In vier Stunden wird aus Bioabfall Kohle

Was wir im Alltag gern als «Abfall» bezeichnen, ist nicht selten eine Quelle von Wert- und Nährstoffen. Das gilt auch für den Klärschlamm, der in Abwasserreinigungsanlagen (ARA) anfällt und bisher meist in Schlammverbrennungsanlagen (auch Monoverbrennung genannt), Kehrichtverbrennungsanlagen und Zementwerken entsorgt wird. Dabei enthält Klärschlamm unter anderem Stickstoff und Phosphor, zwei Grundstoffe von Pflanzendünger. Ab 2026 müssen mindestens 50% des Phosphors aus dem Klärschlamm zurückgewonnen werden, so verlangt es die «Verordnung über die Vermeidung und die Entsorgung von Abfällen» (VVEA). Für die Rückgewinnung existieren verschiedene Wege. Einer davon wurde jüngst in einer Pilotanlage für «hydrothermale Karbonisierung» (HTC) in Chur untersucht.
In der HTC-Anlage wird Klärschlamm aus der nahegelegenen ARA Chur einem Druck von 20 bar ausgesetzt und zugleich in zwei Stufen auf 200 °C erhitzt. Der heisse Schlamm verharrt in diesem Zustand vier Stunden in einem Reaktor und verwandelt sich dabei in Kohleschlamm (hydrothermale Karbonisierung). Der Kohleschlamm wird anschliessend ausgepresst – es entstehen HTC-Kohle und Prozesswasser. Der im Klärschlamm enthaltene Phosphor soll überwiegend ins Prozesswasser überführt werden. Damit das gelingt, wird der Kohleschlamm vor der Auspressung angesäuert. Danach kann der Phosphor aus dem Prozesswasser extrahiert werden. «Wir konnten mit der Pilotanlage in Chur rund 30% des im Faulschlamm enthaltenen Phosphors zurückgewinnen», sagt Gabriel Gerner von der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW), der das Projekt wissenschaftlich begleitet hat. Die Forscher um Gerner hatten erwartet, die Karbonisierung würde die Löslichkeit des Phosphors begünstigen, was allerdings nicht eintrat. Trotz des Teilerfolgs bleibt Umweltingenieur Gerner zuversichtlich: «Wenn wir den Kohleschlamm stärker ansäuern und den pH-Wert von 4 auf 3 senken, dürften wir die 50%-Vorgabe der VVEA erfüllen.»

Aufheizen und Karbonisieren in getrennten Schritten

Treibende Kraft hinter der HTC-Pilot­anlage ist Andreas Mehli. Der Unternehmer betreibt ein Handelsgeschäft für Landwirtschafts-, Kommunal- und Forstmaschinen mit 35 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern. Seit 2015 hat er auf seinem Betriebsgelände vor den Toren der Stadt die HTC-Anlage aufgebaut und mit Engagement und Einfallsreichtum nach technischen Verbesserungen gesucht. Ausgangspunkt war eine HTC-Anlage des deutschen Herstellers Grenol. Nachdem es wiederholt zu Verstopfung kam, entschloss sich Andreas Mehli, das Aufheizen des Substrats und den Karbonisierungsprozess in zwei getrennten Prozessschritten zu staffeln. Der erste Teilprozess erfolgt in einer «Aufwärmeschnecke», in der das Substrat von heissem Thermoöl erhitzt wird, während eine Schnecke es langsam weiterbewegt. «Mit dieser innovativen Komponente konnten wir unsere HTC-Anlage zwischen September 2019 und Dezember 2020 fast 1000 Stunden praktisch störungsfrei betreiben», zieht Mehli Bilanz. «Seit Betriebsbeginn haben wir 60% Verbesserung in der Energieeffizienz erzielt.»
Die Anlage funktioniert also. Und sie funktioniert mit verschiedenen Sub­straten. Das Forscherteam von ZHAW und Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) führte vier Messkampagnen mit Klärschlamm und zwei weitere mit einem Gemisch aus Gülle und Gärresten durch. Die HTC-Anlage liesse sich auch mit anderen Formen von Biomasse wie Grüngut, Lebensmittelabfällen oder Gülle betreiben. Doch jedes Substrat hat seine Eigenheiten – und erfordert mitunter eine Anpassung der Anlage. So muss – um nur ein Beispiel zu geben – für faserhaltige Substrate wie Gülle eine andere Presse verwendet werden als für Klärschlamm. Die Forscher von ZHAW und FHNW haben in ihrem Begleitprojekt die Stoffflüsse detailliert untersucht. Sie stellen damit Grundlagen für die Auslegung künftiger HTC-Anlagen bereit.