Ziel der Entwicklung

Während der letzten „Gaskrise“ haben Bestandsanlagen von Holzfeuerungen einen wichtigen Beitrag zur Wärmeversorgung geleistet. Weiterhin ist die thermische Nutzung von Biomasse ein wichtiger Bestandteil in der Umstellung der Wärmeversorgung von fossilen und umweltschädlichen Brennstoffen (Öl, Gas, Kohle) auf nicht-fossile Brennstoffe. In Kombination mit anderen Wärmeversorgungssystemen trägt Biomasse zu einer stabilen Wärmeversorgung besonders in Spitzenzeiten (Kälteeinbruch, wenig Strom aus erneuerbaren Energiequellen) bei. Mit der Verbrennung gehen jedoch gas- und partikelförmige Emissionen einher. Durch Primär- und Sekundärmaßnahmen konnten die Emissionen bereits erheblich verringert werden, was sich in der Einhaltung von typgeprüften Feuerstätten nach der 1. BImSchV von modernen Holzfeuerungen widerspiegelt.
Um die Luftqualität zu verbessern, setzen die Grenzwerte des Blauen Engel nach der Vergabegrundlage DE-UZ 212 den Ansporn, die Emissionen weiter zu senken und besonders umweltfreundliche Einzelraumfeuerstätten auszuzeichnen. Möchte man die Grenzwerte gemäß dem Blauen Engel einhalten, sind neben den primären Maßnahmen zusätzliche sekundäre Maßnahmen notwendig. Elektroabscheider verringern lediglich die Emission von Staub aus Verbrennungsanlagen.
Katalysatoren eignen sich für die Minimierung der Emissionen von CO und gasförmigen organischen Verbindungen. Ein Großteil der Katalysatoren basiert auf Edelmetallen (Pt, Pd, Rh), welche in der EU unter die kritischen Materialien fallen. Edelmetalle werden für Brennstoffzellen, chemische und elektronische Anwendungen in stetig zunehmender Menge benötigt, was sich wiederum auf die Kosten des Katalysators auswirkt. Eine kombinierte Lösung aus Elektroabscheider und Katalysator gab es zu Projektbeginn nicht. Daher war es das Ziel die Kopplung eines Elektroabscheiders mit einem edelmetallfreien Katalysator zu untersuchen. Unter Beachtung der Nachhaltigkeit, sollte das Reinigungssystem nicht nur für Neuanlagen geeignet sein, sondern auch als Nachrüstlösung für Bestandsanlagen zur Verfügung stehen.

Vorteile und Lösungen

Die thermische Nutzung von Biomasse ist ein wichtiger Bestandteil in der Umstellung der Wärmeversorgung von fossilen und umweltschädlichen Brennstoffen (Öl, Gas, Kohle) auf nicht-fossile Brennstoffe. In Kombination mit anderen Wärmeversorgungssystemen trägt Biomasse zu einer stabilen Wärmeversorgung besonders in Spitzenzeiten (Kälteeinbruch, wenig Strom aus erneuerbaren Energiequellen) bei. Mit der Verbrennung gehen jedoch gas- und partikelförmige Emissionen einher. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Feuerstätten konnten bereits erhebliche Verbesserungen bei den Emissionswerten erreicht werden. Möchte man besonders umweltfreundliche Einzelraumfeuerstätten haben, dann sind zusätzliche sekundäre Maßnahmen wie elektrostatische Abscheider zur Abtrennung von Feinstaub oder Katalysatoren (aktuell fast ausschließlich auf Edelmetallbasis z.B. Pt, Pd und Rh) zur Minimierung der CO und OGC-Werte notwendig.
Das Vorhaben fokussierte sich auf die Entwicklung eines edelmetallfreien Mischoxidkatalysator und die Kopplung mit einem vorgeschalteten elektrostatischen Staubabscheider. Anhand von Vorversuchen mit Katalysatorpulvern wurden unterschiedliche Zusammensetzungen im Versuchsreaktor mittels FTIR-Gasanalyse evaluiert, um die aussichtsreichsten Katalysatoren im Up-scaling-Prozess auf 1“-Trägermaterialien aufzubringen. Die immobilisierten Katalysatoren wurden bezüglich der Beladung und Aktivität im Versuchsreaktor weiter charakterisiert, um den besten Katalysator für das weitere Up-scaling zu ermitteln. Das finale Funktionsmuster, ausgestattet mit Bypass, wurde in ein 150 mm Rauchrohr integriert und es wurden Messungen gemäß der Vergabegrundlage der RAL gGmbH DE-UZ 222 (Januar 2022 Version 3) durchgeführt.
Wie im Projekt gezeigt wurde, sind Elektroabscheider eine sehr wirksame Möglichkeit zur Minderung der Staubpartikelzahl und emittierten Staubmenge von Holzöfen und -heizungen. Durch die elektrostatische Aufladung der Staubpartikel lagern sich diese an der Schornsteinwand ab und verbinden sich zu Grobstaub. Dieser Grobstaub ist durch Kehren regelmäßig zu entfernen. Weiterhin wurde ein immobilisierter edelmetallfreier Katalysator auf Basis von Mischoxiden entwickelt, welcher sowohl CO als auch OGC bei Temperaturen unterhalb von 400 °C oxidieren kann.

Zielgruppe und Zielmarkt

Nutzt man Holzreste, welche weder als Baumaterial noch stofflich (z. B. Papier, Chemikalien) genutzt werden können, dann stellen diese einen hervorragenden nachwachsenden Rohstoff zur Wärmegewinnung dar. Besonders in ländlichen Gebieten ist der Umstieg von fossilen auf erneuerbaren Wärmeträgern herausfordernd, da es kaum Möglichkeiten für Fernwärme gibt. Zu Spitzenlastzeiten, z.B. Kälteeinbruch, liefern Holzfeuerstätten sichere Wärme. Jedoch entstehen bei der Verbrennung von Holz Feinstaub und gasförmige Emissionen, welche sowohl auf die Umwelt als auch auf die Gesundheit einen negativen Einfluss haben. Feinstaub ist ein Risikofaktor bei Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Das Reinigungssystem zielt auf die Minimierung dieser Emissionen ab und trägt somit zu einer Verbesserung der Luftqualität bei. Entscheidend für den Einsatz der entwickelten Lösung ist die Akzeptanz des Endanwenders, weshalb das Abgasreinigungssystem einfach in der Bedienung und preislich vertretbar sein muss. Die Lösung ist sowohl für Neuanlagen als auch bestehende Feuerstätten geeignet. Wenn bestehende Feuerstätten damit nachgerüstet werden, dann lassen sich auch Feuerstätten weiterbetreiben, welche nach der Gesetzeslage hätten stillgelegt werden müssen. Durch den Einsatz eines edelmetallfreien Mischoxides sind die Kosten des Katalysators erheblich geringer im Vergleich zu Edelmetallkatalysatoren.
Das Projekt wurde in enger Zusammenarbeit mit Firmen der Feuerstättenbranche durchgeführt, welche die Ergebnisse auf ihre individuellen Produkte übertragen und somit integrieren können.