"Man braucht spannende anwen­dungs­o­ri­en­tierte Frage­stel­lungen. Und die fallen nicht vom Himmel, die kommen durch die Unter­nehmen."

- Thomas Appel | Professor TH Bingen


PYREG – innova­tives Recycling von Klärschlamm

Phosphor – ein rarer Rohstoff

Grüne Technologien sind unverzichtbar geworden, um die Lebensgrundlagen der Menschheit zu sichern – angesichts des Klimawandels, knapper werdender Ressourcen und zunehmender Umweltverschmutzung. Im Fokus der Öffentlichkeit stehen meist erneuerbare Energien. Dabei gehören auch Abfallwirtschaft und Recycling sowie Abwasserbehandlung zu den wichtigsten Zukunftsmärkten. Warum? Weil in Abfällen wie Klärschlamm oder Kompost wichtige Nährstoffe stecken. Besonders der rare Phosphor ist begehrt. Das Mineral ist ein lebenswichtiger Nährstoff für Pflanzen, Tiere und Menschen. Ohne ihn würde der Welt eine Nahrungsmittelkrise drohen, da Phosphor ein Hauptbestandteil von Düngemitteln ist. Doch Phosphor wird knapp. Er steht seit einigen Jahren auf der Liste der kritischen Rohstoffe und ist nur begrenzt verfügbar. „Und das auch nur an Orten, die uns nicht gut zugänglich sind, wie beispielsweise Russland, China oder Marokko. Wir haben also keinen guten Zugang zu Phosphat und die Lagerstätten sind begrenzt“, gibt Thomas Appel, Professor für Bodenkunde und Pflanzenernährung an der Technischen Hochschule Bingen, zu Bedenken. „Ein Zurückführen von Phosphat wäre also besonders hilfreich.“ Um den rarer werdenden Phosphor zu recyceln und wieder in der Landwirtschaft einsetzen zu können, forscht das Team der TH Bingen an einem effizienten Verfahren zur Rückgewinnung aus Klärschlamm.

PYREG – Recyc­ling­ver­fahren zur Rückge­winnung von Phosphor

Das Projekt

Lange wurde Klärschlamm als organischer Dünger in der Landwirtschaft eingesetzt, denn er enthält unter anderem den wertvollen Phosphor. Doch Klärschlamm ist auch mit Chemikalien, Schwermetallen und anderen Schadstoffen belastet, die über den Boden und die Pflanzen in unsere Nahrungskette gelangen können. Das birgt unüberschaubare Risiken für Umwelt und Gesundheit. Daher hat die Bundesregierung im Koalitionsvertrag 2013 beschlossen, das Düngen mit Klärschlamm zu verbieten. Um den knapper werdenden Phosphor zu erhalten, soll dieser verpflichtend von den Kläranlagen recycelt werden. „Das erfordert eine Behandlung des Klärschlamms. Am besten kostengünstig und dezentral. Da bietet sich die Karbonisierung des Klärschlamms an“, erklärt der Projektverantwortliche Professor Appel. Die Karbonisierung erfolgt an der TH Bingen im PYREG-Verfahren. Das bedeutet, der Klärschlamm wird im PYREG-Reaktor unter sauerstoffarmen Bedingungen bei hoher Temperatur behandelt, um aschereiche Kohle mit pflanzenverfügbarem Phosphor zu erzeugen. Diese Kohle soll dann in der Landwirtschaft wiederverwertet werden. Diese thermische Behandlung, die Karbonisierung unter Verwendung eines FLOX-Brenners, wurde an der an der TH Bingen entwickelt und patentiert. Im Mittelpunkt des Forschungsprojekts steht dabei die Frage: „Wie muss ich die Karbonisierung steuern, mit welchen Additiven – Soda oder Alkalisalzen – versetzen, um eine hohe Phosphatverfügbarkeit zu erreichen und gleichzeitig möglichst wenig Schadstoffe im Karbondünger zurückzulassen?“ 

Innovativ und grün - PYREG und Umweltschutz

Dauerhaft kann unser Planet nicht ausreichend Ressourcen zur Verfügung stellen. Daher verfolgt man im PYREG-Verfahren besonders den Kreislaufgedanken. Die thermische Behandlung von Klärschlamm ist gleich mehrfach gut für die Umwelt. Phosphorhaltiger Klärschlamm wird so behandelt, dass der Phosphor als Dünger den Pflanzen und somit uns Menschen zu Gute kommt. Gleichzeitig findet ein energetisches Recycling statt. Die Energie, um den Klärschlamm zu trocknen, stammt teilweise aus Behandlung des Klärschlamms im PYREG-Reaktor selbst. Wird der Schlamm karbonisiert, kommt es außerdem zu deutlich weniger Kohlendioxid-Emissionen als beim Verbrennen. Zusätzlich wird in den Klärschlammkarbonisaten Kohlenstoff gebunden. Er bleibt so stabil, „dass er tausend Jahre und länger im Boden verbleibt, ohne dass er abgebaut wird. Man kann somit also Kohlenstoff in den Boden drängen, der nicht zurück in die Atmosphäre kommt“, beschreibt Professor Appel den Vorteil für unser Klima.

Die Zielsetzung

Am Ende des Forschungsprojektes soll als Produkt ein Dünger stehen. Hierfür wird Klärschlamm sinnvoll und kostengünstig recycelt, sodass er als Düngemittel in der Landwirtschaft eingesetzt werden kann. Dafür muss der Phosphor, der in den Karbonisaten bzw. Kohlen steckt, pflanzenverfügbar sein und möglichst eine genauso hohe Düngewirkung erreichen wie herkömmlicher Phosphordünger. Außerdem müssen die Reaktionsbedingungen während der thermischen Behandlung des Klärschlamms (Pyrolyse) mit dem FLOX-Brenner so angepasst werden, dass ein möglichst hoher Anteil der Schwermetalle aus den Kohlen entfernt wird.

Vorgehen

Interdisziplinarität ist Trumpf! Das zeigt sich auch bei der Entwicklung des Verfahrens zum Klärschlamm-Recycling. 2008 wurde der erste PYREG-Prototyp auf der Kläranlage Ingelheim installiert. Das Ziel war damals lediglich, den Klärschlamm so zu behandeln, dass er deponiert werden kann. Doch die Kohle stellte die Maschinenbauer rund um Professor Winfried Sehn vor ein Problem: Der Kohlenstoffgehalt überschritt die zulässigen Grenzwerte zur Deponierung. Weil nährstoffreiche Kohle jedoch positive Effekte auf Böden haben kann, wurde Bodenkundler Professor Appel an Bord geholt. „Sie fragten mich‚ ‘ist das nicht ein Produkt, das landbaulich gut verwertbar ist?‘“ In ersten Tests wurde die Düngewirkung untersucht – zunächst mit geringem Erfolg.

„Wie müssen wir das PYREG-Verfahren modifizieren, dass daraus ein Produkt mit pflanzenverfügbarem Phosphor entsteht?“

„Der nächste Schritt war dann, einen Antrag zur Forschungsförderung zu stellen. Wir wollten das gerne systematisch untersuchen. Wie müssen wir das PYREG-Verfahren modifizieren, dass daraus ein Produkt mit pflanzenverfügbarem Phosphor entsteht?“ Mittlerweile ist die Düngewirkung weitaus höher: In Gefäßversuchen ist Thomas Appel eine Phosphorwirksamkeit von 80-90 % gelungen. Weil es jedoch von vielen Faktoren abhängt, wie gut die Pflanzen den Phosphor aufnehmen können, sind solche Werte im Feld aktuell noch nicht möglich. „Es gibt ein paar Indikatoren dafür, dass wir eine Düngewirkung von 30-40 Prozent mit unserem Produkt erwarten können. Da ist also noch Luft nach oben bis zur neunzig- oder gar hundertprozentigen Düngewirkung.“

Pflanzen in Plasikbehältern
Entwicklungsstand

Im Herbst 2016 wurde die Zulassung der Karbonisate als Düngemittel beim Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft beantragt. Es ist die aktuell größte Hürde für das Forschungsprojekt: „Das ist die Herausforderung. Andere zu überzeugen, dass die hergestellten Karbonisate kein Abfallstoff sind, sondern ein nützliches Produkt.“ Obwohl die Karbonisate die gleiche Düngewirkung wie unbehandelter Klärschlamm haben, gibt es aktuell keine Kategorie in der Düngemittelverordnung, in die der neue Stoff passt. Doch Thomas Appel ist zuversichtlich: „Ich bin von dem Material überzeugt, auch weil es ökonomisch nachhaltig ist. Es würde den Haushalt der kommunalen Kläranlagen natürlich enorm entlasten, wenn wir den Klärschlamm kostengünstig entsorgen und dabei den Phosphor sinnvoll wiederverwenden könnten.“ Das gesamte System inklusive Trocknung und Karbonisierung wird dazu aktuell auf zwei Kläranlagen, in Linz-Unkel und Homburg, industriell unter die Lupe genommen. Sobald das Karbonisat als Dünger zugelassen ist, sollen Kläranlagen davon überzeugt werden, den Klärschlamm so zu bearbeiten, dass sich die Düngewirkung des Schlamms weiter erhöht – Bio-Fällung oder den Zusatz von Natriumsalzen würde sich Professor Appel wünschen.

 

 

Bodenproben im Ofen

Vom Hochschul-Projekt zum erfolg­reichen Unter­nehmen

„Das Besondere an dem Projekt ist, dass wir mit einer Firma zusammenarbeiten, die als ein Ableger dieser Hochschule entstanden ist“, schwärmt Professor Appel von der Kooperation mit der PYREG GmbH. 2009 gründete Helmut Gerber, ehemaliger Student und wissenschaftlicher Mitarbeiter der TH Bingen, die Firma als Spin Off des Forschungsprojektes. Gemeinsam mit Professor Winfried Sehn hatte der Ingenieur den PYREG-Reaktor zur Verbrennung von Biomasse und den FLOX-Brenner entwickelt. Schon 2007, in dem Jahr, in dem das Verfahren zum Patent angemeldet wurde, erhielt Helmut Gerber dafür den „Anerkennungs- und Förderpreis 2007 für zukunftsweisende Konzepte und Projekte“ der Zukunftsinitiative Rheinland-Pfalz. „Durch die Berichterstattung beispielsweise in 3Sat Nano oder BBC World News wurde ich zunehmend angefragt, wo und wann man diese Technologie kaufen kann. Auch gab es erste Anfragen von Investoren, die in diese Technologie investieren wollten. Vor diesem Hintergrund erschien 2009 eine Ausgründung als erster sinnvoller Schritt in diese Richtung.“, erinnert sich Helmut Gerber. Seit der Firmengründung hat sich die PYREG GmbH zu einem erfolgreichen und preisgekrönten Green Tec Unternehmen mit 35 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern entwickelt. Auch die enge Zusammenarbeit der PYREG GmbH mit der TH Bingen setzt sich fort.

„Das Besondere an dem Projekt ist, dass wir mit einer Firma zusammenarbeiten, die als ein Ableger dieser Hochschule entstanden ist“

 

Das nächste gemeinsame Projekt, die Karbonisierung von Wirtschaftsdüngern, steht schon in den Startlöchern. PYREG ist damit ein lebendiges Beispiel dafür, wie die Region durch die enge Zusammenarbeit von Wissenschaft und Wirtschaft profitiert.

Sprung­brett für Studie­rende

Der große Vorteil für Studierende ist, dass sie Partner in der Nähe haben, mit denen sie Forschungsprojekte durchführen können. „Solche Projekte sind besonders motivierend und auch interessant, sie führen weiter, sind Vorarbeiten für Forschungsanträge. Man braucht spannende anwendungsorientierte Fragestellungen. Und die fallen nicht vom Himmel, die kommen durch die Unternehmen“, betont Professor Appel.

Für die PYREG GmbH ist es eine Win-Win-Situation. Wie Helmut Gerber selbst sind 80 Prozent seiner Mitarbeitenden Absolventinnen und Absolventen der TH Bingen: „Wir unterstützen seit der Ausgründung durchgehend Diplom- und Abschlussarbeiten. Dadurch können wir gutes Personal rekrutieren und erhalten oft wichtige Entwicklungsergebnisse.“


Projektverantwortliche
  • Prof. Dr. agr. Thomas Appel , Bodenkunde und Pflanzenernährung
Beteiligte Disziplinen

Projekte erarbeiten und Ideen umsetzen.

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