Katalytische Emissionsminderung

"Durch die Erforschung und Weiterentwicklung katalytischer Verfahren zur Emissionsminderung an Verbrennungsprozessen von Biomasseenergieträgern lässt sich die notwendige Umweltfreundlichkeit von Bioenergie sicherstellen."

Prof. Dr. Ingo Hartmann, Leiter des Forschungsschwerpunkts

Zielstellung

Der Forschungsschwerpunkt „Katalytische Emissionsminderung“ erforscht langzeit- und hochtemperaturstabile, sowie recyclingfähige und kostengünstige Katalysatoren ohne bzw. mit deutlich geringeren Anteilen von Edelmetallen Wesentliche Einflüsse auf die Wirksamkeit der Katalysatoren können deren Integration in den Prozess sowie die Kombination mit zusätzlichen Emissionsminderungsverfahren ausüben, weshalb auch dies im Detail erforscht wird. Dafür werden umweltfreundliche Katalysatorsynthesen untersucht, die sowohl die Stabilität der Katalysatoren als auch die Vermeidung von Edelmetallen als aktive Katalysatorspezies im Fokus haben.

Der Forschungsschwerpunkt kann die gesamte Entwicklung vom Labor bis hin zur Nutzung abbilden.

 

Hintergrund

Gasförmige, flüssige und feste kohlenstoffhaltige Bioenergieträger werden nahezu ausnahmslos durch Verbrennung in thermische Energie umgewandelt. In Abhängigkeit vom Bioenergieträger und von der Verbrennungsführung werden Methan (CH4), weitere flüchtige organische Verbindungen (NMVOC) aber auch semi- und schwerflüchtige Kohlenwasserstoffe wie polyzyklische Aromaten (PAK) und polychlorierte Dioxine und Furane (PCDD/PCDF) sowie Ruß (Black Carbon) in relevanten Mengen ausgestoßen, welche THG-Effekte und/oder Umweltschäden aufgrund von Toxizität hervorrufen können. Seit 1995 ist nach Daten des Umweltbundesamtes bei den jährlichen Emissionen der PAK und PM2.5 aus dem Sektor Energie in Haushalten kein Rückgang zu verzeichnen (für 2017: PAK = 146 633,7 kg/a; PM2.5 = 18,4 Mg/a). Dies ist auch auf die verstärkte energetische Nutzung von Biomasse zurückzuführen. Diese Zahlen zeigen deutlich, dass bei der thermischen Nutzung von Bioenergieträgern zur Steigerung der Nachhaltigkeit zukünftig Emissionsminderungsmaßnahmen mit dem Fokus auf die Luftschadstoffe CO, CH4, NOX, PAK und Rußpartikel (Black Carbon) weiter erforscht und auch unter Beachtung von Praxisbedingungen demonstriert und in den Markt eingeführt werden müssen. Diese Schadstoffe können bei Einsatz von katalytischen abgasseitigen und integrierten Verfahren deutlich reduziert werden.

 


Aktuelles

In Kooperation mit der TU Freiberg bearbeiten wir aktuell ein Projekt zur Entwicklung und Untersuchung einer Anlage zur brennstoffflexiblen energetischen Nutzung von biogenen Reststoffen bestehend aus einer Vergasereinheit und einem katalytischen Rohrbündelreaktor. Die Umwandlung der festen Biomasse in Brenngase bei möglichst geringen Temperaturen soll die Freisetzung mineralischer Inhaltsstoffe wie Kalium aus der Biomasse hemmen. Da derartige Stoffe als Aerosolbildner wirken, kann die emittierte Staubmenge im Vergleich zu heutigen Verbrennungsprozessen deutlich gemindert werden. Das entstehende Brenngas enthält im Vergleich zu typischen Vergaserproduktgasen einen größeren Anteil an Kohlenwasserstoffen, die katalytisch durch Totaloxidation vollständig zu CO2 und H2O umgesetzt werden sollen. So kann eine nahezu schadstofffreie Verbrennung realisiert werden.

In einem Forschungsprojekt mit der Fachhochschule Südwestfalen, der Energie Holz Hess GmbH & Co. KG sowie der Fa. IBT-Krämer erfolgt die Entwicklung eines Kaminofens für die Verbrennung von Holzhackschnitzeln. Mit einer speziell für Hackgut entwickelten Brenn- und Förderzone wurde bereits der Einfluss der Brennstoffkonditionierung auf die Verbrennungsqualität analysiert. Trotz der niedrigen Nennwärmeleistung (< 4 kW) können bereits im aktuellen Entwicklungszustand die Kohlenstoffmonoxid- und Staubgrenzwerte der 1. BImSchV eingehalten werden. Die Entwicklungsarbeit soll im nächsten Jahr mit Praxispartnern bis hin zu am Markt verkäuflichen Feuerungsanlagen erfolgen.

Das im Juli 2021 gestartete und mit Mitteln von BMWi/PtJ geförderte Vorhaben PaCoSil (Projektpartner: A.P. Bioenergietechnik GmbH und ETE EmTechEngineering GmbH) erforscht, wie mit in Deutschland regional verfügbaren siliziumreichen biogenen Reststoffen regenerative Wärme und zusätzlich gekoppelt siliziumangereicherte poröse sowie röntgenamorphe anorganische Festkörper hergestellt werden können, um diese für die stoffliche Nutzung in umwelttechnischen Prozessen nutzbar zu machen. Bei der an die wärmegeführte Produktion gekoppelten stofflichen Nutzung werden siliziumreiche biogene Reststoffe als Nebenerzeugnis genutzt. Dabei ist die Wirtschaftlichkeit des Vorhabens insbesondere dadurch gegeben, dass eine wärmegeführte Produktion mit der stofflichen Nutzung der Ascheanteile verbunden werden kann. Der Fokus des Vorhabens liegt daher auf der energetischen Nutzung des Materials und bedingt eine technische Entwicklung zur Umsetzung der Prozessschritte.

 

Ausstattung

Für die Forschung steht ein entsprechend ausgestattetes Technikum und Charakterisierungslabor zur Verfügung, das insbesondere in Bezug auf anwendungsorientierte und marktnahe Anwendungen der katalytischen Emissionsminderung an Bioenergieanlagen in Europa einzigartig ist. Die Daten aus den marktnahen Forschungsprojekten werden ausgewertet, veröffentlicht und in Form von frei zugänglichen Datenbanken der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt. 

Der Forschungsschwerpunkt stellt auf Basis der Kompetenz der Mitarbeiter zusammen mit der technischen Infrastruktur eine wichtige Ressource für die Bioenergiebranche zur Entwicklung und Bewertung von Emissionsminderungsverfahren an dezentralen Energieversorgungsanlagen dar, um innovative Geräte und Anlagenkomponenten in Zusammenarbeit mit Unternehmen am Markt direkt aus der Forschung zu etablieren.

Flyer zum Forschungsschwerpunkt "Katalytische Emissionsminderung"

Eine Abgasreinigung mit Katalysatoren ist bereits bei verschiedenen Technologien Stand der Technik. Die Entwicklung und Adaption von geeigneten Katalysatoren sowie die Prozessanpassung für Verfahren der Biomassenutzung kann eine Weiterentwicklung im Bereich der erneuerbaren Energie aus Biomasse ermöglichen.

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Wichtige Referenzprojekte (Auswahl)

  • HypoBio - Energetische Nutzung von Scheitholz durch die Entwicklung einer effizienten und emissionsarmen, kleinen Scheitholzfeuerung mittels kontinuierlicher Brennstoffzuführung, Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft/Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., 01.08.2020 - 31.07.2022 (FKZ 22033218)
  • UVV – Verbundvorhaben: Emissionsminderungsstrategien zur umweltverträglichen Verbrennung (UVV) auf Basis von aktuellen Forschungsergebnissen, Teilvorhaben 1: Theoretische und Experimentelle Untersuchungen, Koordination; Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft/Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., 01.04.2019 – 31.03.2022 (FKZ: 22038418)
  • GASASH – Thermo-chemische Konversion von Reststoffen in einem Vergaser-BHKW mit gekoppelter Aschegewinnung; Teilvorhaben: Untersuchungen zur Produktgasqualität, den BHKW-Emissionen, Emissionsminderungsmaßnahmen und der Ascheverwertung, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie/Projektträger Jülich, 01.09.2018 - 30.06.2021 (FKZ: 03KB139A)
  • SCRCOAT – Optimierung u. Validierung von Verfahren zur kombinierten Reduktion von Feinstaub und sauren Schadgasen an Biomassefeuerungen; Teilvorhaben: Experimentelle Untersuchungen zur Kombination von SCR- und Precoatverfahren an einem Gewebefilter, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie/Projektträger Jülich, 01.09.2017 - 28.02.2021 (FKZ: 03KB128A)
  • KaRo – Katalytischer Rohrbündelreaktor für die Totaloxidation von Brenngasen aus der thermischen Umsetzung von festen Biobrennstoffen zur emissionsarmen regenerativen Wärmeerzeugung, Sächsische Aufbaubank, 01.10.2019 - 30.06.2022 (FKZ: 100332481)

Wichtige Veröffentlichungen (Auswahl)

  • He, Fang; Li, Xiuhua; Behrendt, Frank; Schliermann, Thomas; Shi, Junrui; Liu, Yongqi (2020): Critical changes of inorganics during combustion of herbaceous biomass displayed in its water soluble fractions. In: Fuel Processing Technology 198. DOI: 10.1016/j.fuproc.2019.106231.
  • Stolze, Bettina; Hartmann, Ingo (2020): Zeitliche Darstellung des Alterungsverhaltens eines Oxidationskatalysators in einem Biogas‐BHKW. In: Chemie Ingenieur Technik 92 (6), S. 782–787. DOI: 10.1002/cite.201900152.
  • König, Mario; Müller, Mirjam; Hartmann, Ingo (2021): Emission reduction process for the energetic use of biogenic residues. In: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (642). DOI: 10.1088/1755-1315/642/1/012006.
  • Formann, Steffi; Hahn, Alena; Janke, Leandro; Stinner, Walter; Sträuber, Heike; Logrono, Washington; Nikolausz, Marcell (2020): Beyond sugar and ethanol production. Value generation opportunities through sugarcane residues. In: Frontiers in Energy Research 8. DOI: 10.3389/fenrg.2020.579577.
  • Hartmann, Ingo; Tebert, Christian (2020): The new Blue Angel ecolabel certification method for firewood stoves. 6. Central European Biomass Conference. Graz (Österreich), 22.01.2020.