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Deponiegas entsteht hauptsächlich durch den bakteriologischen und chemischen Abbau von organischen Inhaltsstoffen des Mülls. Es besteht aus den Hauptbestandteilen Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2).
Entstehung der Deponiegasproduktion
Deponiegas entsteht in Folge biochemischer Abbauprozesse von organischen Verbindungen und Materialien im Müllkörper. Die Prozesse unterteilen sich in aerobe und anaerobe Abbauprozesse die zu Beginn in zeitlich aufeinanderfolgende Phasen eingeteilt werden können und die gegen Ende der Prozesse gleichzeitig ablaufen.
Aerobe Phase
Bei diesen Reaktionen wird der eingelagerte Luftsauerstoff aufgebraucht und Wasser, Stickstoff (N2), Kohlendioxid (CO2) und höhere molekulare Restprodukte gebildet. Bei lockerer Müllschüttung oder einem Gemisch aus Bauschutt und Hausmüll kann in den Randzonen eine ständige Nachfuhr von Sauerstoff stattfinden, so dass die aeroben Prozesse lange Zeit stabil ablaufen.
Anaerobe Nichtmethanphase
In dieser als „saure Gärung“ bezeichneten Phase entwickeln sich Bakterien, die ohne oder mit wenig Sauerstoff auskommen und vorwiegend Stickstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid und niedere Fettsäuren produzieren. Der Kohlendioxidgehalt kann bis auf 80 Vol. % ansteigen. Der pH-Wert sinkt in dieser Phase auf PH < 5.
Anaerobe nicht stabile Methanphase
Die Bedingungen (pH-Wert, Temperatur) stabilisieren sich in der Deponie. Es werden methanbildende Bakterien aktiv.
Anaerobe stabile Methanphase
Unter anaeroben Bedingungen werden die organischen Bestandteile zu Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) abgebaut. Der pH-Wert steigt auf PH 7 – 8. Das Ergebnis der biochemischen Abbauprozesse ist ein wassergesättigtes Gas welches im wesentlichen aus 50–70 Vol.% Methan und 30 – 50 Vol.% Kohlendioxid besteht. Dieses Gasgemisch wird Deponiegas genannt.
Abklingende Methanphase
Die Methanbildung erfolgt nur noch auf niedrigem Niveau und selbst bei nicht technisch entgasten Deponien beginnt der Eintritt von Luft in den Deponiekörper weil der Gasstrom über der Oberfläche zu gering ist, um z. B. bei Luftdruckänderungen ständig einen ausströmenden Gasstrom aufrecht zu erhalten. Der Prozess verstärkt sich mit weiter abnehmender Gasproduktion zu einem ständigen Lufteintritt durch Druckschwankungen und Diffusion.
Als Ergebnis dieser o. g. Reaktionen entstehen im Verlauf von 15 – 20 Jahren aus einer Tonne Hausmüll ca. 100 – 200 m³ Deponiegas mit einem Methananteil um 55 Vol.%. Dabei verändert sich im zeitlichen Verlauf die Zusammensetzung des Gases. Bereits 1 Jahr nach Einlagerung der Abfälle ist in der Regel im Inneren der Ablagerung die stabile Methanphase erreicht.
Das Deponiegas setzt sich in der stabilen Methanphase im wesentlichen aus 60 Vol. % CH4 und 40 Vol. % CO2 zusammen. Das Verhältnis der beiden Komponenten beträgt dann 1,5:1.
Mit zunehmendem Abbau der organischen Müllbestandteile verschiebt sich dieses Verhältnis auf Werte deutlich größer 2:1.
Die Änderung der Gaszusammensetzung in Abhängigkeit vom biochemischen Müllalter ermöglicht eine Aussage über den Abbaugrad der gasbildenden Müllbestandteile und damit über die Dauer und Menge der zukünftigen Deponiegasbildung.
Deponiegas besitzt im wesentlichen vier Gefährdungspotentiale.
Schadstofffrachten und Gefährdungspotentiale
Stoff MAK1) MIK2) CO2 0,5 Vol.% H2S 15 mg/m³ 0,015 mg/m³ Merkaptane 1 mg/m³ 0,005 mg/m³ Hexan 180 mg/m³ Benzol TRK3) 26 mg/m³ 0,3 mg/m³ Toluol 750 mg/m³ 2,0 mg/m³ Xylol 440 mg/m³ 1,5 mg/m³ Ethylbenzol 435 mg/m³ 0,02 mg/m³ Cumol 480 mg/m³ 0,02 mg/m³ Acetaldehyd 90 mg/m³ Dichlormethan 360 mg/m³ Vinylidenchlorid 40 mg/m³ 1.2 Dichlorethen 790 mg/m³ Vinylchlorid TRK3) 5 mg/m³ Summe 2,0 mg/m³ Gesamtchlor 7 mg/m³ 0,1 mg/m³ (HCl) Gesamtfluor 2 mg/m³ 0,001 mg/m³ (HF) Quecksilber 0,1 mg/m³ Arsen (AsH3) 0,2 mg/m³ Biozide 1,0 mg/m³
Die obengenannte Tabelle ist heranzuziehen, sobald Baumaßnahmen (Gefahr f. Mensch) im/am Deponiekörper durchgeführt werden.
Gefahren durch Deponiegas
Brand- bzw. Explosionsgefahr
Methan als Hauptbestandteil von Deponiegas bildet mit Luftsauerstoff ein zündfähiges Gasgemisch. Dazu muss in der Mischung Methan in Konzentrationen zwischen 4,4 und 16,5 Vol. % und ein Sauerstoffgehalt von mindestens 12 Vol. % vorhanden sein. Daraus folgt, dass Deponiegas nicht immer mit Luft zu einem zündfähigen Gemisch werden kann. Methangehalte größer 25 Vol. % sind mit Luft nicht mehr zu einem zündfähigen Gemisch zu bringen. Auch Gasgemische mit einen Inertgasanteil > 75 Vol. % sind in Verbindung mit Luft ebenfalls nicht mehr in einen zündfähigen Zustand zu bringen.Die Explosionseigenschaften von Deponiegas können mittels der sicherheitstechnischen Kenndaten von Methan konservativ (siehe Anmerkung) beschrieben werden.
Sicherheitstechnische Kenndaten von Methan
| Bezeichnung | Methan |
|---|---|
| untere Explosionsgrenze (UEG) | 4,4 Vol. % |
| obere Explosionsgrenze (OEG) | 16,5 Vol. % |
| Zündtemperatur | 595° C |
| Mindestzündenergie | 0,3 mJ |
| Temperaturklasse nach VDE 170/171 | T1 II A *1 |
| Explosionsgruppe | II A *2 |
| Mindeststromverhältnis | > 0,8 (MIC) |
| Explosionsklasse | 1 |
- 1 T1 < 450°C Oberflächentemperatur am Betriebsmittel
- 2 II A Grenzspaltweite > 0,9 mm
Deponiegas_Warnung.JPG Anmerkung: Die nicht brennbaren Bestandteile im Deponiegas (vor allem CO2) haben einen inertisierenden Einfluss und bewirken eine Einengung des Explosionsbereiches.
Rauchen, offenes Licht und Feuer darf in nicht geschützten und überwachten Räumen auf der Deponie nicht gestattet werden. In Gebäuden, Räumen, Schächten oder sonstigen Anlagen auf der Deponie in denen eine Gasentwicklung möglich ist sollte strickt darauf geachtet werden, dass Rauchen, offenes Licht und Feuer oder sonstige Handlungen, die eine Explosion oder Feuer auslösen können, unterlassen werden. Die Einhaltung der GUV 17.4 und entsprechende Betriebsanweisungen sind unbedingt zu beachten.
Erstickungsgefahr
Kohlendioxid in Konzentrationen > 9 Vol. % führt innerhalb weniger Minuten zum Ersticken. Erstickungsgefahr besteht vor allem in tiefen Gruben bzw. Schächten in die Deponiegas einströmt. Weitere Erstickungsgefahr entsteht dort durch Sauerstoffmangel in der mit Deponiegas vermischten Luft.
Gefährlichkeit von CO2 für den Menschen
MAK CO2 * 0,5 Vol.% Schwindel * 1...5 Vol. % Tödlich in Minuten * 10 Vol. %
Toxisches Gefährdungspotential
Im Deponiegas ist eine Vielzahl an Spurenstoffen enthalten welche bereits in geringen Konzentrationen gesundheitsschädlich wirken können. Dabei handelt es sich vor allem um LHKW, BTEX und Schwefelverbindungen. Die starke Verdünnung des Deponiegases (> 10.000fach) bei Austritt über der Deponieoberfläche führt zu einer Reduzierung der Schadstoffkonzentrationen in der Luft der Umgebung.
Gefährlichkeit von H2S und C2H3Cl (Chlorethen, VC) für den Menschen
H2S MAK * 15 mg/m³ Starker, unerträglicher Geruch * 50 mg/m³ Schleimhautreizung * 150 mg/m³ Geruchlos, in Minuten tödlich * 500 mg/m³ sofort tödlich * 1500 mg/m³
VC (stellvertretend für viele o.g. Stoffe) MAK * 40 mg/m³ Karzinogen bei Mäusen * 100 mg/m³ Leberschäden (Maus) * 200 mg/m³ Narkotische Wirkung * 4000 mg/m³
Klimaeffekte
Methan ist nach wissenschaftlichen Erkenntnissen Mitverursacher bei der Zerstörung der Ozonschicht und bei der Erwärmung der Atmosphäre (Treibhauseffekt). Die Wirkung ist ca. 30 fach stärker als bei Kohlendioxid
Sonstige allgemeine Gefahren
Emissionen unterhalb 100 ppm CH4 Zur Zeit bestehen noch keine verbindlichen Werte für zulässige Emissionen. Langzeituntersuchungen an mehreren Deponien, an denen die Emissionswerte beobachtet wurden zeigten, dass auf Flächen mit Mittelwerten unterhalb 100 ppm CH praktisch keine Vegetationsschäden auftreten. Gerüche (H2S) sind nicht wahrnehmbar. Flächige Emissionen um 100 ppm dürften weder für Insekten oder andere Kleinlebewesen noch für Pflanzen eine Gefahrenquelle darstellen.
Emissionen von 100 bis 500 ppm CH
Mittelwerte zwischen 100 und 500 ppm CH können auf bestimmte Vegetation und Bodenlebewesen schädigend wirken. Dabei können tiefwurzelnde Pflanzen infolge des Mangels an Bodenluft-Sauerstoff absterben..
Emissionen von 500 bis 2.000 ppm CH
Emissionen zwischen 500 und 2000 ppm CH können eine Gefahrenquelle darstellen. Der Bodenluft-Sauerstoff wird durch die ausströmenden Gase verdrängt. Vegetation mit hohen Luftsauerstoffanspruch kann ausfallen. Gase verlassen verdünnt die Deponieoberfläche. Der gasbegleitende Geruch kann wahrgenommen werden.
Emissionen von mehr als 2.000 ppm CH
Das Deponiegas stellt eine Gefahrenquelle dar. Der Sauerstoff wird durch die ausströmenden Gase aus dem Boden verdrängt. Die Vegetation fällt aus, zum Teil brennbare Gase verlassen weniger verdünnt die Deponieoberfläche. Bei bestimmten Wetterlagen (z.B. Inversionslage) können in Bodennähe Gasansammlungen entstehen. Dadurch nimmt die Brandgefahr bei Zündung von Außen zu.
Emissionen von mehr als 5.000 ppm CH
Explosionsfähige Gemische können sich in Gruben, Spalten, Klüften, Kellern oder anderen tiefer gelegenen Räumlichkeiten bilden und beim Betreten oder Arbeiten in diesen Bereichen eine Gefahr bedeuten.
Allgemeine Grundlagen der Gasproduktion und Gasemittenten
Die Deponiegasproduktion ist abhängig von der - Stoffeinlagerung - Einlagerungsmenge - Einlagerungszeit - Wasserhaushalt in der Deponie - Klima (Außentemperatur, Luftdruck, Windrichtung und Geschwindigkeit) - Deponieart (z.B. Halden, Gruben, Hangdeponie)
Die Halbwertzeit von abbaubaren, kohlenstoffhaltigem Material liegt bei ca. 6 Jahre nach der Einlagerung. Bei Klärschlämmen bei ca. 3 Jahre.
Es geht wenn nicht besonders günstige Voraussetzungen (optimaler Wasser und Temperatur-Haushalt) vorliegen, die Nutzung von Deponiegas 6 Jahre nach Einlagerung rapide zurück. Dann steht nur noch die Sicherheit für Mensch, Tier und Einrichtungen im Vordergrund.
Nach ca. 20 Jahren wird das Gefährdungspotential erheblich geringer. Hier steht dann nur noch die Umweltgefährdung, (Klima, Kleintier und Pflanzenschutz) im Vordergrund.
Deponien stehen in der Rangliste der klimabeeinträchtigten Methanproduzenten weltweit an ca. 6. Stelle.
Bei geringer Gasproduktion sollte deshalb, Ausnahme wäre wenn eine Gefährdung durch Brand- oder Explosionsgefahr noch besteht, über eine Aktiventgasung nachgedacht werden.
Die Abschätzung einer Ökobilanz auf der Basis von klimagefährdeten Emittenten (CO2) bei Betrieb und Unterhaltung der Anlage, zu frei abströmenden Methan und Kohlendioxid, könnte ein Ansatz sein. Als Faustzahl sollte hierzu die Emission von 5 ppm CH4 /m² Deponiefläche an. Daraus ergibt sich rechnerisch bei einem Methangehalt von 55 Vol.% eine Abströmung von ca. 2,5 Liter CH4/m².
Formen der aktiven Deponieentgasung
- Verbrennung in Fackeln - Verbrennung in Motoren - katalytische und nichtkatalytische Verbrennungen - Methanoxidation über Biofilter, Biofenster etc. - Mineralisierung der organischen Kohlenstoffverbindung durch aerobe Verfahren
- Verbrennung in Fackeln: Schwach- und Gutgasentsorgung 25 – 45 Vol. Methan > 25m³/h; Mindestanforderung aus Sicherheits- und Umweltgründen
- Verbrennung in Motoren,Heizung, Öfen: Gutgasentsorgung Verwertung >45 Vol.% Methan >100m³/h; Eine Gutgasverwertung ist bei Entsorgung über Motoren ab 120 Kwel mit Wärmenutzung rechenbar.
- katalytische und nichtkatalytische Verbrennungen: Gefahrenabwehr, Ex-GefahrSchwachgas <25Vol.% Methan, < 25m³/h; Hat nur Sinn, wenn die Gasqualität noch im Ex-Bereich besteht und die Gasmenge gering ist.
- Methanoxidation über Biofilter, Biofenster etc.: Gefahrenabwehr, Ex-Gefahr Schwachgas <25Vol.% Methan, <25m³/h; Kostengünstige Investition und Betriebskosten. Wirkung umstritten.
- Aerobe Umsetzung von Biomasse: Einsetzbar bei Altdeponien mit abklingender Methanproduktion. Kostenaufwendige Verfahren in Erstellung und Betrieb der Anlagen. In Einzelfällen „eventuell“ sinnvoll. Diese Verfahren sind noch voll in der Versuchsphase. Nur sehr beschränkt einsetzbar (z.B. Schütthöhe). Eine Umsetzung von nahezu 100% ist nicht gewährleistet. Eine spätere Methanproduktion ist daher wieder möglich. Sehr aufwändige und teure Verfahren, die sich bei Nutzungsänderung rechnen könnten. Bisherige Veröffentlichungen sind nicht überzeugend.
Gaseminenten (Methan) global gesehen
Methanproduzenten im Vergleich
| Produzenten | in Millionen Tonnen/Jahr |
| Wiederkäuer (vor allem Rinder) | 70-100 |
| Reisanbau auf Nassfeldern | 70 -100 |
| Tundra | 40-110 |
| Verbrennung von Biomasse | 20 -110 |
| Sümpfe- Seen- Feuchtgebiete | 20-70 |
| Müllhalden | 30-60 |
| Insekten ( vor allem Termiten) | 20 -80 geschätzt- Menge der Termiten nicht bekannt |
| Erdgasverluste | 20-50 |
| Steinkohlebergbau | 12-40 |
- Von Menschen verursacht:
Bei der Klimaproblematik sind Altdeponien nur kleine Beteiligte.
Kohlendioxid und Methan
Die Menge an Deponiegas, die in Deutschland entsteht kann mit etwa 2,5 Milliarden Nm3 pro Jahr oder etwa 285.000 Nm3 pro Stunde abgeschätzt werden. Davon sind etwa 1,5 Milliarden Nm3/a Methan und etwa 1,0 Milliarden Nm3/a Kohlendioxid (170.000 Nm3/h CH4 und 115.000 Nm3/h CO2).
Der thermische Energieinhalt dieser Methanmenge beträgt etwa 15.000 GWh pro Jahr (entsprechend etwa 1,3 Millionen Tonnen Öl) oder 1.700 MWh pro Stunde.
Beide Gase, CH4 und CO2 zusammengerechnet bilden einen Treibhauseffekt von etwa 16 Milliarden Nm3/a CO2-Äquivalent.
Verbrennung
Bei der Verbrennung von Deponiegas wird das Methan unter optimalen Bedingungen zu 1/3 in CO2 und zu 2/3 in H2O umgewandelt. Dabei erfolgt also eine Reduzierung des Treibhauseffektes, unter der Annahme von 60 % Methan und 40 % Kohlendioxid, von 6,4 Nm3 CO2-Äquivalent pro Nm3 Deponiegas auf 0,6 Nm3/Nm3 und der Ozon-Zerstörungseffekt wird gar auf Null reduziert.
Aufgrund von Untersuchungen über die Spurenstoffe des Deponiegases ist nach heutigem Kenntnisstand davon auszugehen, dass neben den anorganischen Spurengasen wie Schwefelwasserstoff (H2S), der in einer Konzentration 20 bis 500 mg/Nm3 typisch ist, Ammoniak (NH3), Wasserstoff (H2) und Stickoxiden (NOx), etwa 500 verschiedene organische Kohlenwasserstoffe, darunter auch Halogenkohlenwasserstoffe, im Deponiegas vorhanden sind.
Die Mehrzahl der bislang identifizierten Spurenstoffe kann als giftig, krebserzeugend oder im weitesten Sinne gesundheitsschädlich bezeichnet werden. Die Summe der organischen Kohlenwasserstoffverbindungen bewegt sich typischerweise zwischen 500 und 1.500 mg/Nm3 und die Summe der Halogenkohlenwasserstoffe zwischen 10 und 250 mg/Nm3. Ausnahmen mit extrem höheren Konzentrationen können lokal und temporär auftreten.
Bei einer angenommenen mittleren Konzentration von 800 mg/Nm3 organische Kohlenwasserstoffe und 50 mg/Nm3 Halogenkohlenwasserstoffe ergeben sich mit den o.g. Mengen an Deponiegas folgende Stoffströme, die aus Deponien der BRD pro Jahr freigesetzt werden: - etwa 3.300 Tonnen organische Kohlenwasserstoffe und davon - etwa 200 Tonnen Halogenkohlenwasserstoffe.
Auch für diese Stoffe gilt, dass eine thermische Zerstörung bei der Verbrennung eine deutliche Verminderung der Umweltbelastung bedeutet.
Umweltschutz
Zusammenfassend ist festzustellen, dass aus Umweltschutzgründen eine unkontrollierte Entgasung von Deponien in die Atmosphäre nicht erfolgen sollte, und dass mindestens eine thermische Behandlung des Gases zur Minimierung der negativen Auswirkungen notwendig ist. Hierbei ist abzuwägen, ob der Aufwand an elektrischer Energie, Energieaufwand für Wartungen, Energieaufwand bei der Materialherstellung in einer Bilanz (gemessen an der CO2-Emission) eine Einsparung ergibt. Zusätzlich ist der Kostenaufwand mit zu bedenken.
Dabei ist allerdings zu beachten, dass auch bei der Verbrennung neue unerwünschte Verbindungen auftreten können. Hier seien nur Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx), Salz- und Fluorwasserstoffsäure (HCl und HF) Diese Stoffe können allerdings durch geeignete Verbrennungsverfahren, Verfahren der Rauchgasreinigung oder der Gasvorreinigung minimiert oder gar verhindert werden. Langzeitige Untersuchungen an Verbrennungsanlagen von Deponiegas haben gezeigt, dass eine Dioxinbildung im Rauchgas nicht nachgewiesen werden konnte.
Als Alternative sind passive Methanoxidationsfenster sehr sinnvoll. Als Faustregel kann davon ausgegangen werden, der Massenstrom < 20 m³/h bei 55 Vol% Methan oder wenn die Gasemission, gerechnet über die gesamte Deponiefläche, im Mittel < 15 ppm beträgt.
Deponien stehen weltweit an 7. Stelle der Methanproduzenten. An erster Stelle stehen Rinder (ca. 400 l/d durch Wiederkäuen) und Reisfelder (Faulgas).
Durch die Nutzung der Energie bei der thermischen Zerstörung von Deponiegas lassen sich sonstige Emissionsquellen vermindern und damit kann in der Summe aller gasförmiger Emissionen eine Hausmülldeponie praktisch neutralisiert werden. Heute aber werden die Deponien mit Gras bewachsen lassen und der Müll wird verbrannt und als Kraftstoff für z.B. Elektrizitätswerke benutzt.
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