DBFZ - Energetische Biomassenutzung

Schadstoffarme Kleinfeuerungen durch Katalysatoren

Ein Konsortium aus Leipzig forscht an katalytisch unterstützter Emissionsminderung aus Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen

Fossile Energieträger durch biogene Festbrennstoffe zu ersetzen, ist mit Blick auf den Klimaschutz von großem Interesse. Naturbelassene Biomassebrennstoffe wie Scheitholz, Holzpellets und Hackschnitzel sind im Bereich der Wärmebereitstellung im Haushalts- und Kleingewerbebereich die wichtigsten regenerativen Energieträger. Aber auch Alternativen wie Reststoffe aus der Nahrungsmittelproduktion oder der Landschaftspflege sollen bei Einsatz neuer Feuerungstechnologien zukünftig einen ökologischen und wirtschaftlichen Beitrag zum aktiven Klimaschutz leisten.

Noch bereitet der Ausstoß umweltschädlicher und toxischer Schadstoffe bei Biomasse-Kleinfeuerungs­anlagen Schwierigkeiten. Doch die Forscher des Deutschen BiomasseForschungsZentrum gGmbH (DBFZ), des Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) und des Institutes für Technische Chemie der Universität Leipzig (ITC) haben den Einsatz verschiedener Katalysatoren untersucht, welche die Emissionen bei der energetischen Verwertung von Biomasse verringern.

Neben dem Feinstaub, der beispielsweise durch nachgeschaltete Staubabscheider abgetrennt werden kann, spielen vor allem organische Stoffe in Abgasen eine Rolle. In dem vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) geförderten Verbundvorhaben „Katalytisch unterstützte Minderung von Emissionen aus Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen“ (FKZ: 03KB013) wurden an Biomassefeuerungen die Grundlagen der katalytischen Abgasreinigung zur Minderung organischer gasförmiger Schad­stoffe untersucht.

Die sogenannte Katalytische Nach­ver­brennung (KNV) als nachsorgende Maß­nahme ist eine vielversprechende Möglich­keit, organische Schadstoffe aus Abgasen zu entfernen. Flüchtige organische Stoffe, wie beispielsweise Formaldehyd, Benzol, Phenole und andere aromatische Verbindungen sind für die gesundheitlichen Risiken der Emissionen besonders relevant und müssen beim angestrebten Ausbau der erneuerbaren Wärme aus Biomasse-Kleinfeuerungen drastisch reduziert werden.

Zur Erforschung der Grundlagen der Katalytischen Nach­ver­brennung wurden experimentelle Unter­suchungen an einer speziell dafür entwickelten Versuchsanlage mit unterschiedlichen Einzelfeuerstätten durch­geführt (siehe Abbildung 1). Die Messungen an der Anlage zeigen deutlich das hohe Emissionsminderungspotenzial kata­lytisch unter­­stützter Verfahren zur Abgas­reinigung an Bio­masse­feuerungen.

Die eingesetzten und untersuchten edelmetallbeschichteten Katalysatoren auf Metallträgerbasis wurden von der Firma Heraeus bezogen. Die Eigenschaften wie Trägermaterial (Keramik, Metall) und -form (Waben, Drahtgewebe, Schäume) sowie die Art der katalytisch aktiven Materialien sind in einem gewissen Bereich variierbar. Die Entwicklung neuer Katalysatoren wird deshalb weiter erforscht.

Als Katalysatoren für den Einsatz an Biomassefeuerungen sind im Wesentlichen drei verschiedene katalytische Systeme zur sekundären Minderung von Emissionen an Biomassefeuerungen interessant und teilweise am Markt verfügbar oder werden aktuell weiterentwickelt:

1. Vollmetallkatalysatoren [1-3]
2. Katalysatoren auf keramischen Trägern [4]
3. Katalytisch beschichtete Filter [5]

Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich der katalytischen Minderung organischer Emissionen aus unvollständigen Verbrennungsprozessen „Wir schauen uns parallel auch die feuerungsseitigen Primärmaßnahmen an, mit denen Feinstaub und schädliche Gase minimiert werden können“, erläutert Dr. Ingo Hartmann, Projektkoordinator am DBFZ die Möglichkeiten der Emissionsreduktion. An der oben gezeigten Versuchsanlage analysieren er und seine Kollegen unter anderem die Wirkung und die Alterungserscheinungen von Katalysatoren unter praxisnahen Bedingungen. Die Versuchsanlage wurde von den Wissenschaftlern optimiert und so aufgerüstet, dass ein Katalysator­screening für Biomasse­ver­brennungs­prozesse möglich ist.

Aufbauend auf den Erkenntnissen aus dem im Dezember 2010 abgeschlossenen Forschungsvorhaben zur katalytisch unterstützten Emissionsminderung aus Kleinfeuerungsanlagen sind weitere Untersuchungen zur Abgasreinigung geplant. Das DBFZ erhält zusammen mit Industriepartnern und weiteren Forschungseinrichtungen vom BMU eine Förderung für das Nachfolgeprojekt „Emissionsminderung durch integrierte Maßnahmen in Biomasse-Kleinfeuerungen“ (FKZ: 03KB051). Sowohl an Stückholzfeuerungen als auch voll­auto­matischen Multifuelkesseln sollen katalytische Verfahren der Abgasreinigung entwickelt und praxisnah in den Bau von Prototypen einfließen.

Literatur

[1] F. Ozil, V. Tschamber, F. Haas, G. Trouve; Fuel Process.Technol. 2009, 90, 1053-1061.

[2] E. Erich; Entwicklung eines Katalysators aus Abfällen der spanenden Metallbearbeitung zur Abluftreinigung Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. (IUTA), 2004.

[3] M. Ferrandon, M. Berg, E. Björnbom; Catal. Today 1999, 53, 647–659

[4] P. M. Fine, G. R. Cass, B. R. T. Simoneit; Environ. Eng. Sci. 2004, 21, 705-721.

[5] S. Heidenreich, M. Nacken, M. Hackel, G. Schaub; Powder Technol. 2008, 180, 86-90

Veröffentlichungen

Ingo Hartmann, Volker Lenz, Marian Schenker, Christian Thiel, Ulf Roland, Wolf-Dietrich Einicke, René Bindig; Katalysatoruntersuchungen an einer Technikumsanlage für Biomasse-Kleinfeuerungen; Chem. Ing. Tech. 2011; Eingegangen: 09.06.2010, revidiert: 06.12.2010, akzeptiert 20.12.2010.

Ingo Hartmann, Frank Hoffmann, Marian Schenker, Christian Thiel, Christian Weickhardt; Emissionsmessungen und Schadstoffminderungsmaßnahmen an Biomassekleinfeuerungen; Vortrag und Manuskript im Rahmen des 4. Fachkolloquium Feuerstätten/Abgasanlagen 21.September 2010, Fraunhofer-Institut für Bauphysik.

Kontakt

DBFZ - Deutsches BiomasseForschungsZentrum gGmbH - Gesamtprojektleitung
Bereich Thermochemische Konversion (Leiter: Dr.-Ing. Volker Lenz)
Torgauer Straße 116, 04347 Leipzig
Projektbearbeiter: Dr. Ingo Hartmann, Marian Schenker, Christian Thiel, Konrad Eisinger
Telefon: 0341 2434 541, E-Mail: ingo.hartman(at)dbfz.de

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ
Department Technische Umweltchemie (Leiter: Prof. Dr. F. D. Kopinke)
Projektbearbeiter: Dr. Ulf Roland, Dr. Markus Kraus
Permoserstr. 15, 04318 Leipzig
Telefon: 0341 235 1762, E-Mail: ulf.roland(at)ufz.de

Universität Leipzig
Institut für Technische Chemie (Leiter: Prof. Dr. Roger Gläser)
Projektbearbeiter: Prof. Dr. Wolf Dietrich Einicke, René Bindig
Linnéstraße 3-4, 04103 Leipzig
Telefon: 0341 97 36 303, E-Mail: einicke(at)chemie.uni-leipzig.de