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Solarthermische
Kraftanlagen im Sinne der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet,
dass mit Hilfe der Sonnenenergie innerhalb teilweise oder vollständig geschlossener
Räume Luft
erwärmt
wird, welche über
Kamine abgeführt
wird. Der dabei entstehende so genannte Kaminzugeffekt setzt Luftmassen
in Bewegung, welche sich von dem Bereich geringer Luftdichte (Warmzone)
in den Bereich hoher Luftdichte (Kaltzone) am Kaminaustritt bewegt.
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Die
durch den Kaminzugeffekt erzielten Luftgeschwindigkeiten und die
bewegten Luftvolumenströme
sind beträchtlich.
Die hierbei entstehende Kraft des Luftstroms wird bezeichnenderweise
in so genannten Aufwindkraftwerken zur Erzeugung elektrischer Energie über Luftstrom
getriebene Generatoren genutzt.
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Eine
Solarthermische Kraftanlage im Sinne der Erfindung liegt immer dann
vor, wenn mit Hilfe des Sonnenlichtes die Luft der Kaminbasis oder
des an den Kamin angeschlossenen Kaminumfeldes erwärmt und
hierdurch der Kaminzugeffekt initiiert wird. Die Kraft des erzeugten
Luftmassenstromes kann für verschiedene
technische Einsatzzwecke genutzt werden.
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Solartechnische
Kraftanlagen machen in unseren Breitengraden, in besonderem Maß jedoch auch
dort Sinn wo durch intensive Sonneneinstrahlung hohe Energiedichten
vorzufinden sind. Das ist vorzugsweise in Ländern mit zunehmender Nähe zum Äquator der
Fall.
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Die
Abfallzusammensetzung in Ländern äquatornaher
Breitengrade zeichnet sich im Regelfall durch einen hohen Biomasseanteil
von deutlich mehr als 70% und einer hohen Abfallfeuchte von ebenfalls mehr
als 70% aus. Durch den damit verbundenen niedrigen Heizwert von
ca. 4000 KJ/Kg sind diese Abfälle
ohne Zufeuerung mit Fremdenergie nicht brennbar und werden dementsprechend
notgedrungen deponiert. Die Kompostierung spielt im Regelfall in
diesen Ländern
eine untergeordnete Rolle und ist ohnehin durch den hohen Wassergehalt
deutlich erschwert.
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Die
Deponierung derartiger feuchter organikreicher Abfälle führt zu erheblichen
Umweltproblemen. Die OECD geht davon aus, dass allein durch Deponien
rund 18% der anthropogen klimarelevanten Gase freigesetzt werden.
Herr Scheffran, vom Potsdamer Institut für Klimaforschung stimmt darin überein (Wetzlarer
Abfalltagung 2004), dass in äquatornahen
Drittländern
mehr als 50% der klimarelevanten Gase unkontrollierten Deponien
entstammen.
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Ein
ebenso großes
Problem stellen die Sickerwässer
von Deponien derartiger Abfälle
dar, welche bei nicht gedichteter Deponiebasis in den Untergrund
sowie unter bestimmten Umständen
unkontrolliert in den Vorfluter entweichen.
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Mittlerweile
werden die daraus resultierenden Umweltprobleme von äquatornahen
Staaten erkannt und es wird technisch darauf reagiert. So planen
z.B. die marrokanischen Städte
Casablanca und Rabat eine technische Dichtung unterhalb der Deponie
mit anschließender
Behandlung der Sickerwässer
in Teichkläranlagen.
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Die
Folgen derartiger Vorgehensweise sind absehbar. Aufgrund der geringen
Niederschlagsaktivität
werden vorwiegend hochkonzentrierte Sickerwässer die aus den Abfällen selbst
stammen an der Deponiebasis austreten (10–20%). Die Sickerwasserreinigung
in den Nachgeschalteten Teichkläranlagen
wird ungenügend
sein, so dass die eigentliche Wasserproblematik vom Grundwasserkörper auf
den Vorfluter verlegt wird. Auch konventionelle Abwasserreinigungsanlagen
lösen die
Sickerwasserproblematik nur unvollkommen, sofern keine Umkehrosmose-
oder Aktivkohlebehandlung nachgeschaltet ist.
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Eine
zusätzliche
Problematik stellt die massive Geruchsbildung in derartigen offenen
Kläranlagen aber
auch grundsätzlich
in Abfallbehandlungsanlagen auch in unseren Breiten dar, welche
oft über
kilometerweite Strecken zu Belästigungen
führt.
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Zur
Abhilfe dieser, Probleme sind technische Lösungen wie z.B. die Trocknung
der Abfälle
vor der Ablagerung oder die weitergehende Abwasserbehandlung durch
Umkehrosmoseverfahren denkbar und sinnvoll. Diese technischen Lösungen scheitern jedoch
i.d.R. aus Energien Kostenüberlegungsgründen der
betroffenen Kommunen, sind technisch anspruchsvoll, was Wartung
und Betrieb der Anlagen angeht und im Fall von Umkehrosmoseverfahren
besonders energieintensiv.
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Zur
Lösung
der gegebenen Problematik wird erfindungsgemäß ein völlig neuer Weg gewählt der sich
dadurch auszeichnet, dass er einfach und kostengünstig ist, geringste mengen
fossiler Energie verbraucht bzw. sogar Bedarfsweise Nettoenergie
frei setzt, die Entstehung von Sickerwässern durch Vortrocknung der
Abfälle
teilweise oder vollständig
unterbindet und im Fall der Entstehung von Sickerwässern den
abwasserfreien Betrieb durch vollständige Verdampfung der Wässer ermöglicht.
Darüber
hinaus wird durch diese Art der Vorgehensweise die Geruchsbelästigung
im Umfeld der Deponie gemindert bzw. vollständig unterbunden.
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1 beschreibt
eine solarthermische Konvektionstrocknungsanlage bzw. Konvektionsentlüftungsanlage.
Hierbei beschreibt die Abbildung den Kamin (1), den zwischengeschalteten
Lufterhitzer (2), die Trocknungs/Entlüftungskammer (3) für die Medien
Abwasser, Abfall oder Wirtschaftsgut sowie einen bedarfsweise vorgeschalteten
Lufterhitzer (4).
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Die
im zwischengeschalteten Lufterhitzer (2) mit Hilfe der
Sonnenkraft erhitzte Luft setzt den Kaminzugeffekt in Gang der bewirkt,
dass die Zuluft zum Lufterhitzer (2) den Kamin über den
Kaminaustritt (5) verlässt.
Die Zuluft wird über
Schieber(6) geregelt. Hierbei kann die Zuluft aus reiner
Umgebungsluft (7) oder aus geruchsbeladener Luft, der Prozessluft
(8) aus der Trocknungs/Entlüftungskammer (3) bestehen.
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Diese
Anordnung wird sowohl der Aufgabe der Entlüftung als auch der Trocknung
gerecht, sofern die Luftfeuchte der Umgebungsluft (7) nicht
nahe 100% liegt.
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Für den Anwendungsfall,
dass die Luft vor dem Eintritt in die Trocknungs-/Entlüftungskammer (3) vorgewärmt werden
soll, um mehr Wasser aufnehmen zu können, geschieht dies über die
Vorschaltung des Lufterhitzers (4) oder durch Vorwärmung dieser
Luft vor Eintritt in die Trocknungs-/Entlüftungskammer (3) im
Lufterhitzer (2).
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Je
nach Luftstromleistung der Kraftanlage wird die Geruchsbeladene
Luft stark verdünnt
und je nach Verdünnungsverhältnis für den Menschen
weniger oder nicht mehr wahrnehmbar. Dieses Phänomen der Geruchsentfrachtung
durch Verdünnung entspricht
den Grundlagen der genormten olfaktometrischen Geruchsbestimmung,
bei der allein das Verdünnungsverhältnis von
neutraler und geruchsbeladener Luft darüber bestimmt, ab welchem Verdünnungsverhältnis oder
ob überhaupt
ein Geruch für das
menschliche Riechorgan wahrnehmbar ist.
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Da
Geruchsbeladung nicht in jedem Fall mit Schadstoffbeladung oder
Toxizität
gleichzusetzen ist, handelt es sich bei dem Verdünnungsmechanismus bezogen auf
Hausmüll-
und Kläranlagenabluft
im Regelfall um einen umweltbezogen unkritischen Vorgang.
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Der
Verdünnungseffekt
der Prozessluft wird über
die Höhe
des Kamins zusätzlich
gefördert.
Das Verteilungsverhalten der aus dem Kamin abgeströmten Luft
wird dabei maßgeblich
von kleinklimatischen Randbedingungen beeinflusst. Besonders vorteilhaft ist
es, wenn der Austritt geruchsbeladener Luft erst dann einsetzt,
wenn eine einsetzende Thermik den Kaminaustritt (4) umströmt, die
austretende Luft in höhere
Bereiche weiterführt
und somit den Verdünnungseffekt
exponentiell erhöht.
Dieser Vorgang ist insbesondere in äquatornahen Ländern mit
hoher solarer Energiedichte und entsprechend hoher Thermik, welche
im Laufe des Tages einsetzt, von Bedeutung. Bei gegebenem Bedarf
kann es sinnvoll sein, hierauf steuerungstechnisch zu reagieren
und die Kraftanlage im Tagesverlauf zu bestimmten Zeiten mit Reinluft
und erst bei einsetzender Thermik mit Prozessluft zu betreiben.
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Steuerungstechnisch
bietet die Anordnung gemäß Abbildung
eins die Möglichkeit,
die Kraftanlage beliebig mit reiner Umgebungsluft oder bei einsetzender
Thermik in zunehmendem Maß mit
geruchsbeladener Luft zu fahren.
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Dass
hierbei zur Steigerung der Energieeffizienz in den Kamin (1)
ein Generator (9) zur Stromerzeugung eingesetzt werden
kann ist ein interessanter, ökologisch
besonders wertvoller Nebenzweck, der Maßnahme. Die Energieauskopplung
kann zu einem wesentlichen Verfahrensbestandteil werden, wenn mit
dieser ausgekoppelten Energie Kraftgetriebene Aggregate betrieben
werden sollen. Unter günstigen
Randbedingungen wird hierdurch der energieautarke Betrieb von Abfall-
bzw.-Wirtschaftsgut- und
Wasseraufbereitungsanlagen bzw. Förderanlagen ermöglicht.
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Zur
Förderung
der Geruchsminderung kann es vorteilhaft sein, zwischen der Trocknungs-/Entlüftungskammer
(3) und dem Kaminaustritt (5) Geruchsmindernde
Aggregate wie Biofilter, Tropfkörper, Wäscher, Zerstäuber von
Desodoranten oder chemischen Hilfsmitteln, Aktivkohlefilter oder
sonstige Aggregate einzufügen,
die nach dem Stand der Technik zur Geruchsminderung eingesetzt werden
können.
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Bei
jeglicher Trocknung von Feststoffen oder Flüssigkeiten kann verfahrenstechnisch
zusätzlich ein
weiteres physikalisches Phänomen
nutzbar gemacht werden, nämlich
das der Vakuumtrocknung. Ein derartiges Vakuum kann bei der der
Erfindung zu Grunde liegenden Anlagenkonfiguration steuerungstechnisch
dadurch initiiert werden, dass die Zuluft (7) zur Trocknungs-/Entlüftungskammer
(3) kleiner abgeregelt wird als es dem durch die Anlagenkonfiguration
initiierten natürlichen
Kaminzug entspricht.
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Der
Kaminzug kann technisch durch Kraftgetriebene Ventilatoren oder
durch die Einschleusung höher
temperierter Gase, wie zum Beispiel Abgasen aus thermischen Prozessen
initiiert oder weiter erhöht
werden, wodurch das Vakuum vergrößert wird.
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Außerdem kann
durch zyklische Abregelung der Zuluftmenge (7) das Vakuum
in einen pulsierenden Zustand versetzt werden, wodurch insgesamt höhere Spitzenunterdruckwerte
erreicht werden. Das Vakuumspektrum der Anlage ist hierbei auf die
Beschaffenheit des zu trocknenden Mediums einzustellen und abzustimmen.
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Ein
weiterer jeglicher Trocknung zuträglicher Effekt ist gegeben,
sofern das zu trocknende Medium durch Fremdenergie, z.B. Abwärme aus
der thermischen oder motorischen Deponiegasnutzung, erhitzt wird.
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Eine
Erhitzung des Trockengutes kann darüber hinaus durch biologische
Prozesse, d.h. die Förderung
der mikrobiellen Tätigkeit
in anaeroben, vorzugsweise jedoch in aerobem Milieu erfolgen. Hierbei
wird Vorteilhafterweise die der Trocknungs-/Entlüftungskammer (3) zugeführte Luft
verwendet, um den biologischen Prozess zu steuern, aufrecht zu erhalten
oder zu fördern.
Vorteilhafterweise werden hierbei nicht die Gesamtluftmengen der
Anlage, sondern prozessbedarfsangepasste Teilluftströme eingesetzt.
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Die
Effizienz der Trocknung kann bedarfsweise dadurch gesteigert werden,
dass die Luft vor Eintritt in die Trocknungs-/Entlüftungskammer
(3) entwässert
wird.
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Die
Trocknung kann außerdem
dadurch gefördert
werden, dass das zu trocknende Medium durch Umwälz-, Umschicht- oder Zerkleinerungsvorgänge in seiner
freien Oberfläche
vergrößert wird.
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Für flüssige Medien
innerhalb der Trocknungs- und Entlüftungskammer (3) empfiehlt
sich für den
Aufgabenzweck der Trocknung das freie Überströmen der ruhenden Oberfläche, bedarfsweise
das über
Düsen zu
regelnde feinblasige Durchströmen des
Flüssigkeitsbetts
mit der Prozessluft, bedarfsweise das Umwälzen der Flüssigkeit zum Ziel der Oberflächenvergrößerung,
das Versprühen
der Flüssigkeit und ähnliche
Maßnahmen
nach dem Stand der Technik, die dem Ziel, eine Oberflächenvergrößerung der Kontaktfläche der
Luft mit dem zu trocknenden Medium herbeizuführen zuträglich sind.
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Für feste
Medien, wie z.B. Abfallstoffen oder Wirtschaftsgütern z.B. aus der Land- und Forstwirtschaft,
kommen sowohl dynamische Systeme wie z.B. Trommel- oder Kaskadentrockner
u.ä. als
auch geschlossene oder teiloffene statische Trocknungssysteme zum
Einsatz.
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Abbildung
zwei zeigt beispielhaft die Ausführungsform
eines statischen Trocknungssystems. In einen befüllbaren und hermetisch abschließbaren Tunnel
(10) wird das zu trocknende Abfallgut (11) gegeben.
Das Gut liegt auf einem gelochten Boden (12), welcher wiederum
aus Gründen
der Steuerung der zu verteilenden Luft in Einzelsegmente (13)
unterteilt ist.
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Verfahrenstechnisch
kann die statische Trocknung oder die Verrottung des Abfalls so
gesteuert werden, dass die Zuluft (14) wahlweise über den Zuluftschieber
(15) oberhalb des Abfallgutes (11) angesaugt und über den
Abluftschieber (16) durch den Lochboden (12) aus
den Einzelsegmenten (13) als Prozessluft (8) dem
Kamin (1) zugeführt
oder dass in umgekehrten Sinn die Zuluft (14) unterhalb
des Abfallgutes (11) über
die Kammern (13) durch den Lochboden (12) angesaugt
und über
den Abluftschieber (18) als Prozessluft (8) dem
Kamin (1) zugeführt
wird. Die Durchlüftung
der einzelnen Segmente (13) erfolgt über Schieber (6) prozessgesteuert
nach Kriterien der gleichmäßigen Durchlüftung.
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Die
Durchlüftung
erfolgt hierbei im Hauptvolumenstrom oder als Teilvolumenstrom,
welcher am Ende am Kaminaustritt (5) die Trocknungsanlage verlässt. Die
Durchlüftung
des Trockengutes kann bei dieser Anlagenkonfiguration wechselseitig,
vergleichbar mit einer DruckSaugbelüftung, im Sinne der besseren
Durchlüftung
und zur Vermeidung bevorzugter Fließwege im Trockengut (11)
eingestellt werden.
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Durch
prozessgesteuerte Regelung ist es außerdem möglich, die Zuluft zum Abfallgut
so zu dosieren, dass ein Rottevorgang in Gang gesetzt und aufrecht
erhalten wird, welcher wiederum die durch Mikroorganismen freigesetzte
Wärme abgibt,
was dem Trocknungsprozess im Sinne der vorherigen Ausführungen
zuträglich
ist.
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Eine
weitere Möglichkeit
der Trocknung besteht darin, das Trockengut über Enlüftungsrinnen, wie sie aus der
Kompostierung bekannt sind anzuhäufen,
zu entlüften
und dabei zu trocknen. Derartige bekannte Konstruktionen betreffen
sowohl Entlüftungsrinnen
auf ebenen Flächen
als auch derartige Rinnen in so genannten Fahrsilos oder nach oben
offenen Tunneln. Im Sinne der vorherigen Ausführungen wird hierbei die abgesaugte
Prozessluft über
die benannten möglichen
Zwischenaggregate dem. Kaminaustritt (5) zugeführt.
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Anwendungsbeispiele
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1. Beispiel Deponie Casablanca,
Marokko
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Die
Zentraldeponie dieser Metropole mit mehr als 5 Millionen Einwohnern
nimmt jährlich
eine Million Tonnen Abfall auf. Eine Erhöhung des Durchsatzes auf 1,5
bis 2,0 Millionen in den kommenden Jahren ist wahrscheinlich.
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Die
Deponie ist nahezu verfüllt
und muss binnen eines Jahres durch eine neue Entsorgungstechnologie
ersetzt werden.
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Bei
Anlagen dieser Größenordnung
Kompostierungs- oder Verbrennungstechnologien einsetzen zu wollen
ist unrealistisch. Der Abfall hat eine mittlere Feuchte von ca 70%.
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Realistisch
ist und beabsichtigt ist der Bau einer Ersatzdeponie mit Kombinationsdichtung.
Die Abwässer
werden gesammelt, in einer Teichanlage formal gereinigt und dem
Vorfluter zugegeben.
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Die
fatalen Folgen dieser Vorgehensweise sind absehbar. Die täglichen
Sickerwässer
in der Größenordnung
von 500 bis 1000 m3 werden eine kaum zu
beschreibende Geruchsbelastung hervorrufen und darüber hinaus
bei ihrer Ableitung in den Vorfluter diesen bedenklich belasten.
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Realistisch
erscheint in diesem konkreten Fall der Einsatz des dieser Patentanmeldung
zu Grunde liegenden Verfahrens. Letztlich ist es allein eine Frage
der Dimensionierung der solarthermischen Kraftanlage, um eine Verdampfung
der flüssigen
Phase sicher zu stellen. Die Entsorgung der übrig bleibenden Sohle, vergleichbar
der aus einer Umkehrosmoseanlage, ist ein anders geartetes lösbares Problem,
was nicht Gegenstand dieser Patentanmeldung ist.
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Die
Lösung
der anstehenden Aufgabe ist jedoch nicht nur realistisch, sondern
durch andere Verfahren nach dem Stand der Technik nur unter Inkaufnahame
hoher Investkosten sowie eines hohen spezifischen Energieverbrauchs
denkbar. Derartige Kosten sind bei dem hier beschriebenen Verfahren
nicht zu erwarten. Darüber
hinaus kann bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren sogar bedarfsweise
Energie ausgekoppelt werden.
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2. Beispiel Agadir, Marokko
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Die
Stadt Agadir im ariden Süden
Marokkos leidet unter dem Gestank der lokalen Deponie für rund 100.000
Tonnen Abfälle
jährlich.
Die Deponie liegt rund 2,0 km von der Touristenregion an der Küste entfernt
und ist dort deutlich unangenehm wahrnehmbar.
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Mit
dem vorgestellten Verfahren ist es praktisch durchführbar, die
Abfälle
vor ihrer Ablagerung auf eine Restfeuchte von ca. 25 bis 30% herunterzutrocknen
und dann geruchsarm zu deponieren oder diese weitergehend bis zu
einem trockenstabilen Zustand zu trocknen, um hieraus einen Brennstoff
mit hohem Biomasseanteil zu generieren, aus dem bedarfsweise Metalle,
Kunststoffe und Mineralien abgetrennt werden können.
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3. Beispiel Kompostierung
Granada Alendin, Spanien
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In
Granada Alendin werden jährlich
mehr als 250.000 Tonnen Mischabfälle
unter einem großflächigen Dach
in Form einer offenen Mietenkompostierung verrottet. Die einhergehende
Geruchsbelastung ist unbeschreiblich und niemandem zumutbar.
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Der
Standort Granada ist in Europa herausragend auf Grund seiner hohen
solaren Strahlungsaktivität.
Derzeit entsteht hier Europas größte Solaranlage.
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Im
Sinne des hier dargestellten Verfahrens ist es technisch darstellbar
und sinnvoll, die Kompostanlage seitlich zu schließen, damit
zu kapseln und an eine solarthermische Kraftanlage im Sinne der
Geruchsreduzierung und ggf. der Energiegewinnung anzuschließen. Darüber hinaus
kann durch die Einbringung solarthermisch geführter Luftsaugkanäle die Durchlüftung der
Kompostmieten verbessert und die Geruchsbildung vermindert werden.
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Im übertragenen
Sinn kann diese Vorgehensweise auch für deutsche Kompostanlagen zur Anwendung
kommen.
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4. Beispiel Abfallverbrennung
Neu Delhi, Indien
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In
der neunziger Jahren wurde in Neu Delhi eine Abfallverbrennungsanlage
errichtet, welche nie ihren Betrieb aufnahm. Die Abfälle waren
zu feucht und hätten
nur durch die Zuhilfenahme von Fremdenergie verbrannt werden können.
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Im
Sinne des dargestellten Verfahrens ist es möglich, die Abfälle mit
Hilfe der Sonnenenergie vorzutrocknen, um durch die damit verbundene
Heizwertsteigerung ohne Fremdenergie einen exothermen Verbrennungsprozess
zu gewährleisten.