An LCA-based Environmental Decision Support Tool for Waste … · 2018. 4. 30. · An LCA-based...

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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


|| 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


-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


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


-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

Environmental impact:

-5.8 kg CO2-equivalents

kg

CO

2-e

qu

ivale

nts


Pre-processing

RM resource demand


CO, VOC emissions

CO2 calc. emissions

CO2 waste emissions

CO2 trad. emissions


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


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


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


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


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


Pre-processing

RM 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


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