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Wasser als Schlüssel für neue Ressourcenkreisläufe

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Autor: Jana Kötter

Wasser als Schlüssel für neue Ressourcenkreisläufe
Heißgasfilter mit keramischen Filterelementen zur Wertstoffrückgewinnung bei der Klär-schlammverbrennung, Pilotanlage in Pirna von TU Dresden, LTC – Lufttechnik Crimmitschau GmbH und Fraunhofer IKTS. (Foto: Fraunhofer IKTS)

Abwasser beinhaltet einen wertvollen Schatz, den es zu heben gilt. Neben sauberem Wasser, das in industriellen Prozessen und der Landwirtschaft wieder eingesetzt werden kann, können Energie und wichtige Rohstoffe zurückgewonnen werden. Allein der Energieinhalt des Abwassers wird europaweit auf etwa 87,5 TWh/a* geschätzt, soviel, wie 12 Großkraftwerke produzieren. Darüber hinaus können Abwässer etwa 1,7 Mio. t Stickstoff und 0,275 Mio. t Phosphor pro Jahr zurückgewonnen werden und so Kunstdüngerprodukte ersetzen. Dadurch werden wiederum CO₂-Emissionen vermieden. Diese Zahlen sind die Motivation für vielversprechende Projekte am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme, in denen unter Einsatz von keramischen Filtern und Membranen Rohstoffe und Energie aus Abwasser und Klärschlamm gewonnen werden. Dr. Burkhard Faßauer erläuterte diese Projekte im Rahmen der Online-Veranstaltung “Early Morning Science mit Fraunhofer” am 12. Oktober 2021.

* diese Zahl wurde von den Partnern im EU-Projekt POWERSTEP genannt.

Heißgasfiltration bei der Klärschlammverbrennung

Im Klärwerk bleibt nach der Abwasserbehandlung Klärschlamm übrig, der neben wertvollem Phosphor auch teils umwelt- und gesundheitsschädliche Schwermetalle wie Blei, Kadmium und Nickel enthält. Daher geben die Kreislauftechnologen den Klärschlamm in einen Wirbelschichtverbrennungsreaktor und überführen die Schwermetalle bei Temperaturen zwischen 800 und 1000 °C durch Zugabe von Additiven in Gase. Diese werden mit Hilfe von speziellen hochtemperaturbeständigen keramischen Filterelementen direkt im Verbrennungsprozess abgetrennt. Zurück bleibt eine Asche, die bis zu 15 % aus Phosphat besteht. Ohne die Schwermetalle lässt sich dieser Mineralstoff leichter aus der Asche extrahieren und als ertragssteigernder Dünger auf Felder ausbringen. In weiteren Prozessschritten wäre es auch möglich, einige der abgetrennten Schwermetalle für den industriellen Einsatz aufzuwerten. Derzeit rüsten die Fraunhofer-Ingenieure diese Trenntechnologie gemeinsam mit der Technischen Universität Dresden und der LTC – Lufttechnik Crimmitschau GmbH in einer Pilotanlage in Pirna nach, um die beschriebene Methode in Großversuchen zu evaluieren.

Kommunales Abwasser als Energielieferant

Durch Klärschlamm-Faulung lässt sich aus Abwasser auch Klärgas gewinnen, das zu 60 Prozent aus Methan besteht. Die restlichen Anteile entfallen auf Kohlendioxid und andere Verbindungen. Mit kohlenstoffbasierten Filtern des Fraunhofer IKTS lässt sich das CO2 aus dem Klärgas inzwischen herausfiltern. Dies steigert einerseits den Wirkungsgrad der klärgasbefeuerten Blockheizkraftwerke (BKHW), die Strom und Wärme erzeugen. Andererseits lassen sich auf dieser Basis in Zukunft auch komplexe Kreisläufe aufbauen: Aus dem abgetrennten CO2 und grünem Wasserstoff könnten über die Fischer-Tropsch-Synthese werthaltige Produkte wie synthetische Kraftstoffe hergestellt werden. Alternativ könnte man das abgetrennte CO2 aber auch in Gewächshäuser pumpen und damit die Ernteerträge steigern. Hierbei sind platzsparende Kultivierungstechniken wie die vertikale Landwirtschaft (»Vertical Farming«) vorstellbar, die sich in direkter Nähe zu Klärwerken befinden. Daraus würden sich ganz neue Geschäftsmodelle für kommunale Klärwerke ergeben.

Grüner Wasserstoff aus Bergbauwässern

Sulfatbelastete Bergbauabwässer sind ein ernstes Problem: Sie bringen natürliche Ökosysteme aus dem Gleichgewicht und versäuern ganze Wasserkreisläufe. Doch auch diese Bergbau-Hinterlassenschaften können sich dank moderner elektrochemischer Verfahren von einer Last in eine Ressource verwandeln. Die dafür entwickelten IKTS-Anlagen leiten die Abwässer aus dem Bergbau direkt in eine Kaskade aus aufeinanderfolgenden elektrochemischen Flusszellen. Darin befinden sich Membranen sowie Elektroden. Liegt Strom an, reichern sich in einer Richtung die geladenen Sulfate immer weiter an. Danach ist es ein Leichtes, die Sulfate mit Stickstoff-Verbindungen zu hochwertigem Ammoniumsulfat-Dünger zu kombinieren. Als Nebenprodukt entsteht zudem Wasserstoff. Dieser gilt als besonders umweltverträglicher Energieträger und als begehrter Ausgangsstoff für viele Industrieprozesse. Derzeit testet das IKTS diese Reinigungs- und Veredelungsverfahren für Bergbauabwässer in Versuchsanlagen wie »TERZINN« und »Rainitza«. Die Ergebnisse sind vielversprechend. Daher wollen die Forscher diese Methoden in Zukunft in einen größeren Maßstab übertragen.

Weitere Informationen s. www.ikts.fraunhofer.de.

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