Die Stoffflussanalyse als Planungs- und Kontrollinstrument in der Abfallwirtschaft

1. Die Stoffflussanalyse als Planungs- und Kontrollinstrument in der Abfallwirtschaft Dr. rer. nat. Barbara Zeschmar-Lahl, BZL GmbHwww.bzl.info

2. 1. Stoffflussanalyse - eine kurze Einführung 2. Einsatz der SFA in der Abfallwirtschaft - Bilanzierung und Kontrolle abfallwirtschaftlicher Anlagen 3. Einsatz der SFA für übergeordnete abfallwirtschaftliche Planungen 4. Stoffflussanalyse in der Abfallwirtschaft - ein Fazit

3. 1. Stoffflussanalyse - eine kurze Einführung Grundsatz: FIn =  FOut + Δ Lager[Formel 1] F = Fracht

4. 1. Stoffflussanalyse - eine kurze Einführung Verteilung auf mehrere Outputgüter: Transferfaktoren Tf = Quotient aus Stofffluss im Output und im Input dimensionslos, Angabe als Dezimalzahl zwischen 0 und 1 oder als Prozentwert zwischen 0 und 100 %  FIn = Tfa FIn + Tfb FIn + ...... Tfx FIn [Formel 2] a, b .... x = Index für Outputgut bzw. Lager Schließung der Bilanz: Summe aller Tf muss 1 ergeben: Tfa + Tfb + ...... Tfx = 1 [Formel 3] Hinweise: Die Schließung der Bilanz gelingt in der Praxis oft nur mit gewisser Näherung. Inplausible Werte - der Output ist deutlich kleiner oder größer als der Input bei Fehlen eines Lagers im System - deuten auf Bilanzierungslücken oder -fehler hin.

5. 2. Anwendung der SFA in der Abfallwirtschaft 2.1 Beispiele (Auswahl) für den Einsatz der SFA zur Bilanzierung und Kontrolle abfallwirtschaftlicher Anlagen Österreich: • Morff et al.: Müllverbrennungsanlagen Spittelau/Wien (1995/2001ff.) und Wels (1997) Quelle: http://www.aeiou.at/ • Schachermeyer et al., 1998: zwei Baurestmassenaufbereitungsanlagen, • Gerger und Kritzinger, 1999: die Gmundner Zementwerke, • Harant et al., 1999: mechanisch-biologische Restabfallbehandlungsanlagen (MBA) Allerheiligen, Kufstein und Zell am See, • Zeschmar-Lahl, 2003: mechanische Restabfall-Splittinganlage in Wien. Quelle: MA 48 Deutschland: • Rotter (2002): Untersuchungen zur Optimierung der Ersatzbrennstoffaufbereitung • Flamme (2002): Untersuchungen zur Schwermetallentfrachtung von Ersatzbrennstoffen

6. 2.2 Verankerung der SFA im Genehmigungsrecht (I) Österreich: SFA im Genehmigungsbescheid RVL Lenzing, 2001: „1.7. Es werden folgende Werte als obere Grenze für Schadstoffgehalte im durchschnittlichen Abfallbrennstoff (Brennstoffmischung) festgesetzt: f) Chlor 0,8 g/MJ, g) Schwefel 1,1 g/MJ, h) Fluor 0,27 g/MJ und i) Quecksilber 5 mg/MJ. Für die restlichen Stoffe Blei, Zink, Chrom, Arsen, Cobalt, Nickel und Cadmium, welche in der Anlage 1, Punkt 5 des LRG-K (BGBl. I Nr. 1998/158) genannt sind, sind die maximal möglichen Konzentrationen im durchschnittlichen Abfallbrennstoff (Brennstoffmischung)aus den Resultaten der vorliegenden Stoffbilanzenzu berechnen. Die Berechnungsergebnisse sind spätestens nach 8 Wochen der Behörde zur Prüfung vorzulegen.”

7. 2.2 Verankerung der SFA im Genehmigungsrecht (II) Schweiz: BUWAL-Richtlinie "Entsorgung von Abfällen in Zementwerken“, Punkt 5.1b: Zementwerke, die zugelassene Abfälle entsorgen, müssen ... „(2) mit den nötigen Messungen und Stoffflussberechnungen sicherstellen, dass sowohl die Anforderungen an die Abluftqualität (...) als auch die Anforderungen an die Qualität des Klinkers und des Zementes bezüglich der Schadstoffgehalte eingehalten werden.“ Deutschland (Nordrhein-Westfalen): Einführung der SFA für die immissionsschutz-rechtliche Genehmigung der Mitverbrennung von Abfällen in industriellen Feuerungsanlagen und Zementwerken per Erlass im Oktober 2000, seither mehrere Vorhaben danach genehmigt (Kraftwerke, Holzverbrennungsanlage).

8. 2.3 Vorgehen nach SFA-Erlass in NRW (verkürzt) • 1. Modellierung der zu untersuchenden Prozesse bzw. des Systems, z.B. Kohlekraftwerk oder Zementwerk • 2. Zusammenstellung eines belastbaren Datenkollektivs für die vorgesehene(n) Abfallart(en), die sog. Abfalldaten: • unterer Heizwert (Hu), • Konzentrationsangaben (FS) über die im Abfall enthaltenen nach 17. BImSchV geregelten Stoffen: Cl, F, Cd/Tl, Hg, Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V, Sn, jeweils mit • Anzahl Proben insgesamt (n = ..) • Min. (Minimum) • Max. (Maximum) • Mittelwert (arithmetischer Mittelwert über alle Daten) • Median (Lageparameter) • 90-Quantil (gibt den Wert an, den 90 % aller Proben unter- bzw. den 10 % aller Proben überschreiten). • 3. Ermittlung der Anlagendaten (Prozessdaten): • energiespezifische Abgasmenge (m³/MJ), normiert auf 11 % O2; im Erlass: 0,530 m³/MJ bzw. für Zementwerke 0,667 m³/MJ • Angaben zu den Transferfaktoren für geregelte Stoffe (s.o.).

9. 2.3 Vorgehen nach SFA-Erlass in NRW (verkürzt)

10. 2.3 Vorgehen nach SFA-Erlass in NRW (verkürzt) 4. Berechnung der Schadstoffonzentrationen eines virtuellen Abgasteilstroms, der aus der Verbrennung der untersuchten einzelnen Abfälle im jeweiligen resultiert. 5. Vergleich mit Prüfwerten (Grenzwerte nach § 5 Abs. 1 der 17. BImSchV) und Ableitung der Entsorgungsempfehlung.

11. 2.3 Vorgehen nach SFA-Erlass in NRW (verkürzt)

12. 2.4 Beispiel geplanter EBS-Einsatz in Kraftwerken Hg-Transferfaktoren ins Reingas liegen für KW bei 20 - 83 %, Ø 54 % Hg-Gehalt von Steinkohlen: 0,3 mg Hg/kg TS (bei HuTS von 30.000 MJ/t) oder 0,2 bis 1,2 mg/kg TS (Huroh von ca. 25.000 MJ/t) (Literatur) Tab.: Bilanzierung Hg-Gehalte Reingas [mg/m³] bei Kraftwerken mit Regelbrennstoff Steinkohle/Petrolkoks (90:10) bzw. mit Braunkohle (mittlere und hohe Quecksilbergehalte) (Daten aus Leitfaden NRW) Da fester Emissionsgrenzwert für Hg, Konsequenz für Planung:wenn Einsatz belasteter Kohle + maximale Ausschöpfung Hg im EBS  Risiko der Grenzwertüberschreitung gegeben oder Anpassung RGR erforderlich.

13. 2.5 Anmerkungen zur SFA im NRW-Erlass (I) Erlass: nur beispielhaft; erlaubt keine Rückrechnung, welche Schadstoffbelastung im jeweiligen Abfall noch zulässig oder was für ein Grenzwert noch schadlos wäre. SFA erlaubt aber die Berechnung z.B. im Hinblick auf Werkstofftoleranz (Chlorkorrosion) „verkraftbarer“ Konzentrationen im Abfall. Ein „Auffüllen“ ist allerdings immissionsschutzrechtlich (Minimierungsgebot) und abfallwirtschaftlich nicht gewünscht (im Gegensatz zum Genehmigungsbescheid der RVL Lenzing)! Erlass enthält Beispielrechnung auf den Luftpfad; für andere Outputpfade ist Berechnung ebenfalls durchführbar; es wären andere Prüfwerte heranziehen (z.B. LAGA Z-Werte). Dargestellte Ergebnisse gelten nur im Zusammenhang mit den hier verwendeten abfallartenspezifischen Abfallanalysen und den genannten anlagenspezifischen Transferfaktoren.

14. 2.5 Anmerkungen zur SFA im NRW-Erlass (II) • Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass sich beim Einsatz von aufbereiteten Abfällen bzw. Ersatzbrennstoffen in Anlagen zur Mitverbrennung die Transferfaktoren ändern können, insbesondere: • Erhöhter Ascheeintrag führt zur Reduzierung der Leistungsfähigkeit der Staubfilter  erhöhte Staub- und Hg-Konzentrationen im Reingas. • Verändertes Abscheideverhalten von Hg je nach Angebot an Bindungspartnern wie Halogene (Cl, F, Br) und S. • Sehr hoher Chloridgehalt im EBS  Transferfaktoren für einzelne Schwermetalle in den Dampfraum erhöht. • Hohe Bromeinträge (z.B. flammgeschützte Kunststoffe) und niedriger S-Gehalt  Risiko der Bildung von Br2 Lösung: Zugabe Reduktionsmittel Auswirkungen auf andere Stoffe ? • Erhöhte Chlor- und Bromeinträge im Brennstoff begünstigen SM-Verflüchtigung in die Flugaschen. Lösung  Entstaubung optimieren. • Erhöhter Eintrag von Katalysatorgiften (z.B. Arsen oder Thallium) kann zu veränderten Abgaskonzentrationen (z.B. NOx) führen. • Aus den genannten Gründen sind die bei Einsatz von Regelbrennstoffen an Mitverbrennungsanlagen ermittelten Transferfaktoren (insbesondere ins Reingas) durch Messungen beim Einsatz des EBS zu überprüfen.

15. 3. Einsatz der SFA für übergeordnete abfallwirtschaftliche Planungen (Auswahl) • Baccini und Brunner: Metabolism of the Anthroposphere, 1991: METALAND: mehr als 50 % des im Umlauf befindlichen Cadmiums stecken im Bestand (Güter). • Fehringer et al.: Projekt ASTRA (A), 1997: Szenarien für die Entsorgung brennbarer Abfälle in Österreich im Hinblick auf Umweltverträglichkeit und Ressourcennutzung. • Fehringer et al.: Projekt PRIZMA (A), 1999: Beurteilung des Einsatzes von Abfallbrennstoffen in Zementdrehrohröfen in stofflicher Hinsicht (Emissionen, Produktqualität, Stoffflüsse) mit dem Ziel, Positivlisten zu erstellen. • Projekt Scheinverwertung (D), 2000: Untersuchung, in welchem Umfang die in bestimmten Abfällen enthaltenen Schadstoffe über unterschiedliche Prozesse je nach rechtlichen Rahmenbedingungen in der Technosphäre verbleiben oder in Umweltmedien verteilt werden.

16. 3.1 Anwendungsbeispiel: Projekt Scheinverwertung Studie zu den abfallwirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen der im Arbeitsentwurf einer Abfallverwaltungsvorschrift (AbfallVwV) vertretenen Rechtspositionen. August 2000. Hintergrund: Entwurf einer Abfallverwaltungsvorschrift (AbfallVwV) des BMU, die eine vergleichsweise unkritische Förderung der Kreislaufwirtschaft vorsah. Dadurch wären Scheinverwertungswege (z.B. Sortieranlage vor Deponie) und eine energetische Verwertung auf niedrigem Umweltniveau gefördert worden. Auftraggeber: Umweltministerium Baden-Württemberg. Aufgabenstellung: Berechnung der Schadstoffflüsse für unterschiedliche Abfallarten aus Baden-Württemberg in Entwicklungs- bzw. Entsorgungsszenarien auf der Basis typischer Technikkonzepte und bekannter Kennzahlen für Prozesse

17. 3.1 Anwendungsbeispiel: Projekt Scheinverwertung • Betrachtete Abfälle: • Siedlungsabfälle: Hausmüll und hausmüllähnlicher Gewerbeabfall inkl. Sortierreste und Baustellenmischabfälle • Zielmedien: • Luft (Umweltmedium) • Wasser (Umweltmedium) • Boden (Umweltmedium) • Erzeugnis (Umweltmedium) • Deponie (Lagerraum) • Senken (Lagerraum) • Entwicklungsszenarien: • Schadstoffflüsse jeweils für die Jahre 2002, 2006 und 2010 für Bundesrepublik Deutschland • Anlagen (Prozesse): • MVAs (Mittelwert MVAs BaWü) • Mechanisch-Biologische Restabfallbehandlungsanlagen • MBA Low-cost • MBA Splitting • Deponien • komplett TASi-Standard • mit TASi-Standard ohne Standortvoraussetzungen • mit TASi-Standard ohne Untergrundabdichtung • ohne Abdichtung, Sickerwasser-, Gasfassung • im Ausland • Anlagen zur Mitverbrennung/ e.V. • Kraftwerke • Zementwerke • Vergasungsanlage • Sortieranlagen • Sonstiges (Stabilisierungsanlagen für hmäGA, stoffliches Recycling)

18. 3.1 Anwendungsbeispiel: Projekt Scheinverwertung

19. 3.1 Anwendungsbeispiel: Projekt Scheinverwertung • Resultate: • Szenario 1: Die Ergebnisse zeigen insbesondere die Auswirkungen, die mit der konsequenten Umsetzung der TASi verbunden sind: Die betrachteten Schwermetalle werden über Senken von den Umweltmedien ferngehalten, die organischen Schadstoffe werden weitgehend mineralisiert, was hier ebenfalls als Senke angesehen wird. • Szenario 2: Ebenfalls positiver Einfluss der Umsetzung der TASi erkennbar. Durch einen stärkeren Rückgriff auf energetische Nutzungsanlagen erhöhen sich in diesem Szenario die Schadstoffeinträge ins Erzeugnis. Zusätzlich führt die Öffnung der TASi für die MBA zu erhöhten Einträge in Deponien und den Boden. • Szenario 3: deutlich ungünstiger als Szenario 2 (Boden, Deponie, Senke, Luft), da die untersuchten Verwertungsprozesse verstärkt genutzt werden. So ist auch ein deutlich höherer Eintrag von Schadstoffen ins Erzeugnis zu erwarten.

20. 3.1 Anwendungsbeispiel: Projekt Scheinverwertung Hinweis: Eintrag in Senken: je höher die Säule, desto größer die Umwelt-entlastung Ergebnisse der Szenarien 1 bis 3 – hier: Cadmium-Eintrag in Senken

21. 3.1 Anwendungsbeispiel: Projekt Scheinverwertung Hinweis: Eintrag ins Erzeugnis: je höher die Säule, desto größer die Umwelt-belastung Ergebnisse der Szenarien 1 bis 3 – hier: Cadmium-Eintrag ins Erzeugnis

22. 3.1 Anwendungsbeispiel: Projekt Scheinverwertung Hinweis: Eintrag in die Luft: je höher die Säule, desto größer die Umwelt-belastung Ergebnisse der Szenarien 1 bis 3 – hier: Quecksilber-Eintrag in Luft

23. 3.1 Anwendungsbeispiel: Projekt Scheinverwertung • Schlußfolgerungen: • Mit der Fortsetzung der seinerzeit (1999/2000) bestehenden Rechtsunsicherheit und insbesondere im Falle des “Auftauens” der AbfallVwV des BMU wird die Einbringung von Schadstoffen in Umweltsenken abnehmen. • Im Gegenzug werden dafür die Einträge in die Umweltmedien Luft, Boden und insbesondere ins Erzeugnis steigen. • Die erhaltenen Ergebnisse erwiesen sich im Rahmen einer Sensitivitätsprüfung als belastbar. • Mittels SFA ließen sich wichtige abfallwirtschaftliche Schluß-folgerungen ableiten, die für das Bundesland Baden-Württemberg eine Entscheidungsgrundlage für seine eigene Positionierung im Rahmen laufender Gesetzgebungsverfahren ermöglichte.

24. 4. Stoffflussanalyse in der Abfallwirtschaft - ein Fazit (I) • Methodische Grenzen der SFA: • Keine Bilanzierung ökologisch relevanter Effekte von Stoffen, z.B. Last-/Gutschriften für stattfindende oder vermiedene Emissionen; d.h. keine Ökobilanz. • Keine Bilanzierung der Energieflüsse. • Keine Berücksichtigung der Toxikologie der Stoffe, z.B. toxische Effekte in Abhängigkeit von ihrer Bindungsform oder Valenz (z.B. Cr-III/Cr-VI). • Keine Berücksichtigung technischer Probleme wie Auswirkungen auf das Verbrennungsverhalten (Chlorkorrosion im Kessel), veränderter Ascheerweichungspunkt etc.. • Die für Anlagen ermittelten Tf in die Outputgüter gelten gelten nur bei stabilem Prozess und konstanten Bedingungen (Druck, Temperatur, Konzentration, sonstige Betriebsbed.). Die bei Einsatz von Regelbrennstoffen an Mitverbrennungsanlagen ermittelten Transferfaktoren (insbesondere ins Reingas) müssen beim Einsatz von Abfällen/EBS durch weitere Messungen überprüft werden.

25. 4. Stoffflussanalyse in der Abfallwirtschaft - ein Fazit (II) • SFA als Kontrollinstrument: • SFA liefert präzise Ergebnisse bei repräsentativer und belastbarer Datenbasis; Absicherung über Validierung der verwendeten Daten und Sensitivitätsbetrachtungen. • SFA erlaubt eine Überprüfung der Belastbarkeit von Messungen an Anlagen über Umrechnung zu anlagebezogenen Stoffbilanzen. Es gilt immer: Summe Input = Summe Output minus delta Lager. • Stoffflussanalyse als Instrument nachhaltiger Ressourcenplanung: • SFA ermöglicht die Berücksichtigung langfristiger Effekte wie Verteilung (Konzentrierung oder Dissipation) von Stoffen in Medien oder das Ansteuern von Senken. • SFA ermöglicht eine wissenschaftlich fundierte Prognose verschiedener Entwicklungsszenarien, die Wege und Verbleib von Schadstoffen je nach gesetzten politischen Randbedingungen variieren, und bietet dadurch eine Basis für politische Entscheidung über die Steuerung von Stoffströmen und für langfristige Planungen der Bewirtschaftung der Ressourcen des eigenen Landes (Beispiel Baden-Württemberg). • Für eine nachhaltigkeitsorientierte Steuerung von nationalen Stoffflüssen ist die Stoffflussanalyse das Instrument der Wahl.