Deponiebelüftung zum Klimaschutz

1 Deponiegasemissionen und Beitrag der Deponie­belüftung zum Klimaschutz

Aus Deponien unkontrolliert entweichende Methanemissionen weisen eine hohe Klimarelevanz auf, zumal sich auch in stillgelegten Siedlungsabfalldeponien noch über Jahrzehnte Deponiegas bildet. Eine energetische Verwertung des erfassbaren Deponiegases erfolgt häufig nur etwa zehn bis 15 Jahre nach Beendigung der Abfallablagerung. Nach Abschluss der Gasverwertungsphase wird jedoch noch eine langfristige Deponierestgasbehandlung erforderlich, um eine konsequente Vermeidung von Methanemissionen mit ihren erheblichen Klimaauswirkungen zu gewährleisten. Mit einem Gaserfassungsgrad von ca. 20 bis 60 %, der auf deutschen Siedlungsabfalldeponien derzeit erzielt wird, wird dies jedoch nur in reduziertem Umfang erreicht [1]. Dagegen stellt die Deponiebelüftung bzw. aerobe In-situ-Stabilisierung eine deutlich effizientere Methode der Vermeidung von Methanemissionen dar. Durch die beschleunigte und kontrollierte aerobe Umsetzung bioverfügbarer Restorganik im Deponiekörper werden klimaschädigende Deponiegasemissionen signifikant reduziert. Außerdem ermöglicht das Verfahren einen Erfassungsgrad gering methanhaltiger Abluft von nahezu 100 % (Bild 1).

In einem zeitlichen Rahmen von ca. sechs bis acht Jahren kann die aerobe In-situ-Stabilisierung das Gasemissionspotenzial in einem Umfang reduzieren, für den bei herkömmlichen Verfahren zur Schwachgasbehandlung mehrere Jahrzehnte erforderlich werden.

2 Die Deponiebelüftung im Aktionsprogramm Klimaschutz 2020 des BMUB, Förderung durch die Nationale Klimaschutzinitiative

Das Bundeskabinett hat am 3. Dezember 2014 das Aktionsprogramm Klimaschutz 2020 beschlossen [2]. Es umfasst Maßnahmen für eine zusätzliche Minderung von 62 bis 78 Mio. t CO₂-Äquivalenten. Im Bereich der Abfall- und Kreislaufwirtschaft entfallen immerhin noch 75 % der Emissionen auf die Abfalldeponierung. Vor diesem Hintergrund wird die Deponiebelüftung als einzige Maßnahme zur Minderung der Methanemissionen in diesem Bereich ausgewiesen.

Insgesamt eignen sich mindestens 200 bis 300 der 400 ehemaligen Hausmülldeponien zur Stabilisierung. Mit der Deponiebelüftung wird im Klimaschutzprogramm eine Reduktion der Emissionen im Sektor Abfallwirtschaft um 0,5 bis 2,5 Mio. Mg CO_2Äq. pro Jahr angestrebt.

Die Anwendung der Deponiebelüftung als Klimaschutzmaßnahme wird bereits seit 2013 im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative gefördert. Die Förderung bezieht sich sowohl auf die „Potenzialanalyse“ zur Vorabschätzung des Klimaschutzbeitrags auf einem Deponiestandort bei einer Deponiebelüftung als auch auf die Förderung der hierfür erforderlichen Investitionen (Förderquote jeweils bis zu 50 %). Im September 2015 sind die Förderbedingungen aufgrund des Aktionsprogramms Klimaschutz nochmals verbessert worden [3; 4]. Damit wird noch mehr Deponiebetreibern die Möglichkeit eröffnet, die Deponiebelüftung im Rahmen der Stilllegung und Nachsorge einzu­setzen.

3 Emissionspotenziale der Siedlungsabfalldeponien

Die in Deutschland derzeit noch durch die Deponiebelüftung vermeidbare Menge an unkontrollierter Methanfreisetzung in die Atmosphäre wird auf mindestens 1 Mio. Mg CH₄ geschätzt. Weil Methan die Atmosphäre über 100 Jahre betrachtet 28-mal stärker belastet als die gleiche Menge CO₂, entspricht dies einer CO₂-Fracht von insgesamt 28 Mio. Mg. Würde bereits frühzeitig in der Gasverwertungsphase der Gaserfassungsgrad gesteigert, z. B. durch eine technische Ertüchtigung des Gaserfassungssystems, so läge die vermeidbare Emissionsfracht noch deutlich höher. Bild 2 verdeutlicht dies anhand der Deponiegasproduktion und des erfassbaren Anteils einer Deponie in der Ablagerungsphase und der Stilllegungs- sowie Nachsorgephase.

4 Deponiebelüftung: Verfahren, Anforderungen, Umsetzung

4.1 Deponiebelüftungsverfahren

Auf der Grundlage wissenschaftlicher Untersuchungen und wachsender Praxiserfahrungen der letzten 20 Jahre wird die Deponiebelüftung mittlerweile auf zahlreichen Deponien in Deutschland in unterschiedlichen Verfahrens­weisen eingesetzt [5]:

• Niederdruckbelüftung als Druck-Saugverfahren,
• Deponiebelüftung durch Übersaugung,
• Druckbelüftung ohne Absaugung mit passiver Abluftbehandlung,
• Hochdruckbelüftung.

In der Praxis werden hauptsächlich die beiden erstgenannten Verfahren genutzt. Sie müssen in der jeweils deponiespezifischen Umsetzung die Anforderungen der Deponieverordnung gemäß § 25 Absatz 4 erfüllen, was die Belüftungstechnik, Ablufterfassung und Abluftbehandlung sowie das maßnahmenbegleitende Überwachungsprogramm betrifft [6].

4.2 Anwendung der Niederdruckbelüftung

Das Grundprinzip der aeroben In-situ-Stabilisierung von Abfallablagerungen nach dem häufig eingesetzten Niederdruckbelüftungsverfahren basiert darauf, über ein parallel betriebenes Belüftungs- und Gaserfassungssystem Um­gebungsluft über Gasbrunnen in den Deponiekörper einzubringen, an anderer Stelle wieder abzusaugen und einer Abluftbehandlungsanlage zuzuführen. Die Luft- bzw. Sauerstoffverteilung erfolgt im Deponiekörper durch Konvektions- und Diffusionsvorgänge. Dadurch wird in Abhängigkeit von den gewählten Gasvolumenströmen sowie der Betriebsführung (regelmäßig wechselnde Nutzung der Gasbrunnen zur Belüftung oder Ablufterfassung) eine schrittweise Aerobisierung des gesamten Deponiekörpers er­reicht.

4.3 Umsetzung der Deponiebelüftung auf der Deponie Bornum

Die Deponie Bornum (B) im Landkreis Wolfenbüttel in Niedersachsen wird seit 2014 mit der Niederdruckbelüftung in einen emissionsarmen Zustand überführt. Die technischen Einrichtungen zur Deponiebelüftung, Ablufterfassung und -behandlung wurden mit Mitteln der Nationalen Klimaschutzinitiative gefördert. Sie bestehen aus folgenden Hauptkomponenten (Bild 3):

• Ertüchtigtes Gasfassungssystem, bestehend aus vorhandenen und nachgerüsteten Gasbrunnen und zwei neu installierten Gasverteilerstationen zur Zuluftverteilung und Ablufterfassung, Kondensatabscheidern sowie Gassammel- und Gastransportleitungen.
• Die Regelungsarmaturen und das Rohrleitungssystem in den Gasverteilerstationen sind derart gestaltet, dass jeder Brunnen sowohl zur Zuluftversorgung als auch zur Ablufterfassung eingesetzt werden kann. In jeder Gassammel­leitung werden über Messstutzen die Betriebsparameter zur Optimierung des Gasfassungs- und Belüftungssystems gemessen und über Regelklappen manuell eingestellt. Auf diese Weise werden die Gasvolumina zur Belüftung und Ablufterfassung sowie deren räumliche und zeitliche Verteilung im Deponiekörper geregelt.
• Die Gasverteilerstationen sind über zwei Hauptleitungen zur Zuluftversorgung und Ablufterfassung mit der Gasverdichterstation verbunden.
• In der Gasverdichterstation befinden sich die Einrichtungen und Aggregate zur Zuluftversorgung und Abluftabsaugung. Sie werden über Steuereinheiten, auf die auch per Datenfernübertragung zugegriffen werden kann, betrieben. Ferner ist das Gasanalysesystem im Abluftstrom installiert, sodass die Abluftzusammensetzung kontinuierlich kontrolliert und der Kohlenstoffaustrag mit der klimarelevanten Methanreduktion bilanziert werden kann. Die Verdichteraggregate zur Belüftung und Ablufterfassung einschließlich Schalt- und Steuerschränken wurden in einem mobilen Container installiert.
• Zur Abluftreinigung wird auf der Deponie Bornum im Regelbetrieb eine regenerative thermische Oxidation (RTO), hier ausgeführt in zwei Modulen als geschlossene Brennkammer, eingesetzt. Grundsätzlich können je nach Deponiebedingungen weitere Verfahren wie Deponie­schwachgasfackeln ergänzend oder alternativ eingesetzt werden.

5 Auswirkungen der Niederdruckbelüftung auf das Deponieverhalten und die Gasemissionen

Auswirkungen der Deponiebelüftung, insbesondere mit der Niederdruckbelüftung, sind:

• Im Deponiekörper erfolgt ein Wechsel von anaeroben zu überwiegend aeroben Milieubedingungen. Die Methangehalte sinken, während die Kohlendioxidgehalte aufgrund der Sauerstoffveratmung nahezu gleichbleiben.
• Der Kohlenstoffumsatz wird erheblich gesteigert.
• Im Gegensatz zu den Methanemissionen sind die Kohlendioxidemissionen als klimaneutral zu betrachten, da nur biogene Organik umgesetzt wird.
• Zum Ende der Maßnahme sind positive Auswirkungen auf die Sickerwasserbeschaffenheit zu erwarten, vor allem durch die beschleunigte Abnahme organischer und stickstoffhaltiger Inhaltsstoffe.
• Als weiterer positiver „Nebeneffekt“ wird die Haupt­setzungsphase durch die beschleunigte Umsetzung der Abfallorganik frühzeitig abgeschlossen. Die kontrollierte Vorwegnahme der Setzungen vermeidet die mittel- und langfristige Gefährdung der Oberflächenabdichtung durch setzungsbedingte Schäden.

Bild 4 zeigt die Veränderung der Gaszusammensetzung infolge der Deponiebelüftung in einem Abschnitt der Deponie Bornum.

Zu Beginn der Gasabsaugung im August 2014 traten noch Methankonzentration über 60 Vol.-% auf, die bereits in der ersten Phase der Übersaugung deutlich abnahmen. Mit Beginn der Belüftung haben die Methankonzentrationen nochmals deutlich abgenommen, da sich durch die aktive Luftzugabe zunehmend aerobe Abbauprozesse entwickeln. Das Verhältnis von Methan zu Kohlendioxid hat sich daher von ursprünglich 2 : 1 auf 1 : 3 reduziert.

In Bild 5 ist für eine Deponie (D) in Nordrhein-Westfalen der Kohlenstoffumsatz pro Monat mit einer anfänglichen herkömmlichen Gasabsaugung und Gasbehandlung mit einer Gasfackel ab März 2008 und der anschließenden schrittweisen Steigerung der Deponiebelüftung zur aero­ben In-situ-Stabilisierung ab September 2008 aufgetragen.

Im herkömmlichen Gasabsaugbetrieb unter anaeroben Milieubedingungen konnte nur noch ein Gasvolumen erfasst werden, das einer Kohlenstofffracht von 5 bis 11 Mg C/Monat entsprach. Mit Beginn der Deponiebelüftung und einer schrittweisen Steigerung der Luftzugabe konnte eine erhebliche Steigerung des Kohlenstoffumsatzes erzielt werden. Sie lag anfänglich bei 40 und 70 MgC/Monat und beträgt selbst im siebten Jahr der Belüftung noch 30 bis 40 Mg C/Monat. Diese Entwicklung bestätigt zum einen den beschleunigten und kontrollierten Kohlenstoffumsatz im Deponiekörper. Zum anderen zeigt sich nochmals, dass bei Siedlungsabfalldeponien auch nach Abschluss der Gasverwertungsphase noch beträchtliche bioverfügbare Abfallfraktionen vorhanden sind, die zur langfristigen Methanemission führen würden.

Der gesamte Kohlenstoffumsatz resultiert aus den Belüftungsraten bzw. dem aktiv zugeführten Luftsauerstoff zur Intensivierung der aeroben Abbauprozesse, den Absaug­raten und der durchschnittlichen Abluftbeschaffenheit. Der Kohlenstoffumsatz der belüfteten Deponie D lag Ende 2015 bei etwa 3 500 Mg C.

6 Klimaschutzwirkung der Deponiebelüftung

Die Deponiebelüftung führt zu überwiegend aeroben Abbaubedingungen. Sofern noch anaerobe Abbauprozesse ablaufen und es zu einer Methanbildung kommt, wird dieses Restmethan durch die Ablufterfassung und die Hochtemperaturoxidation wie in einer RTO quasi vollständig beseitigt. Von daher leistet die Deponiebelüftung einen nennenswerten Beitrag zum Klimaschutz.

Eine Abschätzung der Klimaschutzwirkung des bisherigen Belüftungsbetriebs auf der Deponie D erfolgt in Anlehnung an die IPCC¹⁾-Methodik zur Abschätzung von Methanemissionen von Deponien und folgenden Annahmen [7]:

• Ungefähr 50 % der bisher umgesetzten Kohlenstofffracht von 3 500 Mg C_bio wären unter anaeroben Milieubedingungen (ohne Deponiebelüftung) als Methan freigesetzt worden (= 1 750 Mg C_bio bzw. 2 333 Mg CH₄)²⁾.
• Methan wird vom IPCC ein klimarelevantes Treibhausgaspotenzial mit dem Faktor 28 gegenüber Kohlenstoffdioxid zugeordnet [8].

Daraus leitet sich die bisherige Vermeidung von klima­schädigenden Methanemissionen von etwa 60 000 Mg CO₂-Äquivalente infolge der Deponiebelüftung ab. In dieser vermiedenen Emissionsfracht wurde bereits der Anteil an Sekundäremissionen durch den Strombedarf zur Deponiebelüftung und eventuell unkontrolliert entweichende Restmethanemissionen berücksichtigt.

Tabelle 1 zeigt den Klimaschutzbeitrag der Deponiebelüftung weiterer abgeschlossener und derzeit laufender Deponiebelüftungsprojekte.

7 Vorgezogene Ermittlung des Methanemissionspotenzials

Zur Beantragung von Investitionsmitteln im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative ist vorab in einer Poten­zialanalyse nachzuweisen, welches Methanemissionspotenzial eine Deponie noch aufweist und dass mit der angestrebten Deponiebelüftung eine Minderung von mindestens 50 % erreicht werden kann. Aus Tabelle 1 geht hervor, dass das Ablagerungsvolumen allein keine sichere Prognose erlaubt, da sich u. a. die Art und Menge der organikhaltigen Siedlungsabfälle, der Verfüllzeitraum oder auch der Wasserhaushalt auf das Methanemissionspotenzial und das Deponieverhalten auswirken. Zur Ermittlung dieser wesentlichen Aspekte empfehlen die Autoren neben der Aufbereitung der verfügbaren Daten und Ergebnisse zum Deponieverhalten eine Bestimmung des Methanemissionspotenzials anhand von Abfallfeststoffproben, die dem Deponiekörper im Zuge von Erkundungsbohrungen entnommen werden.

In Tabelle 2 sind die Ergebnisse von Abfallfeststoffproben von sieben größeren älteren Siedlungsabfalldeponien aufgeführt, die in den letzten fünf Jahren näher untersucht wurden. Sie zeigen folgende Anteile an bioverfügbarem Kohlenstoff und maximalen Restgaspotenzialen:

• Die abgelagerten Abfälle weisen durchschnittliche Ab­lagerungszeiträume von 16 bis 31 Jahren auf.
• Der noch bioverfügbare Kohlenstoff liegt im durchschnittlichen Bereich von 8 bis 17 kg C_bio./Mg TS, was einem Anteil am gesamten Kohlenstoffgehalt von lediglich 6 bis 9 % entspricht. Einige Altdeponien können danach bald belüftet werden oder werden bereits belüftet, während auf anderen Standorten wie A und C die Gaserfassung und Gasverwertung noch über einige Jahre fortgeführt wird, bevor dort die Belüftung begonnen wird.
• Das maximale Restgaspotenzial liegt im durchschnittlichen Bereich von 15 bis 32 m³/Mg TS, was im Bereich von 10 bis 30 % des vermutlichen Deponiegaspotenzials zum Zeitpunkt der Ablagerung liegt.

Mit den Abfallfeststoffuntersuchungen wird zudem die Anforderung 2. c) gemäß § 25 Absatz 4 der Deponieverordnung hinsichtlich der Deponiebeschaffenheit erfüllt, dass relevante Mengen noch biologisch abbaubarer organischer Substanz im Deponiekörper nachgewiesen sind.

Im Rahmen einer Potenzialanalyse empfiehlt es sich zudem, ergänzende Untersuchungen zur standortbezogen geeignetsten Vorgehensweise zur Deponiebelüftung bzw. Erreichung des Klimaschutzziels vorzunehmen. Hierfür bieten sich Deponiebelüftungsversuche an, auf deren Grundlage eine technisch und wirtschaftlich geeignete Verfahrenstechnik und Betriebsweise entwickelt werden kann.

8 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Gegenüber der aktuellen Emissionssituation vieler Siedlungsabfalldeponien und der herkömmlichen Deponiegaserfassung und Gasverwertung/-beseitigung können mit der Deponiebelüftung erhebliche klimarelevante Emissionsreduktionen erreicht werden:

• Durch die Deponiebelüftung und den aeroben Abbau werden ca. 80 % der potenziellen Methanentstehung bereits im Deponiekörper vermieden.
• Der Gaserfassungsgrad beträgt nicht 20 bis 60 % (durchschnittlicher Gaserfassungsgrad auf vielen deutschen Deponien während der aktiven Gasabsaugung), sondern nahezu 100 %.
• Restmethangehalte können mit einer Hochtemperaturoxidation zur Abluftreinigung oder vergleichbaren Verfahren vollständig beseitigt werden. In einem gewissen Umfang ist dabei sogar eine energetische Verwertung der in der Abluft enthaltenen Restmethangehalte möglich.
• Der beschleunigte Abbau der Restorganik vermeidet langfristige Deponiegasemissionen (und Setzungen) über mehrere Jahrzehnte, ggf. bis zu 50 Jahren und länger.

Je nachdem, wieviel der infrage kommenden deutschen Altdeponien (und Altablagerungen) nach Beendigung der energetischen Gasverwertungsphase belüftet werden, kann ein beträchtlicher Anteil der klimarelevanten Methanemissionen von mindestens 28 Mio. Mg CO_2eq nachhaltig vermieden werden.

Daher ist die Anerkennung der Deponiebelüftung als Klima­schutzmaßnahme mit einer Investitionsförderung über die Nationale Klimaschutzinitiative des Bundesumweltministeriums zielführend. Mit der Kommunalrichtlinie von 2016 bis 2017 wird diese Förderung fortgesetzt. Dazu sind im September 2015 die Rahmenbedingungen, was die Förderfähigkeit und die Förderungshöchstsumme betrifft, nochmals verbessert worden.

Literatur

1. Heyer, K.-U.; Hupe, K.; Stegmann, R.; Hiemstra, R.; Koop, A.: Altdeponien der Deponieklasse II: Deponiegashaushalt – Gas­entstehung, Gaserfassung, Ertüchtigungsmaßnahmen. In: Stegmann, R.; Rettenberger, G.; Kuchta, K.; Siechau, R.; Fricke, K.; Heyer, K.-U. (Hrsg.): Deponietechnik 2014. Stuttgart: Verlag Abfall aktuell 2014.
2. Aktionsprogramm Klimaschutz 2020. Hrsg.: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB). Berlin 2014. www.bmub.bund.de/service/ publikationen/downloads/details/artikel/aktionsprogramm- klimaschutz-2020/
3. Richtlinie zur Förderung von Klimaschutzprojekten in sozialen, kulturellen und öffentlichen Einrichtungen im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative (Kommunalrichtlinie) vom 22. September 2015. Bekanntmachung des Bundesministe­riums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit. BAnz. AT vom 6. Oktober 2015 B4, S. 1-16. www.klimaschutz.de/sites/default/files/article/151007_ krl_text_im_buanz.pdf
4. Merkblatt Investive Maßnahmen, die zu einer Treibhausgasemissionsminderung führen – Hinweise zur Antragstellung. Hrsg.: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit. Berlin 2015.
5. Stegmann, R.; Heyer, K.-U.; Hupe, K.: International praktizierte Maßnahmen zur Aerobisierung von Deponien und deren Potenzial zur Integration in den Emissionshandel. In: Stegmann, R.; Rettenberger, G.; Kuchta, K.; Fricke, K.; Heyer, K.-U. (Hrsg.): Deponietechnik 2012, S. 243-263. Stuttgart: Verlag Abfall aktuell 2012.
6. Verordnung über Deponien und Langzeitlager (Deponieverordnung – DepV) vom 27. April 2009. BGBl. I (2008) Nr. 22, S. 900. Zul. geänd. durch Artikel 1 der Zweiten Verordnung zur Änderung der Deponieverordnung. BGBl. I (2013) Nr. 18, S. 814.
7. IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories, Vol. 5, Waste. Genf: IPCC 2006. www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2006gl/vol5.html
8. Climate Change 2013. The Physical Science Basis. Hrsg: Working Group I. Genf: IPCC 2013.

¹⁾ IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change

²⁾ Umrechnung von C_bio. auf CH₄ über den Faktor der Mol­massen 16/12.