Modellierung und Simulation der Gewerbeabfallaufbereitung vor ...

Aus der Professur für Abfall- und Stoffstromwirtschaft
der Agrar- und Umweltwissenschaftlichen Fakultät
Thesen der Dissertation
Modellierung und Simulation der
Gewerbeabfallaufbereitung vor dem Hintergrund der
Outputqualität, der Kosteneffizienz und der Klimabilanz
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.)
an der Agrar- und Umweltwissenschaftlichen Fakultät
der Universität Rostock
vorgelegt von:
Dipl.-Ing. (FH) Markus Helftewes
aus Hamburg
Rostock, den 03. Juli 2012

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1. Zielstellung der Arbeit
Durch das zunehmende gesellschaftliche, wirtschaftliche und politische Bewusstsein
über die begrenzte Verfügbarkeit von Primärrohstoffen sowie durch die Bestrebungen,
die anthropogenen Klimaeinflüsse zu minimieren, zeichnet sich seit einigen Jahren ein
globaler Trend zur Einsparung und Substitution natürlicher Ressourcen ab. Zunehmend
gefragt sind effiziente Stoffflusssysteme, die sowohl eine wirtschaftliche
Rohstoffversorgung garantieren als auch ökologische Aspekte, wie beispielsweise die
Klimaschonung, berücksichtigen.
In Deutschland stellen gemischte Gewerbeabfälle aufgrund ihres Aufkommens, der
hohen Anreicherung mit unterschiedlichen Wertstoffen sowie des vergleichsweise
hohen Heizwerts ein erhebliches Potenzial zur stofflichen oder energetischen
Verwertung dar. Durch eine Vorbehandlung im Rahmen einer mechanischen
Aufbereitung besteht die technische Möglichkeit, die Verwertungspotenziale von
gemischten Gewerbeabfällen effektiv auszuschöpfen. Aus dem Gewerbeabfall können
somit hochwertige Wertstofffraktionen sowie Brennstoffe gewonnen werden, die als
Substitut von Primärrohstoffen einsetzbar sind.
Der Betrieb von Anlagen zur mechanischen Aufbereitung von Gewerbeabfällen
erfordert eine umfangreiche technische und organisatorische Planung. Die Korrelation
zwischen der Art der mechanischen Aufbereitung und den damit verbundenen
Qualitäten, Kosten sowie den entstehenden klimarelevanten Emissionen ist jedoch
aufgrund der Heterogenität der Abfallzusammensetzung und der mehrstufigen
Stoffstromteilung in den verschiedenen Aufbereitungsanlagen sehr komplex und
individuell. Aus diesem Grund liegen bisher auch nur unzureichende Informationen
über die Outputqualitäten, die Kostenstrukturen sowie die klimarelevanten Emissionen
definierter Aufbereitungsmöglichkeiten vor, welche als Entscheidungsindikatoren für
eine individuelle Optimierung genutzt werden können.
Als Hilfsmittel zur transparenteren Darstellung und Entscheidungsfindung komplexer
Prozesse haben sich in Wissenschaft und Technik Modelle und Simulationsansätze
bewährt. Mit diesen Methoden ist es möglich, Alternativen zu prüfen und Prognosen
abzuleiten. Für den speziellen Bereich der Gewerbeabfallaufbereitung sind bereits
Modell- und Simulationsansätze zur Prognostizierung vorhanden. Simulationen, welche
sowohl die Outputqualität erfassen als auch die Zielsetzung eines wirtschaftlichen
Betriebs und die Reduzierung klimarelevanter Emissionen berücksichtigen, existieren
jedoch bisher noch nicht.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer modellbasierten Simulationsmethode, die es
ermöglicht, die Outputqualitäten, die Kostensituation sowie die klimarelevanten
Emissionen von Anlagen zur Aufbereitung von Gewerbeabfällen zu ermitteln und zu
analysieren, um daraus im Weiteren Optimierungsmaßnahmen abzuleiten.

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2. Hauptaussagen der Arbeit
Bei den Ergebnissen der durchgeführten Simulation lässt sich feststellen, dass die
Abfallherkunft und das Behandlungsszenario signifikante Einflüsse auf die
Outputquoten, die Kosten und die klimarelevanten Emissionen ausüben. Konkret zeigt
sich in Bezug auf die untersuchte Abfallherkunft, dass Abfälle aus der Gastronomie bei
der Erzeugung von Sekundärbrennstoffen die höchste Sekundärbrennstoffquote
erzielen. Aus diesen Abfällen lässt sich ebenfalls die höchste Wertstoffquote bei einer
händischen Klaubung erzielen.
Die Simulationsergebnisse der Kostenbetrachtung zeigen, dass die Erzeugung von
Sekundärbrennstoffen und die Wertstoffsortierung zu geringeren Gesamtkosten
durchgeführt werden können als die Aufbereitung von heizwertreicher Fraktion. In
Bezug auf die Kostenstruktur kann verzeichnet werden, dass die Verwertungskosten
und die Personalkosten die größten Kostenpositionen in den untersuchten Szenarien
darstellen.
Die weitergehende Betrachtung von Grenzkosten für definierte Aufbereitungsschritte
zeigt, dass gewisse Mindestquoten für die Ausbringung bestimmter Outputfraktionen
erfüllt werden müssen, um die Wirtschaftlichkeit des jeweiligen Prozesses zu
gewährleisten. In den untersuchten Beispielen der Wertstoffklaubung führt z. B. die
automatische Klaubung mittels Nahinfrarottechnologie aufgrund ihrer höheren
Leistungsfähigkeit zu geringeren Mindestquoten als die Handklaubung und ist damit
effizienter.
Anhand der Simulationsergebnisse der klimarelevanten Emissionen der untersuchten
Verwertungsverfahren lässt sich festhalten, dass die Produktion von
Sekundärbrennstoffen zur deutlichsten Verminderung von klimarelevanten Emissionen
führt. Gefolgt wird dieses Szenario von der Wertstoffsortierung und der Aufbereitung
einer heizwertreichen Fraktion. Die energetische Verwertung in Müllverbrennungsanlagen
hingegen führt zu den geringsten Einsparungen von klimarelevanten
Emissionen.
Bei den klimarelevanten Emissionen der Gewerbeabfallverwertung zeigen sich
erhebliche Unterschiede in Abhängigkeit der untersuchten Abfallherkunft. Die
Behandlung von Abfällen aus der Gastronomie führt in nahezu allen Szenarien zu den
höchsten Einsparungen von klimarelevanten Emissionen, während die Behandlung von
Abfällen aus dem Handwerk die geringsten Minderungspotenziale aufweist.
Die Analyse von Sensitivitäten der Emissionssimulation zeigt, dass die Ergebnisse
hauptsächlich von der Auswahl der Substitutionsfaktoren für die erzeugte Energie
sowie von den gewählten Wirkungsgraden abhängen. Werden diese Parameter
verändert, so zeigen sich erhebliche Auswirkungen auf die Ergebnisse der Simulation.
Dies wird sowohl bei den Müllverbrennungsanlagen als auch bei der Mitverbrennung
von Sekundärbrennstoffen in Zementwerken deutlich.

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3. Wissenschaftliche Wertung der Ergebnisse
Mit den vorliegenden Ergebnissen konnte die Zielstellung, eine modellbasierte
Simulationsmethode zu entwickeln, die es ermöglicht, Outputqualitäten, Kosten sowie
klimarelevante Emissionen von Anlagen zur Aufbereitung von Gewerbeabfällen zu
ermitteln und zu analysieren, umfassend erfüllt werden. Es kann festgehalten werden,
dass die entwickelte Methode als geeignetes Hilfsmittel zur Prognose und Optimierung
der genannten Faktoren genutzt werden kann. In Bezug auf die Plausibilität der
Ergebnisse kann eine Validierbarkeit mit Literatur- und Praxiswerten verzeichnet
werden, welche die Eignung der entwickelten Methodik unterstreicht.
Zur aktiven Steuerung der Aufbereitung ist die Erfassung und Auswertung
stoffgruppenbezogener Transferparameter notwendig. Der weitere Forschungsbedarf
wird darin gesehen, die Erfassung von Echtzeitdaten mit entsprechenden Sensorikund
Wiegesystemen weiterzuentwickeln und diese für die Steuerung zu nutzen.
Die Modellumsetzung in MICROSOFT EXCEL ® zeigt auf, dass die Modellierung und
Simulation der Gewerbeabfallaufbereitung, gemäß der definierten Zielstellung,
grundsätzlich mit einer Software geleistet werden kann. Forschungsbedarf wird jedoch
in der Entwicklung von Softwaresystemen gesehen, die eine transparentere
Verknüpfung der Modellparameter und ein modulares Datenmanagement ermöglichen.
Diese Software sollte einfach zu bedienen sein und neben der Erfassung von
Stoffstromdaten auch über eine Anbindung an die Finanzsoftware sowie an
webbasierte Datenbanken zur Entnahme von Emissionsfaktoren verfügen.
Die Modellierung und Simulation von klimarelevanten Emissionen der Verwertung von
Gewerbeabfällen ist mit Unsicherheiten belegt, da eine Vielzahl von Prozessen
betrachtet und mittels auszuwählender Emissionsfaktoren bewertet werden muss.
Weiterer Forschungsbedarf wird daher in der Weiterentwicklung von Softwaresystemen
gesehen, die eine nutzerfreundliche, individuelle Erstellung von Klimabilanzen
ermöglicht.
Die konkreten Ergebnisse der durchgeführten Simulationen zu den klimarelevanten
Emissionen verdeutlichen, welche Unterschiede sich in Bezug auf die
Zusammensetzung und den gewählten Verwertungsweg von Gewerbeabfällen
ergeben. Die durchgeführten Sensitivitätsanalysen zeigen, dass die Gutschriften, die
sich über die Substitution von Energie ergeben, von der Auswahl der Wirkungsgrade
und der Substitutionsfaktoren abhängen. Ebenso hat die Auswahl von
Emissionsfaktoren für die stoffliche Verwertung eine hohe Relevanz für die Ermittlung
klimarelevanter Emissionen. Weiterer Forschungsbedarf wird daher i. W. in der
Erhebung und Harmonisierung von Daten zu Wirkungsgraden und Emissionsfaktoren
gesehen.

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4. Allgemeine Bedeutung der Ergebnisse
Durch den Vergleich branchenspezifischer Abfallzusammensetzungen, definierter
Behandlungsszenarien sowie durch die Analyse von Sensitivitäten und Grenzkosten
stehen Ergebnisse zur Verfügung, die die Potenziale definierter Verfahren im Bereich
der Gewerbeabfallaufbereitung verdeutlichen. Sowohl mit der dargestellten Anwendung
der Methodik als auch mit den validierbaren Ergebnissen können Maßnahmen
abgeleitet werden, die sich zur ökonomischen und ökologischen Optimierung der
Aufbereitung von Gewerbeabfällen nutzen lassen.
Bei einer Gesamtbetrachtung aller Simulationsergebnisse lässt sich deutlich feststellen,
dass die betrachteten Verwertungsszenarien der Sekundärbrennstoff-Produktion und
der Wertstoffsortierung effizientere Verfahren darstellen als die Verwertung in EBS-
Kraftwerken und Müllverbrennungsanlagen. Ferner wird anhand der
Simulationsergebnisse die Signifikanz der Abfallherkunft bzw. der
Abfallzusammensetzung deutlich. Eine gezielte Auswahl von Abfällen mit bekannter
Zusammensetzung vor der mechanischen Aufbereitung kann daher empfehlenswert
sein, sofern dies organisatorisch umsetzbar ist und sich unter wirtschaftlichen Aspekten
vorteilhaft durchführen lässt. Besteht die direkte Verbindung zwischen Abfallherkunft
und Abfallqualität, so kann dies in der Abfallsammlung und der Abfallaufbereitung
berücksichtigt werden. Bei gemischten Gewerbeabfällen können somit z. B.
branchenbezogene Sammeltouren oder Anlagenfahrweisen sinnvoll sein.
Durch die Verfügbarkeit größerer Datenmengen und deren Verarbeitung kann die
Darstellung von Kosten und Ökoeffizienzkriterien unterschiedlicher
Verwertungsoptionen weiter vereinfacht werden. Mittels mehrdimensionaler
Softwarelösungen ließen sich diese auswerten und für eine effektive Steuerung nutzen.
Neben dem Ziel der Optimierung der Verwertungswege aus Sicht der Abfallwirtschaft
könnten die Informationen künftig auch für den Vertrieb von
Entsorgungsdienstleistungen vorteilhaft eingesetzt werden. So könnten Erzeugern von
Gewerbeabfällen damit Angebote für Entsorgungsdienstleistungen gemacht werden,
die unterschiedliche Kosten und die damit verbundenen klimarelevanten Emissionen in
Relation setzen. Damit wären Tarife denkbar, die zwar höheren Kosten, jedoch
geringeren Umweltbelastungen unterliegen. Angesichts des zunehmenden Bestrebens
von Unternehmen, ihre Ökobilanzen zu verbessern, könnten derartige Tarife dazu
beitragen, die Nachfrage nach ressourcenschonenden Entsorgungssystemen und
damit auch deren Umsetzung voranzutreiben.