Düngerproduktion aus regionalen Reststoffen als Alternative zu fossilen Energieträgern
Die steigenden Preise für Mineraldünger veranlassen das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, neue Verfahren zur Rückgewinnung von Nährstoffen aus lokal verfügbaren Reststoffströmen zu erforschen und im Pilotmaßstab zu erproben. Dabei werden aus Gärresten, Gülle und kommunalem Abwasser direkt nutzbare Düngemittel gewonnen. Die Ergebnisse werden auf der IFAT Anfang Mai in München vorgestellt. Dieses Kreislaufkonzept trägt zur Versorgungssicherheit bei und schützt sowohl Gewässer als auch das Klima.
Auswirkungen geopolitischer Krisen auf Düngerpreise
Der Konflikt im Iran hat nicht nur die Kosten für Kraftstoffe wie Benzin und Kerosin erhöht, sondern auch die Preise für Düngemittel um bis zu 30 Prozent steigen lassen. Dies wird sich voraussichtlich auf die Lebensmittelpreise auswirken. Ein Großteil der weltweit gehandelten Stickstoff- und Phosphor-Mineraldünger wird über die Straße von Hormus transportiert. Die Herstellung stickstoffhaltiger Kunstdünger wie Ammoniak und daraus erzeugtem Harnstoff erfolgt in den Golfstaaten überwiegend mit Erdgas, wobei molekularer Stickstoff (N₂) unter hohem Druck und hohen Temperaturen zu Ammoniak (NH₃) umgesetzt wird.
Alternative Düngerherstellung ohne fossile Energie
Das Fraunhofer IGB demonstriert vom 4. bis 7. Mai auf der IFAT in München, wie Stickstoff und Phosphor aus nährstoffreichen Reststoffen zurückgewonnen werden können. In verschiedenen Forschungsprojekten wurden Verfahren entwickelt, um Mineralsalze aus Gülle, Gärresten und Abwasser als direkt einsetzbare Düngemittel zu recyceln.
Regionale Reststoffe als Nährstoffquelle
- Hohe Nährstoffkonzentrationen finden sich insbesondere in landwirtschaftlichen Reststoffen wie Gülle und Gärresten sowie in kommunalem Abwasser.
- EU-weit werden in der Tierhaltung jährlich Stickstoff und Phosphor in Mengen ausgeschieden, die den europäischen Bedarf an Mineraldünger decken könnten, so Dr. Brigitte Kempter-Regel, Business Development Greentech Solutions am Fraunhofer IGB.
- Aufgrund der hohen Wasseranteile von 80 bis 90 Prozent ist der Transport dieser Stoffe ineffizient.
- Eine direkte Ausbringung auf Feldern ist in Gebieten mit intensiver Tierhaltung oder Biogasanlagen oft problematisch, da Überdüngung und Gewässerbelastung drohen.
Aktuelle Kläranlagenpraxis und deren Grenzen
In Kläranlagen werden Nährstoffe zwar entfernt, um gesetzliche Grenzwerte einzuhalten und Gewässer vor Eutrophierung zu schützen, jedoch erfolgt dies meist nicht als Rückgewinnung. Phosphate werden häufig als unlösliche Aluminium- oder Eisensalze ausgefällt, während Ammonium-Stickstoff biologisch zu molekularem Stickstoff umgewandelt wird, der in die Atmosphäre entweicht. Diese Prozesse erfordern eine intensive Belüftung und verursachen hohen Energieverbrauch. Zudem entstehen Lachgasemissionen, deren Treibhauspotenzial 265-mal höher ist als das von CO₂.
Innovatives Verfahren zur Aufbereitung von Gülle und Gärresten
Im EU-geförderten Projekt BioEcoSIM hat das Fraunhofer IGB mit Partnern ein mehrstufiges Verfahren in einer Pilotanlage entwickelt, das Schweinegülle und Gärreste in Ammonium- und Phosphordünger sowie organische Bodenverbesserer umwandelt.
- Zunächst erfolgt eine Ansäuerung der Substrate, um Phosphor vollständig in die wässrige Phase zu überführen.
- Mittels mehrstufiger Filtration werden flüssige und feste Fraktionen getrennt.
- Phosphor wird aus der flüssigen Phase als Phosphatsalz gefällt.
- Der gelöste Stickstoff wird durch Membranabsorption als Ammoniumsulfatlösung zurückgewonnen.
- Die feste Phase kann kompostiert oder getrocknet und als organischer Bodenverbesserer oder Torfersatz verwendet werden.
- Das dabei entstehende Wasser eignet sich zur Wiederverwendung, beispielsweise zur Bewässerung oder als Spülwasser.
Zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit kann dem Verfahren eine Biogasanlage vorgeschaltet werden, die geruchsintensive Rohgüllekomponenten entfernt und zusätzliche Energie erzeugt. Ein mathematisches Modell ermöglicht die wirtschaftliche Bewertung unter verschiedenen Bedingungen, wobei steigende Kunstdüngerpreise positive Effekte zeigen, erläutert Michael Bohn, der die Verfahren am Fraunhofer IGB weiterentwickelt.
Nährstoffrecycling aus kommunalem Abwasser
Das Membranabsorptionsverfahren zur Ammoniumsulfatgewinnung wurde auch im Rahmen des Projekts »RoKKa« auf Kläranlagen erprobt. Dabei konnte die Ammoniumkonzentration im Filtrat der Schlammentwässerung um 90 Prozent reduziert werden. Gleichzeitig verringerten sich die Lachgasemissionen.
Im Projekt wurde das Membranverfahren mit dem ePhos-Modul kombiniert, das Phosphor elektrochemisch als Magnesium-Ammonium-Phosphat (Struvit) ausfällt, ohne chemische Zusätze. Das benötigte Magnesium wird über eine Opferanode in einer Elektrolysezelle kontinuierlich zugeführt.
Vorteile des regionalen Nährstoffkreislaufs
- Regionale Reststoffe wie Klärabwässer, Gülle und Gärreste sind verlässlich verfügbar und reduzieren Abhängigkeiten von internationalen Lieferketten.
- Die heimische Wirtschaft wird gestärkt.
- Die Rückgewinnung von Nährstoffen verringert die Belastung von Kläranlagen und Biogasanlagen und erzeugt nährstoffärmere Wasserströme, die weiterverwendet werden können, was den Frischwasserverbrauch senkt.
- Der Energieverbrauch wird reduziert und Lachgasemissionen gesenkt, was einen Beitrag zum Klimaschutz leistet.
Entwicklung neuer Geschäftsmodelle
Das Interesse der Landwirtschaft an dezentral einsetzbaren Technologien zur Nutzung von Gülle und Gärresten ist groß. Neben Betreibermodellen durch größere Unternehmen sind auch landwirtschaftliche Kooperativen denkbar.
Landwirte profitieren nicht nur von den zurückgewonnenen Nährstoffen, sondern erhalten lager- und transportfähige Produkte und können nährstoffarme Reststoffe problemlos ausbringen. Die Investitionskosten amortisieren sich durch eingesparte Entsorgungs- und Düngemittelkosten sowie durch Erlöse aus dem Verkauf der Produkte. Kläranlagen können als Betreiber Partnerschaften mit der Industrie eingehen, um die Düngemittel auf den Markt zu bringen, so Dr. Kempter-Regel.
Weiterführende Informationen
Pressemitteilung des Fraunhofer IGB mit zusätzlichen Bildern
