Phosphor aus Klärschlamm

Gesetzliche Pflicht. Moralische Verpflichtung. Kommunale Daseinsvorsorge-Verantwortung

Hintergrundinformationen zum Interview mit Harald Hanssen, Hamburg Wasser, in der Rubrik Daseinsvorsorge & Kommunen

Eine Handreichung zu der ab dem Jahr 2029 bestehenden Verpflichtung zu Recycling von Phosphor aus kommunalen Klärschlämmen (Grundlage: ist die im Jahr 2017 novellierte Klärschlammverordnung)

Ein märchenhafter Vorspann zu Vergangenheit und Zukunft

„Heute back‘ ich, morgen brau‘ ich, übermorgen ho‘l ich der Königin ihr Kind; ach, wie gut, dass niemand weiß, dass ich Rumpelstilzchen heiß!“

Dieser Vers entstammt dem Grimms-Märchen vom Rumpelstilzchen? Dank des Zaubermännchens „löste“ die Müllerstochter die unmögliche Aufgabe, in einer Nacht eine ganze Kammer voll Stroh zu Gold zu spinnen. So entging sie dem sicheren Tod und rettete als spätere Königin auch ihr Kind. Aber eben nur in der Sage.

Heute lösen Naturwissenschaftler und Ingenieure solche titanischen Aufgaben. „Exkremente zu Phosphor“! Wenn auch nicht – wie im Märchen – über Nacht. Beim TetraPhos®-Projekt – das ist derzeit am weitesten gediehene Vorhaben einer großtechnischen Realisierung dauert es vom Projektstart bis zum Volllastbetrieb im Jahr 2023 sechs Jahre. In Relation zur Größe, Komplexität und dem Schwierigkeitsgrad der Aufgabe ein außergewöhnlich kurzer Zeitraum.

Exkremente zu Phosphor. Darauf wäre selbst der phantasiebegabte Erzähler des Märchens vom Rumpelstilzchen in seinen kühnsten Träumen nicht gekommen. Und für unsere menschliche Existenz ist Phosphor noch viel wichtiger als Gold!

1. Grundsätzliche Problembeschreibung

Die Existenz des Lebens auf der Erde ist real bedroht. Der Klimawandel ist aber „nur“ ein Teilaspekt. Denn die Gefährdung der Schöpfung basiert in erster Linie auf dem verantwortungslosen Umgang mit den irdischen Ressourcen: Das Wasser, die Luft, die Wälder, die Rohstoffe. Die radikale Umkehr ist überfällig. Diese Botschaft ist parteiübergreifend bei der Mehrheit der Menschen angekommen. Die Antwort lautet: Kreislaufwirtschaft. Nicht als Mogelpackung oder Symbolpolitik wie dem Verbot von Trinkröhrchen aus Plastik. Sondern als konsequente Rückgewinnung der Stoffe.

2. Exkremente (Klärschlamm) zu Phosphor

Eine der geforderten radikalen Antworten auf die Bedrohung des Lebens auf der Erde ist das konsequente Recycling von Phosphor aus den kommunalen Klärschlämmen.

Im Jahr 2020 fielen rund 1,8 Millionen Tonnen Klärschlamm (Trockenmasse) aus kommunalen Kläranlagen in Deutschland an. Davon wurden rund 75 Prozent verbrannt. Die weiteren 25 Prozent wurden stofflich verwertet, vor allem in der Landwirtschaft und beim Landschaftsbau. Radikal heißt: Diese gesamte Menge muss zur Wiedergewinnung von Phosphor genutzt werden.

3. Die gesetzliche Pflicht (Kreislaufwirtschaftsgesetz, Klärschlamm- und Deponieverordnung)

• Am 3. Oktober 2017 ist die überarbeitete Klärschlammverordnung in Kraft getreten. Sie schreibt vor, dass kommunale Abwasserbehandlungsanlagen die Mangelressource Phosphor (das Element steht seit dem 13. September 2017 auf der „Liste kritischer Rohstoffe der Europäischen Union) ab 2029 zurückgewinnen müssen.

Trotz eindeutiger Faktenlage wird immer noch hier und da diese gesetzliche Verpflichtung in Frage gestellt. Und zwar mit Bezug darauf, dass in der AbfKlärV §3 folgendes steht „Klärschlamm muss möglichst hochwertig verwertet werden… sofern technisch möglich und wirtschaftlich zumutbar“. Diese scheinbar eingrenzende  Formulierung wird so interpretiert, dass die Phosphor-Rückgewinnung nicht zwingend ist. Das ist falsch. Die Phosphor-Rückgewinnung ist nur bis 2029 nicht zwingend bzw. mit den genannten Einschränkungen. Ab 2029 ist §3 der AbfKlärV ohne wenn und aber gültig. Die Vorgabe lautet ab diesem Zeitpunkt:

„Der Betreiber einer Klärschlammverbrennungsanlage und der Betreiber einer Klärschlammmitverbrennungsanlage haben die Klärschlammverbrennungsasche und den kohlenstoffhaltigen Rückstand, die nach einer Vorbehandlung des Klärschlamms nach Absatz 1 Nummer 2 anfallen, unmittelbar 1. einer Phosphorrückgewinnung oder 2. einer stofflichen Verwertung unter Nutzung des Phosphorgehalts der Verbrennungsasche oder des kohlenstoffhaltigen Rückstands nach Maßgabe des § 3b Absatz 1 zuzuführen.“

• Die aktuelle politische Diskussion zeigt, dass mit weiteren Verschärfungen der Rechtssetzung zu rechnen ist. Das trägt der komplexen Gefährdungslage (u. a. Klimawandel, Ressourcenknappheit, extreme Gefährdung lebenswichtiger Naturräume wie dem tropischen Regenwald) Rechnung.
• Insofern kann davon ausgegangen werden, dass derzeitige Ausnahme- und Übergangsregelungen der Klärschlammverordnung (derzeit definierte Einwohnergleichwerte für die Recyclingpflicht, Option der Deponierung von Klärschlammaschen) mit großer Wahrscheinlichkeit schon in der anstehenden neuen Legislaturperiode des Bundestages außer Kraft gesetzt werden).

4. Die kommunale Daseinsvorsorge-Verantwortung

Auf kommunaler Ebene sind zum einen die kreisangehörigen Kommunen (Wasser/Abwasser), zum anderen die Landkreise und kreisfreien Städte (Kreislaufwirtschaft) die verantwortlichen Aufgabenträger. Unter Hinweis auf die kommunale Selbstverwaltung ist es dringend geboten, dass Kommunen die Initiative zur konsequenten Umsetzung der gesetzlichen Vorgaben ergreifen. Dabei stehen folgende Aspekte im Vordergrund:

• Die Kreislaufwirtschaft – hier ist das Thema Erneuerbare Energie ein fester Bestandteil – gewinnt innerhalb der kommunalen Daseinsvorsorge eine immer größere Bedeutung.
• Die stoffliche Rückgewinnung von Phosphor ist also nichts, was „nur“ im Ermessen der kommunalen Gebietskörperschaften liegt. Aber dort ist es eben mehr als die gesetzliche Pflicht. Es ist eine moralisch-ethische Verpflichtung.
• Die Wahrnehmung ökologischer Verantwortung (weit über das Klimawandel hinaus) wird aus Sicht der Bürger immer zentraler bei der Bewertung der kommunalen Amts- und Mandatsträger. Bewusst verknappt formuliert: Wer sich bei Projekten, die nachweisbar der Erhaltung der Schöpfung dienen, an die Spitze stellt, gewinnt Wahlen! Wer dabei versagt, wird abgewählt!

5. Die Bedeutung von Phosphor

• Phosphor (Nr. 15 im Periodensystem) ist das Lebenselement schlechthin
• Jedes Leben – menschlich, tierisch, pflanzlich – braucht Phosphor zum Wachsen. Kein biologischer Organismus kann ohne diesen wichtigen Stoff funktionieren
• Phosphor ist weltweit nur begrenzt vorhanden. 80 Prozent des weltweiten Bedarfs werden in Marokko, China, USA, Jordanien und Russland abgebaut. 95 Prozent aller Lagerstätten befinden sich in zehn Ländern. Mitteleuropa hat keine Vorkommen. Von den deutschen Importen werden rund 80 Prozent für die Herstellung von mineralischem Dünger benötigt, der im Regelfall einen Phosphoranteil von 12 Prozent hat.
• Es wird noch in diesem Jahrhundert mit dem Ende der irdischen Ressourcen gerechnet. Denn nicht zuletzt wegen der weiter zunehmenden Weltbevölkerung wird der Bedarf zunehmen.
• Konsequenz: Ohne Rückgewinnung aus den Klärschlammen (das ist die mit Abstand wichtigste Quelle) wird die Weltbevölkerung von unvorstellbaren Hungerkatastrophen bedroht. Bei abnehmenden Vorkommen werden die wenigen Förderländer diese Ressourcen in erster Linie selbst nutzen.
• Nach Schätzungen seriöser Institutionen (u. a. das Umweltbundesamt) und Wissenschaftler können aus den in Deutschland anfallenden kommunalen Klärschlämmen bei vollständiger Verwertung zwischen 30 und 50 Prozent des deutschen Phosphorbedarfs gedeckt werden. Das ist eine gewaltige Ressource, eine gewaltige Chance, aber auch eine gewaltige Herausforderung für alle, die dafür kommunale Verantwortung tragen.
• In der Perspektive werden kommunale Klärschlämme auch für die Rückgewinnung seltener Erden und sogar von Gold Bedeutung gewinnen.

6. Die Deutsche Phosphor-Plattform zum Thema

Die Deutsche Phosphor-Plattform DPP e.V. empfiehlt eine hochwertige Verwertung von Klärschlämmen und plädiert für die schnellstmögliche Entwicklung eines Phosphor-Recyclingkonzepts. Sie votiert in diesem Zusammenhang ausdrücklich gegen eine Deponierung der Aschen und empfiehlt die sofortige Phosphorrückgewinnung zur Vermeidung unwirtschaftlicher Zwischenlagerungen.

Dieser Forderung werden die aktuell entwickelten thermischen Mono-Verbrennungsprojekte ohne eine Phosphorrecyclingkomponente nicht gerecht. Mehrere Marktteilnehmer arbeiten aktuell an Recyclingkonzepten, wobei sich die meisten davon erst in der Entwicklungs- oder Pilotierungsphase befinden. Ob, und wenn ja wann, dies in großtechnische wirtschaftliche Umsetzungen mündet, ist derzeit nur schwer abschätzbar.

7. Großtechnische Umsetzung. Stand und Perspektiven. Wirtschaftlichkeit. Technologische Prämissen

Auf dem Markt etabliert derzeit nur der Anbieter Remondis sein patentiertes TetraPhos^â-Verfahren großtechnisch. Und zwar unter dem Dach der Hamburger Phosphorrecyclinggesellschaft mbH – einem gemeinsamen Unternehmen mit der kommunalen Hamburg Wasser als Mehrheitsgesellschafter (60 Prozent). Die Anlage ist seit Anfang 2022 in der Phase der Inbetriebnahme und wird 2023 den großtechnischen Dauerbetrieb erreichen. Unmittelbar nach der Verbrennung der Klärschlämme wird in der benachbarten TetraPhos®-Anlage aus der Klärschlammasche Phosphorsäure zurückgewonnen. Pro Jahr werden 240 000 Tonnen entwässerte Klärschlämme, die in Hamburg und Umgebung jährlich anfallen, verarbeitet. Im ersten Schritt wird der getrocknete Klärschlamm verbrannt, im zweiten aus der Asche (20 000 Tonnen)

Phosphor (7 000 Tonnen hochreine 75-%ige Phosphorsäure) nasschemisch extrahiert. Das Verfahren ist energieneutral und wirtschaftlich. Wirtschaftlich bedeutet auch, dass es  keine Belastung des Gebührenzahlers in Hamburg gibt. Das kommunale Unternehmen Hamburg Wasser, hier Hamburger Stadtentwässerung AöR, darf sich laut Satzung gar nicht an einer GmbH beteiligen die unwirtschaftlich ist.

Zusätzlich zum Phosphor werden Gips für die Baustoffindustrie sowie Eisen- und Aluminiumsalze für die Phosphatelimination im Klärprozess der Kläranlage gewonnen.

Perspektiven und weitere Beispiele:

• Anknüpfend an den in Hamburg erreichten Stand steht nach dem bereits abgeschlossenem Planungs- und Genehmigungsverfahren 2026 im Lippe-Werk Lünen (größter europäischer Recyclingstandort) die Inbetriebnahme der ersten Anlage an, die beide Verfahrensschritte – Klärschlammverbrennung und Phosphorrückgewinnung – in einem einheitlichen Anlagendesign, also quasi unter einem Dach, vereint. Damit wird eine weitere verfahrenstechnische Optimierung erreicht, was die Wirtschaftlichkeit noch einmal deutlich erhöhen dürfte.
• In Brandenburg hat 2022 die kommunale Klärschlammkooperation KLAR-Phosphor-Kooperation Südbrandenburg) – mit der Klärschlammkooperation Thüringen (KKT) im Grundsatz vergleichbar – entschieden, eine integrierte Klärschlammverbrennungs- und Phosphorrecyclinganlage nach dem TetraPhos®-Verfahren zu etablieren.
• In Kiel läuft das Projekt für eine integrierte Klärschlammverbrennungs- und Phosphorrecyclinganlage nach dem TetraPhos®-Verfahren. Die bestehende Müllverbrennung bei MVK (Müllverbrennung Kiel GmbH & Co. KG) wird um die Recyclingkomponente ergänzt. Projektpartner sind die Landeshauptstadt Kiel mit ihrem Eigenbetrieb Beteiligungen und REMONDIS Nord.
• Die kommunale KSV OWL (Klärschlammverwertung Ostwestfalen-Lippe GmbH) geht nicht den Weg Planung und Technik auszuschreiben. Sie hat stattdessen kürzlich einen strategischen Partner ausgeschrieben. Mit diesem Partner soll ein gemeinsames technisches Unternehmen (TU) gegründet, werden, das die Klärschlammverwertung plant, baut und betreibt. Technische Details zu Verfahren und Anlagen und das Ergebnis der Ausschreibung liegen nicht vor (Stand: 29. Dezember 2022).

Anmerkung:

Geplant ist, dem ebenfalls auf dem Markt befindlichen PHOS4green Verfahren (SERAPLANT, Glatt) eine Schwermetallentfernung aus der Klärschlammasche vorzuschalten. Die Entwicklung hat begonnen. Im Erfolgsfall wäre das Verfahren damit zumindest in der Lage, steigenden Anforderungen im Düngemittelrecht gerecht zu werden. Es ist zu vermuten , dass die zusätzliche Schwermetallentfernung Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit haben könnte.

Wirtschaftlichkeit

Die erste großtechnische Anlage in Hamburg soll ab Inbetriebnahmejahr 2023 wirtschaftlich arbeiten. Damit wird der Gebührenzahler nicht belastet. Für die ebenfalls schon erwähnte Anlage, die 2026 im Lippewerk in Betrieb genommen wird, wird prognostiziert, dass sich die Wirtschaftlichkeit weiter verbessert.

Für die Wirtschaftlichkeit des Phosphorrecycling sind seriöse Vorhersagen derzeit nur für den Anlagentyp TetraPhos® zulässig, denn weitere Verfahren zum Phosphorrecycling befinden sich noch in der Labor- bzw. Pilotphase. Diese Umsetzungsstadien lassen einen Vergleich mit der großtechnischen Realisierung nicht zu. Für die Bewertung gerade auch der künftigen Rentabilität sind vor allem die folgenden Aspekte zu beachten:

• Es ist von einem weiteren und deutlichen Anstieg der Weltmarktpreise für Phosphor auszugehen. Dafür gibt es drei wesentliche Treiber: Erstens die weitere Verknappung der verfügbaren natürlichen Ressourcen. Zweitens die weiter steigenden Förderkosten: Rohstoffe werden nach dem Prinzip gefördert, dass zunächst die Vorkommen mit den geringsten Förderkosten ausgebeutet werden. Es folgen die Vorkommen mit immer höheren Kosten, wobei die zunehmende Verknappung in Verbindung mit steigenden Preisen auch Vorkommen rentabel ausbeutbar macht, die derzeit keine Relevanz haben.

Drittens sehen wir bei wichtigen Förderländern – vor allem USA und China – Tendenzen zur Reduzierung der Ausfuhren. Ziel ist es, dass zunächst die Exportländer ihre Vorkommen ausbeuten, die auf die Erlöse zwingend angewiesen sind, wie z. B. Marokko. Deren Vorkommen gehen damit auch am schnellsten zu Ende gehen. Auf diese Weise wird die Zahl der Exporteure deutlich reduziert, was zu einer Monopolisierung von Förderung und Export führt. Absehbar werden nur sehr wenige Länder – in erster Linie jene, die derzeit ihre Vorkommen durch Ausfuhrbeschränkungen schonen – am Markt verbleiben und damit in der Lage sein, Preise zu diktieren.

• Mit dieser Entwicklung der Weltmarktpreise wird das Phosphorrecycling mit großer Wahrscheinlichkeit mittel- und langfristig zu einer profitablen wirtschaftlichen Betätigung; schon deshalb ist anzustreben, dass die kommunale Ebene, auf der die Recyclingquelle in Gestalt der Klärschlämme entsteht, an den zu erwartenden Erträgen beteiligt ist. Dazu muss sie als Gesellschafter direkt an der Wertschöpfung beteiligt sein. Als Allein- oder als Mehrheitsgesellschafter der Recyclinganlage.

Technologische Prämissen

Aus der Analyse der bekannten Aktivitäten zur Phosphor-Rückgewinnung sind folgende technologische und logistische Prämissen für das Phosphor-Recycling abzuleiten:

• Für eine wirtschaftliche Verfahrensführung sind für die Verwertung der definierten Mindestmengen offenbar Zentralstandorte sinnvoll.
• Eine ebenfalls zwingende Prämisse lautet, dass das Projekt die thermische Verwertung und direkt im Anschluss die Rückgewinnung des Phosphors umfassen muss. Dabei wird die größte Wirtschaftlichkeit mit dem integrierten Verfahrensansatz erreicht, der derzeit in Lünen etabliert wird.

Von allen bekannten Anbietern erfüllt derzeit nur TetraPhos® in einer großtechnischen Umsetzung diese Prämissen.[1] Es ist sehr fraglich, ob die Projekte, die sich jetzt noch im Labor- oder Pilotstadium befinden, als großtechnische Anlage schon ab 2029 zur Verfügung stehen. Mit deren Planung müsste jetzt begonnen werden, was aber auf der Ebene Labor bzw. Pilotierung noch gar nicht möglich ist.

[1] Eine  Ausnahme ist das Projekt R-Rhenania in Bayern. Dort baut der Klärschlammverwerter Emter begleitet von der BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) eine Phosphorrecyclinganlage unter Anwendung des AshDec-Verfahrens. Der Klärschlamm kommt aus Bayern, wird zum R-Rhenania-Phosphat verarbeitet und in Bayern durch die Firma sePura vermarket. Das ist kluge regionale Kreislaufwirtschaft. Der Betreiber beabsichtigt derzeit nicht, mit dem Verfahren auf den Markt zu gehen.