Katalytische Emissionsminderung

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

Dr. Ingo Hartmann, Leiter des Forschungsschwerpunkts

Zielstellung

Übergeordnetes Ziel des Schwerpunkts ist die Erforschung der katalytischen Emissionsminderung an Verbrennungsanlagen für gasförmige, flüssige und feste Bioenergieträger an Festkörperkatalysatoren. Die katalytische Minderung der Verbrennungsemissionen Methan (CH4), flüchtige organische Verbindungen (NMVOC), semi- und schwerflüchtige Kohlenwasserstoffe wie polyzyklische Aromate (PAK) und polychlorierte Dioxine und Furane (PCDD/PCDF), Rußpartikel (Black Carbon) und Stickstoffoxide (NOX) stehen dabei im Fokus. Die genannten Schadstoffe können bei Einsatz von katalytischen abgasseitigen und integrierten Verfahren deutlich reduziert werden. Es wird die Entwicklung von Katalysatoren und Verfahren angestrebt, die eine nahezu emissionsfreie und damit umweltfreundliche Verbrennung von Bioenergieträgern ermöglicht.

Hintergrund

Gasförmige, flüssige und feste kohlenstoffhaltige Bioenergieträger werden nahezu ausnahmslos durch Verbrennung in thermische Energie umgewandelt. Biogas und auch Biodiesel sowie Bioethanol werden beispielsweise in Verbrennungsmotoren von BHKW eingesetzt, um KWK-Technologien auf Basis erneuerbarer Ressourcen möglichst unter dem Gesichtspunkt bedarfsgerechter Energiebereitstellung nachhaltig einsetzen zu können. Feste Bioenergieträger wie Holzpellets und Scheitholz werden heute zu großen Teilen in Kleinfeuerungsanlagen eingesetzt, um Privathaushalte mit Wärme zu versorgen (vgl. Abbildung).

 


Zukünftig sollen auch feste Biomassen stärker und zudem in meist dezentralen Anlagen zur Mikro-KWK eingesetzt werden. Bei der Verbrennung von Bioenergieträgern werden unter idealen Vorstellungen alle brennbaren kohlenwasserstoffhaltigen Komponenten vollständig zu CO2 und H2O oxidiert. Unter realen Praxisbedingungen werden jedoch bei Verbrennungsprozessen immer auch unverbrannte und teiloxidierte Schadstoffe freigesetzt. Dabei wird insbesondere Kohlenstoffmonoxid in Größenordnungen von 100 bis mehr als 1 000 ppm emittiert. In Abhängigkeit vom Bioenergieträger und von der Verbrennungs-führung werden Methan (CH4), weitere flüchtige organische Verbindungen (VOC) 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. Bei der Verbrennung von Bioenergieträgern, z.B. Biogas und Biodiesel bei motorischer Nutzung sowie Verbrennung sogenannter alternative Festbrennstoff aus Reststoffen, können zudem hohe Stickstoffoxidemissionen auftreten.

Zur Reinhaltung der Luft und für die Nachhaltigkeit von überwiegend in der Verbrennung genutzten Bioenergieträgern (fest, flüssig, gasförmig) sind umfangreiche wissenschaftliche Forschungsanstrengungen unter gleichzeitiger Beachtung von Praxisbedingungen notwendig. Zur Steigerung der Nachhaltigkeit sollen deshalb zukünftig Emissionsminderungsmaßnahmen mit dem Fokus auf die Luftschadstoffe CO, CH4, NOX, PAK und Rußpartikel (Black Carbon) erforscht und auch unter Beachtung von Praxisbedingungen demonstriert werden. Die genannten Schadstoffe können bei Einsatz von katalytischen abgasseitigen und integrierten Verfahren deutlich reduziert werden. Unter Anderem das Beispiel des Dreiwegekatalysators an Ottomotoren kann als Referenz für die mögliche schadstoffmindernde Wirksamkeit katalytischer Systeme herangezogen werden.

Ausblick

Im Forschungsschwerpunkt Katalytische Emissionsminderung wird zukünftig die Erforschung von kostengünstigeren Abgaskatalysatoren auf Basis von Aschen aus festen biogenen Reststoffen ohne Einsatz von Edelmetallen eine wichtige Aufgabe darstellen. Zudem soll gemeinsam mit Forschungspartnern wie der Universität Leipzig, Arbeitskreis Prof. Dirk Enke die Entwicklung von hochtemperaturstabilen Katalysatoren mit hierarchischem Porensystem vorangetrieben werden. Einen weiteren zukünftigen Forschungsansatz stellt die nichtklassische Initiierung (z.B. durch Mikrowellenstrahlung) von katalytischen Reaktionen zur Emissionsminderung dar. Die in der Erforschung befindlichen Emissionsminderungskatalysatoren sollen für die unterschiedlichen Biomassekonversionsanlagen weiterentwickelt und optimiert werden. Dabei soll die optimierte Integration der Katalysatoren in die Verbrennungsanlagen zur Emissionsminderung untersucht werden.

Flyer zum Forschungsschwerpunkt "Katalytische Emissionsminderung" (2.28 MB)

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)

  • Vollkat – Labortechnische Untersuchungen zur Entwicklung eines keramischen Vollkatalysators für Biomassefeuerungen - 1. Phase, Deutsche Bundesstiftung Umwelt, 01.01.2018 - 31.12.2018, FKZ: 32996/01-24/0
  • Bio-Mini – Verbundvorhaben: Entwicklung einer marktnahen emissionsarmen Biomasse-Kleinstfeuerung für Niedrigenergie- und Passivhäuser; Teilvorhaben 1: Feuerungstechnische Entwicklung (Gesamtkonzept) und Charakterisierung einer Biomasse-Kleinstfeuerung für Niedrigenergie- und Passivhäuser, Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft/Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., 01.10.2017- 30.09.2019 (FKZ: 22025816)
  • SCRCOAT – Optimierung u. Validierung von Verfahren zur kombinierten Reduktion von Feinstaub u. sauren Schadgasen an Biomassefeuerungen; Teilvorhaben: Experimentelle Untersuchungen zur Kombination von SCR-u. Precoatverfahren an einem Gewebefilter, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie/Projektträger Jülich, 01.09.2017 -31.08.2020 (FKZ: 03KB135A)
  • Kleinmotoren – Entwicklung eines effizienten Abgasbehandlungssystems für Dieselmotoren der Leistungsklasse < 19 kw bei Einsatz kohlenstoffreduzierter Kraftstoffe, Sächsische Aufbaubank, 01.08.2016 - 01.07.2019

Wichtige Veröffentlichungen (Auswahl)

  • König, M., Eisinger, K., Hartmann, I., Müller, M.: Combined removal of particulate matter and nitrogen oxides from the exhaust gas of small-scale biomass combustion, Biomass Conv. Bioref. (2018). https://doi.org/10.1007/s13399-018-0303-0
  • Kohler, H.; Ojha, B.; Illyaskutty, N.; Hartmann, I.; Thiel, C.; Eisinger, K.; Dambacher, M. (2018). "In situ high-temperature gas sensors: Continuous monitoring of the combustion quality of different wood combustion systems and optimization of combustion process". Journal of Sensors and Sensor Systems (ISSN: 2194-8771), Vol. 7, Nr. 1. S. 161–167. DOI: 10.5194/jsss-7-161-2018.
  • Hartmann, I.; Günther, S. (2018), “Emission measurement data of a wood log stove with an integrated two-stage catalytic converter module”, Mendeley Data, v1. dx.doi.org/10.17632/2xcp6rytgw.1
  • Grimm, A., Enke, D., Roppertz, A., Hartmann, I., Frieß, M.: „Synthesis of rice husk silica supported base metal catalysts for exhaust gas treatment“ DBFZ Jahrestagung, Poster.
  • Müller, M.; Schenk, J. (2018). Smart Bioenergy: new developments for energetic and integrated material use of biomas. Vortrag gehalten: 4th National Scientific Conference "Renewable Energy Sources: Theory and Practice", Opole (Polen), 10.10.2018