Zur methodischen Auswahl von Emissionsminderungsmaßnahmen: Dargestellt für den Anlagenpark kleiner und mittlerer Feuerungen in Baden-Württemberg PDF
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Umwelt und Ökonomie 2 Karl Heinz Gruber Zur methodischen Auswahl von Emissions- minderungsmaßnahmen Dargestellt für den Anlagenpark kleiner und mittlerer Feuerungen in Baden-Württemberg Zur methodischen Auswahl von Emissionsminderungsmaßnahmen Umwelt und Ökonomie Band2 Band 1: Michael Sehröder Die volkswirtschaftlichen Kosten von Umweltpolitik 1991. 224 Seiten. Brosch. DM 69, ISBN 978-3-7908-0547-5 Karl Heinz Grober Zur methodischen Auswahl von Emissions minderungs maßnahmen Dargestellt für den Anlagenpark kleiner und mittlerer Feuerungen in Baden-Württemberg Mit 44 Abbildungen Springer-V erlag Berlin Beideiberg GmbH Reihenherausgeber W emer A. Müller Peter Schuster Autor Dr. Kar! Heinz Gruber Dr. Schauerstraße 8 A A-4600 Wels, Österreich ISBN 978-3-7908-0547-5 CIP·Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek Gruber, Karl-Heinz Zur methodischen Auswahl von Emissionsminderungsmaßnahmen: dargestellt flir den Anlagenpark kleiner und mittlerer Feuerungen in Baden Württemberg I Karl-Heinz Gruber. (Umwelt und Ökonomie; 2) ISBN 978-3-7908-0547-5 ISBN 978-3-662-13477-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-13477-1 NE:GT Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdruckes, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendungen, der Mikroverfilmung oder der Vervielf:iltigung aufanderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vor· behalten. Eine Vervielf:iltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepu blik Deutschland vom 9. September 1965 in der Fassung vom 24. Juni 1985 zulässig. Sie ist grund sätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urhe berrechtsgesetzes. © Springer-V erlag Berlin Heidelberg 1991 Ursprünglich erschienen bei Physica-Verlag Heidelberg 1991 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. 712017130-543210 Vorwort Mit der Umsetzung des Umweltprogramms der Bundesregierung begannen bedeutende Aktivitäten auf den Gebieten Forschung und Entwicklung von Umweltschutzmaßnahmen. Zu Beginn standen vor allem Fragen der Luft reinhaltung im Vordergrund. Fragen zum Verbleib der aus diesen Anlagen resultierenden festen und flüssigen Reststoffe rückten erst in letzter Zeit in den Mittelpunkt des Interesses. Für kleine und mittlere Feuerungsanlagen mit fossilen Brennstoffen treten Emissionsbegrenzungen aufgrund von Fristen überwiegend erst im Frühjahr 1994 in Kraft. Die Durchführung von Minderungsmaßnahmen ist dabei durch neue gesetzliche Vorgaben ausnahmslos an ökologisch günstige Lösungen der Reststoffentsorgungsproblematik gebunden. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung von Strategien, die es ermöglichen, für kleine und mittlere Feuerungsanlagen technisch-ökologisch geeignete, langfristig sichere und darüber hinaus wirtschaftliche Minderungs alternativen herauszufinden. Neben der Konzeption und Bewertung rele vanter Emissionsminderungsmaßnahmen und Reststoffentsorgungsoptionen erfolgte erstmals die Generierung einer operationalisierten entscheidungs unterstützenden Methode für die Auswahl von Luftreinhaltemaßnahmen. Die praktische Umsetzung der Methode wurde am Beispiel der TA Luft Feuerungen von Baden-Württemberg vorgenommen. Aufgebaut wurde auf einem umfangreichen Forschungsprojekt, das im Auf trag des Umweltministeriums Baden-Württemberg am Institut für Industrie betriebslehre und Industrielle Produktion der Universität Karlsruhe (TH) in den Jahren 1987 bis 1990 durchgeführt wurde. Mein besonderer Dank gilt dabei Herrn Professor Dr. 0. Rentz für die Ermöglichung diser Forschungsarbeiten, die vielfältigen Anregungen und nicht zuletzt für die Übernahme des Hauptreferats. Ebenso danke ich den Herrn Professoren Dr. H. G. Gemünden und Dr. A. Hackl für die Über nahme der Korreferate. Besonders verbunden bin ich meinen beiden Kollegen Dr. R. Hammerschmid und Dipl.-Min. R. Winkler für die gute Zusammen arbeit im Forschungsprojekt sowie für die vielen konstruktiven Diskussionen und die stetige Hilfsbereitschaft. Hilfreichwirketen auch meine Kollegen am Institut und zahlreiche Firmen, Verbände und Institutionen. Nicht zuletzt gilt mein besonderer Dank meiner langjährigen Freundin Monika Schack, die während der ganzen Zeit stets verständnisvoll die Entbehrungen auf sich nahm. Schließlich möchte ich mich für die innige persönliche Unterstützung meiner Eltern bedanken; ihnen sei auch diese Arbeit gewidmet. Karlsruhe, im Januar 1991 Karl Heinz Gruber Inhaltsverzeichnis 1 GEGENSTAND UND AUFBAU DER UNTERSUCHUNG 1 1.1 Einleitung und Problemstellung 1 1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise 7 2 ANALYSE DES SYSTEMS FEUERUNGSANLAGE 10 2.1 Verbrennungsprozeß als Emissionsquelle . . . . . . . . 10 2.2 Aufbau, Gliederung und Anordnung der Feuerungsanlagenkom ponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3 RAHMENPARAMETER FÜR DIE IMPLEMENTIERUNG VON EMISSIONSMINDERUNGSMASSNAHMEN 20 3.1 Gesetzliche Vorgaben und Rechtsgrundlagen . . . . . . . . . . 20 3.1.1 Brennstoffbezogene Gesetze, Verordnungen und Nor- men . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1.2 Bundes-Immissionsschutzgesetz (BimSchG, 1985) 24 3.1.3 Abfallgesetz (AbfG, 1986) . . . . . . 28 3.1.4 .Wasserhaushaltsgesetz (WHG, 1986) 30 3.2 Technik der Emissionsminderung ..... . 33 3.2.1 Definition und Abgrenzung wichtiger Begriffe 33 3.2.2 Konfiguration der Emissionsminderungsmaßnahmen bei Feuerungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.3 Technisch-stoffliche Beurteilungskriterien der Emis sionsminderungstechniken . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.4 Überblick und Abgrenzung relevanter Emissionsmin- derungstechniken . . . 42 3.3 Reststoffentsorgungsstruktur 4 7 3.3.1 Grundlagen der Reststoffentsorgung 47 3.3.2 Anlagenspezifische Reststoffanfallcharakteristik 50 3.3.3 Reststoffaufbereitung, Transport und Lagerung 52 3.3.4 Reststoffverwertung . . . . 54 3.3.5 Reale Entsorgungsstruktur 58 VIII 3.4 Ökonomische Einflußparameter 61 3.4.1 Energieumwandlungskosten 61 3.4.2 Kosten der Emissionsminderungsmaßnahmen 65 4 TECHNISCH-WIRTSCHAFTLICHE CHARAKTERISIERUNG DER EMISSIONSMINDERUNGSTECHNIKEN UND DER RESTSTOFFENTSORGUNG 68 4.1 Brennstoffumstellung auf emissionsarme Brennstoffe 69 4.2 Feuerungstechnische Emissionsminderungstechniken 74 4.3 Staubabscheider ......... 77 4.4 Calcium-Trockenadditivverfahren 84 4.5 Alkali-Trockenadditivverfahren 89 4.6 Trockensorptionsverfahren ( Strömungsreaktor) 94 4.7 Trockensorptionsverfahren (Schüttgut-Tiefbett-Reaktor) 100 4.8 Sprühabsorptionsverfahren 104 4.9 Kalk( stein) waschverfahren 109 4.10 Alkaliwaschverfahren ... 116 4.11 Kondensationswaschverfahren 120 4.12 Herdofenkoksentschwefelung 126 4.13 Selektive katalytische Reduktion 131 4.14 Selektive nichtkatalytische Reduktion 134 5 ENTWICKLUNG EINER METHODE ZUR ERMITTLUNG GÜNSTIGER EMISSIONSMINDERUNGSMASSNAH- MEN 136 5.1 Struktur des Entscheidungsproblems ...... . 136 5.1.1 Formulierung des Entscheidungsproblems 136 5.1.2 Vergehensweise zur Entscheidungsfindung 138 5.2 Methode zur Ermittlung anlagenspezifisch günstiger Emis- sionsminderungsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . 141 5.2.1 Prüfung der anlagenspezifischen Ausgangssituation 141 5.2.2 Selektion potentieller Minderungsmaßnahmen . . . 144 5.2.3 Bewertung der potentiellen Minderungsmaßnahmen 147 IX 5.2.4 Auswahl der anlagenspezifisch günstigsten Minderungs- alternative ........................ 165 5.3 Umsetzung der Methode in ein computergestütztes Entschei dungsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 5.3.1 Modellstruktur und Aufbau der Systemparametersli- sten ............................ 167 5.3.2 Quantifizierung der Systemparameter der Emissions- minderungstechniken . . . . . . . . . . . . 176 5.3.3 Implementierung des Entscheidungsmodells 181 6 ANWENDUNG DES ENTWICKELTEN ENTSCHEIDUNGS MODELLS AUF TA LUFT-FEUERUNGSANLAGEN IN BADEN-WÜRTTEMBERG 182 6.1 Ausgangssituation im TA Luft-Bereich in Baden-Württem- berg ................................ 182 6.2 Rahmenparameter für die Ermittlung anlagenspezifisch günsti- ger Minderungsmaßnahmen- Szenariendefinition ....... 190 6.3 Emissionsminderungsstruktur bei TA Luft-Feuerungen in Baden Württemberg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 6.3.1 Ausgewählte Szenariengruppen . . . . . . . . 193 6.3.2 Minderungsmaßnahmen und Brennstoffeinsatz 196 6.3.3 Emissionen, Reststoffanfall und Entsorgungsstruktur . 200 6.4 Sensitivitätsanalyse der Emissionsminderungsstruktur in Baden- Württemberg ........................... 208 6.4.1 Regionale Struktur der Energieträgersubstitution und der Emissionsminderungstechniken (Szenario II) 208 6.4.2 Einfluß der Emissionsgrenzwerte und der Brennstoff- preise auf die Emissionsminderungsstruktur ...... 212 6.4.3 Einfluß der Reststoffentsorgungsstruktur auf die Emis- sionsminderungsstruktur . . . . . . . . . . . 219 6.5 Erkenntnisse aus der Modellanwendung und Ausblick . 223 7 ZUSAMMENFASSUNG 226 8 LITERATURVERZEICHNIS 230 9 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS UND ANHANG 251 1 GEGENSTAND UND AUFBAU DER UNTERSUCHUNG 1.1 Einleitung und Problemstellung Mit der Entdeckung des Ausmaßes neuartiger Waldschäden zu Beginn der 80er Jahre (FBW, 1986) und dem in der Folgezeit festgestellten Zusam menhang zwischen steigender Umweltbelastung und Zunahme von Gesund heitsschäden (BLU, 1984; Schmidt et al., 1987; Schmitt, 1987) hat die Pro blematik des 'Umweltschutzes' an Aktualität und Bedeutung gewonnen. Verstärkt dadurch, daß die Auswirkungen der Umweltbeeinträchtigung zu nehmend auch optisch wahrnehmbar werden, vor allem aber durch die An fang der 90er Jahre eintretenden weltpolitischen Veränderungen, erlangt der Schutz der Umwelt einen ständig steigenden Stellenwert in der gesellschaft lichen und politischen Werteinschätzung. Als eine Konsequenz wurde bereits im Jahre 1971 im Umweltprogramm der deutschen Bundesregierung festgelegt, daß eine Sicherung der Umwelt des Menschen, wie er sie für seine Gesundheit und für ein menschenwürdiges Dasein braucht, durch entsprechende Maßnahmen zu gewährleisten ist (BR, 1971). Zur Erreichung dieses Zieles tragen Obergrenzen (Grenzwerte) für den Eintrag umweltbeeinträchtigender Stoffe in den Medien Boden, Wasser und Luft bei. Bezüglich der anthropogen freigesetzten Luftschadstoffe konzentrierte sich die Diskussion zunächst auf die Stoffe Staub als Hauptverursacher der Schwermetallbelastung der Böden und Träger kanzerogener Stoffe sowie Schwefeldioxid und Stickoxide als Mitverursacher der Waldschäden. In den letzten Jahren richtet sich das Augenmerk zusehends auch auf andere Stoffe, wie flüchtige organische Kohlenwasserstoffe (VOC) oder Kohlendioxid. Etwa 90 % der Schadstoffbelastung der Atmosphäre in Europa sind auf die Umwandlung und Nutzung fossiler Energieträger zurückzuführen, wobei al lein die Verbrennungsprozesse einen Großteil der Emissionen bewirken (UBA, 1989a). Die neu formulierten Zielsetzungen der Luftreinhaltepolitik konkretisieren sich in der Bundesrepublik Deutschland im wesentlichen durch eine in Summe drastische Herabsetzung von Emissionsgrenzwerten (Koch, 1984 ). Für Feue rungsanlagen, als Hauptemittenten für Staub und Schwefeldioxid und Große mittent von Stickoxiden, sind das:
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