Dünger aus heimischen Ressourcen anstatt fossiler Energie

Der Krieg im Iran führt nicht nur zu höheren Kosten für Sprit und Kerosin. Auch die Preise für Düngemittel sind bereits um bis zu 30 Prozent gestiegen, was sich in absehbarer Zeit auf die Lebensmittelpreise auswirken wird. Denn nicht nur Gas und Öl, sondern auch annähernd 30 Prozent aller weltweit gehandelten stickstoff- und phosphorhaltigen Mineraldünger werden über die Straße von Hormus verschifft. Stickstoffhaltige Kunstdünger wie Ammoniak und daraus hergestellter Harnstoff werden in den Golfstaaten mithilfe von Erdgas produziert. Hierbei wird molekularer Luft-Stickstoff (N2) unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen zu Ammoniak (NH3) umgewandelt.

Dass Düngemittel auch ohne fossile Energieträger hergestellt werden können, zeigt das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB vom 4. bis 7. Mai auf der IFAT in München. Forschende untersuchen hierzu, wie sich Stickstoff und Phosphor aus nährstoffreichen Reststoffströmen zurückgewinnen lassen. In unterschiedlichsten Projekten wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um die wichtigen Mineralsalze aus Gülle, Gärresten oder Abwasser als direkt einsetzbare Düngemittel zu recyceln.

Lokal verfügbare Reststoffe als zuverlässige Nährstoffquellen

Besonders hohe Konzentrationen an Nährstoffen finden sich in Reststoffen der Landwirtschaft – Gülle aus der Nutztierhaltung und Gärresten aus Biogasanlagen, aber auch in kommunalem Abwasser. »Allein in der Tierhaltung werden EU-weit jährlich Stickstoff und Phosphor in Mengen ausgeschieden, die ausreichen würden, den europäischen Bedarf an Mineraldünger zu decken«, erläutert Dr. Brigitte Kempter-Regel, zuständig für Business Development im Bereich Greentech Solutions am Fraunhofer IGB.

Doch Gülle und Gärreste, eigentlich wertvolle Wirtschaftsdünger, können vielerorts nicht mehr als solche auf die Felder ausgebracht werden. Vor allem in Gegenden mit intensiver Tierhaltung oder einer hohen Dichte an Biogasanlagen besteht die Gefahr, Böden zu überdüngen und damit Grund- und Oberflächenwasser weiter zu belasten. Aufgrund des hohen Wassergehalts von 80 – 90 Prozent ist ein Transport dieser Stoffe alles andere als sinnvoll. Eine Lösung besteht darin, Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor zurückzugewinnen.

In Kläranlagen werden die Nährstoffe schon entfernt, um Grenzwerte einzuhalten und die Eutrophierung von Gewässern zu vermeiden. Allerdings handelt es sich dabei meist nicht um eine Rückgewinnung. Vielmehr werden wertvolle Phosphate als nicht bioverfügbare Aluminium- oder Eisensalze gefällt, während Ammonium-Stickstoff mit biologischen Verfahren über Nitrat zu molekularem Stickstoff umgewandelt wird, der in die Luft entweicht. Hierfür müssen die Becken gut belüftet werden – unter enormen Energieeinsatz. Zudem wird bei den Prozessen oft Lachgas freigesetzt, dessen Treibhausgas-Wirkung 265-mal so stark ist wie die von CO2.

Aufarbeitung von Gülle und Gärresten zu Dünger, Torfersatz und Gießwasser

Ein Lösungsansatz, von dem landwirtschaftliche Erzeuger und Klärwerke ebenso profitieren wie die Umwelt und das Klima, ist die Rückgewinnung der Nährstoffe in einer direkt als Dünger einsetzbaren Form. Hierzu hat das Fraunhofer IGB gemeinsam mit seinen Partnern in dem von der EU geförderten Projekt BioEcoSIM ein mehrstufiges Verfahren in einer Pilotanlage umgesetzt, mit dem Schweinegülle und Gärreste zu Ammoniumdünger, Phosphordünger und organischen Bodenverbesserern aufgearbeitet werden können.

Das Aufarbeitungsverfahren selbst beginnt mit einer Ansäuerung der Gülle oder Gärreste, um Phosphor vollständig in der wässrigen Phase zu lösen. Über eine mehrstufige Filtration wird das Substrat dann in eine flüssige und eine feste Fraktion getrennt. Aus der flüssigen Phase, die die gelösten anorganischen Nährstoffe enthält, wird zunächst Phosphor in Form von Phosphatsalzen gefällt. In einem zweiten Schritt wird der gelöste Stickstoff zurückgewonnen und über eine Membranadsorption als Ammoniumsulfatlösung abgetrennt.

Die entwässerte feste Phase kann entweder kompostiert oder getrocknet werden. »Aufbereitet zu kompakten organischen Bodenverbesserern kann das Produkt den Verlust organischer Bodensubstanz ausgleichen und als Torfersatz Anwendung finden«, hebt Kempter-Regel hervor. Auch das entstehende Wasser lässt sich wiederverwenden, etwa zur Bewässerung oder als Spülwasser.

Um zusätzliche Energie zu erzeugen und damit die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen, kann dem Verfahren eine Biogasanlage vorgeschaltet werden. So werden auch geruchsintensive Stoffe der Rohgülle verstoffwechselt und damit entfernt. »In einem aktuellen Projekt haben wir für das BioEcoSIM-Verfahren mit vorgeschalteter Biogas-Anlage ein mathematisches Modell etabliert und es anhand der Messdaten für die verschiedenen Prozessschritte kalibriert«, erläutert Michael Bohn, der die Verfahren am Fraunhofer IGB weiterentwickelt. So kann die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens unter verschiedenen Randbedingungen vorhergesagt werden. Höhere Preise für Kunstdünger etwa zeigen einen unmittelbaren Effekt.

Stickstoff und Phosphor aus Abwasser recyceln

Das bei der Gülle- und Gärrestbehandlung zum Einsatz kommende Membranabsorptionsverfahren zur Herstellung von Ammoniumsulfat wurde auch für das Nährstoffrecycling auf Kläranlagen demonstriert, zuletzt im Rahmen des vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg und der EU geförderten Projekts »RoKKa«. Die Konzentration von Ammonium im Filtrat der Schlammentwässerung konnte dabei um 90 Prozent reduziert werden. Messungen zeigten zudem, dass durch die Ammoniumrückgewinnung weniger Lachgas emittiert wurde.

In RoKKa kam das Membranverfahren nachgeschaltet zu dem ebenfalls am Fraunhofer IGB entwickelten ePhos-Modul zum Einsatz. »In diesem Verfahren wird Phosphor rein elektrochemisch – ohne Zugabe von Chemikalien – als Magnesium-Ammonium-Phosphat ausgefällt, ein auch Struvit genannter Phosphor-Langzeitdünger«, erklärt Bohn. Das hierfür benötigte Magnesium wird in einer Elektrolysezelle über eine Opferanode aus Magnesium zudosiert, welche sich im fortwährenden Prozess verbraucht.

Nährstoffrecycling stärkt Versorgungssicherheit, Gewässer- und Klimaschutz

Die Vorteile einer regionalen Nährstoff-Kreislaufwirtschaft liegen in Zeiten geopolitischer Unwägbarkeiten auf der Hand. »Abwasser aus Kläranlagen, Gülle aus der Landwirtschaft und Gärreste aus Biogasanlagen sind zuverlässig lokal verfügbar, Abhängigkeiten internationaler Lieferketten werden reduziert und die heimische Wirtschaft gestärkt«, argumentiert Kempter-Regel.

Werden Nährstoffe aus diesen Reststoffströmen zurückgewonnen, hilft dies, Nährstofffrachten in Klärwerken und Biogasanlagen zu reduzieren und nährstoffarme Wasserströme zu erzeugen, die weiter genutzt werden können und den Frischwasserverbrauch senken. Zudem werden große Mengen fossiler Energie eingespart und Lachgasemissionen gesenkt – ein wirksamer Beitrag gegen die rasant zunehmende Erderwärmung.

Neue Geschäftsmodelle zur Nutzung der Potenziale

Das Interesse der Landwirtschaft an einer dezentral realisierbaren Technologie zur wertschöpfenden Nutzung von Gülle und Gärresten ist groß. Neben Geschäftsmodellen, bei denen große Firmen als Betreiber einer Recyclinganlage agieren, sind auch Kooperativen von interessierten Landwirten denkbar.

»Landwirte profitieren ja nicht nur von zurückgewonnenen Nährstoffen. Vor allem erhalten sie lager- und transportfähige Produkte und sie können die nährstoffarmen Güllereste problemlos ausbringen«, so Kempter-Regel. Die Investitionskosten würden sich dann über die Zeit durch die eingesparten Entsorgungs- und Düngemittelkosten und die erwirtschafteten Erlöse amortisieren. Kläranlagen wiederum könnten als Anlagenbetreiber zur Düngemittelproduktion Partnerschaften mit der Industrie eingehen, um ihre Produkte an den Markt zu bringen.