Determination of biogenic and fossil matter in wastes, refuse-derived fuels and other plastic-containing mixtures – Potentials and limitations

Abstract

Brennbare Abfälle und daraus produzierte Ersatzbrennstoffe (EBS) stellen zumeist ein Gemisch aus biogenen und fossilen Materialien dar. Um daher bei ihrer thermischen Verwertung die fossilen CO2-Emissionen bzw. den Anteil erneuerbarer Energie auszuweisen, ist eine Unterscheidung zwischen fossilen und biogenen Abfallbestandteilen nötig. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Bestimmungsmethoden entwickelt. Bereits standardisierte Methoden sind: Manuelle Sortierung (MS), die Selektive Lösemethode (SLM), die Radiokarbonmethode (14C-Methode) und die Bilanzenmethode (BM). Die BM beruht auf der Auswertung von Betriebsdaten von Müllverbrennungsanlagen (MVA). Eine Weiterentwicklung der BM stellt die adaptierte Bilanzenmethode (aBM) dar. Diese basiert auf der Analyse der Elementarzusammensetzung von Abfallproben. Die praktische Anwendbarkeit der aBM wurde bisher noch nicht geprüft. Das Ziel der Arbeit ist daher, die BM und die aBM in Bezug auf ihre Anwendbarkeit, Zuverlässigkeit und Flexibilität zu untersuchen, wobei zwei wesentliche Verwendungsbereiche unterschieden werden: (A) Anwendung der BM auf nationaler Ebene um ihre Eignung im großen Maßstab und weiterführende Verwertungsmöglichkeiten der generierten Daten zu untersuchen. Betriebsdaten von 10 Österreichischen MVAn werden über ein Jahr gemäß BM ausgewertet und verschiedene Parameter generiert: u.a. fossile CO2- Emissionsfaktoren (EF), biogene Heizwertanteile (qB) und Kunststoffanteile. (B) Charakterisierung von definierten Abfallgemischen und realen EBS Proben anhand der aBM. Leistungsmerkale der aBM werden generiert, die die Gültigkeit der Methode beschreiben und die als Basis für eine zukünftige Standardisierung dienen. Ergebnisse betreffend (A) zeigen, dass fast 90 % des jährlich in österreichischen MVAn verwerteten Abfalls mittels BM charakterisiert werden konnte. Ein derart großer „Probenumfang“ ist mit keiner der anderen Bestimmungsmethoden möglich. Für alle betrachteten Parameter weisen die generierten Daten ausgeprägte Streubreiten auf, sowohl zwischen den einzelnen Anlagen als auch im Jahresverlauf. Dies weißt auf eine starke Variabilität der Abfallzusammensetzung hin, die unter anderem durch saisonabhängigen EBS Bedarf der Industrie, Stillstandszeiten anderer MVAn oder regionale Unterschiede im Abfallsammelsystem zu erklären ist. Die Beobachtungen zeigen somit, dass die Verwendung von allgemeinen Werten zu EF oder qB zu wesentlichen Fehleinschätzungen führen kann. Ebenso können nur sporadisch durchführbare Sortieranalysen den Kunststoffgehalt in Abfällen falsch beziffern. Detaillierte Informationen zu Kunststoffanteilen im Abfallinput von MVAn sind mittels BM einfach generierbar und stellen wesentliche Daten zur Erhebung der gesamten Kunststoffabfallmengen dar. Zusätzlich zeigen die Ergebnisse, dass mithilfe der BM durch zeitlich hoch aufgelöste Daten über die Abfallzusammensetzung, Perioden unzureichender Abfalldurchmischung detektiert werden können. Ein weiterer Zusatznutzen der BM besteht darin, dass durch die routinemäßig durchgeführten Plausibilitätstests Messbzw. Aufzeichnungsfehler der Anlagenbetriebsdaten aufgedeckt werden. Die durchgeführten Arbeiten gemäß (B) stellen die ersten umfassenden Untersuchungen zur Anwendbarkeit der aBM dar. Es konnte dabei die Korrektheit der Methode nachgewiesen werden; beispielsweise lag die absolute Abweichung des fossilen Kohlenstoffanteils (xTC F) vom Referenzwert unter 3:6 %. Ein Vergleich der aBMErgebnisse mit jenen von MS und SLM zeigt, dass einzig die aBM für alle betrachteten EBS eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit der 14C-Methode liefert. Die Probenaufbereitung für die aBM ist verglichen mit MS und SLM als aufwändiger einzustufen, da die notwendige Elementaranalytik sehr geringe Probenmengen (wenige Zentrigramm) erfordert. Eine Varianzkomponentenanalyse zeigt, dass die Einwaage der Analyseprobe ein wesentlicher Faktor für die Streuung der Messwerte ist. Eine Anwendung unterschiedlicher Mahlprinzipien ist daher zu empfehlen um ausreichend homogene Analysenproben zu erhalten. Ein weiterer wichtiger Punkt für die Anwendung der aBM stellt die Wahl der Eingangswerte zur elementaren Zusammensetzung der fossilen und biogenen Materialien dar (TOXF und TOXB). Die Untersuchungen ergeben, dass EBS-spezifisch erhobene Daten zu TOXF und TOXB anhand von Sortierungen und Analysen zu hoher Genauigkeit der aBM-Ergebnisse führen. Gleichzeitig zeigt sich jedoch auch, dass die in der Arbeit erhobenen Werte zu TOXF und TOXB für 6 verschiedene EBS in einem engen Wertebereich liegen. Sobald eine geeignete Datenbasis verfügbar ist, kann daher Arbeitsaufwand eingespart werden. Die Untersuchungen zur Praktikabilität zeigen, dass die aBM durchaus eine Alternative zu bisher üblichen Methoden ist. Sowohl der Arbeitsaufwand als auch die Kosten sind mit denen der SLM vergleichbar. Die Arbeit zeigt, dass die BM und die aBM praktikable Bestimmungsmethoden darstellen um den fossilen und biogen Anteil in Abfällen und EBS zu bestimmen. Beide Methoden sind konkurrenzfähig mit standardisierten Methoden. Die BM zeichnet sich im Speziellen durch die Bereitstellung von Daten mit hoher zeitliche Auflösung aus; Daten, die zukünftig auch für andere Zwecke verwertet werden könnten. Die präsentierten Ergebnisse zeigen, dass die aBM in der Praxis angewandt werden kann und ermöglichen die Ausarbeitung einer eigenen Norm. Eine Übertragbarkeit der Methodik auf Umweltproben (z.B. Mikroplastik in Gewässerproben) kann abgeleitet werden und wird Thema zukünftiger Untersuchungen sein. Weitere Forschungsaktivitäten sollten zudem die Reproduzierbarkeit der aBM bei Anwendung in unterschiedlichen Laboren behandeln und auf die Sammlung von Daten zur Elementarzusammensetzung von fossilen und biogenen Materialien in unterschiedlichen EBS abzielen.

Mixed combustible wastes and refuse-derived fuels (RDF) usually consist of both biogenic and fossil materials. To report climate-relevant CO2-emissions or declare the share of renewable energy recovered in Waste-to-Energy (WtE) plants or in industrial processes, it is necessary to distinguish between the biogenic and fossil origins of the utilized waste components. In recent years different methods have been developed for this purpose. Standardized methods are: Manual Sorting (MS), the Selective Dissolution Method (SDM), the Radiocarbon Method (14C-Method), and the Balance Method (BM). The BM is based on the evaluation of WtE plant operating data and is already applied in several WtE plants in Europe. The BM was further developed into the adapted Balance Method (aBM), which is applicable to waste samples and evaluates data on the elemental composition of the samples. The feasibility of the aBM in practice has, however, not been demonstrated yet. The objective of the present thesis is to assess the BM and the aBM in terms of their feasibility, versatility, and reliability with respect to two major fields of application: (A) Large-scale application of the BM to examine the eligibility of the method and to exploit further applications of BM-generated data. Operating data of 10 Austrian WtE plants are evaluated over a period of one year. Different parameters are derived: i.a. fossil CO2-emission factors (EF), the ratio of biogenic energy from waste (qB) or the plastic content (xplastic). (B) Characterization of artificially prepared RDF model mixtures as well as real RDF samples by means of the aBM. Performance data of the aBM are generated, indicating the validity of the method and providing the basis for standardization. The results related to (A) show that with the aid of the BM, almost 90 % of the waste utilized in Austrian WtE plants annually could be characterized in terms of its composition. This represents a “sample size” which can hardly be achieved by any other method. Generated annual means for the WtE plants as well as monthly mean values at plant-level cover a wide range for all parameters considered. This indicates a strong variability of the waste composition, which is believed to be influenced by varying RDF demand of the cement industry, downtime periods of other WtE plants, or regional differences in waste collection. The observations clearly illustrate that the usage of an empirical value for EF or qB for WtE plants is problematic and can easily lead to significant misestimations of relevant data (by up to 40 % at plant-level). Similarly, it can be assumed that data on the plastic content in mixed waste, generated by sorting campaigns, leads to distorted estimates. Detailed information on the share of plastics in the feed of WtE plants, easily derived by applying the BM, represents valuable information when overall waste plastics generation and its utilization paths have to be assessed. Furthermore, the results reveal that temporally high-resolution data of the waste composition could be used to trace back insufficient mixing of the waste feed. In addition, the mandatory plausibility checks of the BM can support error detection in the operating data of WtE plants. The investigations related to (B) represent the first in-depth assessment on the performance of the aBM. Based on the aBM-determined share of fossil carbon (xTC F ), an absolute deviation from the reference value of below 3:6 % can be asserted. The comparison of aBM-generated values to results of MS and the SDM reveals that the aBM is the only method for which, independently of the RDF, low deviations and good correlations with the 14C-Method are observed. A more extensive sample preparation is expected for the aBM compared to MS and the SDM. This is due to the aBM relying on elemental analysis where only a few centrigrams of sample can be measured. By means of a variance component analysis, it is shown that the drawing of test specimens from the analysis sample considerably affects the total variation of aBM-results. A usage of different grinding mechanisms can be recommended for the sample preparation to ensure a low heterogeneity of the test specimens. A further crucial factor for the application of the aBM is the choice of the necessary input values the elemental composition of the water-and ash-free fossil and biogenic matter present in the RDF (TOXF and TOXB). These values are ideally generated specifically for an RDF by means of initial manual sorting and analyses. Thereby the highest accuracy of the aBM-results can be expected. However, the thesis shows that TOXF and TOXB values derived for 6 different RDFs are in a close range. This indicates that in future workload could be saved once a suitable data base about TOXF and TOXB values present in different types of RDFs is available. Finally, to conclude on the practicability of the aBM in comparison to standardized methods, the aBM presents itself as competitive with MS, the 14C-method and also to the commonly applied SDM in terms of workload and costs. The thesis shows that both the BM and the aBM are practicable methods to determine the fossil and biogenic fraction in mixed waste and RDFs. Both methods are competitive with other standardized determination methods such as the 14C-method, MS, or the SDM. The BM stands out by virtue of its unique capability to deliver data at a high temporal resolution, data which can in future also be exploited for other purposes. The investigations into the performance of the aBM presented clearly illustrate that this method is fit for practical application and can support the formulation of a standard procedure. A transferability of the principle to environmental samples (e.g. mircoplastics content in water samples) is demonstrated and will be the subject of future investigations. Forthcoming research activities should further address the reproducibility of the aBM when applied by different laboratories and should push for a collection of data on the elemental composition of fossil and biogenic matter present in different RDF types.