von Dr. Christian Röhr und Wolfram Holzapfel,
GUT Gesellschaft für Umwelttechnologie mbH, Usinger Straße 32, 61169 Friedberg-Ockstadt
Tel. (06031) 7142-0 Fax (06031) 7142-50
(überarbeitete und gekürzte Version der gleichnamigen Publikation in WLB Wasser, Luft und Boden 1-2/1992 von Quanz & Röhr)
Durch Sanierungsmaßnahmen der Bodenluft werden einerseits Schadstoffe aus der Umwelt entfernt, andererseits belasten solche Maßnahmen aber auch die Umwelt, insbesondere durch ihren recht hohen Energiebedarf. Bei der Durchführung von Umweltsanierungsmaßnahmen verdient die Betrachtung des notwendigen Primärenergieeinsatzes und die daraus resultierenden Emissionen einen besonderen Stellenwert, damit die Sanierung nicht zur Verlagerung von Umweltbelastungen führt oder gar mit negativer Umweltbilanz abschließt. Am Beispiel einer typischen Bodenluftabsaugung soll dies verdeutlicht werden.
Der Betrieb der Sanierungsanlagen erfolgt mit elektrische Energie. Der Einsatz von Aktivkohle verursacht zum einen ebenfalls den Verbrauch elektrischer Energie zur hydraulischen Durchströmung der Aktivkohle und zum anderen den direkten Einsatz von Primärenergie zur Aufarbeitung und zum Transport der Aktivkohle.
Die elektrische Energie wird in Deutschland im wesentlichen durch Verbrennen der Primärenergieträger Braunkohle, Steinkohle, Erdgas und schweres Heizöl sowie durch Kernenergie erzeugt. Nach Angaben des Umweltbundesamtes [1] und von Hildebrand [2] ist diese Stromerzeugung durchschnittlich unter anderem mit der Emission von 660 g/kWh CO2, 0,97 g/kWh NOx sowie 0,46 g/kWh SO2 verbunden. Weiterhin fällt 9,5 g/kWh Gips bei der Rauchgasentschwefelung an.
Sowohl für die Herstellung und den Betrieb der Anlagen als auch für die Aufarbeitung der eingesetzten Aktivkohle wird der Einsatz von Energie notwendig. Dabei ist entscheidend, daß die benötigte Energie weitgehend unabhängig von der entfernten Schadstoffmenge ist.
Als Grundlage der Berechnungen dient der Energiebedarf für den Betrieb einer typischen Bodenluftabsauganlage mit einem Luftvolumenstrom von ca. 100 m3/h und einer elekrischen Leistungsaufnahme von 2 kW.
Zum Betrieb der Anlagen ist, unabhängig von der Schadstoffkonzentration, eine konstante Menge elektrischer Energie notwendig. Dies hat zur Folge, daß bei relativ geringen Schadstoffkonzentrationen ein hoher spezifischer Energieaufwand notwendig ist und folglich auch eine hohe Umweltbelastung pro Menge zurückgewonnenem Lösemittel erzeugt wird.
Für die Ökobilanz ist der spezifische Energieaufwand entscheidend, also die aufgewendete Menge an Energie pro rückgewonnener Menge an Lösungsmittel, bzw. die dadurch emittierte Menge an Schadstoffen pro rückgewonnener Menge an Lösungsmittel. Die Abb. 1 zeigt die rückgewonnene Menge an Lösungsmittel, die Abb. 2 den spezifischen Primärenergieverbrauch, jeweils in Abhängigkeit von der Lösungsmittelkonzentration in der Bodenluft. Der Primärenergieeinsatz wird zur Verdeutlichung durch leichtes Heizöl ausgedrückt, wobei ein Wirkungsgrad für die Umwandlung von Primärenergie in Strom von 33% zu Grunde gelegt wird.
Abb. 1: Rückgewonnene Menge an Lösungsmittel innerhalb eines Jahres durch kontinuierliche Bodenluftabsaugung in Abhängigkeit von der Lösungsmittelkonzentration in der Bodenluft.
Abb. 2: Für den Betrieb der Anlage wird recht viel elektrische Energie benötigt. In dieser Abbildung ist der spezifische Primärenergieeinsatz zum besseren Verständnis als äquivalente Heizölmenge in Abhängigkeit von der Lösungsmittelkonzentration in der Bodenluft dargestellt.
Die maximale Schadstoffaufnahme der Aktivkohle ist im wesentlichen abhängig von der Art und der Konzentration des aus der Bodenluft zu entfernenden Lösungsmittels bzw. Lösemittelgemisches sowie der Aktivkohlesorte, der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit. Die Abb. 3 zeigt idealisiert eine typische maximale Arbeitsbeladung für einen chlorierten Kohlenwasserstoff (CKW). Daraus ergibt sich dann, je nach CKW-Konzentration in der Bodenluft, ein entsprechender spezifischer Aktivkohlebedarf für jedes zurückgewonnene Kilogramm an CKW (Abb. 4).
Abb. 3: Die maximale Beladung von Aktivkohle ist abhängig von der Schadstoffkonzentration. Dargestellt ist die idealisierte typische maximale Beladung für eine reine CKW-Phase. Die Adsorptionsverhältnisse für Phasengemische sind komplexer. Weiterhin beeinflussen Aktivkohlesorte, Temperatur und Luftfeuchtigkeit die Adsorption.
Abb. 4: Durch die geringe maximale Beladung der Aktivkohle bei geringen CKW-Konzentrationen in der Bodenluft ergibt sich dann ein sehr hoher spezifischer Aktivkohlebedarf.
Von Aufarbeitern von Aktivkohle wird angegeben, daß zur Reaktivierung von Aktivkohle pro Tonne ca. 560 l Heizöl aufgewendet werden muß. Weitere Energie wird für den Transport der Kohle verbraucht. Wie bei dem Einsatz der Bodenluftanlage ergibt sich daraus auch für den Einsatz von Aktivkohle eine spezifische Energiemenge pro rückgewonnenem kg CKW. Das Resultat ist in Abb. 5 dargestellt.
Abb. 5: Als Folge des variablen spezifischen Aktivkohlebedarfs ergibt sich auch ein entsprechend variabler Primärenergieeinsatz, der zum Betrieb eines Aktivkohlefilters notwendig wird (für Druckverlust, Reaktivierung und Transport).
Die Sanierung von Lösungsmittel-Schäden durch Bodenluftabsaugung erfolgt unter behördlicher Aufsicht. Feste Grenzwerte, bis zu welcher Lösungsmittelkonzentration hinab die Bodenluftabsaugung betrieben werden soll, existieren nicht. Die Festlegung liegt im Ermessensspielraum der einzelnen regionalen Fachbehörden, beeinflußt von Richtwerten übergeordneter Stellen. Die Forderungen gehen bis auf 0,5 mg/m3 Lösungsmittel in der Bodenluft hinab.
Die Absaugung von Bodenluft mit einer Lösungsmittelkonzentration von 1 mg/m3 bedeutet beispielsweise, daß pro Jahr 900 g Lösungsmittel dem Boden entzogen werden. Dabei wird für die Absauganlage eine Primärenergiemenge verbraucht, die 5300 l Heizöl entspricht. Dieser Energieverbrauch ist mit der Erzeugung von 12 t CO2, 8 kg SO2, 17 kg NOx sowie von 170 kg Gips gekoppelt. Für die Reaktivierung der Aktivkohle sind weitere 440 l Heizöl notwendig.
Die Abb. 6, 7 und 8 zeigen die Mengen verschiedener Schadstoffe, die bei der Entfernung von einem Kilogramm Lösungsmittel in die Atmosphäre emittiert werden in Abhängigkeit von der Lösungsmittelkonzentration in der Bodenluft.
Durch die Bildung der spezifischen Größen der durch den Energieeinsatz erzeugten Schadstoffe bezogen auf die rückgewonnene Lösungsmittelmenge wird deutlich, daß die Entfernung von Lösungsmitteln aus dem Boden bei geringen Konzentrationen in der Bodenluft mit der Emission von erheblichen spezifischen Mengen an Schadstoffen verbunden ist. Verstärkung des Treibhauseffekts, Saurer Regen, Deponieprobleme usw. sind die Folge bei gleichzeitiger unverhältnismäßig geringer Umweltentlastung am Schadensherd. Die Sanierung des lokalen Lösungsmittelschadens kann somit zu einem nicht zu vernachlässigenden negativen Einfluß auf die regionale und globale Umwelt führen.
Um zu einem ökologischen Gesamterfolg zu kommen ist es notwendig eine optimale Anlagendimensionierung vorzunehmen, wobei es ökologisch sinnvoll erscheint
Dabei stellt die Abschätzung des anstehenden Gefahrenpotentials sicherlich die schwierigste Größe dar. Dies dürfte jedoch bei Kenntnis der örtlichen geologischen Gegebenheiten und entsprechender technologischer Erfahrung machbar sein. Am Festhalten von scheinbar optimal niedrigen Zahlenwerten als generelles Sanierungsziel kann deshalb nur gewarnt werden, da, wie hier dargelegt, der Umweltschaden möglicherweise durch die gut gemeinte Sanierungsmaßnahme noch vergrößert wird. Bei zu niedrigen Lösungsmittel-Konzentrationen in der abgesaugten Bodenluft wird die Ökobilanz der Sanierungsmaßnahme zu Ungunsten der Umwelt ausfallen.
Abb. 6: Bei geringen Lösungsmittelkonzentrationen in der Bodenluft werden durch den Betrieb der Anlage (Stromverbrauch Gebläse) pro entferntes Kilogramm Lösungsmittel große Mengen an CO2 in die Atmosphäre emittiert.
Abb. 7: Bei geringen Lösungsmittelkonzentrationen in der Bodenluft werden durch den Betrieb der Anlage (Stromverbrauch Ventilator) pro entferntes Kilogramm Lösungsmittel große Mengen an SO2 und NOx in die Atmosphäre emittiert sowie Gips erzeugt.
Abb. 8: Diese Darstellung zeigt die beträchtlichen CO2-Emissionen bei niedrigen Lösungsmittelkonzentrationen in der Bodenluft, verursacht durch den Einsatz von Aktivkohle (Druckverlust, Reaktivierung und Transport).
[1] Umweltbundesamt (1989): Daten zur Umwelt. Erich Schmidt Verlag
[2] Hildebrand, H. (1991): Emissionsentwicklung im EVU-Bereich der alten Bundesländer in den Jahren 1989 und 1990.- Elektrizitätswirtschaft, 90, 691-706