Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7346

NEEDS AND CHALLENGES IN IMPLEMENTING KEY DIRECTIVES - WASTE-TO-ENERGY PROGRESS

J. Vehlow, B. Bergfeldt, C. Wilén, H.J.M. Visser

Abstract
In the European Union the waste management sector is almost totally regulated by EU Directives. A core directive is the 1999 issued Landfill Directive 99/31/EC which sets standards for the final disposal of waste and aims for reducing the direct deposition of organic or reactive waste on landfills. Important in this context are also the Framework Directive on Waste Disposal 75/442/EEC and the Waste Incineration Directive 2000/76/EC. A report was put together which describes the basic EU regulation on waste management and the respective adaptation of the EU directives, preferentially the Landfill Directive to national law and its influence on the waste management strategies in the three countries Finland, Germany and The Netherlands. This selection comprises two densely populated and highly industrialised countries and one country with low population density which is more characterised by agriculture, forestry, and forest related industry.

The waste management situation described for these countries and its changes during the last few years indicates a strong influence of the Landfill Directive on the respective national regulations. However, the actual status of adaptation shows no uniform picture. The Netherlands and Germany have not only taken strong actions to comply with the targets of the Landfill Directive, their national initiatives in the early nineties of the last century can be looked upon as the basis of this directive.

Both countries gave recycling a high priority and therefore it is no surprise to see them as spear head for this strategy in the EU - and even world wide – today. A main difference between the two countries is seen in the importance they gave to waste-to-energy. The Dutch regulations had already in the early nineties consequently included energy recovery as an essential part into their National Waste Management Act. Following this decision and also due to the fact that the existing waste incinerators had to be upgraded a high capacity of state-of-the-art incineration was built all over the country. These plants did to some extent even treat imported waste, mainly from Germany. The establishment of today's waste management practice was definitely supported by the high landfill tax which doubles almost the disposal costs.

Since waste incineration was strongly opposed in Germany by NGOs, local interest groups, but also to a great extent by media and politicians, there was almost no enlargement of the installed capacity during the nineties of the last century. Although the fundamentals of the German waste management strategy, to prevent disposal of reactive waste, was widely accepted, there was also wide-spread understanding that all measures other than incineration should be applied. This was the period when alternative thermal treatment processes like pyrolysis, gasification or combined processes became of high interest. After the failure of two full-scale realisations of such processes – in 1999 the Siemens Thermal Recycling Process in Fürth and in 2004 the Thermoselect Process in Karlsruhe – all projects for such processes were withdrawn.

The major political and also public preference, however, was mechanical-biological treatment with the effect that a great number of such plants were built. However, the environmental quality of such plants came under criticism with time and the residues from such plants were also not in line with the German TASi and especially the German Landfill Ordinance. Another problem arose from the quality of the product of mechanical biological treatment, the fuel fraction. Due to its potentially high halogen and heavy metal inventory it could not just be burnt in utility boilers of industry furnaces but fell under the regime of the air emission regulation, the 17. BImSchV, which made this strategy expensive or even obsolete.

This situation changed only few years ago when local authorities became aware that the full inaction of the Landfill Ordinance and with that the landfill ban for organic waste was unavoidable. In short time a substantial increase in incineration capacity by approx. 50 % or almost 6,000,000 Mg was realised. Hence it can be expected that in 2007 there is enough capacity in operation to treat the total amount of residual waste from the municipal sector. A not really solved problem is the disposal of commercial and light industrial waste. There is a strong tendency to promote the production of SRF which should preferentially be burnt in dedicated combustion plants, equipped with air pollution control systems. In view of still existing animosity against waste incineration such SRF plants which can also be fuelled with biomass sell better to the public than waste incinerators – although they are not much different from those. Another problem associated with the combustion of SRF with high biogenic content is the risk of fouling and deposition in the combustion chamber and the boiler caused by the high alkali inventory.

The waste management situation in Finland is quite different. Energy recovery from waste was an important pillar of the Finnish strategy. In this sparsely populated country, however, there are not many locations were pure energy recovery from waste makes sense from an economic point of view. That is why the Finnish government aimed mainly for co-treatment of waste in power plants or other boilers, a practice in many places already established years ago. The Waste Incineration Directive stopped this disposal route in most cases since the installation of an air pollution control system to comply with the air emission standards made it too expensive. Hence co-treatment, either by direct addition of waste fuel or by utilisation of synthesis gas from waste gasification will only be possible for well separated and clean waste fractions and with that the disposal of the more or less polluted residual waste fractions is yet an unsolved problem. The authorities have released basic regulations to comply with the Landfill Directive which contain energy recovery, but a detailed strategy is still missing.

Although the authors have no specific information, the situation in the eastern new EU member states is ought to be similar to that in Finland. These got a longer time for adaptation than the 15 old EU members since in many place there existed after the fall of the 'Iron Curtain' even no sanitary landfills.

Basic information available to the authors on other EU countries shows a rather fragmented picture. Austria e.g. has already today fulfilled the goals of 65 % reduction set in the directive for 2016. This has mainly been done by composting (>35 %). Recycling, energy recovery and landfilling account roughly for 20 % each. The question to be answered is whether that much compost has the quality to be utilised and whether such strategy is in line with the intention of the Landfill Directive: to establish an aftercare free waste disposal.

The UK is currently far behind any schedule to meet the targets of the Landfill Directive. For political reasons mechanical-biological treatment is highly promoted and it will be of great interest whether the UK finds an acceptable outlet for the products from such processes.

Southern member states like Italy, Spain, and Portugal are extending their waste-to-energy capacities, in these countries the utilisation of that energy causes problems. In summertime there is no market for heat other than direct steam use in industrial processes and a market for central cooling is not easy to be established.

It can be assumed that a landfill tax would be a driver for energy recovery but the situation in Germany shows an expansion of energy recovery by legal actions only.

An open question concerning eco-efficient energy recovery is the potential role of biogas production in future waste management systems, especially for rural areas. This technology could theoretically become an efficient tool for wet organic waste, especially if the wet municipal solid waste fraction could be co-treated with agricultural residues and eventually with sewage sludge. A pending problem is seen in the final destination of the residues for which the today often practised composting might not be the ultimate solution.

The acquired information does not allow drawing conclusions in terms of recipes for other countries. It is obvious that there will be no universal solution for all EU countries, even if politicians and bureaucrats would like to install one. Of course in most countries a more intense energy recovery can be expected. Obstacles are

• the high costs of waste-to-energy systems,

• the lack in political and public acceptance,

• in northern countries eventually the low revenues for power,

• in southern countries the lack in a market for heat, thus preventing cheap CHP solutions, and finally

• a convincing solution of the final disposal of process residues, especially those from gas cleaning..

As a cautious general conclusion it can be stated that a future increase in energy recovery from waste is to be expected in almost all EU countries which have not yet reached the targets of the Landfill Directive. There are many technologies on the market and every specific solution depends strongly on local conditions. However, some topics can be identified for further activities:

• which strategies are best suited for low population density and mainly rural areas,

• can SRF produced from source separated waste reach a quality which allows its combustion or co-combustion in conventional furnaces,

• what is the potential of biogas production in terms of meeting the targets of the landfill directive,

• what is the most eco-efficient management of residues, especially those from gas cleaning and from biological processes.

The first three topics are supposed to go to a great extent together. For countries like Finland with low population density but a well established power and heat market ‘clean’ SRF is a promising option to dispose most of the waste of in a way which complies with the EU directives. There is a need to get more information of the effects of SRF with high calorific value and/or with high biogenic inventory on the combustion process in conventional fluidised beds, grate systems and eventually also in pulverised coal boilers.

Biogas production which has a good potential for energy recovery from agricultural waste needs more detailed investigation in terms of the actually applied technologies, their compliance with the Landfill Directive and their importance in the local energy supply system. Such investigation could be accompanied and supported by a case study comparing successful solutions in an old and highly industrialised EU member state – e.g. Austria or Germany – and in a rural area in e.g. Poland.

The forth topic is a fundamental one not only for waste-to-energy systems but also for biomass combustion. In the first case the main issue is the control and final destination of heavy metals and – often overlooked – of highly water soluble salts. These are the problematic ingredients in gas cleaning residues. For biomass combustion residues there is a lack in knowledge to what extent the recovery of nutrients makes sense, especially if contaminated biomass is used. A further already above mentioned issue for biogas systems is the management of digestion residues which may have a potential as fertilisers after composting but may cause problems if wet organic waste, agricultural residues, and sewage sludge are co-treated. For establishing sound practice in this area a primary study should be performed to get a detailed overview of applied strategies. This should be followed by an experimental part for the control of residues from different processes and after different treatment measures.

Übertragung von EU-Richtlinien in nationales Recht – Energetische Verwertung von Abfällen

Zusammenfassung
In der Europäischen Union ist der Abfallsektor praktisch vollständig durch EU-Richtlinien geregelt und damit werden, wenn auch noch nicht zur Zeit, so doch in absehbarer Zukunft, zur Abfallentsorgung in der EU homogene Lösungen zu finden sein. Die wichtigste Richtlinie ist die Richtlinie 99/31/EG des Rates zu Abfalldeponien von 1999. Sie setzt die Standards für die Ablagerung von Abfällen. Das vorgegebene Ziel ist eine Reduktion der direkten Ablagerung organischer oder reaktiver Abfälle. Von besonderer Bedeutung in diesem Kontext sind auch die schon 1975 erlassene Richtlinie 75/442/EEG des Rats über Abfälle und die Richtlinie 2000/76/EC des Europäischen Parlaments und des Rats zur Verbrennung von Abfällen aus dem Jahr 2000.

Dieser Bericht beschreibt die wesentlichen EU-Bestimmungen zur Abfallbehandlung und deren Adaption in nationales Recht in den Ländern Deutschland, Finnland und den Niederlanden, zwei hoch industrialisierten und dicht besiedelten Ländern und einem Land das mehr durch Land- und Forstwirtschaft sowie forstwirtschaftliche Industrie charakterisiert ist.

Die Deponierichtlinie hat in den letzten Jahren große Veränderungen in den abfallrechtlichen Maßnahmen in allen Ländern, allerdings in unterschiedlichem Ausmaß gehabt. Die Niederlande und Deutschland haben nicht nur starke Anstrengungen zur Verwirklichung der Ziele der Abfallrichtlinie unternommen, in diesen beiden Ländern gibt es nationale Initiativen in diese Richtung bereits in den neunziger Jahren des 20. Jahrhunderts und einige der damals beschlossenen Maßnahmen können als Ausgangspunkt der Deponierichtlinie angesehen werden. In beiden Ländern hatte Recycling schon damals einen hohen Stellenwert. Der wesentliche Unterschied war die Stellung der Energierückgewinnung in beiden Ländern; die in den Niederlanden bereits um 1990 ein essentieller Teil des nationalen Abfallrechts wurde. Heute ist eine große Kapazität an modernen Verbrennungsanlagen in den Niederlanden errichtet, die zum Teil sogar importierten Abfall, z.B. aus Deutschland, behandelten. Diese Bedeutung der Abfallverbrennung wurde durch eine hohe Deponiesteuer gefördert, die die Ablagerungskosten nahezu verdoppelt.

Der starke Widerstand gegen Abfallverbrennung, betrieben durch NGOs, lokale Gruppierungen, aber auch durch Politik und Medien führte zu einer Stagnation im Bau von Abfallverbrennungsanlagen in derselben Zeit. Obwohl die TA Siedlungsabfall von 1993 bereits ein Ablagerungsverbot für unbehandelten Siedlungsabfall ab 2005 vorsah, und obwohl dieses Ziel uneingeschränkt akzeptiert wurde, herrschte trotzdem die allgemeine Meinung vor, dass jede Behandlung der Verbrennung vorzuziehen sei. In dieser Zeit tauchten alternative Verfahren zur thermischen Abfallbehandlung, Pyrolyse, Vergasung und kombinierte Prozesse auf dem Markt auf und erregten großes Interesse. Nachdem zwei großtechnische Realisierungen dieser Prozesse scheiterten – 1999 das Schwel-Brenn-Verfahren der Firma Siemens und 2004 das Thermoselect-Verfahren in Karlsruhe – wurden alle Projekte auf der Basis dieser Verfahren eingestellt.

Aus vorwiegend politischen Gründen wurde die mechanisch-biologische Abfallbehandlung gefördert und eine Reihe entsprechender Anlagen wurde errichtet. Diese Anlagen kamen unter Kritik im Hinblick auf ihre Umweltverträglichkeit. Die Reststoffe entsprachen nicht den Vorgaben der deutschen Deponieverordnung und auch das Produkt, der Abfall basierte Sekundärbrennstoff, hatte und hat mit Qualitätsproblemen zu kämpfen. Halogen und Schwermetallgehalte erlauben in den meisten nicht die Verbrennung in Industrieöfen sondern erfordern eine Gasreinigung zur Einhaltung der 17. BImSchV, der deutschen Emissionsverordnung für die Abfallverbrennung. Dies aber macht den Einsatz von Sekundärbrennstoff teuer.

Diese Situation änderte sich in den letzten Jahren als klar wurde, dass nach der Deponieverordnung eine Ablagerung reaktiver organischer Abfälle ab 1.6.2005 nicht mehr möglich ist. In kurzer Zeit wurde eine Kapazitätserhöhung von Abfallverbrennungsanlagen um 6 Mio Tonnen oder knapp 50 % realisiert und es ist zu erwarten, dass ab 2007 ausreichende Behandlungskapazität für die Restabfälle aus dem Siedlungsbereich zur Verfügung steht. Die Situation könnte noch kritisch sein für die Abfälle aus dem kommerziellen und leichtindustriellen Bereich.

Besonders in diesem Bereich wird auf die Herstellung von Sekundärbrennstoff (SBS) gesetzt und es ist eine Reihe von Kraftwerken in Planung die neben SBS auch Biomasse verarbeiten. Es ist abzuwarten, ob diese Strategie auf dem Markt erfolgreich sein wird, denn SBS und Biomassen haben Inhaltstoffe wie Halogene und Alkaliverbindungen, die nicht nur besondere Beachtung bezüglich der Emissionen sondern auch im Hinblick auf Ablagerungen und Korrosion in Brennraum und Kessel erfordern.

In Finnland ist die Energiegewinnung ein wesentliches Ziel der nationalen Abfallstrategie. In dem dünnbesiedelten Land ist eine Abfallverbrennung meistens aus ökonomischen Gründen obsolet. Daher fördert die finnische Regierung bereits seit Jahren die Mitverbrennung in Kraftwerken und anderen Feuerungen. Die Waste Incineration Directive setzte dieser Strategie ein Ende, da die Ausrüstung von Kraftwerken mit entsprechenden Gasreinigungsanlagen zu teuer ist. Daher kann eine Mitverbrennung oder die Verbrennung von Synthesegas aus einer Abfallvergasung nur bei Einsatz besonders separierter und behandelter Abfallströme akzeptiert werden. Die Behörden haben erste Erlasse zur Umsetzung der Landfill Directive Herausgegeben, eine detaillierte Strategie steht aber noch aus.

Zur Situation in den neuen Mitgliedsländern fehlen spezifische Informationen, sie dürfte aber ähnlich der in Finnland sein. Die neuen Mitglieder haben Übergangslösungen und müssen erst später als die der EU-15 die Vorgaben der Landfill Directive erfüllen. In einigen dieser Staaten sind sogar geordnete Deponien kaum zu finden.

Österreich hat die 65 % Reduktion organischen Abfalls, die für 2016 vorgesehen ist, vor allem durch Kompostierung (>35 %) erfüllt. Hier erhebt sich die Frage, wie weit eine derartige Strategie zu einer nachsorgefreien Abfallwirtschaft führt.

Das Vereinigte Königreich hat von den alten EU-Mitgliedern die größten Schwierigkeiten, die Landfill Directive umzusetzen. Auch hier wird derzeit die mechanisch-biologische Behandlung priorisiert.

Die Mittelmeerländer Italien, Portugal und Spanien erweitern zurzeit ihre Verbrennungskapazitäten. Hier fehlen Energieabnehmer, besonders für den Wärmeanteil. Erfolgversprechend könnte Fernkälte sein, die aber hohe Investitionen in ein Verteilernetz erfordert.

In etlichen Ländern wird eine Deponieabgabe als wirkungsvolles Mittel zur Durchsetzung der Ziele der Landfill Directive gesehen. In Deutschland gelang dies auch ohne ein solches fiskalisches Mittel.

Eine offene Frage im Hinblick auf die öko-effiziente energetische Nutzung von Abfällen ist das Potential der BIogasherstellung. Diese Technologie könnte sich als erfolgreicher Weg für die Behandlung nasser biogener Abfälle, eventuell gemeinsam mit landwirtschaftlichen Reststoffen und Klärschlamm herausstellen. Offenes Problem neben der technologischen Entwicklung ist der Verbleib der Reststoffe dieser Prozesse. Die bevorzugte Kompostierung könnte zu Problemen bei der Schadstoffbeherrschung werden.

Die gesammelten Informationen in den drei Ländern erlauben keine Empfehlungen für Strategien in anderen Länden. Universallösungen für die gesamte EU werden nicht sinnvoll sein, so sehr auch die Behörden solche herbeiwünschen mögen. Es ist aber zu erwarten, dass in den meisten Ländern der EU die energetische Verwertung von Abfällen an Bedeutung gewinnen wird. Probleme bereiten

• die hohen Kosten der Abfallverbrennung,

• mangelnde politische und teilweise gesellschaftliche Akzeptanz,

• in den nordischen Ländern eventuell geringe Strompreise,

• in den südlichen Ländern die fehlende Senke für Wärme, was den Markt für Kraft-Wärme-Kopplungen einschränkt, und schließlich

• eine überzeugende Lösung für den Verbleib der Reststoffe, insbesondere derer aus der Gasreinigung.

Eine Reihe von Strategien und Technologien ist erprobt und auf dem Markt, ihr Einsatz hängt sehr stark von den lokalen Gegebenheiten ab. Zukünftige Aktivitäten zu den folgenden Themen sind anzuraten:

• welche Strategien sind am besten geeignet für Gegenden mit geringer Bevölkerungsdichte und für ländliche Bereiche,

• kann Sekundärbrennstoff, der aus getrennt gesammelten Abfällen hergestellt wird, die für eine Verwertung in Kraftwerken und Industriefeuerungen notwendige Qualität garantiert erreichen,

• welches Potential haben die Biogasverfahren im Hinblick auf die Erfüllung der Vorgaben der Landfill Directive,

• welches ist die bestgeeignete Entsorgung von festen Prozessreststoffen, besonders solchen aus der Gasreinigung und aus biologischen Verfahren.

Mit Blick auf die ersten drei Themen kann erwartet werden, dass Länder mit einem gut etablierten Fernwärmemarkt ihren Schwerpunkt auf die Herstellung möglichst sauberer Brennstoffe aus separat gesammelten Abfällen legen werden und diese in geeigneten Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung nutzen werden. Die zurückbleibenden, stark schadstoffhaltigen Fraktionen müssen in wenigen zentralen Anlagen inertisiert werden. Von besonderem Interesse wird es sein, die Verbrennung hochkaloriger, aber auch stark biogener Abfälle in konventionellen Feuerungsanlagen zu beherrschen.

Die Biogasherstellung benötigt vor ihrem flächendeckenden Einsatz für Abfälle aus dem Siedlungsbereich technische Weiterentwicklung, vor allem im Hinblick auf ihre Umweltauswirkungen. Hier könnte ein Vergleich erfolgreicher Lösungen in hochindustrialisierten und alten EU-Staaten – z.B. Österreich und Deutschland – und in einem Land mit vorwiegend agrarischer Struktur – z.B. Polen – hilfreich sein.

Der vierte Punkt ist von fundamentaler Bedeutung nicht nur für abfallbasierte Verfahren sondern für Biomasseprozesse generell. Bei den Abfällen steht die Kontrolle von Schadstoffen im Vordergrund, wobei die wasserlöslichen Salze in ihrer Bedeutung ständig übersehen werden. Bei Biomasseverfahren fehlt eine Einschätzung, in welchem Maße Nährstoffe zurückgewonnen werden können und sollten.

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