Modellierung und Simulation der Gewerbeabfallaufbereitung vor ...
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Aus <strong>der</strong> Professur für Abfall- <strong>und</strong> Stoffstromwirtschaft<br />
<strong>der</strong> Agrar- <strong>und</strong> Umweltwissenschaftlichen Fakultät<br />
Thesen <strong>der</strong> Dissertation<br />
<strong>Modellierung</strong> <strong>und</strong> <strong>Simulation</strong> <strong>der</strong><br />
<strong>Gewerbeabfallaufbereitung</strong> <strong>vor</strong> dem Hintergr<strong>und</strong> <strong>der</strong><br />
Outputqualität, <strong>der</strong> Kosteneffizienz <strong>und</strong> <strong>der</strong> Klimabilanz<br />
zur Erlangung des akademischen Grades<br />
Doktor <strong>der</strong> Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.)<br />
an <strong>der</strong> Agrar- <strong>und</strong> Umweltwissenschaftlichen Fakultät<br />
<strong>der</strong> Universität Rostock<br />
<strong>vor</strong>gelegt von:<br />
Dipl.-Ing. (FH) Markus Helftewes<br />
aus Hamburg<br />
Rostock, den 03. Juli 2012
- 1 -<br />
1. Zielstellung <strong>der</strong> Arbeit<br />
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Durch das zunehmende gesellschaftliche, wirtschaftliche <strong>und</strong> politische Bewusstsein<br />
über die begrenzte Verfügbarkeit von Primärrohstoffen sowie durch die Bestrebungen,<br />
die anthropogenen Klimaeinflüsse zu minimieren, zeichnet sich seit einigen Jahren ein<br />
globaler Trend zur Einsparung <strong>und</strong> Substitution natürlicher Ressourcen ab. Zunehmend<br />
gefragt sind effiziente Stoffflusssysteme, die sowohl eine wirtschaftliche<br />
Rohstoffversorgung garantieren als auch ökologische Aspekte, wie beispielsweise die<br />
Klimaschonung, berücksichtigen.<br />
In Deutschland stellen gemischte Gewerbeabfälle aufgr<strong>und</strong> ihres Aufkommens, <strong>der</strong><br />
hohen Anreicherung mit unterschiedlichen Wertstoffen sowie des vergleichsweise<br />
hohen Heizwerts ein erhebliches Potenzial zur stofflichen o<strong>der</strong> energetischen<br />
Verwertung dar. Durch eine Vorbehandlung im Rahmen einer mechanischen<br />
Aufbereitung besteht die technische Möglichkeit, die Verwertungspotenziale von<br />
gemischten Gewerbeabfällen effektiv auszuschöpfen. Aus dem Gewerbeabfall können<br />
somit hochwertige Wertstofffraktionen sowie Brennstoffe gewonnen werden, die als<br />
Substitut von Primärrohstoffen einsetzbar sind.<br />
Der Betrieb von Anlagen zur mechanischen Aufbereitung von Gewerbeabfällen<br />
erfor<strong>der</strong>t eine umfangreiche technische <strong>und</strong> organisatorische Planung. Die Korrelation<br />
zwischen <strong>der</strong> Art <strong>der</strong> mechanischen Aufbereitung <strong>und</strong> den damit verb<strong>und</strong>enen<br />
Qualitäten, Kosten sowie den entstehenden klimarelevanten Emissionen ist jedoch<br />
aufgr<strong>und</strong> <strong>der</strong> Heterogenität <strong>der</strong> Abfallzusammensetzung <strong>und</strong> <strong>der</strong> mehrstufigen<br />
Stoffstromteilung in den verschiedenen Aufbereitungsanlagen sehr komplex <strong>und</strong><br />
individuell. Aus diesem Gr<strong>und</strong> liegen bisher auch nur unzureichende Informationen<br />
über die Outputqualitäten, die Kostenstrukturen sowie die klimarelevanten Emissionen<br />
definierter Aufbereitungsmöglichkeiten <strong>vor</strong>, welche als Entscheidungsindikatoren für<br />
eine individuelle Optimierung genutzt werden können.<br />
Als Hilfsmittel zur transparenteren Darstellung <strong>und</strong> Entscheidungsfindung komplexer<br />
Prozesse haben sich in Wissenschaft <strong>und</strong> Technik Modelle <strong>und</strong> <strong>Simulation</strong>sansätze<br />
bewährt. Mit diesen Methoden ist es möglich, Alternativen zu prüfen <strong>und</strong> Prognosen<br />
abzuleiten. Für den speziellen Bereich <strong>der</strong> <strong>Gewerbeabfallaufbereitung</strong> sind bereits<br />
Modell- <strong>und</strong> <strong>Simulation</strong>sansätze zur Prognostizierung <strong>vor</strong>handen. <strong>Simulation</strong>en, welche<br />
sowohl die Outputqualität erfassen als auch die Zielsetzung eines wirtschaftlichen<br />
Betriebs <strong>und</strong> die Reduzierung klimarelevanter Emissionen berücksichtigen, existieren<br />
jedoch bisher noch nicht.<br />
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer modellbasierten <strong>Simulation</strong>smethode, die es<br />
ermöglicht, die Outputqualitäten, die Kostensituation sowie die klimarelevanten<br />
Emissionen von Anlagen zur Aufbereitung von Gewerbeabfällen zu ermitteln <strong>und</strong> zu<br />
analysieren, um daraus im Weiteren Optimierungsmaßnahmen abzuleiten.
- 2 -<br />
2. Hauptaussagen <strong>der</strong> Arbeit<br />
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Bei den Ergebnissen <strong>der</strong> durchgeführten <strong>Simulation</strong> lässt sich feststellen, dass die<br />
Abfallherkunft <strong>und</strong> das Behandlungsszenario signifikante Einflüsse auf die<br />
Outputquoten, die Kosten <strong>und</strong> die klimarelevanten Emissionen ausüben. Konkret zeigt<br />
sich in Bezug auf die untersuchte Abfallherkunft, dass Abfälle aus <strong>der</strong> Gastronomie bei<br />
<strong>der</strong> Erzeugung von Sek<strong>und</strong>ärbrennstoffen die höchste Sek<strong>und</strong>ärbrennstoffquote<br />
erzielen. Aus diesen Abfällen lässt sich ebenfalls die höchste Wertstoffquote bei einer<br />
händischen Klaubung erzielen.<br />
Die <strong>Simulation</strong>sergebnisse <strong>der</strong> Kostenbetrachtung zeigen, dass die Erzeugung von<br />
Sek<strong>und</strong>ärbrennstoffen <strong>und</strong> die Wertstoffsortierung zu geringeren Gesamtkosten<br />
durchgeführt werden können als die Aufbereitung von heizwertreicher Fraktion. In<br />
Bezug auf die Kostenstruktur kann verzeichnet werden, dass die Verwertungskosten<br />
<strong>und</strong> die Personalkosten die größten Kostenpositionen in den untersuchten Szenarien<br />
darstellen.<br />
Die weitergehende Betrachtung von Grenzkosten für definierte Aufbereitungsschritte<br />
zeigt, dass gewisse Mindestquoten für die Ausbringung bestimmter Outputfraktionen<br />
erfüllt werden müssen, um die Wirtschaftlichkeit des jeweiligen Prozesses zu<br />
gewährleisten. In den untersuchten Beispielen <strong>der</strong> Wertstoffklaubung führt z. B. die<br />
automatische Klaubung mittels Nahinfrarottechnologie aufgr<strong>und</strong> ihrer höheren<br />
Leistungsfähigkeit zu geringeren Mindestquoten als die Handklaubung <strong>und</strong> ist damit<br />
effizienter.<br />
Anhand <strong>der</strong> <strong>Simulation</strong>sergebnisse <strong>der</strong> klimarelevanten Emissionen <strong>der</strong> untersuchten<br />
Verwertungsverfahren lässt sich festhalten, dass die Produktion von<br />
Sek<strong>und</strong>ärbrennstoffen zur deutlichsten Vermin<strong>der</strong>ung von klimarelevanten Emissionen<br />
führt. Gefolgt wird dieses Szenario von <strong>der</strong> Wertstoffsortierung <strong>und</strong> <strong>der</strong> Aufbereitung<br />
einer heizwertreichen Fraktion. Die energetische Verwertung in Müllverbrennungsanlagen<br />
hingegen führt zu den geringsten Einsparungen von klimarelevanten<br />
Emissionen.<br />
Bei den klimarelevanten Emissionen <strong>der</strong> Gewerbeabfallverwertung zeigen sich<br />
erhebliche Unterschiede in Abhängigkeit <strong>der</strong> untersuchten Abfallherkunft. Die<br />
Behandlung von Abfällen aus <strong>der</strong> Gastronomie führt in nahezu allen Szenarien zu den<br />
höchsten Einsparungen von klimarelevanten Emissionen, während die Behandlung von<br />
Abfällen aus dem Handwerk die geringsten Min<strong>der</strong>ungspotenziale aufweist.<br />
Die Analyse von Sensitivitäten <strong>der</strong> Emissionssimulation zeigt, dass die Ergebnisse<br />
hauptsächlich von <strong>der</strong> Auswahl <strong>der</strong> Substitutionsfaktoren für die erzeugte Energie<br />
sowie von den gewählten Wirkungsgraden abhängen. Werden diese Parameter<br />
verän<strong>der</strong>t, so zeigen sich erhebliche Auswirkungen auf die Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Simulation</strong>.<br />
Dies wird sowohl bei den Müllverbrennungsanlagen als auch bei <strong>der</strong> Mitverbrennung<br />
von Sek<strong>und</strong>ärbrennstoffen in Zementwerken deutlich.
- 3 -<br />
3. Wissenschaftliche Wertung <strong>der</strong> Ergebnisse<br />
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Mit den <strong>vor</strong>liegenden Ergebnissen konnte die Zielstellung, eine modellbasierte<br />
<strong>Simulation</strong>smethode zu entwickeln, die es ermöglicht, Outputqualitäten, Kosten sowie<br />
klimarelevante Emissionen von Anlagen zur Aufbereitung von Gewerbeabfällen zu<br />
ermitteln <strong>und</strong> zu analysieren, umfassend erfüllt werden. Es kann festgehalten werden,<br />
dass die entwickelte Methode als geeignetes Hilfsmittel zur Prognose <strong>und</strong> Optimierung<br />
<strong>der</strong> genannten Faktoren genutzt werden kann. In Bezug auf die Plausibilität <strong>der</strong><br />
Ergebnisse kann eine Validierbarkeit mit Literatur- <strong>und</strong> Praxiswerten verzeichnet<br />
werden, welche die Eignung <strong>der</strong> entwickelten Methodik unterstreicht.<br />
Zur aktiven Steuerung <strong>der</strong> Aufbereitung ist die Erfassung <strong>und</strong> Auswertung<br />
stoffgruppenbezogener Transferparameter notwendig. Der weitere Forschungsbedarf<br />
wird darin gesehen, die Erfassung von Echtzeitdaten mit entsprechenden Sensorik<strong>und</strong><br />
Wiegesystemen weiterzuentwickeln <strong>und</strong> diese für die Steuerung zu nutzen.<br />
Die Modellumsetzung in MICROSOFT EXCEL ® zeigt auf, dass die <strong>Modellierung</strong> <strong>und</strong><br />
<strong>Simulation</strong> <strong>der</strong> <strong>Gewerbeabfallaufbereitung</strong>, gemäß <strong>der</strong> definierten Zielstellung,<br />
gr<strong>und</strong>sätzlich mit einer Software geleistet werden kann. Forschungsbedarf wird jedoch<br />
in <strong>der</strong> Entwicklung von Softwaresystemen gesehen, die eine transparentere<br />
Verknüpfung <strong>der</strong> Modellparameter <strong>und</strong> ein modulares Datenmanagement ermöglichen.<br />
Diese Software sollte einfach zu bedienen sein <strong>und</strong> neben <strong>der</strong> Erfassung von<br />
Stoffstromdaten auch über eine Anbindung an die Finanzsoftware sowie an<br />
webbasierte Datenbanken zur Entnahme von Emissionsfaktoren verfügen.<br />
Die <strong>Modellierung</strong> <strong>und</strong> <strong>Simulation</strong> von klimarelevanten Emissionen <strong>der</strong> Verwertung von<br />
Gewerbeabfällen ist mit Unsicherheiten belegt, da eine Vielzahl von Prozessen<br />
betrachtet <strong>und</strong> mittels auszuwählen<strong>der</strong> Emissionsfaktoren bewertet werden muss.<br />
Weiterer Forschungsbedarf wird daher in <strong>der</strong> Weiterentwicklung von Softwaresystemen<br />
gesehen, die eine nutzerfre<strong>und</strong>liche, individuelle Erstellung von Klimabilanzen<br />
ermöglicht.<br />
Die konkreten Ergebnisse <strong>der</strong> durchgeführten <strong>Simulation</strong>en zu den klimarelevanten<br />
Emissionen verdeutlichen, welche Unterschiede sich in Bezug auf die<br />
Zusammensetzung <strong>und</strong> den gewählten Verwertungsweg von Gewerbeabfällen<br />
ergeben. Die durchgeführten Sensitivitätsanalysen zeigen, dass die Gutschriften, die<br />
sich über die Substitution von Energie ergeben, von <strong>der</strong> Auswahl <strong>der</strong> Wirkungsgrade<br />
<strong>und</strong> <strong>der</strong> Substitutionsfaktoren abhängen. Ebenso hat die Auswahl von<br />
Emissionsfaktoren für die stoffliche Verwertung eine hohe Relevanz für die Ermittlung<br />
klimarelevanter Emissionen. Weiterer Forschungsbedarf wird daher i. W. in <strong>der</strong><br />
Erhebung <strong>und</strong> Harmonisierung von Daten zu Wirkungsgraden <strong>und</strong> Emissionsfaktoren<br />
gesehen.
- 4 -<br />
4. Allgemeine Bedeutung <strong>der</strong> Ergebnisse<br />
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Durch den Vergleich branchenspezifischer Abfallzusammensetzungen, definierter<br />
Behandlungsszenarien sowie durch die Analyse von Sensitivitäten <strong>und</strong> Grenzkosten<br />
stehen Ergebnisse zur Verfügung, die die Potenziale definierter Verfahren im Bereich<br />
<strong>der</strong> <strong>Gewerbeabfallaufbereitung</strong> verdeutlichen. Sowohl mit <strong>der</strong> dargestellten Anwendung<br />
<strong>der</strong> Methodik als auch mit den validierbaren Ergebnissen können Maßnahmen<br />
abgeleitet werden, die sich zur ökonomischen <strong>und</strong> ökologischen Optimierung <strong>der</strong><br />
Aufbereitung von Gewerbeabfällen nutzen lassen.<br />
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Bei einer Gesamtbetrachtung aller <strong>Simulation</strong>sergebnisse lässt sich deutlich feststellen,<br />
dass die betrachteten Verwertungsszenarien <strong>der</strong> Sek<strong>und</strong>ärbrennstoff-Produktion <strong>und</strong><br />
<strong>der</strong> Wertstoffsortierung effizientere Verfahren darstellen als die Verwertung in EBS-<br />
Kraftwerken <strong>und</strong> Müllverbrennungsanlagen. Ferner wird anhand <strong>der</strong><br />
<strong>Simulation</strong>sergebnisse die Signifikanz <strong>der</strong> Abfallherkunft bzw. <strong>der</strong><br />
Abfallzusammensetzung deutlich. Eine gezielte Auswahl von Abfällen mit bekannter<br />
Zusammensetzung <strong>vor</strong> <strong>der</strong> mechanischen Aufbereitung kann daher empfehlenswert<br />
sein, sofern dies organisatorisch umsetzbar ist <strong>und</strong> sich unter wirtschaftlichen Aspekten<br />
<strong>vor</strong>teilhaft durchführen lässt. Besteht die direkte Verbindung zwischen Abfallherkunft<br />
<strong>und</strong> Abfallqualität, so kann dies in <strong>der</strong> Abfallsammlung <strong>und</strong> <strong>der</strong> Abfallaufbereitung<br />
berücksichtigt werden. Bei gemischten Gewerbeabfällen können somit z. B.<br />
branchenbezogene Sammeltouren o<strong>der</strong> Anlagenfahrweisen sinnvoll sein.<br />
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Durch die Verfügbarkeit größerer Datenmengen <strong>und</strong> <strong>der</strong>en Verarbeitung kann die<br />
Darstellung von Kosten <strong>und</strong> Ökoeffizienzkriterien unterschiedlicher<br />
Verwertungsoptionen weiter vereinfacht werden. Mittels mehrdimensionaler<br />
Softwarelösungen ließen sich diese auswerten <strong>und</strong> für eine effektive Steuerung nutzen.<br />
Neben dem Ziel <strong>der</strong> Optimierung <strong>der</strong> Verwertungswege aus Sicht <strong>der</strong> Abfallwirtschaft<br />
könnten die Informationen künftig auch für den Vertrieb von<br />
Entsorgungsdienstleistungen <strong>vor</strong>teilhaft eingesetzt werden. So könnten Erzeugern von<br />
Gewerbeabfällen damit Angebote für Entsorgungsdienstleistungen gemacht werden,<br />
die unterschiedliche Kosten <strong>und</strong> die damit verb<strong>und</strong>enen klimarelevanten Emissionen in<br />
Relation setzen. Damit wären Tarife denkbar, die zwar höheren Kosten, jedoch<br />
geringeren Umweltbelastungen unterliegen. Angesichts des zunehmenden Bestrebens<br />
von Unternehmen, ihre Ökobilanzen zu verbessern, könnten <strong>der</strong>artige Tarife dazu<br />
beitragen, die Nachfrage nach ressourcenschonenden Entsorgungssystemen <strong>und</strong><br />
damit auch <strong>der</strong>en Umsetzung <strong>vor</strong>anzutreiben.