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Bioabfälle beinhalten Nahrungs- und Küchenabfälle, Garten- und Parkabfälle, Abfälle aus der Landschaftspflege und Abfälle, die nach Art und Beschaffenheit den vorgenannten Abfällen ähneln (vgl. §3 Kreislaufwirtschaftsgesetz). Im Jahr 2018 wurden deutschlandweit ca. 15 Millionen Tonnen Bioabfall in Kompostierungs- und Vergärungsanlagen behandelt und daraus Kompost bzw. Biogas zur energetischen Verwertung und Gärrest erzeugt. In Kassel fielen im gleichen Bezugsjahr ca. 32.000 Tonnen Bioabfälle an (11.250 t Bioabfall, 11.000 t Grünabfall und etwa 10.000 t als Bioabfallanteil im Restmüll).

Eine nachgelagerte Verwertung von Bioabfall hängt entscheidend von dessen Zusammensetzung ab. Die getrennte Erfassung mit guter Qualität ist Voraussetzung für eine hochwertige Verwertung. Fremdstoffe wie Glas, Metalle und Kunststoffe können ein Problem für die Verwertung darstellen und sind Gegenstand gesetzlicher Regelungen sowohl in Bezug auf die Behandlung der Abfälle als auch die Verwertungsprodukte. Neben diesen qualitativen Anforderungen an die Verwertung von Bioabfällen besteht dringender Forschungs- und Handlungsbedarf im Bereich der Abfallvermeidung, da heute in einem durchschnittlichen Haushalt in Deutschland jedes Jahr ca. 75 kg pro Kopf an Lebensmittelabfällen anfallen, die zur Hälfte vermeidbar wären. Vor diesem Hintergrund sollen in Deutschland bis zum Jahr 2030 Lebensmittelabfälle aus Privathaushalten um die Hälfte reduziert und dadurch sechs Millionen Tonnen CO₂-Äquivalente an Treibhausgasemissionen eingespart werden.

Für die Herstellung von Aktivkohlen werden aktuell überwiegend Aktivkohlen auf Steinkohle- oder Kokosnussbasis eingesetzt, bei deren Herstellung pro Tonne bis zu 18 t CO_2,eq freigesetzt werden.

Alternativ können auch Bioabfälle zur Herstellung von biobasierten Aktivkohlen durch Pyrolyse verwendet werden. Aufgrund des relativ hohen Aschegehalts von bis zu 20 % der Trockenmasse, sowie hoher Chlor- und Schwefelgehalte, ist für eine pyrolytische Verwertung von Bioabfall allerdings eine weitergehende Aufbereitung erforderlich, um sowohl eine hohe Qualität der Aktivkohlen zu gewährleisten (geringer Aschegehalt), als auch eine Korrosion durch Chlor und Schwefel in der Pyrolyse zu verhindern. Das Ziel einer weitergehenden Aufbereitung des Bioabfalls besteht daher darin, den Mineralstoff- bzw. Aschegehalt, sowie Chlor- und Schwefelgehalt zu reduzieren und somit den Kohlenstoffanteil zu erhöhen. Durch eine weitergehende Aufbereitung wird einerseits eine deutlich bessere Qualität des Bioabfalls für die Pyrolyse erzielt und zugleich eine Homogenisierung der chemisch-physikalischen Zusammensetzung erreicht. Dies wiederum ist Voraussetzung für die urbane Erzeugung von hochwertigen klimaschonenden Aktivkohlen mit konstanter Qualität vor dem Hintergrund urbane Stoffkreisläufe zu schließen. Allein aus den jährlich in Kassel verfügbaren Bioabfällen von 32.000 t können nach ersten Abschätzungen bis zu 2.300 t biobasierte Aktivkohle pro Jahr erzeugt werden

Organische Spurenstoffe aus anthropogenen Wirkstoffen in Industriechemikalien, Haushaltschemikalien, Arzneimitteln oder Bioziden treten ubiquitär in der Umwelt in sehr geringen Konzentrationen auf (ng/L bis µg/L). Einleitungen über das kommunale Abwassersystem sind für viele dieser Stoffe der dominierende Eintragspfad in die Gewässer. Neben quellenorientierten Maßnahmen wird die weitergehende Abwasserreinigung daher vermehrt mit separaten Eliminationsstufen zur Verminderung von Spurenstoffeinträgen aus Punktquellen wie Kläranlagen betrieben, vorwiegend mit nachgeschalteten Verfahren wie einer Adsorption an Aktivkohle.

Die gezielte Entfernung organischer Spurenstoffe aus Abwasser erzeugt allerdings durch die notwendige Bereitstellung von Hilfsstoffen einen signifikanten Mehrausstoß an Treibhausgasen. Insbesondere die Höhe der notwendigen Dosierung von Aktivkohle hat einen signifikanten Einfluss auf den CO₂-Fußabdruck der Spurenstoffentfernung aus Abwässern. Vor diesem Hintergrund kann nur durch eine nachhaltige Substitution der eingesetzten fossilen Aktivkohlen das Treibhauspotenzial der weitergehenden Abwasserreinigung langfristig gesenkt werden.

Marktliche Verwertungsoptionen von Bioabfällen haben substanziellen Einfluss auf die Volumina und das Management der vorgelagerten Stoffströme. Pyrolyse-basierte Produkte sind bisher vorwiegend als Holzkohle für den privaten Gebrauch und die Gastronomie zu verzeichnen. Weitere hochwertige Verwertungen, wie eben auch biobasierte Aktivkohlen wie in § 8 des Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG) gefordert und im Entwurf der Novelle der Bioabfallverordnung konkretisiert, sind bisher nicht in relevantem Ausmaß zu verzeichnen trotz der vorhandenen Nachhaltigkeitspotenziale.

Die Akzeptanz innovativer Verwertungsoptionen, die über die Bereitstellung eines transportablen Brennstoffs mit definierten und kontrollierten Eigenschaften hinausgehen, ist durch die Energiebilanz sowie die Qualitätsanmutung gekennzeichnet. Als Hemmnis bei einer alternativen Verwertung als biobasierte Aktivkohle können Kontaminierungen mit Schadstoffen wirken, die entweder mit der Biomasse, z. B. aufgrund unzureichender Sortierung und Fehlwürfen bei Stoffströmen aus der Haushaltssammlung, oder aufgrund von Reaktionen im Verkohlungsprozess, insbesondere bei Prozessanpassungen infolge heterogener Inputs, in der produzierten Aktivkohle enthalten sind. Obwohl die Schadstoffe, speziell Schwermetalle, vorwiegend in die Kohlenstoffstruktur des Pyrolysekoks eingebunden sind, ist der Schadstoffgehalt der Aktivkohle eine relevante Determinante der Nutzungsakzeptanz. Nur eine stringente Etablierung und kommunikative Durchsetzung von Qualitätslabeln kann helfen, die Nutzerakzeptanz und das Produktvertrauen durch zertifizierte Einhaltung relevanter Höchstgrenzen der Schadstoffkontamination zu steigern.

Explizite Zielsetzung des Teilprojektes 1 ist die Messung relevanter verhaltenspsychologischer Determinanten wie etwa die Selbstwirksamkeit und der Fatalismus zur gezielten Vorbereitung von Intervention bei den Haushalten, um die Qualität durch möglichst fremdstofffreie Bioabfälle zu ermöglichen. Entsprechend des SDG 12.5 sollen die Haushalte motiviert werden, die Sammlung und Bereitstellung fester Bioabfälle so durchzuführen, dass eine effiziente und fremdstofffreie Verwertung mittels pyrolytischer Verfahren ermöglicht wird. Über die technischen Determinanten, wie etwa die Ausgestaltung der Sammelbehälter und die Abholzyklen, hinausgehend sollen die psychologischen Faktoren des Sammel- und Sortierverhaltens systematisch erfasst und hinsichtlich ihres Einflusses quantifiziert werden. Darauf aufbauend soll geprüft werden, wie das Wissen um die Verwertung der aus den Bioabfällen gewonnen Aktivkohlen in der Abwasserreinigung und ggf. im urbanen Landschaftsbau zu einer substanziellen Verhaltensänderung beitragen kann.

Da die Aktivkohle im urbanen Garten- und Landschaftsbau neben einer organischen Bodenverbesserung, gesteigerten hydrogenen Speicherkapazität auch die Option einer CO₂-Sequestrierung bietet, sollen zudem Vorteile in der marktlichen Verwertung als Substitut für konventionellen Phosphatdünger geprüft werden.

Im Rahmen von Teilprojekt 2 wird der aktuelle Stand der Bewirtschaftung von Bioabfällen am Beispiel der Region Kassel (Stadt und Umland) zunächst anhand von Material- und Stoffflussanalysen analysiert. Menge, Zusammensetzung sowie Sammel- und Verwertungswege der Bioabfälle werden im Detail erfasst und dargestellt. Basierend darauf werden einerseits theoretisch mobilisierbare sowie andererseits technisch nutzbare Potenziale für unterschiedliche Verwertungspfade, insbesondere in Aktivkohle-Produkten, bestimmt. Dazu werden, ergänzend zu bestehenden Abfallanalysedaten, gezielte Erhebungen für ausgewählte Siedlungs- und Sammelstrukturen durchgeführt und mögliche Maßnahmen zur Vermeidung oder besseren Erfassung von Bioabfällen (z. B. gezielte Aufklärung und Öffentlichkeitsarbeit, Sammeloptionen auf Haushaltsebene, Anreize und Strafmaßnahmen) evaluiert. Für die erfassten Bioabfälle werden kritische Schad- und Störstoffe hinsichtlich unterschiedlicher Verwertungsverfahren identifiziert und entsprechende Sammel- und Aufbereitungsprozesse zur Bereitstellung geeigneter Materialfraktionen für die weitergehende Verwertung konzipiert. Ausgewählte Aufbereitungs- und Konfektionierungsschritte werden dazu im Technikumsmaßstab umgesetzt und hinsichtlich der erreichbaren Materialausbeuten und -qualitäten für die weitergehende Verwertung, insbesondere in Aktivkohle, bewertet.

Die entwickelten Bewirtschaftungskonzepte und Verwertungsketten für Bioabfall in der Region Kassel werden im Rahmen von Szenarioanalysen anhand von Material- und Stoffflussmodellen bilanziert und mit Inventardaten (Energie- und Materialverbräuche, Emissionen) hinterlegt. Auf dieser Basis werden Ökobilanzen nach ISO 14040 für unterschiedliche Bewirtschaftungsmodelle und Verwertungsketten erstellt und kritische Faktoren in Hinblick auf die ökologischen Effekte der Bioabfallbewirtschaftung im urbanen Raum identifiziert. In weiterer Folge werden Konzepte entworfen, die eine ökologisch optimale Verwertung der Bioabfälle in hochwertigen Produkten, z. B. Aktivkohlen für die Abwasserreinigung, und im Rahmen regionaler Wertschöpfungsketten ermöglichen.

Im Rahmen von Teilprojekt 3 erfolgt die weitere Verarbeitung des sortierten Bioabfalls zu Aktivkohlen. Auf­bauend auf umfassenden Vorarbeiten erfolgt in einem ersten Schritt die Anpassung und Optimierung des erprobten IFBB-Verfahrens zur optimalen Aufbereitung des in Teilprojekt 2 sortierten Bioabfalls.

Von der bei der hydrothermalen Konditionierung und anschließender mechanischer Entwässerung anfallenden energiereichen Flüssigphase wird gemäß VDI4630 das Biomethanpotenzial in Gär­versuchen ermittelt und so der Beitrag durch das Verfahren zu einer nachhaltigen Biogas- und Energieproduktion in Biogasanlagen oder Faultürmen ermittelt.

Die feste Phase dient als Ausgangsmaterial für die Erzeugung von Pflanzen- und Aktivkohlen in einem kontinuierlich betriebenen Versuchsreaktor. In enger Abstimmung mit Teilprojekt 4 erfolgt die gezielte Entwicklung angepasster Pyrolyse- und Aktivierungsprofile zur Herstellung biogener Aktivkohlen mittels Pyrolyse und Wasserdampfaktivierung durch definierte Variation relevanter Prozessparameter (u. a. Pyrolyse- und Aktivierungstemperatur, Verweilzeit, Dampfmenge zur Aktivierung, getrennte Pyrolyse mit anschließender Aktivierung, Pyrolyse mit gleichzeitiger Aktivierung). Ziel ist dabei die Herstellung nachhaltiger und hochwertiger Aktivkohlen mit konstanter Qualität. Das in dem Pyrolyse- und Aktivierungsprozess erzeugte Synthesegas wird charakterisiert und hinsichtlich seines Potenzials zur Erzeugung von grünem Wasserstoff bewertet

Neben einer umfassenden chemisch-physikalischen Charakterisierung der Produkte wird die Verfahrenskette stofflich, energetisch und hinsichtlich Treibhausgasemissionen bilanziert und die Ergebnisse von Teilprojekt 2 für die Ökobilanzierung zur Verfügung gestellt. Zusätzlich erfolgt eine Bewertung der Eignung des Bioabfalls zur Erzeugung von Pflanzenkohle für potenzielle Umweltanwendungen.

Im Rahmen des Teilprojekt 4 wird der Einsatz von biobasierten Aktivkohlen zur gezielten Entfernung von organischen Spurenstoffen aus Abwassermatrices untersucht. Der experimentelle Teil umfasst zunächst Batch- und Schüttelversuche an unterschiedlichen biobasierten Aktivkohlen aus Teilprojekt 3 mit dem Ziel, die Adsorptionsvorgänge für ausgewählte Spurenstoffe hinsichtlich Kinetik und Gleichgewichtszustand zu charakterisieren bei gleichzeitiger Quantifizierung der organischen Hintergrundmatrix. Die Laborversuche erfolgen in direkter Rückkopplung mit Teilprojekt 3 im Zusammenhang der gewählten Prozessparameter der Pyrolyse- und Aktivierungsprozesse.

Ein weiterer Forschungsaspekt von Teilprojekt 4 betrifft die simulationsunterstützte Beschreibung der Adsorptionsprozesse an biobasierten Aktivkohlen in Abwassermatrices zur Substitution fossiler Aktivkohlen. Die Ergebnisse der Laborversuche dienen dabei der Kalibrierung und Parametrierung der mathematischen Modellhypothesen. Umfassende Vorarbeiten an herkömmlichen Aktivkohlen werden für den neuen Anwendungsfall angepasst, weiterentwickelt und in das verwendete Simulationssystem implementiert.

Im Ergebnis beantwortet das Teilprojekt 4 relevante Fragestellungen zu den realen Nachhaltigkeitspotenzialen der angestrebten Substitution fossiler Aktivkohlen durch Aktivkohlen aus Bioabfällen zur gezielten Entfernung von organischen Spurenstoffen aus Abwassermatrices.