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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 "Katalytische Emissionsminderung")

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 1).

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.

Aktuelle Forschungsthemen

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Nachhaltigkeitsbetrachtungen bei Katalysatoren
Evaluierung der Inventardaten für den Katalysator
Überprüfung und Stand bezüglich der Klimawirkung der Rußpartikelemissionen (vereinfachende Betrachtung)

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.

Wichtige Referenzprojekte und Veröffentlichungen (Auswahl)

  • Projekt: Nachrüstung zum katalytischen Abbau von gasförmigen organischen Emissionen aus Kaminöfen, Deutsche Bundesstiftung Umwelt, 01.08.2013–31.01.2015 (FKZ: 31032)
  • Projekt: GASKAT – Emissionsarmer Scheitholzvergaserkessel mit integriertem Katalysator und optimierter Verbrennungsregelung, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie/ AiF, 01.01.2013–30.11.2015 (FKZ: KF2028 006ST2)
  • Projekt: Demonstration von Verfahren zur kombinierten Reduktion von Stickoxiden und Feinstaub aus Biomassefeuerungen, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie/Projektträger Jülich, 01.09.2014–31.08.2016 (FKZ: 03KB096A)
  • Projekt: Untersuchung innovativer Ansätze zur Minderung der Schadstoffemissionen von Kaminöfen durch katalytisch wirksame Baugruppen – Hauptphase "NEKO – Neuartiger emissionsarmer Kaminofen", Deutsche Bundesstiftung Umwelt/Specht, 01.04.2013–31.03.2015
  • Projekt: Schnelltest zur Alterungsnachstellung von Dieselkatalysatoren im Betrieb mit Biokraftstoffen, Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft/Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V./Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen, 01.10.2014–30.09.2017 (FKZ: 22014514)
  • Veröffentlichung: König, M.; Hartmann, I.: "Scheitholzvergaser mit integriertem Katalysator", Poster auf dem 6. Fachkolloquium – Effiziente und schadstoffarme Verbrennungstechnologien für Biomasse, 12. Mai 2015, Stuttgart.
  • Veröffentlichung: Matthes, M.; Hartmann, I. (2015): Einsatz von Nachrüstmodulen an Kaminöfen zur Effizienzsteigerung und Emissionsminderung. In: Thrän, D.; Pfeiffer, D. (Hrsg.): Bioenergie – Mehr als eine sichere Reserve !? 6. Statuskonferenz am 11./12. November 2015. Reader des Förderprogramms Energetische Biomassenutzung. S. 20–21. DBFZ. Leipzig.
  • Veröffentlichung: Bindig, R.; Butt, S.; Hartmann, I. (2015): Emission Abatement at Small-Scale Biomass Combustion Unit with High-Temperature Catalysts. In: Advanced Biofuels: Using Catalytic Routes for the Conversion of Biomass Platform Molecules. S. 189–202. 1. Auflage. Apple Academic Press. Oakville, Kanada – ISBN 978-1-77188-132-6
  • Veröffentlichung: Ahmad Alyosef, H.; Schneider, D.; Wassersleben, S.; Roggendorf, H.; Weiß, M.; Eilert, A.; Denecke, R.; Hartmann, I.; Enke, D. (2015): Meso/Macroporous Silica from Miscanthus, Cereal Remnant Pellets, and Wheat Straw. In: ACS Sustainable Chemistry & Engineering. Bd. 3 (Nr. 9). S. 2012–2021. doi: 10.1021/acssuschemeng.5b00275.
  • Veröffentlichung: Matthes, M.; Hartmann, I.; Groll, A.; Riebel, U. (2015): Investigation on application and performance of emission reduction measures at a pellet boiler. In: Biomass Conversion and Biorefinery. S. 1–13. doi: 10.1007/s13399-015-0187-1 – ISSN 2190-6815

Ansprechpartner

Dr. Ingo Hartmann
Leiter des Forschungsschwerpunkts Katalytische Emissionsminderung
Tel. +49 (0)341 2434-541
Fax +49 (0)341 2434-133
E-Mail: ingo.hartmann(at)dbfz(dot)de