Dünger aus heimischen Ressourcen anstatt fossiler Energie
Die Kosten für Mineraldünger steigen. An alternativen Herstellungswegen
arbeitet das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und
Bioverfahrenstechnik IGB: Forschende haben verschiedene Verfahren
entwickelt und im Pilotmaßstab demonstriert, um Nährstoffe aus regional
verfügbaren Reststoffströmen zurückzugewinnen. Aus Gärresten, Gülle und
Abwasser lassen sich damit direkt einsetzbare Düngemittel gewinnen, wie
das Institut auf der IFAT Anfang Mai in München zeigt. Der Kreislaufansatz
stärkt die Versorgungssicherheit, schützt Gewässer und das Klima.
Der Krieg im Iran führt nicht nur zu höheren Kosten für Sprit und Kerosin.
Auch die Preise für Düngemittel sind bereits um bis zu 30 Prozent
gestiegen, was sich in absehbarer Zeit auf die Lebensmittelpreise
auswirken wird. Denn nicht nur Gas und Öl, sondern auch annähernd 30
Prozent aller weltweit gehandelten stickstoff- und phosphorhaltigen
Mineraldünger werden über die Straße von Hormus verschifft.
Stickstoffhaltige Kunstdünger wie Ammoniak und daraus hergestellter
Harnstoff werden in den Golfstaaten mithilfe von Erdgas produziert.
Hierbei wird molekularer Luft-Stickstoff (N2) unter hohem Druck und bei
hohen Temperaturen zu Ammoniak (NH3) umgewandelt.
Dass Düngemittel auch ohne fossile Energieträger hergestellt werden
können, zeigt das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und
Bioverfahrenstechnik IGB vom 4. bis 7. Mai auf der IFAT in München.
Forschende untersuchen hierzu, wie sich Stickstoff und Phosphor aus
nährstoffreichen Reststoffströmen zurückgewinnen lassen. In
unterschiedlichsten Projekten wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um
die wichtigen Mineralsalze aus Gülle, Gärresten oder Abwasser als direkt
einsetzbare Düngemittel zu recyceln.
Lokal verfügbare Reststoffe als zuverlässige Nährstoffquellen
Besonders hohe Konzentrationen an Nährstoffen finden sich in Reststoffen
der Landwirtschaft – Gülle aus der Nutztierhaltung und Gärresten aus
Biogasanlagen, aber auch in kommunalem Abwasser. »Allein in der
Tierhaltung werden EU-weit jährlich Stickstoff und Phosphor in Mengen
ausgeschieden, die ausreichen würden, den europäischen Bedarf an
Mineraldünger zu decken«, erläutert Dr. Brigitte Kempter-Regel, zuständig
für Business Development im Bereich Greentech Solutions am Fraunhofer IGB.
Doch Gülle und Gärreste, eigentlich wertvolle Wirtschaftsdünger, können
vielerorts nicht mehr als solche auf die Felder ausgebracht werden. Vor
allem in Gegenden mit intensiver Tierhaltung oder einer hohen Dichte an
Biogasanlagen besteht die Gefahr, Böden zu überdüngen und damit Grund- und
Oberflächenwasser weiter zu belasten. Aufgrund des hohen Wassergehalts von
80-90 Prozent ist ein Transport dieser Stoffe alles andere als sinnvoll.
Eine Lösung besteht darin, Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor
zurückzugewinnen.
In Kläranlagen werden die Nährstoffe schon entfernt, um Grenzwerte
einzuhalten und die Eutrophierung von Gewässern zu vermeiden. Allerdings
handelt es sich dabei meist nicht um eine Rückgewinnung. Vielmehr werden
wertvolle Phosphate als nicht bioverfügbare Aluminium- oder Eisensalze
gefällt, während Ammonium-Stickstoff mit biologischen Verfahren über
Nitrat zu molekularem Stickstoff umgewandelt wird, der in die Luft
entweicht. Hierfür müssen die Becken gut belüftet werden – unter enormen
Energieeinsatz. Zudem wird bei den Prozessen oft Lachgas freigesetzt,
dessen Treibhausgas-Wirkung 265-mal so stark ist wie die von CO2.
Aufarbeitung von Gülle und Gärresten zu Dünger, Torfersatz und Gießwasser
Ein Lösungsansatz, von dem landwirtschaftliche Erzeuger und Klärwerke
ebenso profitieren wie die Umwelt und das Klima, ist die Rückgewinnung der
Nährstoffe in einer direkt als Dünger einsetzbaren Form. Hierzu hat das
Fraunhofer IGB gemeinsam mit seinen Partnern in dem von der EU geförderten
Projekt BioEcoSIM ein mehrstufiges Verfahren in einer Pilotanlage
umgesetzt, mit dem Schweinegülle und Gärreste zu Ammoniumdünger,
Phosphordünger und organischen Bodenverbesserern aufgearbeitet werden
können.
Das Aufarbeitungsverfahren selbst beginnt mit einer Ansäuerung der Gülle
oder Gärreste, um Phosphor vollständig in der wässrigen Phase zu lösen.
Über eine mehrstufige Filtration wird das Substrat dann in eine flüssige
und eine feste Fraktion getrennt. Aus der flüssigen Phase, die die
gelösten anorganischen Nährstoffe enthält, wird zunächst Phosphor in Form
von Phosphatsalzen gefällt. In einem zweiten Schritt wird der gelöste
Stickstoff zurückgewonnen und über eine Membranabsorption als
Ammoniumsulfatlösung abgetrennt.
Die entwässerte feste Phase kann entweder kompostiert oder getrocknet
werden. »Aufbereitet zu kompakten organischen Bodenverbesserern kann das
Produkt den Verlust organischer Bodensubstanz ausgleichen und als
Torfersatz Anwendung finden«, hebt Kempter-Regel hervor. Auch das
entstehende Wasser lässt sich wiederverwenden, etwa zur Bewässerung oder
als Spülwasser.
Um zusätzlich Energie zu erzeugen und damit die Wirtschaftlichkeit zu
erhöhen, kann dem Verfahren eine Biogasanlage vorgeschaltet werden. So
werden auch geruchsintensive Stoffe der Rohgülle verstoffwechselt und
damit entfernt. »In einem aktuellen Projekt haben wir für das BioEcoSIM-
Verfahren mit vorgeschalteter Biogas-Anlage ein mathematisches Modell
etabliert und es anhand der Messdaten für die verschiedenen
Prozessschritte kalibriert«, erläutert Michael Bohn, der die Verfahren am
Fraunhofer IGB weiterentwickelt. So kann die Wirtschaftlichkeit des
Verfahrens unter verschiedenen Randbedingungen vorhergesagt werden. Höhere
Preise für Kunstdünger etwa zeigen einen unmittelbaren Effekt.
Stickstoff und Phosphor aus Abwasser recyceln
Das bei der Gülle- und Gärrestbehandlung zum Einsatz kommende
Membranabsorptionsverfahren zur Herstellung von Ammoniumsulfat wurde auch
für das Nährstoffrecycling auf Kläranlagen demonstriert, zuletzt im Rahmen
des vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-
Württemberg und der EU geförderten Projekts »RoKKa«. Die Konzentration von
Ammonium im Filtrat der Schlammentwässerung konnte dabei um 90 Prozent
reduziert werden. Messungen zeigten zudem, dass durch die
Ammoniumrückgewinnung weniger Lachgas emittiert wurde.
In RoKKa kam das Membranverfahren nachgeschaltet zu dem ebenfalls am
Fraunhofer IGB entwickelten ePhos-Modul zum Einsatz. »In diesem Verfahren
wird Phosphor rein elektrochemisch – ohne Zugabe von Chemikalien – als
Magnesium-Ammonium-Phosphat ausgefällt, ein auch Struvit genannter
Phosphor-Langzeitdünger«, erklärt Bohn. Das hierfür benötigte Magnesium
wird in einer Elektrolysezelle über eine Opferanode aus Magnesium
zudosiert, welche sich im fortwährenden Prozess verbraucht.
Nährstoffrecycling stärkt Versorgungssicherheit, Gewässer- und Klimaschutz
Die Vorteile einer regionalen Nährstoff-Kreislaufwirtschaft liegen in
Zeiten geopolitischer Unwägbarkeiten auf der Hand. »Abwasser aus
Kläranlagen, Gülle aus der Landwirtschaft und Gärreste aus Biogasanlagen
sind zuverlässig lokal verfügbar, Abhängigkeiten internationaler
Lieferketten werden reduziert und die heimische Wirtschaft gestärkt«,
argumentiert Kempter-Regel.
Werden Nährstoffe aus diesen Reststoffströmen zurückgewonnen, hilft dies,
Nährstofffrachten in Klärwerken und Biogasanlagen zu reduzieren und
nährstoffarme Wasserströme zu erzeugen, die weiter genutzt werden können
und den Frischwasserverbrauch senken. Zudem werden große Mengen fossiler
Energie eingespart und Lachgasemissionen gesenkt – ein wirksamer Beitrag
gegen die rasant zunehmende Erderwärmung.
Neue Geschäftsmodelle zur Nutzung der Potenziale
Das Interesse der Landwirtschaft an einer dezentral realisierbaren
Technologie zur wertschöpfenden Nutzung von Gülle und Gärresten ist groß.
Neben Geschäftsmodellen, bei denen große Firmen als Betreiber einer
Recyclinganlage agieren, sind auch Kooperativen von interessierten
Landwirten denkbar.
»Landwirte profitieren ja nicht nur von zurückgewonnenen Nährstoffen. Vor
allem erhalten sie lager- und transportfähige Produkte und sie können die
nährstoffarmen Güllereste problemlos ausbringen«, so Kempter-Regel. Die
Investitionskosten würden sich dann über die Zeit durch die eingesparten
Entsorgungs- und Düngemittelkosten und die erwirtschafteten Erlöse
amortisieren. Kläranlagen wiederum könnten als Anlagenbetreiber zur
Düngemittelproduktion Partnerschaften mit der Industrie eingehen, um ihre
Produkte an den Markt zu bringen.
