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Doosan Lentjes hilft seinen Kunden, jährlich Millionen Tonnen Restabfälle in wertvolle Energie umzuwandeln. Als Teil der globalen Doosan-Gruppe verfügen wir über die Kompetenz, Lösungen für die gesamte Waste-to-Energy Prozesskette zu liefern. Ob einzelne Prozessabschnitte, „Chute-to-Stack“- Konzepte oder EPC-Anlagen − wir sind Ihr verlässlicher Partner, wenn es darum geht, Ihr Waste-to-Energy-Projekt zum Erfolg zu führen.

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Doosan Lentjes

Energie aus Abfall

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Herausforderungen | Pr

Integrated Waste-to-Water Process –

Option für die Zukunftsfähigkeit wasserarmer Weltregionen

Timo Puth und Gerhard Lohe

1. Einführung ...100

2. Thermische Abfallbehandlung und Multi-Effect-Distillation ...101

3. Energieeffizienz von Abfallverbrennungsanlagen ...102

4. Synergieeffekte ...104

5. Analyse kombinierter WtE- und MED-Leistungen ...104

6. Ergebnisse und Diskussion ...106

7. Schlussfolgerungen und Ausblick ...108

8. Quellen ...109

Die wachsende Weltbevölkerung, sich entwickelnde Volkswirtschaften, verändernde Lebensstile und Konsummuster führen in den kommenden Jahrzehnten zu einem An- stieg des Energiebedarfs, der Abfallerzeugung und des Wasserverbrauchs. Gleichzeitig wird die Veränderung des Weltklimas negative Auswirkungen auf die Verfügbarkeit von Trinkwasser haben.

Das Produktportfolio der Doosan Gruppe umfasst Technologien zur thermischen Ab- fallbehandlung der Doosan Lentjes und sowie zur Meerwasserentsalzung der Doosan Heavy Industries, basierend auf dem Multi-Effect-Distillation-Prozess (MED). Bei einer Kombination dieser Technologien können Synergien genutzt werden, indem gleichzeitig lokal der Bedarf an Energie und Wasser gedeckt und Abfälle nachhal- tig entsorgt bzw. verwertet werden können. Die Restabfallmenge wird durch die Verbrennung umweltgerecht reduziert und die zurückgewonnene Wärme in einem Clausius-Rankine-Kreisprozess genutzt, welcher einen Kühlkörper benötigt. Dies kann durch eine mehrstufige Entsalzungsanlage erreicht werden, die die Abwärme für die Erzeugung von Frischwasser nutzt.

In diesem Beitrag werden verschiedene Fälle von kombinierten Technologiekonfigu- rationen mit unterschiedlichen Schwerpunkten in der Wasser- oder Stromerzeugung analysiert. Die Energieeffizienz wird zwischen einer typischen, thermischen Abfall- behandlungsanlage und den kombinierten Anlagen verglichen, um die technischen Synergieeffekte zu ermitteln. Die Potenziale der Energie- und Wasserausbeute werden quantifiziert, um die Anzahl der Einwohner einer Stadt zu ermitteln, die durch die Kombination beider Technologien mit Wasser versorgt werden können.

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1. Einführung

Seit 1950 ist die Weltbevölkerung von etwa 2,5 Milliarden auf heute 7,5 Milliarden Menschen angewachsen und wird laut UN im mittleren Prognosefall bis 2050 weiter auf 10 Milliarden und bis 2100 auf 11,5 Milliarden steigen (bzw. bis zu 16 Milliarden im maximalen Prognosefall der UN Schätzungen). [2] Mit wachsender Bevölkerungszahl steigen auch Abfallmengen, sowie Wasser- und Energiebedarf.

Darüber hinaus erhöhen Faktoren wie sich entwickelnde Volkswirtschaften und Urba- nisierung die Abfallerzeugung pro Kopf. Es entstehen mehr Abfälle aus Industrien und Kommunen, welche zum Anstieg der gesamten Abfallerzeugung eines Landes beitragen.

Gleichzeitig verschärft sich die Wasserknappheit, da größere Bevölkerungen und Indus- trien mehr Wasser benötigen. Insbesondere der Klimawandel wird nach Angaben der Weltbank zu einer zunehmenden Austrocknung bestimmter Regionen wie des Nahen Ostens und der Sahelzone in Afrika führen und auch zu größeren Trockenperioden in Regionen, die derzeit als feucht gelten, wie Zentralafrika und Ostasien. [4]

Diese Regionen werden gleichzeitig unter Wasserknappheit und hohen Temperaturen leiden. Über aktuelle Beispiele der vergangenen Monate in Südafrika und Indien be- richteten hierzu die Medien. Zuletzt setzte beispielsweise Kapstadt strenge Restriktio- nen im Trinkwassergebrauch durch, um die verbleibenden Wasserressourcen für die Bevölkerung zu verwalten. Diese und Fälle anderer Großstädte trockener Regionen mit hoher Einwohnerdichte, also hoher Abfallerzeugung und hohem Wasser- und Ener- giebedarf, begründen die folgenden Untersuchungen zur Kombination von Anlagen zur thermischen Restabfallverwertung mit Meerwasserentsalzungsanlagen.

Bild 1: Typisches Flussdiagramm der thermischen Restabfallbehandlung

Generator

Schlacke Verbrennungsluft

Turbine Luftgekühlter

Kondensator

Ammoniak- wasser

Reingas

Kessel

Rost

Schlauchfilter

Flugasche / Reststoffe Kamin

Silo Abfall

Kalkhydrat und Aktivkohle

Circoclean Reaktor

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2. Thermische Abfallbehandlung und Multi-Effect-Distillation

Die thermische Behandlung ist im Allgemeinen die bevorzugte Entsorgungslösung für Abfälle, die weder recycelt noch wiederverwendet werden können. Dabei sind Hygienisierung, Inertisierung, Minimierung von Emissionen und Gerüchen, Verrin- gerung von Masse und Volumen und Energierückgewinnung die Hauptargumente, um Umwelt und Menschen mithilfe der thermischen Abfallbehandlung zu schützen.

Wie in Bild 1 dargestellt, wird der Restabfall auf einem Rost verbrannt und die dabei entstehende Wärme zur Dampferzeugung genutzt. Asche und Rauchgase verbleiben als Hauptprodukte der Verbrennung. In einer nachgeschalteten Rauchgasreinigung werden Schadstoffe aus dem Rauchgas getrennt und so alle gesetzlichen Emissionsvorschriften eingehalten. Der Dampf dient in den meisten Anwendungsfällen zur Fernwärmever- sorgung und/oder zur Stromerzeugung, letzteres durch den Antrieb eines Turbosatzes wie auch in anderen thermischen Kraftwerken.

Im Dampferzeuger wird die Wärme aus den Verbrennungsgasen zurückgewonnen und überhitzter Dampf produziert. Anschließend wird die Energie des Dampfes im Turbosatz in elektrische Energie gewandelt. Typische Dampfparameter in Abfallver- brennungsanlagen liegen bei wenigstens 40 bar(a) und 400 °C oder deutlich höher.

Von Natur aus benötigt der Kreisprozess einen Kühlkörper für die Kondensation des Dampfs, der aus der Turbine austritt. In Abfallverbrennungsanlagen wird dieser überwiegend als luftgekühlter Kondensator ausgeführt. Aufgrund der Kühlung ist der Wirkungsgrad des Kreislaufs begrenzt, von der Umgebungstemperatur abhängig und es wird eine große Menge an Energie ungenutzt an die Atmosphäre abgegeben.

Steigende Dampfparameter erhöhen den Wirkungsgrad des Kreislaufs, sind jedoch technisch begrenzt. Der Druck kann nur bis zu einem gewissen Grad erhöht werden, da dabei auch die Oberflächentemperatur der Kesselrohre steigt. Diese sind dadurch einem höheren Korrosionsrisiko ausgesetzt, weil Rauchgas aus der Müllverbrennung stark korrosive Elemente wie Chlor enthält. Höhere Dampfparameter begünstigen den Wirkungsgrad und somit die Einnahmen aus dem Betrieb der Anlage, erhöhen aber gleichzeitig Investitions- und Betriebskosten, beispielsweise durch zusätzliches Inconel- Cladding der Heizflächen im Kessel. Dies ist einer der Gründe, weshalb WtE-Anlagen einen elektrischen Gesamtwirkungsgrad von gut 30 % erreichen, während Kraftwerke mit superkritischen Dampfparametern mit deutlich geringeren Rohgasbelastungen bessere elektrische Wirkungsgrade von bis zu 45 % erreichen können.

Die beste Möglichkeit, die Energienutzung aus Abfall zu erhöhen, ist die Kraft-Wärme- Kopplung. In einigen Ländern Europas findet man diese in Form von zusätzlicher Abgabe von Fernwärme oder Dampf an nahegelegene Abnehmer vor. Damit erreichen thermische Abfallbehandlungsanlagen einen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 90 %.

Allerdings ist der Bedarf für Fernwärme nicht immer gegeben. Gerade in heißen Regi- onen gibt es keinen Bedarf Wärme auszukoppeln, parallel mangelt es immer häufiger auch an Frischwasser.

Die Multi-Effect-Distillation kann an dieser Stelle als Wärmeverbraucher und Frisch- wasserproduzent anknüpfen. Wärme aus der thermischen Abfallbehandlung wird zum Beheizen von Rohrbündeln in sogenannten Effekten (äquivalent zu Stufen) genutzt.

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Bild 2: Vereinfachtes Flussdiagramm einer MED Entsalzungsanlage mit Dampfversorgung aus der Abfallverbrennungsanlage

Dabei bleibt die Müllverbrennungsanlage physisch getrennt von der Entsalzungsan- lage. Die Wärme wird mittels eines Wärmetauschers übertragen. In den Effekten wird Meerwasser auf die heißen Rohrbündel gesprüht, teilweise verdampft und der Was- serdampf aus dem Effekt abgezogen und in den nächsten Effekt eingespeist. Auf diese Weise kann die Wärme mehrfach wiederverwendet werden, um weiteres Meerwasser zu verdampfen und weiteren Dampf zu erzeugen, der wiederum im nachfolgenden Effekt kondensiert wird. Die Wiederverwendung des verdampften Meerwassers in weiteren Effekten erhöht die Wasserausbeute erheblich. Kann der MED-Anlage Dampf bei hö- herem Druck zugeführt werden, so ist naturgemäß auch die Kondensationstemperatur höher. Dadurch kann das MED-Verfahren bei höheren Temperaturen betrieben und ein besseres Leistungsverhältnis erzielt werden. Das Leistungsverhältnis (englisch:

Performance Ratio, PR) ist definiert als kgDestillat ⁄ 2.326 kJ. Im Falle des hier betrachteten Anlagentyps wird das beste Leistungsverhältnis bei einem Sattdampfdruck von 30 bar(a) und einer entsprechenden Sattdampftemperatur von 234 °C erreicht. Haupt- produkte des Prozesses sind destilliertes Wasser aus kondensiertem Meerwasserdampf und Sole mit erhöhten Mineralstoffkonzentrationen (insbesondere Natriumchlorid).

Die Sole wird ins Meer zurückgeführt und Frischwasser kann für die Verwendung als Trinkwasser remineralisiert werden.

3. Energieeffizienz von Abfallverbrennungsanlagen

In der Abfallwirtschaft findet in vielen Projekten weltweit die europäische Gesetzgebung Anwendung aufgrund ihrer erfahrungsreichen Pionierarbeit und hohen Standards.

Im Jahr 2008 hat die Europäische Union die Abfallrahmenrichtlinie 2008/98/EG des Europäischen Parlaments und des Rates verabschiedet. Diese fordert von den euro- päischen Mitgliedsstaaten die Einhaltung einer Abfallhierarchie (Bild 3), die in einer

Endkondensator

Dampf aus der WTE Anlage Kondensat aus der WTE Anlage Einspritzkühler

Wärmetauscher Dampfstrahlverdichter

Kondensatrückführpumpe

Effekt #1 Effekt #2 Effekt #3 Effekt #n Meerwasser

Förderpumpe Destillatpumpe Soleaustragspumpe

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fünfstufigen Prioritätenfolge den zu bevorzugenden Umgang mit Abfällen beschreibt, um die negativen Gesamtauswirkungen der Ressourcennutzung zu reduzieren und die Effizienz einer solchen Nutzung zu verbessern.

Die Abfallverbrennung gilt als die wichtigste Technologie der sonstigen Verwer- tungsebene. Im Rahmen der Richtlinie ist es erforderlich, möglichst viel Energie aus Abfällen in einer Weise zu gewinnen, die der Best-Practice, sowie der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit entspricht.

Sonstige Verwertung Bevorzugte

Option

Vorbereitung zur Wiederverwendung Vermeidung

Beseitigung

Verringerung der produzierten Abfallmengen

Sichere Deponierung verbleibender Abfälle Energetische Verwertung bei hoher Energierückgewinnung Aufbereitung von Abfällen zur Erzeugung von wiederverwendbaren Materialien Produktkonzipierung zum Zwecke

der wiederholten Verwendung

Letzte Option

Recycling

Bild 3: Europäische Abfallhierarchie

Um die Energierückgewinnungsraten zu quantifizieren und eine Vergleichsgröße zu erhalten, wurde in der EU der R1-Faktor eingeführt. Er beschreibt die Effizienz der Energierückgewinnung in Abfallverbrennungsanlagen und wurde 2008 in die europä- ische Gesetzgebung aufgenommen. Der Faktor wird wie folgt berechnet:

R1-Faktor =

0,97 ^• (E_w+E_f ) E_p – (E_f+E_i )

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E_p = jährliche Energieproduktion der Anlage als Wärme (multipliziert mit 1,1) und Strom (multipliziert mit 2,6).

E_f = jährliche Energiezufuhr aus anderen Brennstoffen als Abfall, die zur Dampferzeugung beiträgt.

E_w = jährliche Energie aus thermisch behandeltem Abfall (bezogen auf den unteren Heizwert).

E_i = jährlich importierte Energie (exkl. E_w, E_f).

0,97 = Korrekturfaktor für Energieverluste durch Schlacke und Strahlung.

Alle Werte in GJ pro Jahr. Die typische Betriebszeit der Anlage beträgt jährlich 8.000 h.

Zum Vergleich und als Referenzfall wird der R1-Faktor einer typischen Müllverbren- nungsanlage bei reiner Stromerzeugung ohne Export von Wärmeenergie berechnet:

R1Referenzfall = = 0,693

0,97 ^• (1.000.000 GJ Jahr ^–1+ 875 GJ Jahr ^–1) 678.839 GJ Jahr ^–1 – (875 GJ Jahr ^–1 + 5.250 GJ Jahr ^–1)

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Herausforderungen | Pr Um die Vergleichbarkeit mit weiteren R1-Faktoren zu gewährleisten, gelten für den Referenzfall auch die in Tabelle 1 beschriebenen Annahmen. Es wird ein elektrischer Gesamtwirkungsgrad von rund 27 % gewählt. E_p berücksichtigt neben der exportierten Elektrizität auch intern genutzte Wärmeleistungen (z.B. Rußbläser, Gebäudeheizung), die zur Vereinfachung in den folgenden Berechnungsfällen gleichermaßen angenommen werden. Des Weiteren berücksichtigen E_f und E_i die für An- und Abfahrvorgän- ge, sowie für kurzzeitiges Stützfeuer benötigte Energie und werden zu Zwecken der Vergleichbarkeit im Weiteren als konstant betrachtet.

4. Synergieeffekte

Die in Wasser-Dampf-Kreisläufen benötigte Wärmesenke wird in thermischen Abfall- behandlungsanlagen in der Regel durch luftgekühlte Kondensatoren erreicht, welche die Abwärme an die Umgebungsluft abgeben. Diese Wärme bleibt ungenutzt, geht nicht in E_p ein und verringert somit den R1-Faktor.

An dieser Stelle können Synergien zwischen thermischen Abfallbehandlungs- und MED-Meerwasserentsalzungsanlagen, die Süßwasser aus Salzwasser mittels Wär- meenergie erzeugen, genutzt werden. Dies setzt voraus, dass eine Stadt oder Region entsprechenden Zugang zu Meerwasser besitzt. Durch die Bereitstellung von Wärme und Strom aus der Müllverbrennungs- an die Entsalzungsanlage, kann E_p und somit der R1-Faktor erhöht und gleichzeitig der nicht recycelbare Abfall der Stadt oder der Region thermisch behandelt werden. Je nach Anlagenkonfiguration können so Trink- wasser und Strom für die Bevölkerung bereitgestellt werden. Neben der Produktion von Trinkwasser entfallen durch die Abnahme der Wärme die Installation und der Betrieb eines Luftkondensators, der besonders in warmen, wasserarmen Gebieten, oftmals aufgrund der hohen Umgebungstemperaturen ineffizient und schwierig zu betreiben ist.

5. Analyse kombinierter WtE- und MED-Leistungen

Die potenzielle Wasserproduktion durch die Kombination von WtE- und MED- Meerwasserentsalzungsanlagen wird anhand von drei Fällen und Annahmen basierend auf den BVT-Vorgaben für die thermische Abfallbehandlung untersucht. Diese Fälle decken folgende Szenarien ab:

Fall 1: Maximale Wasserproduktion ohne Stromerzeugung.

Fall 2: Maximale Wasserproduktion, jedoch mit Stromerzeugung zur Deckung des Eigenverbrauchs und zur Unabhängigkeit von Stromimporten aus dem Netz.

Fall 3: Kompromiss zwischen Erzeugung von Wasser und Stromexport in das Netz.

Für alle vorliegenden Berechnungen wurde eine beispielhafte Stadt in der MENA- Küstenregion angenommen. Die Abfallmenge und -qualität sowie die wichtigsten technischen Annahmen sind in Tabelle 1 dargestellt.

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Eine Bevölkerung von 300.000 Einwohnern produziert insgesamt etwa 300 Tonnen Abfall pro Tag oder 12,5 Tonnen pro Stunde. Bei einem unteren Heizwert von 10 MJ/ kg ergibt sich damit:

Tag ^• Kopf kg _Abfall

kg_Abfall

Feuerungswärmeleistung = 300.000 Einwohner ^• 1 ^• 10 MJ = 34,72 MW (3)

Aus thermodynamischen Gründen kann nicht die gesamte Wärme zurückgewonnen werden. Der elektrische Gesamtwirkungsgrad wird mit etwa 27 % angenommen. Kessel und Wasser-Dampf-Kreislauf können so konfiguriert werden, dass der Dampf bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen je nach Bedarf des Turbinen-Generatorsatzes und der MED-Entsalzungsanlage bereitgestellt wird.

Die folgenden drei Fälle wurden für die Analyse ausgewählt, um die potenziellen Wasserproduktionsraten zu ermitteln, die bei unterschiedlicher Gewichtung der Stromerzeugung erreicht werden können. Dazu stellt jeder Fall eine Anlagenkon- figuration dar, die den Schwerpunkten in der Frischwasser- bzw. Stromerzeugung gerecht werden. Grundsätzlich wird die MED-Anlage mit Sattdampf betrieben. Da- her wird die Turbine jeweils so ausgelegt, dass sie den Dampf möglichst bis kurz vor Sattdampfdruck entspannt, um einen möglichst hohen elektrischen Wirkungsgrad zu erreichen. Verbleibende Überhitzung, die notwendig ist um vorzeitige Konden- sation in Rohrleitungen zu vermeiden, wird vor Eintritt in den Wärmetauscher der MED-Anlage durch einen Einspritzkühler mithilfe des zurücklaufenden Kondensats auf Sattdampftemperatur heruntergekühlt. Die Bereitstellung von Dampf bei höherem Druck verbessert den Nutzungsgrad der Wärmeenergie in der MED-Anlage erheblich.

Aus technisch-wirtschaftlicher Sicht liegt das Optimum der Dampfparameter für Multi- Effekt-Destillationsanlagen bei 30 bar und entsprechender Sattdampftemperatur von 233 °C. Die drei Konfigurationen und deren Leistungsvermögen hinsichtlich Wasser- und Stromerzeugung werden im Folgenden beschrieben.

Fall 1: Die Wärme aus der Verbrennung wird in einem Sattdampfkessel zurück- gewonnen und als Dampf bei 30 bar(a)/235 °C direkt an die MED-Anlage abgegeben. Aufgrund von Transportverlusten in Rohrleitungen muss der Dampf leicht über der Sättigungstemperatur bereitgestellt werden, um eine vorzeitige Kondensation zu vermeiden. Bei diesem Druck und entsprechender Sättigungstemperatur kann der höchste Nutzungsgrad in der MED von 19,2 kg_Destillat/2.326 kJ erreicht werden. CAPEX sind aufgrund niedriger Dampfparameter und damit einhergehender niedriger Kesselkosten gering

Bevölkerung 300.000 Einwohner

Abfallmenge pro Kopf 1 kg / Tag / Einwohner Unterer Heizwert des Abfalls 10.000 kJ / kg

Abgasaustrittstemperatur (Kessel) 165 °C Elektr. Gesamtwirkungsgrad der MVA 27 %

Tabelle 1:

Annahmen zum kommunalen Müll und zu technischen Be- rechnungen

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Herausforderungen | Pr und es wird kein Turbosatz zur Stromerzeugung eingesetzt. Aufgrund feh- lender Stromerzeugung muss elektrische Energie für interne Verbraucher der Anlage (z.B. durch Ventilatoren und Pumpen) jedoch aus dem Netz eingekauft werden, wodurch betriebliche Aufwendungen für Stromimporte steigen.

Fall 2: Die Wärme aus der Verbrennung wird als Dampf bei hohem Druck an eine Gegendruck-Hochdruckturbine abgegeben. Die Turbine entspannt den Dampf von zunächst 100 bar(a)/390 °C auf 30 bar(a)/240 °C. Damit bleibt der Leistungsfaktor gleich dem Faktor in Fall 1. Der Dampfaustrittszustand ist nahe Sättigungszustand, also bei optimalen Dampfparametern für die MED-Anlage. Die in Strom umgesetzte Wärmemenge ist für den Betrieb der internen elektrischen Verbraucher von WtE- und MED-Anlagen ausgelegt und zielt nicht auf den Export von Strom ab.

Fall 3: Die Wärme aus der Verbrennung wird als Dampf bei 40 bar(a)/400 °C an eine Gegendruck-Dampfturbine abgegeben. Dieser Fall stellt einen Mittelweg dar, um einen Kompromiss zwischen Stromerzeugung und Wasserproduktion zu finden. Um die Stromerzeugung zu steigern, verlässt der Dampf die Turbine bei einem deutlich niedrigeren Druck von 3,5 bar(a) und einer Temperatur nahe dem Sättigungspunkt bei 139 °C. Der Leistungsverhältnis sinkt dabei auf 15,8 kg_Destillat/2.326 kJ.

6. Ergebnisse und Diskussion

Die Berechnungsergebnisse aller drei WtE-MED-Konfigurationsfälle sind in Tabelle 2 dargestellt.

Bei steigender nimmt die Menge der an das MED-System exportierten Wärmeleistung ab. Neben der thermischen Leistungsaufnahme ist das MED-Leistungsverhältnis (PR) ein wesentlicher Faktor für die Wasserproduktion. Bei einer Aufnahme von Sattdampf bei 30 bar erreicht PR das Maximum von 19,2 kg_Destillat/2.326 kJ. Im Vergleich der Fälle zwei und drei lässt sich beobachten, dass mit steigendem Anteil der Verstromung die verbleibende Wärmeleistung an das MED-System um 16 % sinkt, wodurch die Was- serproduktion um 24 % reduziert wird. Durch die tiefere Entspannung des Dampfes in der Turbine sinkt der für die MED-Anlage zur Verfügung stehende Druck auf 3,5 bar bei 139 °C. Bei diesen Dampfparametern sinkt der PR-Wert auf 15,8, was der Grund für den stärkeren Rückgang der Wasserproduktion im Vergleich zur Wärmeleistung ist.

Die Modellberechnungen haben ergeben, dass die Wasserproduktion in den Fällen 1 bis 3 jeweils 842 t/h, 754 t/h bzw. 576 t/h beträgt. In einem Land im Nahen Osten wird ein durchschnittlicher Wasserverbrauch pro Kopf von etwa 170 Litern pro Tag angenommen. Somit können je nach Fall bis zu 119.000, 106.000 bzw. 81.000 Einwohner mit Wasser versorgt werden. Ursprünglich wurde von einer Stadt mit 300.000 Einwohnern ausgegangen, sodass bis zu rund einem Drittel der Abfall erzeugenden Menschen mit Wasser versorgt werden kann. Der Anteil fällt auf rund ein Viertel, insofern auch Strom generiert werden soll, wie in Fall 3 vorgesehen.

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Das Ziel der Stromerzeugung im zweiten Fall ist, dass mindestens die Deckung des Eigenstromverbrauchs sowohl der Abfallverbrennungs- als auch der MED-Anlage von insgesamt rund 2,2 MWe ermöglicht wird.

Tabelle 2: Übersicht über WtE-MED-Anlagenkonfigurationen und Ergebnisse der Leistungsgrößen bei 100.000 t/a von 300.000 Einwohnern bei einem Heizwert von 10 MJ/kg

Fall 1:

Sattdampfkessel

Fall 2:

HD-Turbine

Fall 3:

HD/ND-Turbine

Dampfturbine keine Gegendruck-Dampfturbine Gegendruck-Dampfturbine

Dampf zur Turbine n/a 45,4 t/h bei

100 bar(a) / 390 °C 42,8 t/h bei 40 bar(a) / 400 °C Dampf zur MED * 47,9 t/h bei

30 bar(a) / 235 °C

43,0 t/h bei 30 bar(a) / 241 °C

37,2 t/h bei 3,5 bar(a) / 139 °C

Wärmemenge zur MED 30,10 MW 27,24 MW 22,82 MW

MED Leistungsverhältnis (PR) 19,2 19,2 15,8

El. Eigenverbrauch (WTE+MED) 2,25 MW 2,17 MW 1,84 MW

Stromerzeugung (brutto) n/a 2,847 MW 5,327 MW

Wasserproduktion (netto) 842 m³/h

4,45 MIGD 754 m³/h

3,98 MIGD 576 m³/h

3,05 MIGD

*Der reduzierte Dampfmassenstrom zwischen Turbinenein- und -austritt resultiert aus anderen für den Betrieb erforderlichen Dampfentnahmen.

Die folgende Analyse quantifiziert die Steigerung der Energieeffizienz durch die Nutzung der Synergieeffekte zwischen den beiden Technologien. Wie im Kapitel 3.

Energieeffizienz von Abfallverbrennungsanlagen beschrieben, kann der R1-Faktor deutlich erhöht werden, wenn die Abwärme der Turbine weiter genutzt und nicht in die Umwelt emittiert wird. Mit dem Wärmeexport an den MED-Prozess ergibt sich für den R1-Faktor für die Fälle 1 bis 3 die folgenden Ergebnisse:

R1_{Fall 1}= = 0,96

0,97 ^• (1.000.000 GJ + 875 GJ ) 997.968 GJ – (875 GJ + 61410 GJ )

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R1_{Fall 2}= = 1,09

0,97 ^• (1.000.000 GJ + 875 GJ ) 1.059.578 GJ – (875 GJ + 5.250 GJ )

(5)

R1_{Fall 3}= = 1,13

0,97 ^• (1.000.000 GJ + 875 GJ ) 1.106.044 GJ – (875 GJ + 5.250 GJ)

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Für E_w und E_f gelten die gleichen Bedingungen wie für den Referenzfall. E_i für Fall 1 beinhaltet den erforderlichen Stromverbrauch aus dem Netz, da kein Turbosatz zur Deckung des Eigenverbrauchs installiert ist.

Der R1-Faktor des Referenzfalls für eine typische WtE-Anlage wurde mit 0,69 berechnet.

Im Vergleich zu den R1-Faktoren für die Fälle 1 bis 3 zeigt sich, dass der Wärmeexport an

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Herausforderungen | Pr die MED-Entsalzungsanlage den R1-Faktor der Müllverbrennung um 39 %, 57 % bzw.

64 % deutlich erhöhen kann. Die Ergebnisse zeigen auch, dass der höchste R1-Faktor im Fall der kombinierten Strom- und Wasserproduktion bei maximaler Verstromung mit 3,5 bar(a) Gegendruck nach der Dampfturbine erzielen lässt.

Zum Vergleich der wichtigsten Ergebnisse fasst Tabelle 3 R1-Faktoren, Wasserdeckungs- grad und Nettostromerzeugung zusammen. Der Wasserdeckungsgrad ist definiert als die Anzahl der Personen, die mit Wasser versorgt werden können, bezogen auf die Gesamtzahl der Personen, die Abfall erzeugen.

Fall 1:

Sattdampfkessel

Fall 2:

HD-Turbine

Fall 3:

HD/ND-Turbine

R1-Faktor 0,96 1,09 1,13

Wasserdeckungsgrad 39,7 % 35,3 % 27,0 %

Stromerzeugung Eigenbedarf wird vollständig importiert

Eigenbedarf ist vollständig gedeckt

Eigenbedarf ist vollständig gedeckt;

deutlicher Überschuss zur Abgabe ins Netz gegeben

7. Schlussfolgerungen und Ausblick

Die Berechnungen der kombinierten Müllverbrennungs- und MED-Entsalzungsan- lagen zeigen einen deutlichen Anstieg der R1-Faktoren um bis zu 64 % gegenüber der reinen Stromerzeugung durch den Export von Abwärme, die für Entsalzungszwecke in einem Multi-Effekt-Destillationsverfahren genutzt werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination der beiden Technologien Wasserproduktionsraten, die in der Lage sind, etwa ein Drittel der Abfall erzeugenden Bevölkerung einer hinsichtlich der Umgebungsbedingungen und des Wasserkonsums ähnlichen Stadt wie im Berech- nungsbeispiel angenommen, mit Wasser zu versorgen.

Um die Effizienz des Verfahrens weiter zu verbessern, soll in weiteren Schritten be- rücksichtigt werden, dass die Abwärme des Rauchgases aus der Müllverbrennung beispielsweise mit einem Abgaskondensator weiter reduziert werden kann.

Obwohl nach Lattemann et al. [1] zum Stand Ende 2016 die installierte Kapazität für die thermische Meerwasserentsalzung mit 61 % der Gesamtkapazität deutlich größer ist als für die Umkehrosmose (engl. Reverse Osmosis, RO) mit nur 35 % Anteil, zeigen Tendenzen der International Water Association [3], dass die fortschreitende RO- Membrantechnologie kleiner, produktiver und kostengünstiger geworden ist als bisher.

Zukünftige Untersuchungen sollen daher zum einen Kraft-Wärme-Kopplungssysteme, bestehend aus Müllverbrennungs- und MED-Meerwasserentsalzungsanlagen und zum anderen rein elektrisch betriebene RO-Systeme nebeneinander stellen und einen entsprechenden technischen und finanziellen Vergleich ziehen. Diese Analysen könnten auch eine Kombination aller drei Technologien beinhalten.

Tabelle 3: Ergebnisübersicht für die betrachteten WtE-MED-Anlagenkonfigurationen

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8. Quellen

[1] Lattemann, S.; Kennedy, M. D.; Schippers, J. C.; Amy, G.: Global Desalination Situation. In.

Elsevier, Amsterdam, 2016.

[2] United Nations Population Division: World Population Prospects 2017. 2017 [Online]. Available:

https://esa.un.org/unpd/wpp/Graphs/Probabilistic/POP/TOT/.

[3] Voutchkov, N.: Desalination – Past, Present and Future. In: International Water Association, 17 08 2016. [Online]. Available: http://www.iwa-network.org/desalination-past-present-future/.

[Accessed 26 04 2018].

[4] World Bank: High and Dry: Climate Change, Water, and the Economy. World Bank Group, Washington, DC, USA, 2016.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing., MBA Timo Puth Doosan Lentjes GmbH Product Management WtE Daniel-Goldbach-Str. 19 40880 Ratingen, Deutschland +49 2102 166-1576

timo.puth@doosan.com

Dipl.-Wirtsch.-Ing. Gerhard Lohe Doosan Lentjes GmbH

Director Product Line WtE Daniel-Goldbach-Str. 19 40880 Ratingen, Deutschland +49 2102 166-1470

gerhard.lohe@doosan.com

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Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar

Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, Peter Quicker, Alexander Gosten (Hrsg.):

Energie aus Abfall, Band 16

ISBN 978-3-944310-45-9 Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH

Verlag: Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH • Neuruppin 2019

Redaktion und Lektorat: Dr.-Ing. Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc., Dr.-Ing. Olaf Holm

Erfassung und Layout: Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc., Ginette Teske, Sarah Pietsch, Claudia Naumann-Deppe, Janin Burbott-Seidel, Roland Richter, Cordula Müller, Gabi Spiegel

Druck: Universal Medien GmbH, München

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