Feuerungstechnik und Emissionsminderung

Emissionsminderung für Biomasse-Feuerungssysteme

Die Diskussionen über Grenzwerte bei NOx und Feinstaub sowie die gesetzlichen Vorgaben für Feuerungsanlagen verdeutlichen den Handlungsbedarf für eine bessere Emissionsminderung für Biomasseanlagen. Hersteller und Betreiber von Biomasse-Feuerungen stellt dies vor große Herausforderungen. 

Unser Ziel ist es, Verbrennungsanlagen, auch für herausfordernde Einsatzstoffe, mit extrem niedrigen Emissionen zu entwickeln (Near Zero Emissions). Unsere Entwicklungesarbeiten zielen auf eine hocheffektive Kombination aus Primär- und Sekundärmaßnahmen, z.B. variable Einstellung der Brennstoffzufuhr bei gleichzeitiger optimierter Auslegung von Rauchgasreinigung und Filtertechnik.

Für die wissenschaftliche Bewertung und anschließende Optimierung des Emissionsverhaltens von Feuerungs- und Filteranlagen stehen in unseren Technika Prüfstände und Messeinrichtungen zur Verfügung, z.B. Online-Gasanalytik, Messung von Feinstaub und Nanopartikeln, Analyse der Verbrennungsrückstände etc. Aus den Ergebnissen lassen sich Rückschlüsse auf Systemintegration, Machbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Ökologie von Feuerungsverfahren und -anlagen ziehen.

Brennstoffstufung als innovatives Verfahren zur NOx-Minderung

Im Gegensatz zu anderen Primärmaßnahmen (Luftstufung, Rezirkulation von Abgas) können mit einer Brennstoffstufung signifikant niedrigere Emissionen erreicht werden. Ein Ansatz hierfür ist die Stufung von biogenen Rest- und Abfallstoffen (Primärbrennstoff) mit Erdgas oder anderen gasförmigen Sekundärbrennstoffen. Im Vergleich zu Sekundärmaßnahmen (SNCR, SCR) verbessert sich dadurch gleichzeitig die Energieeffizienz, da das Reduktionsmittel zur Energieerzeugung beiträgt. Neben der Reduktion von Stickoxidemissionen wird auch die Flexibilität der Energiebereitstellung durch den dynamischen Brennerbetrieb erhöht. Durch das Prinzip der Brennstoffstufung sollen mindestens 50 Prozent der NOx-Emissionen eingespart werden. 

Dezentrale Anlagen für die energetische Nutzung von Biomasse, z.B. Biomassekraftwerke, Biomasseheizkraftwerke, Biogasanlagen oder Feuerungssysteme für die Reststoffverwertung schöpfen häufig nicht alle Effizienzpotenziale aus. Eine digitale Prozessüberwachung ermöglicht zukünftig die effiziente Nutzung von variierenden Brennstoffqualitäten in Biomassefeuerungen. Dabei werden Steuerungs- und Regelungstechnik mit digitalen Modulen von der Brennstofflagerung über die Brennstofferkennung bis zum Verbrennungsprozess kombiniert und getestet.

Bisher sind solche Technologien allerdings nur in großen Biomasseheizkraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen verfügbar, hauptsächlich aus Kostengründen. Im Forschungsschwerpunkt Digitalisierung von Biomasse-Feuerungen soll dies auch für Feuerungen in kleinerem Maßstab ermöglicht werden.

Automatisierte Einstellung der Feuerung auf den Brennstoff   

Die meisten Verbrennungssysteme können zwar minderwertige Brennstoffe wie Waldrestholz oder biogene Reststoffe verarbeiten, die Parameter der Feuerung, wie die Brennstoffzufuhr oder Belüftung, müssen jedoch manuell eingestellt werden, um einen stabilen Verbrennungsprozess mit hoher Ausbrandqualität und Effizienz zu gewährleisten. Diese manuelle Einstellung ist aufwändig, erfordert viel Erfahrung und ist teilweise nur begrenzt möglich. Fehler bei der Bedienung können zu höheren Emissionen, Verschleiß und Ausfallzeiten führen. 

Eine kontinuierliche digitale Prozessüberwachung der Sensorik, Steuerungs- und Regelungstechnik ist die Grundlage dafür, diese Einstellungen zukünftig automatisiert vorzunehmen. So wird jederzeit eine ökonomisch und ökologisch optimale Verbrennung ermöglicht.

Bei der Oxyfuel-Verbrennung werden Gase aus der energetischen Biomassenutzung mit reinem Sauerstoff (O₂) anstatt mit Luft verbrannt. Dadurch entstehen als Verbrennungsprodukte nur CO₂ und H₂O im Abgas. Der Wasserdampf (H₂O) kondensiert, die freigesetzte Wärme kann genutzt werden. Das verbleibende Abgas mit einer CO₂-Konzentration von über 95 Prozent kann industriell, als alternative Kohlenstoffquelle genutzt werden. Damit ermöglichen wir dezentrale Prozessrouten zur Nutzung (BECCU bzw. Bio-CCU) oder Speicherung (BECCS bzw. Bio-CCS) von CO₂.

Der Oxyfuel-Prozess ist flexibel, was die Qualität der gasförmigen Brennstoffe angeht. Neben Biogas können Klärgas, Pyrolysegas oder Synthesegas zum Einsatz kommen.

Am Standort Sulzbach-Rosenberg von Fraunhofer UMSICHT wird ein Oxyfuel Brennersystem mit einer thermischen Leistung von 50 kW im Demonstrationsmaßstab betrieben. Die dezentrale Anwendung einer solchen Anlage kann kleinen und mittelständischen Unternehmen der Bioenergie-Branche die Umsetzung CO₂-neutraler bzw. CO₂-negativen Prozessrouten ermöglichen. 

Oxyfuel-Verbrennungsprozesse könnten zusätzlich weiter an Bedeutung gewinnen, da bei einem Ausbau der Wasserstoffwirtschaft künftig auch beträchtliche Mengen an Sauerstoff (O₂) erzeugt werden. Im Elektrolyseverfahren wird pro Einheit Wasserstoff die achtfache Menge O₂ produziert. Die Elektrolysekapazitäten sollen laut Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) bis 2050 schrittweise ausgebaut werden. Infolgedessen würden im Jahr 2030 rund 1,8 Mio Tonnen Sauerstoff, im Jahr 2050 bis zu 18 Mio Tonnen Sauerstoff als bisher ungenutztes Koppelprodukt anfallen. Insbesondere an Standorten, an denen Bioenergie- und Elektrolyse-Kapazitäten zusammenliegen, könnten Oxyfuel-Prozesse eine wirtschaftliche Verwertungsoption für das O₂ schaffen.