabiler Betriebsbedingungen bzw. der Probebetrieb unter Nennlast.

 

Anschließend wird der Betrieb der Demonstrationsanlage auf der Basis der Erkenntnisse aus AP 2 optimiert. Dabei wird auch überprüft, ob weitere Optimierungspotenziale durch die hochskalierten Ergebnisse aus den kleintechnischen Untersuchungen mit Fokus auf der Produktqualität unter sinnvollen Prozessparameter möglich ist, um auch Schlüsse für die Übertragbarkeit auf zukünftige kommerzielle Anlagen zu ziehen.

 

Es erfolgt eine Analyse und Auswertung aller Proben während der Heißinbetriebnahme, der Optimierungsarbeiten sowie anschließend im Regelbetrieb der Demonstrationsanlage. Die Analysen werden auf der Grundlage der Ausarbeitungen in AP 2 angefertigt. Die Löslichkeiten des Phosphors werden mit Schnelltests an der Demonstrationsanlage bestimmt (in AP 2 entwickeltes Konzept mit spektrometrischen Analyseverfahren).

Ansprechpartner
Hannes Herzel, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Richard-Willstätter-Straße 11, 12489 Berlin, hannes.herzel@bam.de

 

 

Projektpartner
Outotec GmbH & Co. KG; Kompetenzzentrum Wasser Berlin gGmbH (KWB); FEhS-Institut für Baustoff-Forschung e. V.; Universität Bonn

 

Kurzbeschreibung
Zur Überprüfung der Möglichkeit, die AshDec®-Technologie auf weitere Regionen Deutschlands sowie andere Länder zu übertragen, sind Untersuchungen zur Anpassung des Prozesses für unterschiedliche Aschequalitäten notwendig. Hierbei geht es vorrangig um die Elimination von Schwermetallen im Falle belasteter Klärschlammaschen und die Entwicklung entsprechender technologischer Maßnahmen zur Schwermetallentfernung. Technische Ansätze in Form der Dosierung von Chloriden zur effektiven Verdampfung von Schwermetallen wurden bereits von der BAM und Outotec (ehem. ASH DEC Umwelt AG) eingehend untersucht. Die Möglichkeiten einer gleichzeitigen hohen Schwermetallentfernung als auch eine hohe Pflanzenverfügbarkeit im Produkt zu erzielen, wird Gegenstand der Untersuchungen sein.

 

Dafür werden Klärschlammaschen aus deutschen Klärschlammverbrennungsanlagen und relevante Klärschlammaschen aus europäischen Nachbarländern (Schweiz, Niederlande, Österreich, Polen) beschafft. Die Klärschlammaschen werden eingehend chemisch-mineralogisch charakterisiert und es erfolgt eine Einordnung in Kategorien verschiedener Belastungsgrade und Besonderheiten.

 

 

Mit ausgewählten Aschen werden Versuche im Labormaßstab hinsichtlich der Schwermetallentfernung und Erhöhung der Pflanzenverfügbarkeit im Labor- und kleintechnischen Maßstab (Tiegelofen und Drehrohrofen) durchgeführt.

 

 

Basierend auf diesen Labor- und kleintechnischen Untersuchungen wird exemplarisch eine großtechnische AshDec®-Anlage für schwermetallbelastete Klärschlammaschen ausgelegt,  um diese mit alternativen Technologieansätzen zu vergleichen. Die Evaluation basiert auf ökobilanziellen und ökonomischen Betrachtungen sowie auf logistischen Überlegungen wie der Verfügbarkeit von Einsatzstoffen und dem Vertrieb der Produkte.

 

Die aus den Versuchen mit (schwermetallbelasteten) Aschen anderer Regionen erzeugten Produkte werden auf ihre agronomische Anwendbarkeit hin untersucht und bewertet. Hierbei werden die erzielten P-Löslichkeiten, die Schwermetallgehalte und sonstige Besonderheiten der Produkte und der Regionen berücksichtigt. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sollen gewährleisten, dass in einem technisch positiven Anwendungsfall auch die agronomische Anwendbarkeit und der Markt für das Produkt gegeben wären.

Ansprechpartner
Jürgen Burkhardt, Universität Bonn, Karlrobert-Kreiten-Str. 13, 53115 Bonn, j.burkhardt@uni-bonn.de

 

Projektpartner
sePura GmbH; FEhS-Institut für Baustoff-Forschung e. V.; KWB; Bayrische Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL)

 

Kurzbeschreibung
Zur Anwendbarkeit des Düngers in Bayern wird eine Recherche zu Potenzialen, Regelungen und Praxis durchgeführt. Die Bewertung der düngemittelrechtlichen Aspekte ist hinsichtlich einer nachfolgenden Verwertung bzw. Inverkehrbringung der erzeugten P-Rezyklate von großer Bedeutung.

 

Untersuchungen zur Pflanzenverträglichkeit und Düngewirksamkeit der Rezyklate werden mit Produkten aus der kleintechnischen Erzeugung und anschließend aus der Demonstrationsanlage durchgeführt. P-Freisetzung und P-Aufnahme bei verschiedenen Kulturpflanzen wird im Vergleich zu Referenzdüngern und in Abhängigkeit von verschiedenen Böden und Nutzpflanzen durchgeführt, die repräsentativ für den geplanten späteren Einsatz des Düngers sind. Die für eine Bewertung der Düngewirkung erforderlichen Bodenkennwerte, Biomassedaten, Nährstoffe und agronomische Parameter werden ebenso wie die Pflanzengesundheit erfasst. Untersuchungen zur Schadstoff-Freisetzung und Aufnahme in die Pflanze, beziehungsweise in verschiedene Pflanzenteile (Blatt, Korn) dienen insbesondere der Abschätzung des Risikos für die höher belasteten Aschen.

 

In Feldversuchen soll die P-Wirksamkeit von AshDec®-Produkten unter den Bedingungen des ökologischen Landbaus im Vergleich zu hochwirksamen konventionellen P-Düngern und Struvit untersucht werden. Diese werden an drei Standorten in Bayern in mit der dreijährigen Fruchtfolge Mais, Wintergetreide und Kleegras angelegt werden. Es sollen zwei Durchgänge in den Jahren 2021 bis 2023 und 2022 bis 2024 erfolgen.

 

Zusätzlich werden Untersuchungen zur Verfügbarkeit von Silicium und Spurennährstoffen (Mangan, Kupfer und Zink) für die Pflanze durchgeführt sowie eine Abschätzung der positiven Wirkungen auf die Pflanzengesundheit vorgenommen. Die Spurennährstoffe sind essenzielle für alle Pflanzen, aber stehen diese Elemente in zu hoher Menge zur Verfügung, können phytotoxische und ernährungstoxikologische Auswirkungen über den Wirkungspfad Boden-Pflanze-Nahrung eintreten. Es werden neben dem Gesamtgehalt die Löslichkeit und (Pflanzen-) Verfügbarkeit des im AshDec®-Produkt enthaltenden Siliciums und anderer Spurennährstoffen mit adäquaten chemischen, physikalischen und pflanzenbaulichen Methoden (Gefäßversuch) untersucht und bewertet.

 

Es wird eine Risikobewertung des AshDec®-Produktes aus der Demonstrationsanlage unter Betrachtung der Schadstofffreisetzung und -aufnahme für Mensch, Ökosystem und Grundwasser durchgeführt. Die Risikobewertung umfasst prinzipiell die Schritte Gefahrenidentifikation, Gefahrenbeschreibung, Expositionsabschätzung und Risikocharakterisierung und bewertet Schadstoffe einzeln. Auf Basis der Ergebnisse wird eingeschätzt, welche der technisch und wirtschaflich möglichen Betriebsweisen zur Risikominimierung geeignet sind und welcher Grad an einer Schwermetallreduzierung erreicht werden muss, damit das Restrisiko akzeptabel bzw. vernachlässigbar ist.

 

Das Umsetzungsprodukt aus Klärschlammaschen mit Natriumcarbonaten, aber auch dessen Hauptkomponente Calciumnatriumphosphat sind in der ECHA-Datenbank bisher nicht aufgeführt. Vor einem Handel mit dem Produkt sind daher die Vorgaben der REACH-Verordnung zu berücksichtigen. Bei einer geplanten Produktionsmenge von rund 30.000 Jahrestonnen des Düngemittels sind umfassende Untersuchungen durchzuführen. Kernpunkte hierbei sind die Humantoxizität und die Ökotoxizität. Ein Stoffsicherheitsbericht ist anzufertigen. Die Ergebnisse sind im Registrierungs-verfahren zu publizieren.

Ansprechpartner

Fabian Kraus, Kompetenzzentrum Wasser Berlin, Cicerostraße 24, 10709 Berlin, fabian.kraus@kompetenz-wasser.de

 

 

Projektpartner

Outotec GmbH Co. KG; BAM

 

 

Kurzbeschreibung

Die Ökobilanzierung der Demonstrationsanlage ist angelehnt an die Vorgaben der ISO 14040/ 14044 und umfasst die Definition von Ziel und Untersuchungsrahmen, die Datenerfassung (Sachbilanz), die Wirkungsabschätzung sowie die Interpretation der Ergebnisse. Der Betrieb der Anlage wird mit einem Referenzszenario (der Direktverwertung der Asche) verglichen. Als Wirkungskategorien werden der kumulierte nicht-erneuerbare Energieaufwand, das Treibhausgaspotential, das terrestrische Versauerungspotential, das Süßwassereutrophierungspotential und das Humantoxizitätspotential berechnet. Das betrachtete System umfasst Anlage (Düngerproduktion), Transporte, Düngemittelanwendung sowie alle durch das System beeinflussten vor- und nachgelagerten Prozesse (z. B. Bereitstellung der Additive oder Energie).

 

 

Anhand der Erkenntnisse aus dem Projekt werden Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen der verschiedenen Anlagentypen (z. B. Demonstrationsanlage gegenüber potenziellen Anlagen mit Schwermetallentfrachtung) durchgeführt. Diese umfassen die Kalkulation von Kapital- und Betriebskosten sowie Erlöse über die Laufzeit der Anlage (Life-Cycle-Costing-Methodik). Auf einige Faktoren wird dabei ein besonderer Schwerpunkt gesetzt, da sie die Wirtschaftlichkeit stärker beeinflussen als andere. Dazu gehören voraussichtlich verschiedene Geschäftsmodelle, Kapazität und Art der Anlage, Chemikalien- und Energiekosten, Erlöse durch Ascheannahme („Gate Fee“) und Produkterlöse sowie die Zusammensetzung der Asche (P, Si, Schwermetalle). Diese werden im Rahmen von Sensitivitätsanalysen mit den Zielparametern der Kapitalwertanalyse (NPV) und der Break-Even Analyse untersucht.

Verwertungswege

Mit der Klärschlammverordnung (AbfKlärV) 2017 wird die Ausbringung von Klärschlamm in der Landwirtschaft zum Schutz der Böden stark beschränkt, wodurch in den meisten Fällen nur die thermische Verwertung in Verbrennungsanlagen als Entsorgungsweg gewählt werden kann. Gleichzeitig wird die Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm oder Klärschlammaschen verpflichtend. Daher bleiben künftig für den Großteil der Erzeuger von Klärschlamm nur noch drei Entsorgungswege:

  1. Senkung des Phosphorgehaltes im Rahmen der Abwasserreinigung auf weniger als 20 g P/kg TM (z. B. P-Rücklösung und Struvitfällung) und anschließende (Mit-)Verbrennung des Klärschlamms in Kohlekraftwerken, Zementwerken, Müll- oder Klärschlammverbrennungsanlagen. Die bestehenden Verfahren zur P-Fällung nach forcierter Rücklösung erreichen diese Vorgaben bisher in der Regel nicht. Eine Unterschreitung von 20 g P/kg TM kann nach bisherigen Erkenntnissen nur durch einen sehr hohen Chemikalieneinsatz erreicht werden.
  2. Phosphorrückgewinnung aus dem zu entsorgenden Klärschlamm, mit dem Ziel mind. 50% des Phosphors zu gewinnen oder einen abgereicherten Klärschlamm mit < 20 g P/kg TM zu erzeugen, der ebenfalls durch Mit-Verbrennung energetisch verwertet werden kann.

  3. Verbrennung des Klärschlamms in Monoverbrennungsanlagen mit anschließender Phosphorrückgewinnung aus den Aschen durch den Anlagenbetreiber, falls Klärschlämme mit einem Phosphorgehalt von mehr als 20 g/kg TM verbrannt werden. In diesem Fall müssen mindestens 80% des Phosphors zurückgewonnen werden. Neben dem thermochemischen AshDec®-Verfahren wurden auch nasschemische Verfahren entwickelt, die voraussichtlich die Zielvorgaben der Klärschlammverordnung erreichen können.

Der aktuelle Entsorgungsnotstand für Klärschlamm in thermischen Verwertungsanlagen wird in den nächsten Jahren durch den Bau von bis zu 24 neuen Klärschlammverbrennungsanlagen in Deutschland beruhigt werden. Für die künftigen Betreiber ist es sinnvoll, bereits beim Bau dieser Anlagen die ab 2029 verpflichtende Phosphorrückgewinnung zu berücksichtigen und zu integrieren. Gleichzeitig werden die bestehenden 20 Klärschlammverbrennungsanlagen eine Anlage zur Phosphorrückgewinnung nachrüsten müssen. Dies macht die wirtschaftlichen Erfolgsaussichten für den AshDec®-Prozess deutlich. Weiterhin gibt es bisher noch kein Phosphorrückgewinnungsverfahren, das in einer erfolgreich funktionierenden großtechnischen Anlage implementiert ist. Der AshDec®-Prozess ist aus den oben genannten Gründen als sehr vielversprechend anzusehen. Gelingt eine erfolgreiche Erstumsetzung, so wird AshDec® auch an anderen Standorten eingesetzt werden.

Die EU-Verordnung 2019/1009 vom 05. Juni 2019 für die Bereitstellung von EU-Düngeprodukten öffnet erstmals den europäischen Markt für recycelte Düngemittel, welche bisher nur unter einigen nationalen Bestimmungen vertrieben werden konnten. Damit erhalten die P-Rezyklate aus der AshDec®-Anlage in Altenstadt voraussichtlich eine CE-Kennzeichnung und könnten im gesamten EU-Binnenraum verkauft werden. Die EU-Arbeitsgruppe STRUBIAS hat zurzeit Düngemittelkriterien für u.a. aschebasierte Produkte erarbeitet, die in die EU-Verordnung 2019/1009 übernommen werden sollen. Sie werden einheitliche Bestimmungen für das Inverkehrbringen von Recylingdüngern schaffen.

Wenn das Produkt nach europäischer oder deutscher Düngemittelverordnung als Produkt zugelassen und vermarktet werden soll, ist eine Zertifizierung nach der REACH Verordnung (EC) 1907/2006 erforderlich. SePura wird als Marketing- und Vertriebspartner entscheiden, unter welchem Regelwerk das Produkt vermarktet wird. SePura hat unbehandelten Aschen aus der Verbrennungsanlage in Altenstadt bereits als Düngemittel (soliPur®) vertrieben, welches als Gemisch nach REACH – Verordnung zugelassen sind. Da durch die Behandlung mit dem AshDec®-Prozess die chemischen Eigenschaften der Asche nicht grundlegend geändert werden ist abzusehen, dass einer erneuten Zulassung nach REACH nichts im Wege steht. Der AshDec®-Dünger aus der großtechnischen Demonstrationsanlage am Standort Altenstadt soll in Bayern regional von der Firma sePura vertrieben werden. SePura verfügt über das entsprechende Netzwerk zu den Kunden im Agrarsektor und kann mit den Eigenschaften des Produkts maßgeschneiderte Lösungen und eine kundenorientierte Beratung anbieten.