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Dissertationsprojekte Michael E. Boesch
1
An LCA-based Environmental Decision Support Tool for
Waste Treatment
Stefanie Hellweg 30.04.2018
|| 30.04.2018Stefanie Hellweg 2
Lernziele
• Kennenlernen von Anwendungsbeispielen von Oekobilanzen im
Bereich „industrial ecology“
• Exkursion Holcim einordnen können
|| 3
Motivation
Grosse Energie- und Massenflüssez.B. Produktion Schweiz, 2017: 4300 kt Zement
3,4 GJ Energie pro Tonne Klinker
Rohmaterialien: 5‘000 kt (Kalkstein und Mergel)
4% der anthropogenen CO2 Emissionen
weltweit durch Zementproduktion Verbrennung Energieträger
CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O
Kalzinierung Rohstoffe
CaCO3 CaO + CO2
Stefanie Hellweg 30.04.2018
|| 30.04.2018 4
Sekundäre Ressourcen
Substitution und Ergänzung primärer Energieträger und
Rohmaterialien durch sekundäre Ressourcen
Energieträger:
• Kohle
• Heizöl
• Gas
• Klärschlamm
• Tiermehl
• Altöl
• Altreifen
• Plastik
• …
Rohmaterial:
• Kalkstein
• Mergel
• Giessereisand
• Div. Gut ausgebrannte
Aschen
• Kalkschlamm aus
Kalksteinproduktion
• Verunreinigtes Erdreich
• …Primäre Ressourcen
Sekundäre Ressourcen
Stefanie Hellweg
|| 30.04.2018 5
Entscheidungsunterstützungsinstrument
A user-friendly LCA-tool to
assess waste co-processing
compare co-processing to other waste treatment options
Co-processing
(cement kiln)Incineration
(MSWI)
LandfillingCo-processing
(blast furnace)
Stefanie Hellweg
|| 30.04.2018 6
Projektbeteiligte
Swiss Federal Office for the Environment (BAFU)
Swiss Federal Office of Energy (BfE)
Holcim HGRS
Geocycle
Voestalpine Stahl
Association of Operators of Swiss Waste Treatment
Facilities (VBSA)
University of Applied Sciences of Northwest Switzerland
(FHNW)
UNIDO
Neosys AG
Stefanie Hellweg
|| 30.04.2018 7
Motivation Behörden
Abfallbewirtschaftung
Entsorgung des Abfalls
Schutz von Mensch und Umwelt
Mit welchem Abfallbehandlungsverfahren resultiert der kleinste
Umweltschaden / grösste Nutzen?
Bösch 2010
Stefanie Hellweg
|| 30.04.2018 8
Motivation Industrie
Abfallmitverwertung in energieintensiven Industrien
(Zementindustrie, Stahlindustrie, …)
Kosten traditioneller Ressourcen (z.B. Kohle, Öl, etc.)
Umweltziele & Vorschriften (z.B. CO2 Emissionen)
Einfluss der Mitverwertung bestimmter Abfälle auf Umweltbilanz?
Vergleich zu anderen Entsorgungsoptionen?
Stefanie Hellweg
|| 30.04.2018 9
Schaden & Nutzen von Entsorgungsprozessen
Stefanie Hellweg
Überblick verschiedener Abfallbehandlungsoptionen
Schaden Nutzen
Deponie Luftemissionen (v.a. CH4),
Wasseremissionen
Landbedarf
Deponiegas (Methan)
zur
Energierückgewinnung
KVA Emissionen
Schlacke, Flugasche
Energierückgewinnung
Metallrückgewinnung
Co-Processing Emissionen
Ev. Effizienzverlust
Einsparung
traditioneller
Ressourcen;
(Emissionen)
Recycling Energie & Materialaufwand ‘Neues’ ProduktBösch 2010
|| 30.04.2018 10
Regionale Unterschiede
Stefanie Hellweg
Abfälle Prozesstechnologien
Abfallbehandlungsoptionen
|| 30.04.2018 11
Benutzerfreundliches Tool
Stefanie Hellweg
LCI
ResourcesHard coal, in ground
Crude oil, in ground
Limestone, in ground
Calcareous marl, in ground
Clay, in ground
…
EmissionsCarbon dioxide
NMVOC
Nitrogen oxides
Sulfur oxides
Dust
Heavy metals
…Wastes
Cement Production
MSWI with energy recovery
Sanitary Landfill
Pre-processing
Preparation
Co-processing
Treatment
Drying
Cleaning
Sorting
Crushing
Clinker / Cement
Electricity, heat
Landfill gas
Residues
Residues
Products
By-products
MODEL
-Kiln type
-Bypass
-Flue gas treatment
-…
-η electricity
-η heat
-Flue gas treatment
-…
-Landfillgas collection
-Flaring or energy recov.
-Waste water treatment
-…
Anwender: Behörden, Industrie, weitere Interessengruppen
(z.B. NGOs)
Selection of
-Wastes
-Treatment
options
-Technologies
LCI
and
LCIA results
INPUT OUTPUT
|| 30.04.2018 12
Goal and scope – System boundary
Cement industry: Model of clinker production
Stefanie Hellweg
Fuel
Raw material
AFR* (wastes)Clinker + additives
thermal process grinding
*AFR: Alternative Fuels and Raw materials
Cement
|| 30.04.2018 13
Massenfluss-Modell
Stefanie Hellweg
|| 30.04.2018 14
Zementofen: Long wet (outdated technology)
Stefanie Hellweg
Rotary kiln
Slurry
mill
Dust-
filter
Slurry
bassin
Cement mill
Landfill
System boundary
Fuel and raw material input
Dust
Exhaust gas
Fuel feed
Emissions
to air
Clinker
Clinker
Raw material
feed
Transfer coefficient sets
1 Kiln
2 Direct operation
2
1
Raw gas
Dust-
filter
Coal-
mill
2
Air
Silo
Bösch 2010
|| 30.04.2018 15
Zementofen: Suspension preheater
Stefanie Hellweg
Rotary kiln
Susp
en
sio
n
Pre
he
ate
r
Raw-
mill
Dust-
filter
Bypass
Dust-
filter
Silo
Cement mill
LandfillCement mill
Landfill
System boundary
Fuel and raw material input
Dust
Exhaust gas
Fuel feed
Raw material feed
(Direct
Operation)
(Co
mpo
und
Op
era
tion
)
AirAir
Clinker
Clinker (product)
1
3
42
1 Kiln
Substance flows Transfer coefficient sets
2 Bypass
3 Compound operation
4 Direct operation
Raw gas
Dust-
filter
Coal-
mill
4
Air
Silo
Bösch
2010
|| 30.04.2018 16
Inventardaten
Stefanie Hellweg
Produktionssystem
(Ofen, Rauchgasreinigung, etc.)
Zubereitung
Transport
Abfall
Vorbehandlung
Transport
Brennstoff
Produktion
Transport
Rohmaterial
Produktion
Zubereitung Zubereitung
Ressourcen
Emissionen
Massenfluss-Model
Neben-
produkte
Klinker
Emissionen
Sachbilanz (LCI)
Luftemissionen
-CO2
-NOx
-SOx
-VOC
- …
Wasseremissionen
-Cd
-Hg
-Tl
-…
Bodenemissionen
-Cd
-Hg
-Tl
-…
Ressourcenkonsum
-Kohle
-Rohöl
-Kalkstein
-Ton
-Wasser
-…
Transport
Betriebsmittel
Produktion
Ökobilanzdatenbank
Zubereitung
AbfälleBrenn-
stoffe
Roh-
material
Betriebs-
mittel
Bösch 2010
|| 30.04.2018 17
Wirkungsbilanz (LCIA)
Stefanie Hellweg
Sachbilanz (LCI)
Luftemissionen
-CO2
-NOx
-SOx
-VOC
- …
Wasseremissionen
-Cd
-Hg
-Tl
-…
Bodenemissionen
-Cd
-Hg
-Tl
-…
Ressourcenkonsum
-Kohle
-Rohöl
-Kalkstein
-Ton
-Wasser
-…
ByproductsProduktionssystem
(Ofen, Rauchgasreinigung, etc.)
Preparation
Transport
Waste
pre-processing
Transport
Fuel production
Transport
Raw material
production
Preparation Preparation
Resources
Emissions
Massenfluss-Modell
Dusts
Clinker
Emissions
Transport
Operating
materials
production
Ökobilanzdatenbank
Abfälle BrennstoffeRoh-
material
Betriebs-
mittel
Wirkungsbilanz (LCIA)
Klimaerwärmung
(Carbon footprint)
-100a
-20a
-500a
CML 2001
-Versauerung
-Eutrophierung
-Menschl. Gesundheit
-…
CED, CExD
-Fossile Energieträger
…
Ökologischer
Fussabdurck
(Ecological footprint)
-Bodennutzung
Bösch 2010
|| 30.04.2018 18
LCA4AFR – Model of clinker production
Stefanie Hellweg
Selection by user:
- Plant technology
- Fuels & Raw materials
- AFR (wastes)
+
- LCIA method
Pre-defined, but modifiable parameters
- Chemical composition of fuels, raw material, AFR
- Preparation / Pre-processing, Transport
- Efficiencies of plant components
Tool output:
- Direct plant emissions
- Life cycle emissions and
resources
- Environmental impact
|| 30.04.2018 19
Struktur
Stefanie Hellweg
Vergleich von zwei Produktionsweisen
Die Differenz (Emissionen, Ressourcen) ergibt die Umweltbelastung
des Abfall co-processing im Zementwerk
Primäre
Brenn-
stoffe
Primäres
Roh-
material
Abfall
Primäre
Brenn-
stoffe
Primäres
Roh-
material
Abfall
Bösch 2010
|| 30.04.2018 20Stefanie Hellweg
LCIA (Wirkungsbilanz)
LCI (Einstellungen)
LCI (Eingabefelder)
|| 30.04.2018 21Stefanie Hellweg
Co-Processing verschiedener Abfälle
Global Warming Potential (100a)
0
200
400
600
800
1000
944 897
100% 95%
Base case Alternative case
GWP [ kg CO2 eq.]
kg
CO
2-e
qu
ivale
nts
Operating material
demand
Pre-processing
RM resource demand
Fuel resource demand
CO, VOC emissions
CO2 calc. emissions
CO2 waste emissions
CO2 trad. emissions
Global Warming Potential (100a)
-150
-100
-50
0
50
100
Environmental impact:
-46.4 kg CO2-equivalents
kg
CO
2-e
qu
iva
len
ts
Operating material demand
Pre-processing
RM resource demand
Fuel resource demand
CO, VOC emissions
CO2 calc. emissions
CO2 waste emissions
CO2 trad. emissions
Carbon footprint (100a) Carbon footprint (100a)
Funktionelle Einheit: Produktion von 1 Tonne Klinker
10 kg gemischte Plastikabfälle
25 kg getrockneter Klärschlamm, 25 kg Altreifen, 25 kg
Hüttensand
Global Warming Potential (100a)
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Environmental impact:
-5.8 kg CO2-equivalents
kg
CO
2-e
qu
ivale
nts
Operating material demand
Pre-processing
RM resource demand
Fuel resource demand
CO, VOC emissions
CO2 calc. emissions
CO2 waste emissions
CO2 trad. emissions
Global Warming Potential (100a)
0
200
400
600
800
1000
944 938
100% 99%
Base case Alternative case
GWP [ kg CO2 eq.]
kg
CO
2-e
qu
ivale
nts Operating material
demandPre-processing
RM resource demand
Fuel resource demand
CO, VOC emissions
CO2 calc. emissions
CO2 waste emissions
CO2 trad. emissions
Carbon footprint (100a) Carbon footprint (100a)
Bösch 2010
|| 30.04.2018 22
Co-processing in verschiedenen Ofensystemen
Stefanie Hellweg
Global Warming Potential (100a)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
941 1247
100% 132%
Precalciner kiln Long wet kiln
GWP [ kg CO2 eq.]
kg
CO
2-e
qu
ivale
nts
Operating material
demand
Pre-processing
RM resource demand
Fuel resource demand
VOC, CO emissions
CO2 calc. emissions
CO2 waste emissions
CO2 trad. emissions
132%
Carbon footprint (100a)Global Warming Potential (100a)
0
200
400
600
800
1000
1200
941 1003
100% 107%
No Bypass 5% Bypass & 6% Dust
GWP [ kg CO2 eq.]
kg
CO
2-e
qu
ivale
nts Operating material
demand
Pre-processing
RM resource demand
Fuel resource demand
VOC, CO emissions
CO2 calc. emissions
CO2 waste emissions
CO2 trad. emissions
107%
Carbon footprint (100a)Eco-indicator 99
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
14.8 17.0
100% 114%
SNCR, Wet scrubber,
COR=0.85
No flue gas treatment
Ec
o-i
nd
ica
tor
po
ints
Operating material demand
Pre-processing
RM resource demand
Fuel resource demand
CO, VOC emissions
Heavy metal emissions
Dust emissions
SO2 emissions
NOx emissions
CO2 calc. emissions
CO2 w aste emissions
CO2 trad. emissions
114%
Ofentyp
Chlor-Bypass and Staubentnahme
Rauchgasreinigung
Funktionelle Einheit: Produktion von 1 Tonne Klinker Bösch 2010
|| 30.04.2018 23
Summary
Stefanie Hellweg
• Demand for LCAs in waste treatment industries from industry
and authorities
• Industry
• Improve understanding of processes
• Identify environmental hot-spots and improvement
potentials
• Communication with stakeholders
• Authorities
• Optimize waste management
• Decide on permissions to industries for treatment of wastes
• Communication with stakeholders
|| 24
Literatur
• Bösch ME, Köhler A, Hellweg S, A Model Framework for Input-
and Technology-dependent Life Cycle Assessment of Clinker
Production, Environmental Science and Technology, 43, 7578 -
7583, 2009
Stefanie Hellweg 30.04.2018