Klärschlammverwertung Region Nürnberg

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Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg | Klärschlammverwertung Metropolregion Nürnberg (KRN-Mephrec) 1 / 31

Klärschlammverwertung Region Nürnberg

Pilotprojekt

Klärschlamm zu Energie, Dünger und Eisenlegierung

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Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Abwasserwirtschaft

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Landesregierung Bayern

(Geleitwort Minister Dr. Huber zu Klärschlammentsorgung, StMUG 05-2011)

• „… kommt künftig nur die thermische Behandlung von Klärschlamm in Frage“

• „Nach Aufbereitung der Aschen ist der wertgebende Inhaltsstoff Phosphor zurückzugewinnen …“

• „Die veraltete Klärschlammverordnung … bildet das erkannte Gefahrenpotenzial des Klärschlamms längst nicht mehr ab.

Entsorgungspflichtige sind gut beraten … nach zukunftsfähigen Alternativen Ausschau zu halten.“

• Ausstieg aus landwirtschaftlicher Verwertung seit 2008

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Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft

Stadt Nürnberg

(Leitziele Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg SUN)

„Konsequenter Umweltschutz ist verantwortliche Daseinsvorsorge, zivilisatorische Grundleistung und ist volkswirtschaftlich die weltweit nachhaltig sinnvollste Lösung.“

1. Die Ziele der WRRL sind erfüllt. SUN leistet Leitbeitrag zu Klimaschutzzielen Nürnbergs.

2. Die Energie- und Stoffströme sind geschlossen.

3. SUN ist als umwelttechnischer Dienstleister Vorbildbetrieb der Metropolregion.

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Energieversorgung Kläranlagen in Deutschland

0

0 20 40

spezifischer Stromverbrauch [kWh/(EW×a)]

% der Anlagen

60 80 100 120 140 160 180 200

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

GK 1 0 – 999 EW 58,2 kWh/(EW×a) GK 2 1 000 – 5 000 EW 41,5 kWh/(EW×a) GK 3 5 001 – 10 000 EW 39,9 kWh/(EW×a) GK 4 10 001 – 100 000 EW 34,9 kWh/(EW×a) GK 5 >100 000 EW 32,5 kWh/(EW×a) Stromverbrauch deutsche Kläranlagen ca. 4 000 GWh/a

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Herkunft, Bedeutung

• ca. 0,09% der Erdkruste

• meist als Apatite

• > 180 Mio Mg / a Ausbeute

• 90% in Düngemittel

• Knochen, Zähne, Nucleinsäuren, ATP

Herstellung

• Calciumphosphat, Phosphorit, Apatit mit Koks und Quarzsand in elektri- schen Schmelzreduktionsöfen bei 1 400°C verdampft.

Gasförmiger Phosphor mit Wasser kondensiert.

• Aufschluss Calciumphosphat mit Schwefelsäure (60% Weltverbauch).

Phosphor

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5

50 150 250 350 450 550 650

Marokko 38%

Israel 1%

Tunesien 1%

Andere 8%

Russland 1%

Jordanien 6%

USA 6%

Südafrika 10%

China 27%

(kein Export)

750 850 950 1 050 1 150

1 250 Herkunft weltweite P-Vorräte (ca. 18 Mrd Mg)

USD / Mg

2000

2001 2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

Phosphat (NH₄)2HPO₄ Harnstoff CO(NH₂)₂ Kaliumchlorid (KCl)

Weltweite Phosphorreserven

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Beschluss Bundesrat

(Drucksache 576/13 vom 20.09.13)

„Phosphor ist essentieller Baustein des Lebens. Für die moderne Landwirtschaft ist Phosphor ein unver- zichtbarer Dünger.“

1. Bundesrat begrüßt die Initiativen zur nachhaltigen Bewirtschaftung Phosphor aus Abwasser 2. Bundesregierung soll sich Europa weit einsetzen für

• Phosphorrückgewinnung aus Abwasser und sonstigen Abfällen,

• Festlegung konkreter und verbindlicher Anforderungen und Maßnahmen,

• EU-einheitliche, anspruchsvolle Grenzwerte für Schwermetalle und Uran bei P-Dünger.

3. Deutschland soll Vorreiterrolle für Bereitstellung P-Dünger aus Klärschlamm haben.

Motivation

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Koalitionsvertrag Bundesregierung 18. Legislaturperiode

(„Deutschlands Zukunft gestalten“ CDU/CSU und SPD Vertrag vom 13.11.2013)

Gewässer- und Meeresschutz

„Der Schutz der Gewässer vor Nährstoffeinträgen sowie Schadstoffen soll verstärkt und rechtlich so gestal- tet werden, dass Fehlentwicklungen korrigiert werden. Wir werden die Klärschlammausbringung zu Dün- gezwecken beenden und Phosphor und andere Nährstoffe zurückgewinnen.“

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Klärschlammaufkommen und Verwertung Städtepartner

Rekultivierung Mitverbrennung Gesamt

Nürnberg 11.880 Mg TS 11.880 Mg TS

Erlangen 1.260 Mg TS 2.520 Mg TS 3.780 Mg TS

Fürth 2.160 Mg TS 1.080 Mg TS 3.240 Mg TS

Schwabach 810 Mg TS 810 Mg TS

gesamt 3.420 Mg TS 16.290 Mg TS 19.710 Mg TS

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Optimale energetische und stoffliche Bilanz der Abwasserreinigung

• Schadstoffe des Abwassers über den Klärschlamm eliminiert.

• Abwasserinhaltsstoffe unter Minimierung Treibhausgasemissionen optimal genutzt.

(Brutto-Null-Haushalt Strom (>93%) und Wärme (>100%))

• Klärschlamminhaltsstoffe umweltgerecht verwertet.

(Metalle + schadstoffarmer/-freier P-Dünger)

• Abfall regional allokiert. (Vermeidung ca. 1,1 Mio Transportkilometer)

Stärkung regionaler Standort

• Wertschöpfung in der Metropolregion, Sicherung der Arbeitsplätze.

• Unabhängigkeit von Oligopolisten und knappen Energieressourcen.

• Regionale Lösung der Recyclingaufgabe in der Städteachse. (Verbandsarbeit)

• Werbung für die Metropolregion als leistungsfähiger, innovativer Standort.

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Klärschlammaufkommen Metropolregion

Schlamm (Mg ca. 25%TS) Schlamm TS [Mg]

Stadt und Landkreis Ansbach 19.728 4.932

Stadt und Landkreis Bamberg 32.244 8.061

Stadt Erlangen und Landkreis Erlangen-Höchstadt 25.488 6.372

Stadt und Landkreis Fürth 18.384 4.596

Landkreis Forchheim 7.128 1.782

Landkreis Nürnberger Land 12.220 3.055

Stadt Nürnberg 44.064 11.880

Landkreis Neustadt Aisch 6.428 1.607

Landkreis Roth 8.448 2.112

Stadt Schwabach 3.564 891

Landkreis Würzburg 15.908 3.977

Stadt Würzburg 37.692 9.423

gesamt 231.296 Mg 25%TS 58.688 Mg TS

Mitverbrennung: 31.355 Mg TS Rekultivierung: 19.878 Mg TS Landwirtschaft: 7.455 Mg TS

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System der

Klärschlammnutzung P aus Abwasser/Klärschlamm

+ Mitverbrennung KS- und Ascheverhüttung

+ P - Schlacke Monover brennung + P aus Asche

1. P - Extraktion

2. Energetische Nutzung Stofftrennung mit

energetischer Nutzung 1. Energetische Nutzung 2. P - Extraktion

Kriterium /Gewichtung Energetische Nutzung

Eigenbedarfsdeckung 15% − + + − −

(+)^* P-Verwertung

(Effekt.+ Verfügbarkeit) 15% ^ (Fällung)

+ (chemischer Aufschluss) + + + +

Qualität Produkte 10% + (MAP-Fällung) + + +

Abfall 10% ^ (Emissionen Braunkohle) + ^

Emissionen / sonstige

Faktoren Ökobilanz 10% ^ + (bei Eigenbe-

darfsdeckung) ^

Regionale Allokation

und Wertschöpfung 5% − (Handel)

( + bei kurzer Entfernung) + (nur Großanlage) + (nur Großanlage) Gesamtkosten der

Verwertung 25% + (MAP-Fällung) + + −

(^)^*

Investitionsbindung 5% + − − − −

Erfahrung 5% + ^ +

Gesamtwertung ^ + + ^ (+)^*

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Magnet- separator

Eisen + Schlacke

Deponie/Grubenverfüllung Recycling

Gaskühler

Ca(OH)2

Abluftgebläse NH3

Katalysator Turbine Generator

Vorratsbunker

O2 - Versorgung N2 - Notlöschmittel Koks und

Kalkstein

Kessel Abluft

Abfall

Granulierung

Filter

Stabilisierung (Komplexbildner)

Fernwärme Strom

Luft

Vergaser

Direct-Melting

Japan

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Direct-Melting Japan

Vorzüge

• Prozessstabilität durch Sauerstoff ge- steuerte Hochtemperaturvergasung.

• Reinheit der Produkte (Synthesegas,

Metall- und Schlackezusammensetzung, keine organischen Verbindungen).

• Wirtschaftlichkeit durch günstige Ener- gie- und Stoffrückgewinnung.

• Zuverlässigkeit durch Betriebser- fahrungen.

Größte Schmelzvergasungsanlage in Shin-Moji, Japan Baujahr 2007

Kapazität 3 × 10 Mg/h (720 Mg/d) Stromerzeugung 23,5 MW

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Verfahren der metallurgischen Phosphorgewinnung aus Klärschlamm

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Energiefluss Ausgangszustand (Bilanz Nürnberg Klärwerk 1)

KS Nürnberg

Heizöl

Stromver- sorgung Abgas

Notkühlung Gebäude- heizung

Klärschlamm- entsorgung KS Faulung

BHKW

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Energetisches Potenzial (Bilanz Nürnberg Klärwerk 1)

KS Nürnberg

KS Erlangen KS Fürth

KS Schwabach Hüttenkoks

Abluft Quenchwasser

Stromver- sorgung Abgas

Gebäude- heizung

Phosphor Eisenschrott KS Faulung

Trocknung

Brikettierung Kupol - Ofen

BHKW

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Phosphorausbeute Abwasserreinigung

• > 95% Gesamt-P aus Abwasserstrom im Klärschlamm (bei P-Fällung mit Eisen III)

• > 80% Gesamt-P in metallurgischer Schlacke

(davon ca. 4% in Eisenschmelze, Rest in Flugstaub)

• Ca. 10 bis 12% liegen als P₂O₅ vor; Rest in diversen sonstigen Verbindungen

• > 82% Pflanzenverfügbarkeit (citratlöslich)

Schlackenart CaO % MgO % SiO₂ % Al₂O₃ % Fe-Oxide% P₂O₅% Citratlösl. %

Mephrec-Schlacke^* 32,3 3,6 27,0 20,6 3,9 11,6 81,9

Thomas-Schlacke 47 - 50 3 6 - 8 1 - 2 12 - 16 16 - 19 85 - 95

* Aus Mischung Klärschlamm 60% Nürnberg, 40% München (Analyse Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft (TLL))

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Aktuelle Schadstoffregelungen [mg/kg TM]

Gesetzliche Bestimmung As Pb Cd Cd/kg P₂O₅ Cr ^VI Ni Hg Tl Cu Zn U

Bioabfallverordnung (BioAbfV) -- 150 1,5 -- -- 50 1 -- 100 400 --

Düngemittelverordnung (DüMV) 40 150 1,5 50 2 80 1 1 -- -- --

Klärschlammverordnung (AbfKlärV)

< 5% P₂O₂ in der TM -- 120 2,5 -- -- 80 1,6 -- 700 1500 --

Klärschlammverordnung (AbfKlärV)

> 5% P₂O₂ in der TM -- 150 3,0 -- -- 100 2 -- 850 1800 --

Phosphatdünger aus (DüMV)

Schmelzvergasung 5 50 0,1 10 1 15 0,1 0,1 100 200 --

Nachgewiesene Werte Mephrec-

Schlacke aus Schmelzvergasung 0,59 < 20 0,014 0,14 < 1 < 15 < 0,01 0,01 74 85 10,3

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Qualität des Phosphorertrags [mg/kg TM]

Dünger P₂O₅ As Pb Cd Cr Ni Hg Tl Cu Zn U

Teilaufgeschlossenes Rohphosphat

Mittelwert aus 21 untersuchten Düngern 39,8 24,6 10,1 64,0 382 92,7 0,08 1,3 79,6 1126 445 Triple Super-phosphat

Mittelwert aus 11 untersuchten Düngern 45,5 13,7 32,3 62,1 503 45,9 0,04 0,8 33,6 778 229

Rohphosphat mit kohlensaurem Kalk aus Mee- resalgen, mit Mg

Mittelwert aus 5 untersuchten Düngern

17,8 22,2 21,5 65,7 663 21,4 0,11 6,7 30,2 865 126

Mephrec-Schlacke aus Klärschlamm 11,6 5,1 < NG 0,1 k.A. < NG 0,01 0,1 637,9 733 89

Grenzwertüberschreitung nach DüMV

Quellen:

Dr. Dittrich, Barbara und Dr. Klose, Ralf. Schwermetalle in Düngemitteln. Schriftenreihe Sächsiche Landesanstalt für Landwirtschaft 3/2008 Leiterer, M. und Riedel, R. Konformitätsbescheinigungen zur düngemittelrechtlichen Bewertung eines phosphathaltigen Düngemittels

(hier: Phosphat-Dünger aus der Hochtemperatur Schmelzbehandlung von Klärschlamm nach dem Mephrec®-Verfahren). Jena : Thüringer Landesanstalt für LaWi, 2011

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Kosten Großanlage

• Anlagenleistung 2,5 Mg/h Klärschlamm (TS)

70.000 Mg Klärschlamm (27%TS)

• Investitionskosten netto 21,5 Mio. EUR

• Laufende Kosten netto 4,8 Mio. EUR/a

• Erlöse netto 2,1 Mio. EUR/a

• Geplante P-Leistung 7.660 Mg/a Schlacke (1.380 Mg/a P₂O₅)

• Kosten Phosphorproduktion 10,50 EUR/kg

ohne Berücksichtigung KS-Entsorgung, Stromeinspeisung, Wärmenutzung, Verkauf Eisenschrott (Kostenabschätzung im Vergleich zu Gutachten PhoBe RWTH Aachen 2011)

Wirtschaftslichkeitskriterien: Mindestanlagengröße und Preis Betriebsmittel (besonders Sauerstoff und Koks)

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Kosten Großanlage

Return of Invest ohne P-Verkauf

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 5 10 15 20 25 30

Betriebsjahre [a]

Mio EUR (incl. MwSt, Zinsfaktor 4,5%)

Entsorgungskosten in der Mit-/Monoverbrennung

Anteil Betriebskosten inkl. Erträge Strom

Anteil Investition und Reinvestition

Gesamtkosten inkl. Erträge Strom + Schrott u. Phosphor

Return of Invest

Deckungsbeitrag aus Substitution Klärschlammentsorgung:

72 EUR/t KS mit 28% TS (incl. MwSt) 0 EUR/t P-Düngerverkauf

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Brikettierung KS-Trocknung

Brüdenkondensation Luft

Sauerstoff

Zuschlagstoffe Koks

Klärschlamm

Reststoffe Gasreinigung Abgas

Eisenlegierung P – Schlacke

Abwasser Abgasreinigung

Gasverwertung

Schlackegranulierung Eisenabstich 1

2 3 4

5

6 7

8 9 10 Kupolofen

Luftvorwärmung

Verfahren

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Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg | Klärschlammverwertung Metropolregion Nürnberg (KRN-Mephrec) 25 / 31 Input Parameter

Betriebszeit 1.000 h/a Brikettdurchsatz 0,51 Mg/h Brikettdurchsatz 511 Mg/a Klärschlamm TS 0,43 Mg/h Klärschlamm TS 434 Mg/a Hilfsmaterialien

Koks 0,035 Mg/h

sonstige Mittel 0,00 Mg/h Vergasungsmittel

Sauerstoff 0,17 Mg/a Abfall Parameter

Feuchte 15,00 %

unterer Heizwert 3,16 kWh/kg Brikettanalyse (trocken)

C 24,30 %

H 5,60 %

O 24,40 %

S 1,40 %

Cl 0,04 %

Asche 38,00 %

Energieinput gesamt

Klärschlamm 82,57 % 1,4 MW Koks 17,43 % 0,3 MW Gesamtinput 100 % 1,7 MW

Rohgasparameter nach Ofen

Rohgasdichte N 0,93 kg/m³ Rohgasmenge 603 Nm³/h Rohgasparameter (Hauptkomp.) Temperatur 280 °C rel. Feuchte n.n. % Staub 2.618 mg/m³

H₂ 17,50 %

CO 30,00 %

CH₄ 3,00 %

C₂H₄ 0,30 %

CO₂ 8,10 %

N₂ 3,60 %

H₂O 36,70 %

O₂ 0,40 %

H₂S 4.305 mg/m³ COS 3.996 mg/m³ CS₂ 366 mg/m³

HCL 297 mg/m³

HF 1 mg/m³

Abwasser aus Quenchkühler Abwassermenge 177 l/h

Rohgasparameter nach Quench, Patronen- und Aktivkohlefilter

Rohgasdichte i.N. 1,00 kg/m³ Rohgasmenge 385 Nm³/h Rohgasparameter (Hauptkomp.) Temperatur 20 °C rel. Feuchte 37,00 %

Staub 1 mg/m³

H₂ 27,40 %

CO 47,00 %

CH₄ 4,60 %

C₂H₄ 0,50 %

CO₂ 12,90 %

N₂ 5,70 %

H₂O 0,70 %

O₂ 0,70 %

H₂S 3.488 mg/m³ COS 5.614 mg/m³

CS₂ 573 mg/m³

HCL 10 mg/m³

HF 1 mg/m³

Wärmeleistung

u. Heizwert feucht 3,02 kWh/Nm³ u. Heizwert trocken 3,04 kWh/Nm³ Feuerungsleistung 1,16 MW 2000 °C

Düsenebene

Eisen 0,026 t/h

Schlacke 0,154 t/h Notkamin

Input

Rohgas

Kupolofen

Sicherheits- brenner

Kreislaufgas + Sauerstoff

Schlackegranulierung 154 t/a Phosphatdünger mit 11,6 % P₂O₂

Eisenkokillen 26 t/a Schrott

Stoffbilanz geplante Pilotanlage

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System Ökobilanz

Vergleich der Systeme:

• Konventionelle

Klärschlammentsorgung

• Klärschlammverwertung mit Mephrec-Verfahren

• Konventionelle Verfahren zur Herstellung der

Produkte Dünger, Eisen und Strom

KläranlageKlärschlammverwertung

Aufbe- reitung

Energie

Energie Betriebs-

stoffe

Betriebs- stoffe Hilfs- energie

Dünger Fe-Schrott Kraft-

stoffe

P-Schlacke Fe-Legierung Abfälle

Ressourcen Kläranlagensystem WasseremissionenLuftemissionenAbfälle

kommunales Abwasser

entwässerter Klärschlamm Prozesskette Abwasserreinigung /

Schlammerzeugung

Klärschlammschmelze Schlammvergasung

Düngemittel-

herstellung Abfall-

entsorgung Schlammtrocknung Abluftbe-

handlung

Abluftbe- handlung Brikettierung

Vorprozesse

Abwasserreinigung Hauptprozesse

Abwasserreinigung

Hauptprozesse Schlammverwertung Vorprozesse

Schlammverwertung

Nachprozesse Produktverarbeitung

Nutzen Äquivalenzsysteme zur Herstellung gleicher Stoffe

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Ökobilanzieller Vergleich Mitverbrennung Braunkohlekraftwerk

* Ökologische Bedeutung der Indikatoren nach Beurteilung Umweltbundesamt (UBA).

** Bewertung unter Annahme, dass erzeugter Strom alternativ zu Kraftwerksstrom aus Braunkohlekraftverbrennung nicht selbst genutzt, sondern ins Netz eingespeist wird.

Phosphorressourcen (nicht bewertet) Fossile Ressourcen mittel

Treibhauseffekt sehr hoch

Versauerung hoch

Aquat. Eutorphierung mittel Terrestr. Eutrophierung hoch Quecksilber luftseitig hoch Cadmium bodenseitig hoch Blei bodenseitig mittel

Bestes Szenario

100.000 EDW 1.000 EDW < 100 EDW 100-500 EDW Indikator ökologische

Bedeutung* Referenz Mitverbrennung

Braunkohlekraftwerk Mephrec optimum Mephrec konservativ

1 1

1

1 1

1

x-fach schlechtere EDW Bewertung nach nor- mierten Einwohner- durchschnittsswerten (EDW)

** **

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Ökobilanz Treibhausgasäquivalente [t CO

₂

]

-50.000-40.000-30.000-20.000-10.000010.00020.000t CO 2-Äq.

Gutschrift Strom Netto-Ergebnis

Gutschrift Dünger + Eisen Gutschrift Wärme

P-Nutzung Logisitk Entsorgung Verbrennung

P-Verfahren Vorbehandlung

System Gutschrift tto-Ergebnis

Referenz Mitverbrennung

*

-50.000-40.000-30.000-20.000-10.000010.00020.000-Äq.

Gutschrift Strom Netto-Ergebnis

Gutschrift Dünger + Eisen Gutschrift Wärme

P-Nutzung Logisitk Entsorgung Verbrennung

P-Verfahren Vorbehandlung

System Gutschrift

Referenz Mitverbrennung

*

* Dieser Anteil an der Gutschrift ent- fällt, wenn die Eigenstromerzeugung der Mephrec-Anlage nicht als Braun- kohlestrom – CO₂- Äquivalent

sondern als Netz-Mix – CO₂- Äquivalent bewertet wird

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• Planung+Bau und Probebetrieb 2,5 Jahre

• Anlagenleistung / Klärschlammdurchsatz TS 0,5 Mg/h

• Investitionskosten brutto 3,5 Mio. EUR

• Laufende Kosten brutto 2,2 Mio. EUR

Verbundprojektkoordination ERWAS Mittel Förderbeitrag^* Quote^**

Klärschlammverwertung Nürnberg GmbH

Wirtschaftspartner + Wissenschaftspartner STULZ-PLANAQUA GmbH

INNOVATHERM GmbH Fraunhofer UMSICHT

Institut Energie- Umweltforschung GmbH RWTH Aachen

Universität der Bundeswehr München

* Betrag vorläufig. Drittmittel und Einnahmen angerechnet.

** Berücksichtigt nur anrechenbare Projektmittel. ^E^B^L

ENS MI N I S TER IUM BA YE R N .DE