Analyse komplexer Entsorgungssysteme – Stoff- und

Analyse komplexer Entsorgungssysteme –
Stoff- und Energieströme der Abfallwirtschaft in Berlin*)
Analysis of Complex Waste Disposal Systems –
Material and Energy Flows in Waste Management in Berlin*)
Analyse de systèmes complexes d’élimination
des déchets – Flux de matières et d’énergie en
gestion des déchets à Berlin
Análisis de sistemas complejos para la eliminación de residuos – flujos de materiales y de energía en la gestión de desechos de Berlín
Prof. Dr.-Ing. Susanne Rotter und Dipl.-Ing. Margit Löschau, Berlin**)
Zusammenfassung Stoffflussanalysen für Abfallbehandlungsanlagen lassen sich auf Entsorgungsregionen oder -netze erweitern, wenn die
Transferkoeffizienten der Einzelprozesse und -anlagen in einer Abfallverteilungsmatrix dargestellt werden. Ist diese nicht nur auf primäre Behandlungsanlagen beschränkt, sondern enthält auch Verwertungsprozesse für Sekundärabfälle und Senken für den Abfallverbleib, lässt sich
mit dem Matrixansatz die kumulierte Stoffverteilung berechnen. Interessant ist der sich daraus ergebende Stoffverbleib in den Senken. Am
Beispiel der Berliner Restabfallbehandlungssituation wurde gezeigt, wie sich im Entsorgungsmix ab Juni 2005 die primäre Restabfallmenge auf
die Senken Atmosphäre, Deponieklassen 0, 2 und 4 sowie die Produkte verteilt. Der vorgestellte methodische Ansatz ist im mathematischen
Sinne ein lineares Gleichungssystem, das nicht nur zur Systemanalyse, sondern auch zu seiner Optimierung (Begrenzung von Frachten)
genutzt werden kann.
Summary Material flow analyses for waste treatment plants can be extended to cover disposal regions or networks if the transfer coefficients
of the different processes or plants are shown in a waste transfer matrix. If this matrix is not restricted to primary waste treatment plants, but
also includes processes for utilizing secondary waste and sinks as the final location of the waste, the matrix model can be used to calculate the
cumulative material distribution. Interesting is the resulting material location in the sinks. Based on the example of the situation for the
treatment of residual waste in Berlin, it is shown how, as part of the concept of mixed waste disposal from June 2005, the primary amount of
residual waste is distributed over the sinks, atmosphere, landfill classes 0, 2 and 4 as well as the products. In mathematical terms, the methodical approach presented represents a system of linear equations, which cannot only be used for system analysis, but for system optimization
(restriction of loads).
Résumé Les analyses de flux des matières pour installations de traitement des déchets se laissent étendre à des régions ou réseaux d’élimination des déchets, si les coefficients de transfert des différents processus et installations sont représentés dans une matrice de distribution des
déchets. Si celle-ci ne se limite pas seulement aux installations de traitement primaires, mais comporte également des processus de valorisation
de déchets secondaires et puits de séjour ultime des déchets, le calcul de la distribution cumulée des matières est possible avec la matrice. Ce
qui est intéressant, c’est le volume de matières en résultant pour les puits. En prenant l’exemple de la situation de déchets résiduels à Berlin, il
a été montré, comment se répartit, à partir de juin 2005, la quantité de déchets résiduels primaires du mélange de matières à éliminer sur le
puits atmosphère, les classes de décharges 0, 2 et 4 ainsi que les produits. La méthode d’approche présentée est, au sens mathématique, un
système d’équations linéaires non seulement utilisable pour l’analyse de système, mais également pour l’optimisation (limitation du volume de
déchets).
Resumen Los análisis del flujo de materiales para instalaciones de tratamiento de residuos pueden ampliarse a regiones o redes de eliminación de desechos siempre y cuando los coeficientes de transferencia de los procesos y de las instalaciones individuales se representen en una
matriz de distribución de desechos. Con el enfoque de la matriz puede calcularse la distribución acumulada si la matriz no sólo está limitada
a instalaciones primarias de tratamiento sino que también contiene procesos de utilización para residuos secundarios y sumidores para la permanencia final de los resíduos. Un elemento interesante es la permanencia en los sumidores que resulta de esto. Basándose en el ejemplo de
la situación del tratamiento de residuos restantes en Berlín, se mostró cómo se distribuye, a partir de junio de 2005, en la mezcla de eliminación de desechos el volumen primario de desechos residuales entre los sumideros de atmósfera, las categorías de basureros 0, 2 y 4 así como
los productos. El enfoque metódico presentado es, en el sentido matemático, un sistema lineal de ecuaciones que no sólo puede utilizarse para
el análisis de sistemas sino también para su optimización (limitación de cargas).
*) Vortrag auf der „Berliner Abfallwirtschaftskonferenz – Fachtagung zur energetischen Abfallverwertung und thermischen Abfallbehandlung – Perspektiven 2005 bis 2020“,
1.–2. März 2005, Berlin
**) Fachgebiet Abfallwirtschaft, TU Berlin (D) (www.tu-berlin.de)
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*) Paper held at the “Berlin Waste Management Conference –
Conference on Waste-to-Energy Recycling and Thermal
Waste Treatment – Perspectives 2005 to 2020“, held on
1–2 March 2005, in Berlin
**) Department of Waste Management, TU Berlin (D)
(www.tu-berlin.de)
AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 6
1. Input-Output-Analyse für abfallwirtschaftliche
Prozesse
1. Input-Output Analysis for Waste Management
Processes
Die Stoff- und Energieflussanalyse hat sich als Bewertungsinstrument in der Abfallwirtschaft etabliert. Dazu werden Entsorgungssysteme in Prozesse untergliedert. Aus der Verknüpfung der
Prozesse ergeben sich nicht nur Entsorgungsketten, sondern
durch die zunehmende Rückführung von Abfallströmen in andere Entsorgungsketten entstehen komplexe Entsorgungsnetze.
Zwei Dinge führen zu steigender Komplexität von Entsorgungsstrukturen:
• getrennte Sammlung – Abfall wird in eine Anzahl von k Abfallfraktionen aufgeteilt und unterschiedlichen Entsorgungsprozessen zugeführt,
• Prozessverflechtungen von Behandlungsprozessen – in einem
Entsorgungsnetz mit einer Anzahl von m Behandlungsprozessen entstehen Lieferverflechtungen untereinander.
Da sowohl das Erfassungssystem als auch jeder Behandlungsprozess die Qualität und Quantität des Abfalls beeinflussen – z. B.
Heizwertanreicherung durch Aufbereitung oder Trocknung –, sind
auch nachgelagerte Prozessschritte hiervon betroffen. So kann
unter Umständen mit der Eigenschaftsverbesserung einer Vorstufe
der Wirkungsgrad der nachfolgenden Prozessstufe verbessert werden.
Wird eine Abfallmenge F in mehreren Prozessstufen behandelt,
sind für jeden Prozess die massenbezogenen Energie- und Ressourcenverbräuche zu berücksichtigen. Weiterhin ist in der Regel
jede dieser Lieferverflechtungen mit Transportaufwendungen verbunden. Bild 1 zeigt, wie es schon bei einem einfachen System
– zwei Abfallarten und drei Behandlungsprozesse – zu zahlreichen
Verflechtungen kommt. Neben den In- und Outputströmen bestehen Stoffrekursionen zwischen den Prozessen.
In der Volkswirtschaftslehre ist der Input-Output-Ansatz zur
Berechnung von Lieferverflechtungen von Produktionssektoren
von Leontief entwickelt worden. In diesem Beitrag soll gezeigt werden, wie dieses Modell auch auf Entsorgungssysteme und Entsorgungsnetze mit Stoffrekursionen angewendet werden kann
und daraus ein Analyse- und Prognoseinstrument entsteht. An Beispielrechnungen sollen die Auswirkungen der Berliner Entsorgungssituation für Restabfälle ab Juni 2005 auf Stoff- und Energieströme gezeigt werden.
Material and energy flow analysis has become established as
an instrument of evaluation in waste management. For this purpose, disposal systems are sub-divided into processes. These
processes are connected to form waste disposal chains, but with
the increasing recirculation of waste flows into other waste disposal chains, complex waste disposal networks are formed. Two
factors lead to the increasing complexity of waste disposal structures:
• separate collection – waste is divided into a number of k waste
fractions and fed to different waste disposal processes,
• Interactions between waste treatment processes – in a waste
disposal network with a number of m treatment processes, supply interactions are formed between these.
As both the collection system as well as every treatment process
influence the quality and quantity of the waste – e.g. calorific concentration based on processing or drying – downstream processes are also affected by them. So, for example, the improvement
of the properties in a preliminary process stage can lead to an
improvement in the efficiency of the downstream process stage.
If a waste quantity F is treated in several process stages, the energy and resource consumption per unit of mass for each process
must be taken into account. Further, every one of these supply
interactions is generally associated with transport demand.
Fig. 1 shows how numerous interactions result, even in a simple
system – i. e. consisting of two waste types and three treatment
processes. Besides the input and output streams, there are material recursions between the processes.
In economics theory, the input-output model for the calculation
of supply interactions between production sectors was developed
by Leontief. This paper is intended to show how this model can
also be applied to waste disposal systems and waste disposal
networks with material recursions and how it can be evolved into
an instrument for analysis and forecasting. Based on model calculations, the effects of Berlin’s waste disposal situation for residual waste on material and energy flows from June 2005 will be
shown.
1.1 Ökonomischer Input-Output-Ansatz
Der Matrixansatz wurde von Leontief entwickelt, um die Lieferverflechtungen und Rückkopplungen zwischen verschiedenen
Produktionssektoren eines Wirtschaftsraums darzustellen. Ausgangspunkt sind die Input-Output-Tabellen der betrachteten Sek-
Entsorgungsgebiet
mit dem Abfallaufkommen F
Im Entsorgungsgebiet stehen 3 Anla- Die Sekundärabfälle werden auf
gen (P1 – P3) zur Verfügung, auf die die Anlagen (P1–P3) oder auf
das Abfallaufkommen verteilt wird.
Senken (P4–P5) verteilt.
Abfallart
F1:
Restabfall
Abfallart
F2:
Biomüll
Zwischen den Anlagen (P1–P3)
bestehen zahlreiche
Lieferverflechtungen.
Weiterhin werden die Senken
der Prozesse betrachtet
(P4 und P5).
Anlage P1:
Vergärung
Senke P4:
Deponie
Anlage P2:
Verbrennung
Senke P5:
Atmosphäre
Anlage P3:
Sortierung
Primäre Abfallmengen
Sekundäre Abfallmengen
entstehen durch Lieferungen
von der Sammlung zu den
primären Abfallbehandlungsprozessen
entstehen durch Lieferverflechtungen von Abfallbehandlungsprozessen
Bild 1: Primärabfallaufkommen und aus Lieferverflechtungen
der Entsorgungsprozesse resultierendes Sekundärabfallaufkommen in einem Entsorgungsgebiet
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1.1 Economic input-output model
The matrix model was developed by Leontief to show supply
interactions and recirculation between various production
sectors in an economic region. Starting point are the input-output tables of the sectors studied, with the goods necessary for production and their origin on the input side and the goods to be
produced and their consumption on the output side. From these
Waste disposal region
with the waste
quantity F
Waste
type F1:
residual
waste
Waste
type F2:
biowaste
Between the plants (P1–P3),
numerous supply interactions
exist.
The sinks of the processes
are also taken into
consideration (P4–P5).
In the waste disposal region, 3 plants The secondary waste is distri(P1 – P3) are available, to which the
buted to the plants (P1–P3)
waste quantity is distributed
or to the sinks (P4–P5).
Plant P1:
digestion
Sink P4:
landfill
Plant P2:
incineration
Sink P5:
atmosphere
Plant P3:
sorting
Primary waste quantities
Secodary waste quantities
resulting from deliveries from
the waste collection system to
the primary waste treatment
processes
resulting from supply interactions between waste treatment processes
Fig. 1: Accumulated primary waste and secondary waste resulting from the supply interactions between the waste disposal processes in one waste disposal region
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Produktionssektor 2 / Production Sector 2
von Sektor 1 / from Sector 1
V12
an Sektor 1 / to Sector 1
V21
von Sektor 2 (Eigenleistung) / from Sector 2 (internal processing) V22
an Sektor 2 (Eigenleistung) / to Sector 2 (internal processing) V22
von Sektor 3 / from Sector 3
V32
an Sektor 3 / to Sector 3
V23
von Sektor n / from Sector n
Vn2
an Sektor n / to Sector n
V2n
Kauf von Importgütern / Buying of import goods
IM2
Verkauf von Konsumgütern / Sale of consumer goods
Löhne und Gehälter / Labour costs
L2
Gewinne / Profits
G2
Abschreibungen / Depreciation
D2
C2
Bild 2: Bildung der Vorleistungsmatrix aus den Input-Output-Tabellen von Produktionssektoren
Fig. 2: Input-output table of a production sector with inter-industry sales and derived matrix
toren, die auf der Inputseite die zur Produktion nötigen Güter und
ihre Herkunft, auf der Outputseite die produzierten Güter und
deren Verbleib aufweisen. Aus diesen Tabellen wird eine Matrix
gebildet, in der die Inputseiten als Spalten, die Outputseiten als
Zeilen und die Eigenleistungsströme den Schnittpunkt bilden
(Bild 2).
Die Matrix, die die Lieferungen der n Sektoren untereinander enthält, wird als Vorleistungsmatrix bezeichnet. Die Spaltensumme
ergibt den Vorleistungsverbrauch (intermediären Input) Uj des
jeweiligen Sektors, die Zeilensumme die Zwischennachfrage
(intermediärer Output) Si – den Anteil der Produktion, der nicht
als Konsumgut verkauft, sondern an die anderen Sektoren geliefert wird. Der Gesamtoutput Xi setzt sich aus der Endnachfrage
Yi und den Vorleistungslieferungen an andere Sektoren Si zusammen. Primäre Inputs Pij der Produktionssektoren bilden in Summe mit dem Vorleistungsverbrauch den Gesamtinput Xj des Sektors.
Um die Matrizen dimensionslos und somit vergleichbar zu gestalten, werden nicht die absoluten Werte, sondern Strukturkoeffizienten verwendet, die als Anteile der Einzellieferungen am Gesamtinput und -output definiert sind.
tables, a matrix is formed in which the input sides are the
columns, the output sides the rows and the flows of the actual
internal processing at the production plants forming the intersections (Fig. 2).
The matrix that contains the deliveries between the n sectors is
termed the input matrix. The sum total of the columns gives the
input consumption (intermediate input) Uj of the respective sector, the sum total of the rows the intermediate demand (intermediate output) Si – the percentage of production that is not sold
as consumer goods but supplied to other sectors. The total output Xi consists of the final demand Yi and the input deliveries to
other sectors Si. When added to the input consumption, the primary inputs Pij of the production sectors form the total input Xi
of the sector.
To make the matrices dimensionless and therefore comparable,
structural coefficients are used rather than absolute values. These
structural coefficients are defined as the percentages of the individual deliveries in the total input and output.
Input coefficient:
Inputkoeffizient:
aij =
xij
VQ i =
Outputkoeffizient:
bij =
Xj
Input requirement quota: VQ i =
Uj
Xj
xij
Output coefficient:
Xi
Aus der linearen Inputfunktion lässt sich die Grundgleichung des
sogenannten offenen statischen Input-Output-Modells nach
Leontief ableiten, die als Ergebnis den Endnachfragevektor Y liefert (Gl. 1).
X1 – a11X1 – ... – a1n Xn = Y1 

X – A ⋅ X = Y
Xn – an1Xn – ... – ann Xn = Yn 
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xij
Xj
Vorleistungsquote:
mit
aij =
X: Vektor der Bruttoproduktion
A: Matrix der Inputkoeffizienten
Y: Vektor der Endnachfrage
(1)
bij =
Uj
Xj
xij
Xi
From the linear input function, the base equation of Leontief’s
open statistical input-output model can be derived, the result of
which delivers the final demand vector Y (Eq. 1).
X1 – a11X1 – ... – a1n Xn = Y1 

X – A ⋅ X = Y
Xn – an1Xn – ... – ann Xn = Yn 
with
(1)
X: vector of the gross production
A: matrix of the input coefficients
Y: vector of the final demand
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Das zur Erfüllung einer gegebenen Endnachfrage Y notwendige
Produktionsvolumen X ergibt sich aus der Umstellung der Grundgleichung (Gl. 2).
−1
X = (I – A) ⋅ Y = C ⋅ Y
mit
The production volume X necessary to meet a given final demand
Y results from the transposition of the base calculation (Eq. 2).
X = (I – A)−1 ⋅ Y = C ⋅ Y
(2)
(2)
I:
Einheitsmatrix
C = (I–A)-1: Leontief-Inverse
with
I:
C = (I–A)-1:
uniform matrix
Leontief inverse
1.2 Übertragung des Matrixansatzes auf Entsorgungsprobleme
1.2 Application of the matrix model to waste disposal
problems
Bei der Entsorgung von Abfällen kommt es schon bei einfachen
Systemen zu zahlreichen Lieferverflechtungen zwischen Behandlungsanlagen, die sich von den Lieferverflechtungen zwischen Produktionssektoren prinzipiell nicht unterscheiden. Für die Ökobilanzierung wurden bereits das Problem von Stoffrekursionen
beschrieben und das Matrixverfahren als Lösungsansatz vorgestellt. Nakurama und Kondo entwickelten ein mathematisches
Modell, bei dem die ökonomische Input-Output-Tabelle um die
in den Produktionssektoren anfallenden Abfälle erweitert wird.
Der Matrixansatz von Leontief scheint also geeignet, um komplexe
Entsorgungsnetze und ihre Abhängigkeiten darzustellen. Betrachtet wird eine Entsorgungsregion mit dem Abfallaufkommen F, das
sich in k Abfallarten untergliedert und der primäre Input des Systems ist. Vergleichbar zu den Produktionssektoren bilden dann
m Abfallbehandlungsprozesse Pi die Grundlage der Input-OutputAnalyse. Zusätzlich zu den Prozessen wie Verbrennung oder Vergärung werden auch n-m Senken wie die Atmosphäre oder Deponien betrachtet, die im ökonomischen Modell der Endnachfrage
entsprechen. Die Inputkoeffizienten können als Transferkoeffizienten interpretiert werden, die die Verteilung der Abfälle auf die
einzelnen Behandlungsprozesse und Senken beschreiben.
Even in simple waste disposal systems, numerous supply interactions exist between treatment plants, which in principle do not
differ from the supply interactions between production sectors.
With regard to ecobalancing, the problem of material recursions
has already between described and the matrix method presented as solution model. Nakurama and Kondo developed a mathematical model in which the economic input-output table was
extended to incorporate the waste produced in production
sectors.
The Leontief matrix model therefore seems appropriate to describe
complex disposal networks and their dependences. Analysed is a
disposal region with a waste quantity F, which is divided into k
waste types and constitutes the primary input into the system.
Comparable with the production sectors, m waste treatment
processes Pi form the basis of the input-output analysis. In addition to the processes such as incineration or fermentation, n-m
sinks such as the atmosphere or landfills are taken into consideration; these correspond to the final demand in the economic
model. The input coefficients can be interpreted as transfer coefficients that describe the distribution of the waste to the different
treatment processes and sinks.
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Abfallmengenmatrix F
Waste quantity matrix F
Prozesse
1 bis m
Processes
1 to m
Abfallverteilungsmatrix A
Waste transfer matrix A
Senken
m + 1 bis n
Sinks
m + 1 to n
Abfallarten
1 bis k
Waste types
1 to k
Für die Anwendung des Matrixansatzes auf die Stoffflussanalyse
einer Entsorgungsregion müssen einige Nebenbedingungen eingehalten werden:
For the application of the matrix model to the material flow
analysis of a disposal region, several sub-conditions must be
met.
n
• Es gilt der Massenerhaltungssatz:
∑a
ij = 1
n
für i = 1, …, m
• the law of mass conservations applies:
j=1
• Senken haben keinen Output:
ij = 1
for i = 1, …, m
j=1
aij = 0 für i = m + 1, …, n
und j = 1, … n
Analog zur volkswirtschaftlichen Berechnung liefert die Multiplikation der Leontief-Inversen mit der Abfallmengen als Ergebnis die
kumulierten Massenströme, die in die einzelnen Prozesse als Input
eingehen (Gl. 3). Da das Primärabfallaufkommen jedoch nicht wie
die Endnachfrage einem Output, sondern einem primären Input
entspricht, müssen die Matrizen für die Multiplikation transponiert
werden.
X = (I – A t )–1 ⋅ Ft
∑a
(3)
• sinks have no output:
aij = 0 for i = m + 1, …, n
and j = 1, … n
Similar to the economic analysis, the multiplication of the
Leontief inverse with the waste quantity matrix results in the cumulative mass flows that are channelled into the individual processes as input (Eq. 3). As the primary waste volume, however, does
not correspond to an output like the final demand but to a
primary input, the matrices must be transposed for multiplication.
X = (I – A t )–1 ⋅ Ft
(3)
Kumulierte Abfallmassenströme unter Berücksichtigung der Vorketten
(kumulierte Abfallmengenmatrix)
Cumulative waste mass flows in consideration of the preliminary chains
(cumulative waste quantity matrix)
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Abfallmengenverteilungsmatrix
mit
Waste quantity
transfer
matrix with
Findet keine Lagerbildung statt, so ist das Primärabfallaufkommen,
das sich als Spaltensumme der transponierten Abfallmengenmatrix Ft ergibt, gleich der Summe der Abfallmengen, die in den Senken verbleiben. Die Zeilensummen der kumulierten Abfallmengenmatrix entsprechen den Abfallmassen, die insgesamt in den
Prozess Pi als Input eingehen. Die Verteilung der kumulierten
Abfallmengen auf die Sekundärprozesse berechnet sich aus der
Multiplikation der Zeilenvektoren der transponierten Verteilungsmatrix mit der skalaren Zeilensumme der kumulierten Abfallmengenmatrix.
Analog zur Berechnung der kumulierten Abfallmassenströme können auch kumulierte Stoffströme berechnet werden. In der Ver-
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Stoffmengenmatrix
Material
quantity matrix
Providing no waste is stored, the primary waste volume, which
results from the sum total of the columns of the transposed waste
quantity matrix Ft, is equal to the sum of the quantities of waste
that go to the sinks. The row sum totals of the cumulative waste
quantity matrix correspond to the total waste masses that go into
the process Pi as input. The distribution of the cumulative waste
quantities to the secondary processes can be calculated from the
multiplication of the row vectors of the transposed transfer matrix
with the scalar row total of the cumulative waste quantity matrix.
Similar to the calculation of the cumulative waste mass flows,
cumulative material flows can also be calculated. In the distribution matrix, the transfer coefficients of the analysed material must
21
Transportentfernungsmatrix
Transport distance matrix
Primärtransportentfernungen
Primary transport distances
Sekundärtransportentfernungen
Secondary transport distances
Primärtransportaufwendungen
mit fji · peji = ptji
Sekundärtransportaufwendungen
mit mji · seji = stji
Primary transport demand
with fji · peji = ptji
Secondary transport demand
with mji · seji = stji
teilungsmatrix müssen dann statt der Transferkoeffizienten der
Abfallarten die Transferkoeffizienten des betrachteten Stoffs eingesetzt werden. Die Abfallmengenmatrix muss durch eine Stoffmengenmatrix ersetzt werden, wobei sich die einzelnen Stoffmengen aus der Multiplikation der abfallspezifischen Konzentration cj des betrachteten Stoffs im jeweiligen Abfall j mit der Abfallmasse fji ergeben.
Mit Kenntnis der kumulierten Abfallmengen und Transportentfernungen können auch Gesamttransportaufwendungen in einem
Entsorgungssystem berechnet werden. Hierzu müssen sowohl für
die Primär- als auch für die Sekundärtransporte Entfernungsmatrizen definiert werden, die die Strecken für den Primärtransport
peji – von der Sammlung zur Primärbehandlung – und die Strecken
seji zwischen den einzelnen Behandlungsanlagen beinhalten.
Die Primärtransportaufwendungen ergeben sich dann aus der
Multiplikation der einzelnen Komponenten der Primärtransportentfernungsmatrix mit denen der Abfallmengenmatrix, die kumulierten Sekundärtransportaufwendungen aus der Multiplikation
der einzelnen Komponenten der Sekundärtransportentfernungsmatrix mit denen der Abfallmengenverteilungsmatrix
Der kumulierte Gesamttransportaufwand t des Entsorgungssystems berechnet sich aus der Summe der Primär- und kumulierten Sekundärtransportaufwendungen (Gl. 4).
be used instead of the transfer coefficients of the waste types.
The waste quantity matrix has to be replaced with a material
quantity matrix, the individual material quantities resulting from
the multiplication of the waste-specific concentration cj of
the analysed material in the respective waste j with the waste
mass fji.
With a knowledge of the cumulative waste quantities and transport distances, the total transport demand in a disposal system
can be calculated. For this purpose, distance matrices must be
defined for both the primary and the secondary transports. These
matrices must contain the routes for the primary transport peji –
from collection to primary treatment – and the routes seji between
the different treatment plants.
The primary transport demand result from the multiplication of
the individual components of the primary transport distance
matrix with those of the waste quantity matrix, the cumulative
secondary transport demand result from the multiplication of the
individual components of the secondary transport distance matrix
with those of the waste quantity transfer matrix.
The cumulative total transport demand t of the disposal system
is calculated from the sum of the primary and cumulative secondary transport demand (Eq. 4).
n
n
t =∑
i=1
22
k
n
k
∑pt + ∑ ∑ st
ji
j=1
i=1
ji
(4)
t =∑
i=1
k
n
k
i=1
j=1
∑pt + ∑ ∑ st
ji
j=1
ji
(4)
j=1
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Kumulierte
Ressourcenverbräuche
Cumulative
resource consumptions
Ressourcenverbrauchmatrix
Resource consumption matrix
Kumulierte Abfallmengenmatrix
Cumulative waste quantity matrix
Der Matrixansatz kann auch dazu verwendet werden, kumulierte Ressourcenverbräuche für den Betrieb der Anlagen zu ermitteln.
Zu diesem Zweck muss eine Ressourcenverbrauchsmatrix R aufgestellt werden, die die massenspezifischen Ressourcenverbräuche rij der einzelnen Prozesse und Senken enthält – z. B. kWh Energie/t behandeltem Restabfall. Die kumulierten Ressourcenverbräuche für die Behandlung der verschiedenen Abfallarten ergeben sich aus der Multiplikation der Ressourcenverbrauchsmatrix
mit der kumulierten Abfallmengenmatrix.
Die Zeilensummen der kumulierten Ressourcenverbrauchsmatrix
sind dann die für das Entsorgungssystem insgesamt aufzubringenden Aufwendungen vi der Ressource Ri (Gl. 5).
k
v i = ∑ v ji
j=1
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The matrix model can also be used to determine the cumulative
resource consumption for the operation of the plants. For this purpose, a resource consumption matrix R must be compiled, which
contains the mass-specific resource consumptions rij of the different processes and sinks – e.g. kWh energy per tonne of treated waste. The cumulative resource consumption for the treatment
of the different waste types results from the multiplication of the
resource consumption matrix with the cumulative waste quantity matrix.
The row totals of the cumulative resource consumption matrix are
then the total consumption vi of the resource Ri for the disposal
system (Eq. 5).
k
(5)
v i = ∑ v ji
(5)
j=1
23
2. Die Berliner Entsorgungssituation 2005
2. The Waste Disposal Situation in Berlin in 2005
Mit dem In-Kraft-Treten der Artikelverordnung über die umweltverträgliche Ablagerung von Siedlungsabfällen und über biologische Abfallbehandlungsanlagen am 1. März 2001 und der Verordnung über Deponien und Langzeitlager am 1. August 2002
wurden rechtsverbindliche Rahmenbedingungen für die Restabfallbehandlung und -ablagerung ab 2005 definiert. Demnach dürfen Siedlungsabfälle ab dem 1. Juni 2005 nicht mehr abgelagert
werden, sofern sie nicht den in den Verordnungen definierten Kriterien entsprechen.
Für die überlassungspflichtigen Berliner Siedlungsabfallmengen in
Höhe von rund 980.000 t/a besteht daher die Notwendigkeit der
Vorbehandlung. Als Verfahren kommen sowohl thermische als
auch mechanisch-biologische und mechanisch-physikalische
Technologien infrage. Hierzu steht in Berlin auch künftig die
Müllverbrennungsanlage Ruhleben mit einem Durchsatz von etwa
520.000 t/a zur Verfügung. Für die verbleibende Menge an
Siedlungsabfall in der Größenordnung von etwa 460.000 t/a hat
der Senat am 1. April 2003 beschlossen, dass die Berliner
Stadtreinigungsbetriebe (BSR) diese Mengen zur externen Entsorgung europaweit ausschreiben sollen, um die Entsorgungssicherheit Berlins ab Mitte 2005 bis zum Jahr 2015 zu gewährleisten.
Als Ergebnis wird die ausgeschriebene Teilmenge auf verschiedene
Anlagen zur mechanischen, physikalischen und biologischen Stabilisierung und Behandlung in Berlin und Brandenburg verteilt.
Hier werden Zwischenprodukte erzeugt, die in Anlagen zur biologischen Stabilisierung oder zur energetischen Verwertung weiterbehandelt werden. Es entsteht ein Anlagenverbund, der sich in
With the coming into effect of the ordinance on environmentally compatible storage of municipal waste and on biological waste
treatment plants on 1 March 2001 and the ordinance on landfills
and long-term storage on 1 August 2002, legally binding conditions for residual waste treatment and storage were defined to
take effect as of 2005. In accordance with these conditions,
municipal waste may no longer be landfilled as of 1 June 2005 if
this waste does not comply with the criteria specified in the abovementioned ordinances.
The around 980,000 t/a municipal waste collected in Berlin must
therefore undergo pre-treatment. Possible processes are based on
thermal as well as mechanical-biological and mechanical-physical
technologies. In Berlin, the Ruhleben waste incineration plant,
with a throughput of 520,000 t/a, will continue to be available
in the future. For processing of the remaining around 460,000 t/a
municipal waste, Berlin’s Senate decided on 1 April 2003 that
the Berliner Stadtreinigungsbetriebe (BSR – Berlin’s municipal
sanitation) should invite Europewide tenders, so as to assure
reliable waste disposal in Berlin from mid-2005 to the year
2015.
As a result of this supplier competition, the remaining quantity of
waste will be distributed among various plants for mechanical,
physical and biological stabilization and treatment in Berlin and
Brandenburg. Intermediate products are produced, which are further treated in plants for biological stabilization or waste-to-energy recycling. A combined network of plants is formed, which in
terms of its interactions can be reduced to a simplified model
based on the approach described above. This model can be used
Tabelle 1: Entsorgungsanlagen für Restabfälle aus dem Land Berlin und Senken, in denen die Abfälle verbleiben
Table 1: Disposal plants for residual waste from the Land of Berlin and sinks in which the waste is finally located
Abfallbehandlungsanlagen
Waste treatment plants
MVA Ru
MVA Berlin-Ruhleben
WI Ru
WI Berlin-Ruhleben
MPS R
Mechanisch-Physikalische Behandlung Berlin-Reinickendorf (ALBA)
MPT R
Mechanical-physical treatment plant in Berlin-Reinickendorf (ALBA)
MPS P
Mechanisch-Physikalische Behandlung Berlin-Pankow (ALBA)
MPT P
Mechanical-physical treatment plant in Berlin-Pankow (ALBA)
MA Wi
Mechanische Aufbereitung Wilmersdorf (Betreiber Otto-Rüdiger Schulze)
MT Wi
Mechanical processing plant in Wilmersdorf (operator: Otto-Rüdiger Schulze)
MBA Vm
Mechanisch-Biologische Restabfallbehandlung Vorketzin (MEAB), mechanischer Teil
MBT V m
Mechanical-biological residual waste treatment in Vorketzin (MEAB), mechanical section
MBA Vb
Mechanisch-Biologische Restabfallbehandlung Vorketzin (MEAB), biologischer Teil
MBT V b
Mechanical-biological residual waste treatment in Vorketzin (MEAB), biological section
K Jä
Kraftwerk Jänschwalde
K Jä
Jänschwalde power plant
Z Rü
Zementwerk Rüdersdorf
Z Rü
Rüdersdorf cement factory
EnVA
Energetische Verwertungsanlage
EnVA
Waste-to-energy plant
Senken
Sinks
Atmos
Atmosphäre
Atmos
Atmosphere
DK 2
Deponieklasse 2
DK 2
Landfill class 2
DK 0
Deponieklasse 0 (Inertstoffdeponie)
DK 0
Landfill class 0 (inert materials landfill)
UTD
Deponieklassee 4 (Untertagedeponie)
UTD
Landfill class 4 (unerground repository)
Prod
Produkt (z. B. Zement, Metallschrott)
Prod
Product (e. g. cement, scrap material)
24
AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 6
seinen Verknüpfungen mit dem zuvor beschriebenen Ansatz auf
ein vereinfachtes Modell reduzieren lässt, mit dem sich überschlägig die Auswirkungen auf die kumulierten Massen- und Stoffströme beschreiben lassen.
2.1 Definition der Anlagen und Senken
Im Abfallwirtschaftskonzept für das Land Berlin wurden für die Entsorgung des Berliner Restabfalls die Abfallbehandlungsanlagen
gemäß Tabelle 1 ausgewiesen.
Für die folgenden Modellrechnungen wurden im Weiteren Senken definiert, die den endgültigen Verbleib der Massenströme
beschreiben:
• thermisch stabilisierte Abfälle Deponieklasse 0,
• biologisch stabilisierte Abfälle Deponieklasse 21,
• Rückstände aus der Abgasreinigung Untertagedeponie
• Rückstände zur weiteren stofflichen Verwertung Produkt
Der langzeitige Stoffaustritt aus Deponien oder aus Verwertungsprodukten ist nicht berücksichtigt, da hier nur sehr begrenzt
Langzeitprognosen möglich sind. Die Rückstände aus vorangegangenen Prozessen wurden den Deponietypen zugeordnet. Der
Verlust in die Atmosphäre wurde als Differenz der festen Rückstände zu 1 angenommen.
2.2 Datenbasis und Anlagenbeschreibung zur
Bestimmung von Transferkoeffizienten
Massen- und Stofftransferkoeffizienten können bei bestehenden
Anlagen in der Regel aus der Betriebsanalytik in der Anlagenüberwachung bestimmt werden. Da sich alle Aufbereitungsanlagen entweder noch in der Bauphase befinden oder bislang nicht
Restabfällen vergleichbare Abfallströme verarbeiten, kann hier nur
AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 6
to roughly describe the effects on the cumulative mass and materials flows.
2.1 Definition of the plants and sinks
In the waste management concept for Berlin, the waste treatment
plants in Table 1 are specified for the disposal of the residual waste
from the Berlin Land (“Land“ is the word for a federal state in Germany).
For the following model calculations, sinks are defined that
describe the final location of the mass flows.
• thermally stabilized waste landfill class 0,
• biologically stabilized waste landfill class 21,
• residue from flue gas purification underground repository
• residue for further material recycling product
The long-term material discharge from landfills or recycled products is not taken into consideration as here only very limited longterm forecasts are possible. The residues from previous processes were allocated to the landfill types. The loss into the atmosphere was assumed as difference of the solid residue to 1.
2.2 Data base and plant description for determining
transfer coefficients
For existing plants, mass and material transfer coefficients can generally be determined from operation analyses in plant monitoring.
As all processing plants are either still at the construction stage or
are not yet processing waste flows comparable with residual
waste, for these plants it is only possible to estimate the mass and
material flows from the planning documents. As the substitute
fuels produced have to meet the quality criteria of the buyers,
expected is the increasing removal of a fraction that is neither suit-
25
Tabelle 2: Massenströme und Verteilung MVA Ruhleben
Table 2: Mass flows and distribution Ruhleben WI
Schlacke
Slag
Reaktionsprodukte
Reaction products
Schrott
Scrap
Differenzverlust
über Atmosphäre
Differential loss via the
atmosphere
Einheit
Verteilung
Verbleib
Unit
Distribution
Location
%
26.9
%
2.5
%
1.9
Verwertung Straßenbau
Utilization in road construction
Untertagedeponie Herfa-Neurode
Underground repository Herfa-Neurode
Verwertung Schrotthandel
Utilization in scrap trading
%
68.7
Annahmen zum
Verbleib in den Senken
Assumptions relocation
in the sinks
Deponieklasse 0
Landfill class 0
Untertagedeponie
Underground repository
Produkt
Product
Atmosphäre
Atmosphere
auf Abschätzungen der Massen- und Stoffströme aus den Planungsunterlagen zurückgegriffen werden. Da die produzierten
Ersatzbrennstoffe Qualitätskriterien der Abnehmer einhalten müssen, ist zu erwarten, dass in der Aufbereitung verstärkt eine Fraktion abgetrennt wird, die weder ablagerungsfähig ist noch energetisch verwertet werden kann, und in der sich Schadstoffe wie
Schwermetalle anreichern. Diese Fraktion muss zur Beseitigung in
thermischen Prozessen behandelt werden.
2.2.1 MVA Ruhleben
Die Abfallverbrennungsanlage Berlin-Ruhleben wird seit 1967 von
den Berliner Stadtreinigungsbetrieben betrieben. Die Anlage wurde zuletzt 1996 bis 1998 auf moderne Umweltstandards nachgerüstet. Für eine Bilanzierung der Massenströme liegen aus den
vergangenen Jahren aus der Betriebsanalytik fundierte Daten vor.
Für das Jahr 2005 werden die in Tabelle 2 aufgeführten Massenströme geschätzt.
able for storage nor can be utilized to generate energy and in
which contaminants such as heavy metals concentrate. For the
purpose of disposal, this fraction must be treated in thermal
processes.
2.2.1 Ruhleben waste incineration plant
The waste incineration plant in Berlin-Ruhleben has been operated
by the Berlin’s municipal sanitation authorities since 1967. The
plant was last retrofitted to meet modern environmental standards
between 1996 and 1998. For a balancing of mass flows, sound
data is available from plant analysis over the past years. For the
year 2005, the mass flows listed in Table 2 are estimated.
2.2.2 Mechanical-physical treatment plants in BerlinReinickendorf und Berlin-Pankow
At the sites Berlin-Pankow and Berlin-Reinickendorf, the Alba
Group is setting up two MPT plants for the treatment of 160,000
Tabelle 3: Massenströme und Verteilung MPS Berlin-Pankow und Berlin-Reinickendorf
Table 3: Mass flows and distribution MPT Berlin-Pankow and Berlin-Reinickendorf
Ersatzbrennstoff
Einheit
Verteilung
Verbleib
Unit
Distribution
Location
%
55
%
5.7
Kraftwerk Jänschwalde und
Zementwerk Rüdersdorf
Jänschwalde power plant and
Rüdersdorf cement works
Verwertung Schrotthandel
Produkt
Utilization in scrap trading
Product
Verwertung Deponieklasse 2
Utilization in landfill class 2
Thermische Beseitigung,
z. B. TRV Buschhaus
Trocknungsverlust
Deponieklasse 2
Landfill class 2
Zur Vereinfachung wird eine
Rückführung in die MVA
Ruhleben angenommen
For simplification, a
recirculation to WI Ruhleben
is assumed
Atmosphäre
Drying loss
Atmosphere
Refuse derived fuel
Metalle
(Fe- und NE-Metall)
Metals
(Fe and NF metal)
Inertfraktion
Inert fraction
Störstoffe
%
12.6
%
0.2
Contaminants
Differenzverlust
über Atmosphäre
Differential loss via
atmosphere
26
Thermal disposal,
e. g. TRV Buschhaus
%
26.5
Annahmen zum
Verbleib in den Senken
Assumption relocation
in the sinks
AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 6
2.2.2. MPS-Anlagen Berlin-Reinickendorf und BerlinPankow
Die Alba-Gruppe errichtet an den Standorten Berlin-Pankow und
Berlin-Reinickendorf zwei MPS-Anlagen zur Behandlung von
160.000 Jahrestonnen Siedlungsabfall, mit dem Ziel der Herstellung von Ersatzbrennstoff, die zum 1.6.2005 sowie 1.6.2006 in
Betrieb gehen sollen. Die Anlagen sind verfahrenstechnisch ähnlich aufgebaut (siehe hierzu auch Blöcher). Für die folgende
modellhafte Betrachtung werden daher unter der Annahme konstanten Inputs (Berliner Restabfall) für beide Anlagen gleiche Verteilungen der Massenströme angenommen (Tabelle 3).
2.2.3 MA Wilmersdorf
Am Standort Wilmersdorf betreibt die Otto-Rüdiger Schulze
GmbH & Co. KG seit dem Jahr 2000 eine Ersatzbrennstoffaufbereitungsanlage mit einer Jahreskapazität von 100.000 t. In der
Anlage werden hochkalorische und niederkalorische Abfallbestandteile getrennt und die der Hochkalorik zu Ersatzbrennstoff
konfektioniert (siehe auch Schröder). Die niederkalorische Fraktion muss an anderen Standorten weitergehend biologisch behandelt werden. Angaben zur Massenbilanz sind im Abfallwirtschaftskonzept für das Land Berlin genannt. Für die weitere
Berechnung wird die in Tabelle 4 dargestellte Verteilung angenommen.
2.2.4 MBA Vorketzin
Die Märkische Entsorgungsanlagen-Betriebsgesellschaft mbH
errichtet im Land Brandenburg zur Umsetzung der Ablagerungsverordnung an den Standorten Schöneiche und Vorketzin
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tpa municipal waste with the aim of producing substitute fuel. The
plants are scheduled to go into operation on 1.6.2005 and
1.6.2006. The plants are similar in terms of their process engineering (in this context, see also Blöcher). For the following model study, based on an assumed constant input (Berlin residual
waste), the same distributions of the mass flows are assumed for
the two plants (Table 3).
2.2.3 Mechanical processing plant in Wilmersdorf
At the Wilmersdorf site the Otto-Rüdiger Schulze GmbH & Co. KG
has operated a substitute fuel processing plant with an annual
capacity of 100,000 t since 2000. High- and low-calorific waste
components are separated in the plant. The components of the
high-calorific fraction are processed into refuse derived fuels (see
also Schröder). The low-calorific fraction must undergo further biological treatment at other sites. Details on the mass balance are
specified in the waste management concept for the Land of Berlin.
For further calculations, the distribution shown in Table 4 is
assumed.
2.2.4 Mechanical-biological treatment plant in
Vorketzin
To comply with the waste storage ordinance, the Märkische
Entsorgungsanlagen-Betriebsgesellschaft mbH is setting up two
plants for the mechanical-biological treatment of municipal waste
at the sites Schöneiche and Vorketzin. The plants are divided into
a mechanical section and in a biological treatment section (see
also Müller). Municipal waste from Berlin will be treated at the Vorketzin plant from June 2005. At the same time, the low-calorific
27
Tabelle 4: Massenströme und Verteilung MA Wilmersdorf
Table 4: Mass flows and distribution for MP Wilmersdorf
Ersatzbrennstoff
Refuse derived fuel
Niederkalorik
Einheit
Verteilung
Verbleib
Unit
Distribution
Location
%
50.5
%
33.0
%
4.4
Zementwerk Rüdersdorf
Rüdersdorf cement works
Zur biologischen Behandlung
zur MBA Vorketzin oder MBA Schöneiche
For biological treatment to MBT
Vorketzin or MBT Schöneiche
Verwertung Schrotthandel
Produkt
Utilization in scrap trading
Product
Trocknungsverlust
Atmosphäre
Drying loss
Atmosphere
Low-calorific
Metalle
(Fe- und NE-Metalle)
Metals
(Fe and NF metals)
Differenzverlust
über Atmosphäre
Differential loss via
atmosphere
%
12.1
zwei Anlagen zur mechanisch-biologischen Siedlungsabfallbehandlung. Die Anlagen gliedern sich in einen mechanischen Teil
und in eine biologische Behandlungsstufe (siehe auch Müller). Am
Standort Vorketzin werden ab Juni 2005 Berliner Siedlungsabfälle behandelt. Gleichzeitig wird der niederkalorische Teilstrom aus
der mechanischen Aufbereitungsanlage Wilmersdorf dort zur biologischen Stabilisierung bis zur Ablagerungsfähigkeit weiterbehandelt (Tabelle 5).
Das niederkalorische Material aus der MA Wilmersdorf wird nur
in den biologischen Teil der Anlage und nicht in die Ersatzbrennstoffseparierung rückgeführt. Daher müssen für die Model-
Annahmen zum
Verbleib in den Senken
Assumptions rel location
in the sinks
substream from the mechanical processing plant Wilmersdorf will
be further treated there to ensure its biological stabilization and
make it suitable for landfilling (Table 5).
The low-calorific material from the MP Wilmersdorf is only recirculated to the biological part of the plant and not to the refuse
derived fuel separation section. For modelling with the matrix
method therefore, the mechanical processing and the biological
treatment must be regarded as two separate sub-steps with their
specific transfer coefficients. In this connection, it is assumed that
in the biological treatment there is only one transfer into the
atmosphere and into the composted material for landfilling.
Tabelle 5: Massenströme und Verteilung MBA Vorketzin
Table 5: Mass flows and distributions for MBT Vorketzin
Ersatzbrennstoff
Einheit
Verteilung
Verbleib
Unit
Distribution
Location
%
46.4
Kraftwerk Jänschwalde und
Zementwerk Rüdersdorf
Rüdersdorf cement works
%
4.4
Verwertung Schrotthandel
Produkt
Utilization in scrap trading
Product
Deponierung Schöneiche oder Vorketzin
Deponieklasse 2
Landfill Schöneiche or Vorketzin
Landfill class 2
Thermische Beseitigung,
z. B. SVA Schöneiche, MVA Hamburg
Trocknungsverlust
Zur Vereinfachung wird eine
Rückführung in die MVA
Ruhleben angenommen
For simplification,
a recirculation to
WI Ruhleben is assumed
Atmosphäre
Drying loss
Atmosphere
Refuse derived fuel
Metalle
(Fe- und NE-Metall)
Metals
(Fe and NF metals)
Biologisch stabilisierte
Fraktion
Biologically stabilized
fraction
Störstoffe (Summe
Stör- und Schwerstoffe)
Contaminants (sum of
contaminants and
heavy materials)
Differenzverlust
über Atmosphäre
Differential loss via
atmosphere
28
%
%
34.7
2.7
Thermal disposal,
e. g. SWI at Schöneiche, WI Hamburg
%
11.8
Annahmen zum
Verbleib in den Senken
Assumptions relocation
in the sinks
AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 6
Tabelle 6: Verteilung der in Berlin produzierten Ersatzbrennstoffmengen auf die Verwertungsanlagen
Table 6: Distribution of the substitute fuels product over the plants utilizing them
Einheit
MPS BerlinReinickendorf
(ALBA)
MPS BerlinPankow
(ALBA)
Unit
MPT BerlinReinickendorf
(ALBA)
%
Anteil an produziertem
Ersatzbrennstoff vom
behandelten Restabfall
Percentage of refuse
derived fuel produced
from the residual waste
Verbleib des Ersatzbrennstoffs
Location of the refuse derived fuel
Kraftwerk Jänschwalde
Jänschwalde power plant
Rüdersdorf
EnVA Premnitz
MBA Vorketzin
(MEAB)
MPT BerlinPankow
(ALBA)
Mechanische
Aufbereitung
Wilmersdorf
(Otto-Rüdiger Schulze)
Mechanical processing
Wilmersdorf
(Otto-Rüdiger Schulze)
55
55
51
46
%
44
100
0
0
%
%
56
0
0
0
100
0
0
100
lierung mit dem Matrixansatz die mechanische Aufbereitung und
die biologische Behandlung als zwei getrennte Teilschritte mit
ihren Transferkoeffizienten berücksichtigt werden. Dabei wird
angenommen, dass in der biologischen Behandlung nur ein Transfer in die Atmosphäre und in das Rottegut zur Deponierung stattfindet.
2.2.5 Verwertungsanlagen für Ersatzbrennstoff
Für die produzierten Ersatzbrennstoffmengen bestehen in Brandenburg verschiedene Verwertungsoptionen. Aktuelle Berechnungen der BSR gehen von der Verteilung der Ersatzbrennstoffmengen in (Tabelle 6) aus.
2.2.6 Transferverhalten in Verwertungsanlagen für
Ersatzbrennstoff
Kraftwerk Jänschwalde
Das brandenburgische Kraftwerk Jänschwalde hat eine installierte Leistung von 3.000 Megawatt (MW) und besteht aus sechs
500-MW-Blöcken. In dem Braunkohlekraftwerk mit Staubfeuerung
werden aktuell 150.000 t/a Ersatzbrennstoffe eingesetzt. Die Kapazität soll auf 450.000 t/a erhöht werden. Als Kraftwerksneben-
AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 6
MBT Vorketzin
(MEAB)
2.2.5 Plants utilizing refuse derived fuels
In Brandenburg, various options are available for utilizing the
quantities of refuse derived fuels produced. Current calculations
of the BSR are based on the following distribution of the quantities of refuse derived fuels (Table 6).
2.2.6 Transfer behaviour in plants utilizing substitute
fuels
Jänschwalde power plant
The Jänschwalde power plant in Brandenburg has an installed
power of 3,000 megawatt (MW) and consists of six 500-MW
units. In the lignite-fuelled plant with pulverized coal firing,
150,000 t/a substitute fuel are currently used. There are plans to
increase the capacity to 450,000 t/a. As power plant by-products,
ash and flue gas desulphurization gypsum are produced, both of
which are fully utilized. The ash content of the waste used (here
estimated with 20 wt. % ash content in the refuse derived fuel)
remains in the lignite ash from the dust firing. Based on the complete ash utilization, for the utilization process in the power station a transfer of 20 % into products and of 80 % into the atmosphere were assumed.
29
produkte fallen Aschen und REA-Gips an, die beide vollständig verwertet werden. Der Aschegehalt eingesetzter Abfälle (hier mit
20 Gew.-% Aschegehalt im Ersatzbrennstoff geschätzt) verbleibt
in den Braunkohleaschen aus der Staubfeuerung. Unter der
Annahme der vollständigen Ascheverwertung wurde für den Verwertungsprozess im Kraftwerk ein Transfer von 20 % in Produkte und von 80 % in die Atmosphäre angenommen.
Zementwerk Rüdersdorf
Im Zementwerk der Rüdersdorfer Zement GmbH, die 1990 in die
Readymix-Baustoffgruppe aufgenommen wurde, werden jährlich
etwa 2,5 Mio. t Zement hergestellt. Der überwiegende Teil der
Produktionskapazität entfällt auf die Ofenlinie 5, die nach dem
Trockenverfahren mit einem fünfstufigen Zyklonvorwärmer und
einem Kalzinator arbeitet. In den Zementherstellungsprozess ist
eine zirkulierende Wirbelschicht-Vergasungsanlage integriert, die
es ermöglicht, unterschiedliche Ersatzbrennstoffe und Sekundärrohstoffe energetisch und stofflich zu verwerten. Die Abfälle werden im Wirbelschichtreaktor bei einer Temperatur von etwa
950 °C und unterstöchiometrischer Luftzufuhr zu Schwachgas
und Bettasche umgesetzt. Das Schwachgas wird als Brennstoff der
Kalzinatorfeuerung zugeführt. Die aus den mineralischen Abfallbestandteilen gebildete Asche wird dosiert als Rohstoffkomponente eingesetzt und damit schließlich in den Klinker eingebunden. Analog der Betrachtung für den Ascheverbleib im Kraftwerk
Jänschwalde wurde für den Verwertungsprozess im Zementwerk
ein Transfer des Ersatzbrennstoffs von 20 % in Produkte und von
80 % in die Atmosphäre angenommen.
Aktuell werden etwa 120.000 t/a hochkalorischer Abfall in
Rüdersdorf eingesetzt, die Menge soll perspektivisch auf
200.000 t/a erhöht werden. Der Einsatz des Abfalls in der
zirkulierenden Wirbelschicht ermöglicht eine größere Spannweite in den Abfalleigenschaften bezüglich Heizwert und Wassergehalt.
Energetische Verwertungsanlage Premnitz
Die Energieversorgung Premnitz GmbH (EnVP) betreibt ein Industriekraftwerk zur Versorgung von Industriekunden und der Stadtwerke Premnitz mit Wärme, Elektroenergie, Druckluft und Kälte.
Im Rahmen der Modernisierung und Optimierung des Standorts
sollen zwei mit Ersatzbrennstoff beheizte Dampfkessel mit einer
Dampfmenge von 30 t/h neu errichtet werden. Die Anlage ist
gemäß den Anforderungen der 17. BImschV geplant und genehmigt. Das Verfahren kann exemplarisch für weitere Konzepte zur
Monoverbrennung von Ersatzbrennstoffen nach der 17. BImschV
angesehen werden. Der prinzipielle Verfahrensablauf ist einer
Müllverbrennungsanlage ähnlich. Da der eingesetzte Ersatzbrennstoff sich im Aschegehalt unterscheidet, verändern sich
allerdings die Transferfaktoren. Angenommen wurde entsprechend dem Aschegehalt ein Schlackeanfall von 20 %, der wie
andere thermisch inertisierte Abfälle in der Deponieklasse 0 verbleibt. Der Anteil an Abgasreinigungsrückständen wurde wie in
der MVA Ruhleben mit 2,5 % angesetzt (Verbleib Untertagedeponie), die restlichen 77,5 % werden in die Atmosphäre transferiert.
2.3 Input-Output-Tabelle
Aus der Anlagenbeschreibung in Abschnitt 2.2 und der Zuweisung
produzierter Ersatzbrennstoffe zu Verwertungsanlagen ergibt sich
die in Tabelle 7 gezeigte Input-Output-Matrix für das Restabfallentsorgungssystem des Landes Berlin. In der dargestellten Form
ist sie als transponierte Verteilungsmatrix At zu verstehen, bei der
jede Zeile aus den Transferkoeffizienten eines Behandlungsprozesses besteht. Dies ist zunächst nur die massenbezogene Verteilungsmatrix. Analog kann aus stoffbezogenen Transferkoeffizienten die Verteilungsmatrix für einzelne Stoffe, z. B. Quecksilber,
Cadmium u.ä. bestimmt werden.
30
Rüdersdorf cement factory
In the cement factory of the Rüdersdorfer Zement GmbH, which
was taken over by the Readymix building materials group in 1990,
around 2.5 mill. tonnes of cement are produced per year. The
main part of the production capacity is covered by kiln line 5,
which operates based on the dry process with a five-stage cyclone
preheater and a calcinator. Integrated in the cement production
process is a circulating fluidized bed gasifier, which enables the
energy and material utilization of various refuse derived fuels and
secondary raw materials. In the fluidized bed reactor, at a temperature of around 950° C and with substoichiometric air supply,
the waste is converted to lean gas and bed ashes. The lean gas is
fed to the calcinator as a fuel. The ash, which is formed from mineral waste components, is metered as a raw material component
and then incorporated into the clinker. Like for the study regarding the ash location in the Jänschwalde Power Plant, for the utilization process in the cement factory a transfer of the refuse
derived fuel of 20 % into the products and 80 % into the atmosphere was assumed.
At present, around 120,000 t high-calorific waste per year is used
in Rüdersdorf, as a future perspective, this quantity is to be
increased to 200,000 t/a. The use of the waste in the circulating
fluidized bed enables the utilization of waste with a wider range
of properties in respect of its calorific value and water content.
Waste-to-energy plant in Premnitz
Energieversorgung Premnitz GmbH (EnVP) operates an industrial power plant to supply industrial customers and the public utilities of the Stadtwerke Premnitz with heat, electrical energy, compressed air and refrigeration. As part of the modernization and
optimization of the site, two steam boilers heated with refuse
derived fuel and with a stream generating capacity of 30 t/h are
to be newly installed. The plant has been planned and approved
in accordance with the requirements of Germany’s 17th Federal
Immission Control Ordinance. The process can be regarded as a
model for further concepts for the mono-combustion of substitute
fuels in compliance with the 17th Federal Immission Control Ordinance. The basic process flow is similar to a waste incineration
plant. As the substitute fuel used varies in its ash content, the
transfer factors, however, do change. Assumed was a slag content
of 20 % (corresponding to the ash content), which like other thermally inertized waste is located in landfill class 0. As for the WI
Ruhleben, the percentage of the flue gas purification residue was
set as 2.5 % (location: underground repository), the remaining
77.5 % are transferred into the atmosphere.
2.3 Input-Output Table
From the plant description in Section 2.2 and the allocation of
produced substitute fuels to plants for their utilization, the inputoutput matrix shown in Table 7 can be compiled for the residual
waste disposal system of the Berlin Land. In the form shown,
Table 7 can be understood as the transposed transfer matrix At,
in which every row consists of the transfer coefficients of a treatment process. This initially represents only the mass-specific transfer matrix. Similarly, based on material-specific transfer coefficients, the transfer matrix for individual materials, e. g. mercury,
cadmium or similar, can be determined.
The transfer matrix only contains specific coefficients of every
process, without reference to the allocation of primary waste mass
flows to the disposal processes. The allocation of the forecast residual waste quantity of 983,000 t/a to the disposal plants has been
published as the result of the Europe-wide competition for the disposal of Berlin’s waste in the waste management concept for the
Land Berlin in accordance with Table 8. As only one type of
waste (residual waste) is taken into account in this model calculation, the transposed waste quantity matrix Ft has one
column.
AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 6
Tabelle 7: Massenbezogene Input-Output-Tabelle für das Berliner Restabfall-Entsorgungssystem
Table 7: Mass-specific input-output table for the Berlin disposal system
MVA Ru
WI Ru
MPS Re
MPT Re
MPS Pa
MPT Pa
MA Wi
MP Wi
MBA Vo m
MBT Vo m
MBA Vo b
MBT Vo b
K Jä
PP Jä
Z Rü
CW Rü
EnVA
EnVa
Atmos
Atmos
DK 2
LC 2
DK 0
LC 0
UTD
UR
Prod
Prod
Summe
Total
MVA
Ru
WI
Ru
Behandlungsverfahren/Treatment processes
MPS
MPS
MA
MBA
MBA
Re
Pa
Wi
Vo m Vo b
K Jä
MPT
MPT
MP
MBT
MBT
Re
Pa
Wi
Vo m
Vo b
K Jä
Senken/Sinks
Z Rü
EnVA
Atmos
DK 2
DK 0
UTD
Prod
Z Rü
EnVa
Atmos
LC 2
LC 0
UR
Prod
0.00
0.00
0.00
0.00
0.03
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.33
0.47
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.24
0.55
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.31
0.00
0.51
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.46
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.69
0.27
0.27
0.12
0.00
0.25
0.80
0.80
0.78
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.13
0.13
0.00
0.00
0.75
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.27
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.20
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.03
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.03
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.02
0.06
0.06
0.05
0.04
0.00
0.20
0.20
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
Summe in den Spalten ist 1, jede Spalte besteht aus den Transferkoeffizienten in die
Prozesse und Senken
Total in the columns is 1, each column consists of the transfer coefficients in the process
and sinks
Die Verteilungsmatrix enthält nur spezifische Koeffizienten jedes
Prozesses – ohne Bezug auf die Zuweisung von primären Abfallmengenströmen zu den Entsorgungsprozessen. Die Zuweisung
der prognostizierten Restabfallmenge von 983.000 t/a zu den Entsorgungsanlagen ist als Ergebnis der europaweiten Ausschreibung
der Berliner Abfälle im Abfallwirtschaftskonzept für das Land Berlin entsprechend Tabelle 8 veröffentlicht worden. Da in diesem
Rechenbeispiel nur eine Abfallart (Restabfall) betrachtet wird, hat
die transponierte Abfallmengenmatrix Ft eine Spalte.
3. Results
3. Ergebnisse
X = I – At
Im Folgenden werden ausgewählte Ergebnisse zu den Massen-,
Stoff- und Energieströmen des Berliner Restabfall-Entsorgungssystems vorgestellt.
3.1 Massenströme
Wie in Abschnitt 1.2 erläutert, lässt sich die kumulierte Abfallmengenmatrix aus der Multiplikation der inversen Abfallverteilungsmatrix mit der Abfallmengenmatrix berechnen.
(
X = I – At
)
−1
⋅ Ft
AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 6
Null, da keine direkte Emission in die
Senken stattfindet
Zero as there is no direct emission into the
sinks
In the following, selected results are presented regarding the mass,
material and energy flows of Berlin’s residual waste disposal system.
3.1 Mass flows
As explained in Section 1.2, the cumulative waste quantity matrix
can be calculated from the multiplication of the inverse waste
transfer matrix with the waste quantity matrix.
(
)
−1
⋅ Ft
For the further evaluation, the following aspects have to be taken from the cumulative waste quantity matrix: Location in the
sinks – absolute and percentual distribution of the primary waste
volume to the sinks (atmosphere, landfills of class 0, 2 and 4 as
well as location in products); secondary waste quantity – secondary waste results from the difference between the primary
waste volume F and the cumulative waste quantities X. As a
restriction, only solid wastes are regarded as secondary waste. For
this reason, the mass flows that go into the atmosphere and into
products should not be regarded as secondary waste.
31
Tabelle 8: Zuweisung der Primärabfälle zu den Entsorgungsanlagen
Table 8: Allocation of the primary waste to the treatment plants
Primärabfallmenge t/a
Primary waste quantity t/a
MVA Berlin-Ruhleben
WI Berlin-Ruhleben
Mechanisch-Physikalische Behandlung Berlin-Reinickendorf (ALBA)
Mechanical-physical treatment Berlin-Reinickendorf (ALBA)
Mechanisch-Physikalische Behandlung Berlin-Pankow (ALBA)
Mechanical-physical treatment Berlin-Pankow (ALBA)
Mechanische Aufbereitung Wilmersdorf (Betreiber Otto-Rüdiger Schulze)
MP Wilmersdorf (operated by Otto-Rüdiger Schulze)
Mechanisch-Biologische Restabfallbehandlung Vorketzin (MEAB)
Mechanical-biological residual waste treatment Vorketzin (MEAB)
Kraftwerk Jänschwalde
Power plant Jänschwalde
Zementwerk Rüdersdorf
Cement factory Rüdersdorf
Energetische Verwertungsanlage
Waste-to-energy plant
Atmos
Atmos.
DK 2
LC 2
DK 0
LC 0
UTD
UR
Prod
Prod
Summe
Total
520.000
129.000
160.000
100.000
74.000
0
0
0
0
0
0
0
0
983.000
Quelle: Senatsverwaltung für Stadtentwicklung Berlin (Hrsg.): Abfallwirtschaftskonzept für das Land Berlin, Juli 2004
Source: Senate Administration for Urban Development Berlin (publisher): Waste Management Concept for the Berlin Land, July 2004
Für die weitere Auswertung sind die nachfolgend aufgeführten
Aspekte der kumulierten Abfallmengenmatrix zu entnehmen: Verbleib in den Senken – absolute und prozentuale Verteilung des
primären Abfallaufkommens auf die Senken (Atmosphäre, Deponien der Klasse 0, 2 und 4 sowie Verbleib in Produkten); Sekundärabfallmenge – Sekundärabfälle ergeben sich aus der Differenz
vom primären Abfallaufkommen F und den kumulierten Abfallmengen X. Zur Einschränkung werden als Sekundärabfälle nur
feste Abfälle betrachtet. Daher sind die Massenströme mit Verbleib
in der Atmosphäre und in Produkten nicht als Sekundärabfall
anzusehen.
Tertiärabfallmenge: Dabei handelt es sich um die Summe der
tatsächlich zur Beseitigung in Form einer Ablagerung verbleibenden Abfallströme. Diese Menge ergibt sich aus der Summe der
Zeilen Deponieklasse 0, Deponieklasse 2 und Deponieklasse 4 der
kumulierten Mengenmatrix X.
Für die Berliner Fragestellung ist besonders die Menge der produzierten Ersatzbrennstoffe wichtig. Diese ergibt sich aus der Summe des Verbleibs in allen Anlagen zur energetischen Verwertung
(Kraftwerk Jänschwalde, Zementwerk Rüdersdorf und energetische Verwertungsanlage Premnitz).
In der ersten Spalte der Tabelle 9 sind die Ergebnisse dieser
Berechnungen für die nach dem Abfallwirtschaftskonzept vorgesehene Zuweisung der Abfallmengen zu Entsorgungsanlagen
(Tabelle 8) als Entsorgungsszenario Berlin 2005 dargestellt. Von
den 983.000 t Restabfall/a werden knapp 660.000 t (67 %) in die
Atmosphäre transferiert und gut 75.000 t (8 %) verbleiben in Produkten wie Metalle, Zement und Kraftwerksaschen zur Verwertung. Etwa ein Viertel des Abfalls muss nach allen Behand-
32
Tertiary waste quantity: this is the sum of the waste flows remaining for actual disposal by landfilling. This quantity results from the
sum total of the rows Landfill class 0, Landfill class 2 and Landfill
class 4 of the cumulative quantity matrix X.
For the Berlin situation, the quantity of refuse derived fuels produced is particularly important. This is given by the sum of the
waste location in all plants for waste-to-energy utilization (Jänschwalde Power Plant, Rüdersdorf Cement Factor and Waste-toEnergy Plant Premnitz)
In the first column of Table 9, the results of these calculations are
shown for the allocation of waste quantities to disposal plants
(Table 8) in accordance with the disposal scenario for Berlin 2005.
Of the 983,000 t residual waste per year, just under 660,000 t
(67 %) are transferred into the atmosphere and a good 75,000 t
(8 %) go into products such as metals, cement and power plant
ashes for utilization. Around a quarter of the waste has to be landfilled after all treatment stages, the 150,000 t/a of thermally inertized waste accounting for the largest part.
With the option for varying the waste quantity allocation
with matrix F in the matrix model, the influence of individual treatment paths can be demonstrated very easily. Further, it shows
how the cumulative mass flows change if the total quantity of
983,000 t/a residual waste is hypothetically allocated to one disposal plant.
The following information can be derived from Table 9.
• The secondary waste quantity is strongly dependent on the
number of the process steps.
• The quantity of tertiary waste, i.e. the solid materials remaining
for landfill storage, differs according to the different location in
AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 6
Tabelle 9: Verteilung des Berliner Restabfalls auf Senken
Table 9: Distribution of Berlin’s residual wasste to sinks
Entsorgungsszenario
Berlin 2005
Disposal scenario
Berlin 2005
Verteilung auf
die Senken
Distribution
to sinks
Atmos
Atmos
DK 2
LC 2
DK 0
LC 0
UTD
UR
Prod
Prod
Summe
Total
EBS-Menge
RDF qty
Sekundärabfallmenge
Sec.
qty
Teritärabfälle
Tert. waste
Transportleistung
tkm/t
Transp.
demand
tkm/t
Einzelbetrachtung der Entsorgungswege
(Annahme Verteilung des Primäraufkommens 100 % in Anlage)
Individual study of disposal paths
(Assumed distribution of the primary waste qty 100 % in plant)
MVA / WI
MPS R / MPT R
MPS P / MPT P
MBA / MBT
MA / MP
t/a
%
t/a
%
t/a
%
t/a
%
t/a
%
t/a
%
658 927
67
675 427
69
694 366
71
694 366
71
487 717
50
597 410
61
86 718
9
0
0
123 858
13
123 858
13
341 101
35
242 072
25
147 561
15
264 654
27
529
0
529
0
98 368
10
0
0
13 923
1
24 575
3
49
0.01
49
0
12 066
1.2
9
0.0
75 871
8
18 345
2
164 198
17
164 198
17
43 747
4
143 518
15
983 000
983 000
983 000
983 000
983 000
983 000
243 786
0
540 650
540 650
456 112
496 415
527 563
54
289 229
29
667 052
68
667.052
68
934 188
95
1 062 877
108
248 201
25
289 229
29
124 436
13
124 436
13
451 535
46
242 072
25
88
46
94
lungstufen deponiert werden, wobei die thermisch inertisierten
Abfälle mit 150.000 t/a dabei den größten Anteil haben.
Mit dem Matrixansatz kann durch die Variationsmöglichkeit der
Abfallmengenzuweisung mit der Matrix F sehr einfach der Einfluss
einzelner Behandlungswege aufgezeigt werden. Weiterhin ist zu
entnehmen, wie sich die kumulierten Mengenströme verändern,
wenn die Gesamtmenge von 983.000 t/a Restabfall hypothetisch
einer Entsorgungsanlage zugewiesen werden würde.
Aus Tabelle 9 lassen sich folgende Aussagen ableiten:
• Die Sekundärabfallmenge ist stark von der Anzahl der Prozessschritte abhängig.
• Die Menge der Tertiärabfälle, also die zur Ablagerung verbleibende Feststoffmenge, unterscheidet sich entsprechend dem
unterschiedlichen Verbleib im Produkt je nach Verwertungsweg
für den Ersatzbrennstoff. Weiterhin spielt die Art der Behandlung eine Rolle. Da bei biologischen Verfahren nicht die gesamte organische Substanz oxidiert und damit in die Atmosphäre
transferiert wird, ist die Tertiärabfallmenge bei Entsorgungsoptionen mit Deponierung biologisch vorbehandelter Abfälle
(Deponieklasse 2) höher.
• Der Verbleib im Produkt ist im geringen Maße von der Menge
ausgeschleuster Metalle abhängig. Viel stärker wirkt sich die Art
der Ersatzbrennstoffverwertung aus – z. B., ob der Ascheanteil
des Ersatzbrennstoffs im Zement verbleibt oder als Verbrennungsrückstand einer Monoverbrennungsanlage deponiert
wird.
AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 6
140
115
195
the product, depending on the utilization path for the substitute fuel. Further, the type of treatment plays a role. As, in
biological processes, not the entire organic substance is
oxidized and thus transferred into the atmosphere, the quantity of tertiary waste is higher for disposal options with the landfilling of biologically pre-treated waste (Landfill class 2).
• The location in the product is to a small extent dependent on
the quantity of extracted metals. The type of refuse derived fuel
utilization has a much stronger effect, e.g. whether the ash fraction of the refuse derived fuel is located in the cement or is
landfilled as combustion residue from a mono-combustion
plant.
• The cumulative transport demand in tonne-kilometre per tonne
of residual waste correlates with the quantity of secondary waste,
and therefore in particular with the number of process steps.
As so far only few possibilities are available for the utilization of
refuse derived fuels, the estimates regarding the distances are subject to uncertainty owing to the indefinite allocation of the quantity of substitute fuel to the utilization plants. On the other hand,
based on the assumed allocation in Table 6, the percentage of the
transport of the substitute fuels to the utilization plant is significant. For example, the cumulative transport demand for the MPT
plant in Pankow is almost 50 tkm/t residual waste higher than in
Reinickendorf as the refuse derived fuel produced is not only used
in the Rüdersdorf Cement Factory, but to a large extent in the
lignite-fuelled Jänschwalde Power Plant, which lies further away.
33
Stoffbilanz MVA
WI material balance
C
ad
C mi
ad u
m ml
iu /
m
Q
ue
ck
s
M ilb
er er
cu l /
ry
N
ic
N ke
ic l /
ke
l
C Ch
hr r
om om
iu /
m
B
Le lei
ad /
Ku
C pf
op er
pe /
r
Zi
n
C k/
in
c
C Ch
hl lo
or r
in /
e
Load based on
residual waste t/a
Energy 1,000 GJ/a
En
e
En rgi
er e /
gy
Fracht durch
Restabfall t/a
Energie 1.000 GJ/a
Analyse
Analysis
Bild 3: Stoff- und Energiepotenziale im Berliner Restabfall
Fig. 3: Potential materials and energy in Berlin’s residual waste
• Die kumulierte Transportleistung in Tonnenkilometer je Tonne
Restabfall korreliert mit der Sekundärabfallmenge und damit
besonders mit der Anzahl der Prozessschritte.
Da bislang nur wenige Verwertungsmöglichkeiten für Ersatzbrennstoffe bestehen, sind die Schätzungen zu den Entfernungen
wegen unklarer Zuweisung der Ersatzbrennstoffmenge zu Verwertungsanlagen mit einer Unsicherheit behaftet. Andererseits ist
der Anteil des Transports der Ersatzbrennstoffe zur Verwertungsanlage bei der angenommenen Zuweisung gemäß Tabelle 6 signifikant. Beispielsweise liegt die kumulierte Transportleistung bei
der MPS-Anlage in Pankow um fast 50 tkm/t Restabfall höher als
in Reinickendorf, da der erzeugte Ersatzbrennstoff nicht nur im
Zementwerk Rüdersdorf, sondern zu erheblichem Anteil auch im
weiter entfernt gelegenen Braunkohlekraftwerk Jänschwalde verwertet wird.
3.2 Stoff- und Energieströme
Das bislang vorgestellte Modell kann mit Hilfe der Verknüpfungen
aus den Prozessverflechtungen die Massenströme im Entsorgungssystem „Restabfallentsorgung“ in Berlin berechnen. Um diesen Ansatz um Stoff- und Energieströme zu erweitern, müssen die
Stoff- und Energiefracht aus dem Restabfall bekannt sein. Diese
ergeben sich aus der bekannten Restabfallmenge von 983.000 t/a
und der Konzentration der Elemente sowie dem Heizwert.
Die Bestimmung von Spurenelementen wie Schwermetallen ist
bei heterogenen Abfallströmen wie Restabfall mit großen Unsicherheiten behaftet. Zwischen 2002 und 2003 wurden im Auftrag
der Berliner Stadtreinigungsbetriebe im Zusammenhang mit der
Sortieranalyse auch Schwermetallgehalte für einzelne Korngrößen
ermittelt. Über die Korngrößenverteilung kann der mittlere
Schwermetallgehalt im Restabfall berechnet werden.
Weiter kann der Schwermetallgehalt der Berliner Restabfälle auch
über die Bilanzierung der Verbrennungsanlage Ruhleben ermittelt
werden, da dort fast ausschließlich Restabfälle zur Beseitigung verbrannt werden. Für die stoffliche Zusammensetzung von Schlacke,
Reaktionsprodukten aus der Abgasreinigung und dem Reingas liegen Ergebnisse aus der Betriebsanalytik vor, die Schwermetall-
34
3.2 Material and energy flows
Based on the links from process interactions in the model presented so far, it is possible to calculate the mass flows in the disposal system for residual waste disposal in Berlin. To add material and energy flows to this model, the material and energy loads
in the residual waste must be known. These result from the known
quantity of residual waste of 983,000 t/a and the concentration
of the elements as well as the calorific value.
The determination of trace elements such as heavy metals in heterogeneous waste flows such as residual waste is subject to considerable uncertainty. Between 2002 and 2003, in a sorting analysis conducted by order of Berlin’s municipal sanitation authorities,
the heavy metal contents for individual particle sizes were determined. Based on the particle size distribution, the average heavy
metal content in the residual waste can be calculated.
Further, the heavy metal content of Berlin’s residual waste can also
be determined based on the balance of the Ruhleben incineration
plant as there almost exclusively residual waste is incinerated for
the purpose of disposal. For the material composition of slag, reaction products from flue gas purification and the cleaned gas,
results from operating analyses are available, the heavy metal contents in the scrap were estimated on the basis of values in the relevant literature. For the year 2003, for example, the heavy metal content in the raw waste was calculated.
In Fig. 3 the calculated material and energy flows are shown. It
can be clearly seen that there are significant differences in the estimated loads – particularly for copper, cadmium and mercury –
between the chemical analysis of the raw waste and the material balance of the incineration plant.
Despite the differences between the two calculation methods,
which can certainly be regarded as a margin of uncertainty, it is
clear that the heavy metal fractions are significant, e. g. 0.5 to
8 t of cadmium, 100 to 200 t lead or 230 to 700 t of zinc. The
ultimate location of these fractions in sinks is of great importance.
In the next step, the material-related transfer coefficients for all
plants must be determined. As not operating data are available as
yet for the processing plants, such an estimate can only be
AUFBEREITUNGS TECHNIK 46 (2005) Nr. 6
gehalte im Schrott wurden mit Werten aus dem Schrifttum abgeschätzt. So wurde für das Jahr 2003 der Schwermetallgehalt im
Rohabfall berechnet.
In Bild 3 werden die berechneten Stoff- und Energieströme
gezeigt. Hier wird deutlich, dass zwischen der chemischen
Analyse des Rohabfalls und der Stoffbilanz an der Verbrennungsanlage besonders für Kupfer, Cadmium und Quecksilber
bedeutende Unterschiede in den geschätzten Frachten bestehen.
Trotz der Unterschiede zwischen beiden Berechnungsansätzen,
die durchaus auch als Unsicherheitsbereich angesehen werden
können, wird deutlich, dass es sich um nennenswerte Schwermetallfrachten handelt, z. B. 0,5 bis 8 t Cadmium, 100 bis 200 t
Blei oder 230 bis 700 t Zink. Ihr letztendlicher Verbleib in Senken
ist von großer Bedeutung.
Im nächsten Schritt müssen für alle Anlagen die stoffbezogenen
Transferkoeffizienten bestimmt werden. Da für die Aufbereitungsanlagen bislang noch keine Betriebsdaten vorliegen, kann
eine solche Abschätzung nur näherungsweise vorgenommen werden. Dazu können unter Kenntnis der Zusammensetzung des
Restabfalls aus Sortieranalysen Aufbereitungsverfahren modelliert
und Eigenschaften der resultierenden Produkte berechnet werden.
Die Ergebnisse lagen bei der Manuskriptlegung noch nicht vor.
approximate. For this purpose, with knowledge of the composition of the residual waste from sorting analyses, process flows can
be modelled and the properties of the resulting products can be
calculated. The results were not available when this manuscript
was prepared.
Schrifttum/References
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