Reduktion von klimawirksamen C0 2 -Emissionen durch Mitverbrennung von biogenen Brennstoffen im KW St. Andrä

Hauptparameter Betriebsmitteloptimierung Nebenparameter Energieeffizienz Ausgangssituation

Der Einsatz von definierten, nicht gefährli-chen Abfällen und Biomasse als Sekundär-brennstoffe (SBS) anstatt fossiler Brennstof-fe in Wärmekraftwerken führt neben einer Senkung der Brennstoffkosten zusätzlich auch zu einer Minderung an klimawirksamen Emissionen. Anders als bei der Nutzung fos-siler Energieträger wird die C02-Menge bei Verbrennung rezenter Brennstoffe nahezu zeitgleich im gleichen Ausmaß von der nach-wachsenden Biomasse wieder fixiert.

Projektziel

In Chronologie zu den getroffenen Umbau-maßnahmen für den Einsatz von SBS im KW St. Andrä werden im Vergleich zum aus-schließlichen Kohleeinsatz die Verringerun-gen an treibhausrelevanten Emissionen bei Mitverbrennung von rezenten Brennstoffen berechnet, wobei auch die entfallenen klima-wirksamen Emissionen durch die sonstige Deponierung bzw. Verrottung berücksichtigt werden. Zusätzlich werden in einem Szenario die klimarelevanten Auswirkungen bei aus-schließlichem Einsatz von 350.000 t/a an definierten SBS, die nach einer entsprechen-den Umrüstung eines bestehenentsprechen-den Kraftwer-kes verwertet werden könnten, untersucht.

Derzeitiger Projektstand

Mit den derzeitigen technischen Aufgabesy-stemen im KW St. Andrä besteht die Mög-lichkeit bis zu 12,5 t/h an biogenen Brenn-stoffen mitzuverbrennen. Dies entspricht rd.

14% der Brennstoffwärmeleistung und führt zu einer Senkung der klimarelevanten C02 -Emissionen von rd. 14 t/h.

Projektbeschreibung

Bei der Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen werden vorwiegend C02-Emissionen freigesetzt, die zu einer Erwärmung der Erdatmosphäre beitragen. Eine Möglichkeit, diese klimawirksamen C02 -Emissionen zu mindern, stellt die vermehrte Verwendung von rezenten Brennstoffen dar.

Wärmekraftwerk St. Andrä

Das im Eigentum der VERBUND-Austrian Thermal Power AG stehende KW St. Andrä wurde im Jahr 1958 erstmals in Betrieb genommen und verfügt nach entsprechenden Modernisierungsmaßnahmen über eine elektrische Bruttoleistung von 124 MWe, bei einer Brennstoffwärmeleistung von 284 MWth. Seit der Inbetriebnahme eines Biomasserostes im unteren Bereich des Kessels im Jahr 1994 wird zusätzlich zur Steinkohle Biomasse mitverfeuert. Mit der erstmaligen Genehmigung zur Durchführung eines Versuchsbetriebes zur Mitverbrennung von Abfällen im Jahr 2000 kann zur Biomasse ein brei-tes Band an definierten, nicht gefährlichen Abfällen als Sekundärbrennstoff, kurz SBS genannt (Alt-holz, Klärschlamm, Tiermehl, Tierfett, Altpapier, Aktivkohle, Kunststoffe usw.), bis zu einer jährlichen Menge von 34.900 Tonnen eingesetzt werden.

Die Änderung der wirtschaftlichen Rahmenbedingungen infolge der Liberalisierung des Strommarktes führte dazu, daß im Rahmen einer Machbarkeitsstudie die Umrüstung des KW zu einer Verwertungs-anlage für definierte SBS untersucht wurde. Das technische Konzept sah dafür als wesentlichste Umbaumaßnahme die Installierung eines Wirbelschichtkessels anstatt des bestehenden Staubfeue-rungskessels vor. Die jahresdurchgängig betriebene Anlage würde über eine elektrische Bruttoleistung von 55 MWe| bei einer Brennstoffwärmeleistung von 190 MWth verfügen. Aufgrund fehlender politi-scher Akzeptanz wurde die Entscheidung getroffen, dieses sinnvolle Projekt am Wärmekraftwerks-standort St. Andrä nicht zu realisieren.

Untersuchte Systeme

In Chronologie zu den verschiedenen Brennstoffeinsätzen im KW St. Andrä werden unter Berücksich-tigung der dadurch entfallenen Methan-Emissionen aus der Deponierung von Abfällen aus biogenen Quellen und dem Verrottungsprozess der Biomasse als SBS die klimarelevanten Auswirkungen berech-net, wobei der ausschließliche Kohlebetrieb als Vergleichsbasis dient. Folgende Systeme werden betrachtet:

• Im System A wird ausschließlich die Verbrennung von Steinkohle betrachtet.

• Im System B wird der teilweise Ersatz von Kohle durch Biomasse unter Berücksichtigung der ent-fallenen Methan-Emission aus der sonstigen Verrottung der Biomasse betrachtet.

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Im System C wird der teilweise Ersatz von Kohle durch die mit den derzeitigen Aufgabemöglich-keiten maximal technisch mögliche Menge an biogenen Abfällen und Biomasse unter Berücksich-tigung der entfallenen Methan-Emissionen aus der Deponierung und dem Verrottungsprozeß der Biomasse betrachtet.

In einem denkbaren Szenarium werden im System D die klimarelevanten Auswirkungen bei aus-schließlichem Einsatz von SBS wie Kunststoffe, Papier/Pappe, Textilien usw. unter Berücksichti-gung der dadurch entfallenen Methan-Emissionen aus der Deponierung und dem Verrottungs-prozeß der Biomasse untersucht.

Summary

The use of non-hazardous waste and bio-mass äs a secondary fuel results in a reduction of operating costs. At the same time, the reduction of climate-changing C02 emissions contributes towards the achievement of the Kyoto target.

System A: Verglelchsbasis System B: ab 1994

124 MW,

Staubfeuerungs-keisel

klimarelevante COjErnissionen

System C: ab 2000

Staubfeuerungs-kessel mit inte-griertem Bio-masserost

klimarelevante COjEmissionen

vermiedene CHjEmissionen

klimarelevante COjEmissionefi

^ Turbine

Staubfeuerungs-kessel mit inte griertem Bjö-rn äs serös«

System D: Szenario

Deponierung Verrottung biogener SBS von Biomasse Abgrenzungen zur Berechnung der Treibhausgasemissionen von den untersuchten Systemen

Bei der Berechnung der klimawirksamen Treibhausgasemissionen wird berücksichtigt, daß

• C02-Emissionen aus biogen entstandenen Quellen, gleichgültig ob aus pyrogener oder mikrobieller Oxidation stam-mend, als klimaneutral gewertet werden,

• alle Methan-Emissionen als klimawirksam gelten und

• zur besseren Vergleichbarkeit der Ergebnisse für die Umrechnung von CH4 auf C02-Äquivalente das „global warming Potential" (GWP) von 21 bezogen auf 100 Jahre gemäß der Intergovermental Panel on Climate Change (IPCC) herangezogen wird.

Datengrundlage

Bei einem thermischen Prozeß mit Energienutzung werden C02-Emissionen im wesentlichen durch den eingesetzten Brenn-stoff und den Wirkungsgrad der Stromerzeugung bestimmt. Als Vergleichsbasis für die vier Systeme wird zur Berechnung der treibhausrelevanten Emissionen von einer gleichen jährlichen elektrischen Energieerzeugung von 345 GWhe, ausgegangen.

Datenbasis zur Berechnung der Treibhausgasemissionen von den untersuchten Systemen

Betriebsstunden Thermische Leistung Elektrische Leistung brutto Elektrische Leistung netto Elektrische Energie netto Wirkungsgrad netto 3,0 Klärschlamm tr.

1,5 Klärschlamm naß 2,5 Tiermehl 7,0 Klärschlamm naß 5,0 Papier/Pappe 3,0 Rejecte 3,0 Textilien

mco2=mcfos5il-kAnlage-^

Abkürzung

Masse an eingebrachtem, fossilem Kohlenstoff Transferkoeffizient für Kohlenstoff in Kohlekraftwerken: 0,996

Abfallverbrennungsanlagen: 0,986 Umrechnungsfaktor von C auf C02

Abschätzung der Treibhausgasemission aus der Verbrennung Zur Berechnung der C02-Emissionen aus der Verbrennung wird die Methode IPCC Tier 1 unter Verwendung eines Transferkoeffi-zienten für den Kohlenstoff ins Reingas herangezogen.

Andere treibhausrelevante Gase aus der Verbrennung, wie Methan- oder Lachgasemissionen, werden wegen ihrer geringen Konzentration nicht berücksichtigt.

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MP^(t)=MP^(m-e~⁽'^k) mit

Deponiegasbildungspotenzial zum Zeitpunkt t Deponiegasbildungspotenzial

Zeitpunkt der Gasproduktion Geschwindigkeitskonstante Abschätzung der Treibhausgasemission aus der Deponierung

In Deponien entsteht aus mikrobiell abbaubarem Kohlenstoff unter aeroben Bedingungen (Kompostierung) Kohlendioxid und unter anaeroben Bedingungen (Vergärung, Fermentierung) Depo-niegas, vorwiegend CH4 und C02, wobei nur die Methan-Emissionen als klimarelevant gelten. Die Verwendung des Marticorena Modells zur Berechnung der theoretisch maximalen Deponiegasmenge, aus der in Folge die Methan-Emission

berech-net wird, hat sich aus einer Vielzahl von Ansätzen für diese Aufgabenstellung als geeigberech-net erwiesen.

Die Berechnung der klimawirksamen Methan-Emissionen aus der Deponierung erfolgt unter den Voraussetzungen, daß

• eine 40 °/o Deponiegaserfassung stattfindet und

• im Deponiegas rd. 55 Vol.-°/o Methan enthalten ist.

Ergebnis

Im Vergleich zum ausschließlichen Kohlebetrieb konnte der klimawirksame C02-Ausstoß von 0,88 kg C02/kWhC|nt durch die Mitverbrennung von Biomasse auf rd. 0,84 C02/kWhe i n t und zusätzlich durch die Mitverbrennung von biogenen Abfäl-len sogar auf 0,76 kg C02/kWhe|n t gesenkt werden. Eine ausschließliche thermische Verwertung von 350.000 t SBS wür-de eine spezifische C02-Emission von rd. 0,89 kg C02/kWhe|n t ergeben.

Bei zusätzlicher Berücksichtigung der entfallenen Methan-Emissionen aus der sonstigen Deponierung der biogenen Abfälle und aus der Verrottung der Biomasse ergeben sich für das System B eine klimarelevante Emission von 0,73 kg C02/kWhe|n t, dies entspricht einer Reduzierung von 17 °/o, und für das System C 0,44 kg C02/kWhe|n t, dies entspricht einer Reduzierung von 50 %. Die ausschließliche Verwertung von SBS in der umgerüsteten Anlage hätte nicht nur eine Reduzierung der Belastung sondern eine effektive Vermeidung von klimarelevanten Emissionen zur Folge.

Vermeidung der C02-Emissionen von den untersuchten Systemen

System

Spezifische C02-Emissionen ohne mit

Klimarelevante C02-Emissionen ohne mit

Schlußfolgerung

Im Jahr 1997 wurde im Kyoto-Protokoll eine entscheidende Vereinbarung der Industrieländer über die verbindliche Reduk-tion der Emissionen von sechs Treibhausgasen (Kohlendioxid C02, Methan CH4, Lachgas N20, teilfluorierte Kohlenwasser-stoffe H-FKW, perfluorierte KohlenwasserKohlenwasser-stoffe FKW, Schwefelhexafluorid SF6) getroffen. Österreich hat sich innerhalb der EU zu einer Reduzierung der Treibhausgasemissionen in der Zielperiode 2008 - 2012 um 13 % gegenüber dem Basisjahr 1990 bzw. 1995 verpflichtet.

Gemäß einem Vorschlag der Klimastrategie des BMLFUW sollen im Bereich der Energiewirtschaft die Treibhausgasemis-sionen um 2,0 Mt-C02-Äquivalente reduziert werden. Auf nationaler Ebene wurde durch die Novelle des Elektrizitäts-wirtschafts- und Organisationsgesetzes (EIWOG) die Stromaufbringung aus erneuerbaren Energieträgern gesetzlich fest-gesetzt. Konkret müssen 8 °/o des inländischen Endverbrauches aus Kleinwasserkraftanlagen und bis 2007 zusätzlich 4 % aus Ökostromanlagen aufgebracht werden. Daher ist der vom Verbund beschrittene Weg, den fossilen Brennstoff Kohle teilweise durch biogene SBS und Biomasse zu ersetzen, ein ökologisch sinnvoller Beitrag zu einer nachhaltigen Abfall-wirtschaft und zum Umweltschutz.

Spezifische C02-Emissionen [kg C02/kWhc| nt] 1,0

System A System B System C System D

l Klimarelevante Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe

Vermeidung von klimarelevanten Emissionen infolge Mitverbrennung biogener Brennstoffe im bestehenden Wärmekraftwerk

Vermeidung von klimarelevanten Emissionen bei der Berücksichtigung der sonstigen Deponierung von biogenen Abfällen und Verrottung von Biomasse

Systemvergleich von klimarelevanten und vermiedenen C02-Emissionen infolge Mitverbrennung und Deponierung von biogenen Abfällen bzw. Verrottung von Biomasse

Bisher konnten im Zeitraum zwischen Februar 2000 bis März 2001 durch die Verbrennung von rd. 16.000 t bioge-ner Brennstoffe wie Holzabfälle, Bio-masse, Tiermehl usw. anstelle von Steinkohle rd. 19.000 t klimawirksame C02-Emissionen und zusätzlich rd.

50.000 t aus der Deponierung bzw.

Verrottung vermieden werden. Damit beträgt die erreichte Reduktion an klimarelevanten C02-Emissionen infolge der Mitverbrennung rd. 9 °/o und bei zusätzlicher Berücksichtigung der vermiedenen Methan-Emissionen aus der Deponierung und Verrottung rd. 32 %

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