Projekt 38516/01

Entwicklung einer neuartigen Schaumglasplatte mit integrierter katalytischer Funktionalität zur Emissionsminderung von Holzfeuerungsanlagen – 1. Phase: Machbarkeitsuntersuchung

Projektdurchführung

Zielsetzung

Deutschland steht aufgrund geopolitischer Einflüsse vor einer Energiekrise, weshalb alternative Energiequellen, wie die Holzfeuerungen, an Attraktivität gewonnen haben. Da die Holzfeuerung formal CO2-neutral ist, ist das auch aus klimapolitischer Sicht eine sinnvolle Methode der Wärmeerzeugung.
Ein Nebeneffekt der Holzfeuerung ist jedoch, dass gasförmige Emissionen wie CO und Staub entstehen, die aufgrund ihrer schädlichen Wirkung gemindert werden müssen. Für die in der Holzfeuerung verwendeten Kleinbrandöfen sind daher in der 1. BImSchV strenge Grenzwerte für zuvor genannte Emissionen definiert worden, die nur von modernen, emissionsarmen Feuerungsanlagen eingehalten werden können. Solche Anlagen sind zumeist mit integrierten, hochtemperaturstabilen Katalysatoren, typischerweise mit keramischen Schaumkatalysatoren ausgestattet, welche Feinstaub-, CO- und HC-Emissionen verringern. Diese katalytisch beschichteten Keramiken sind in der Herstellung jedoch energieintensiv und belasten die Umwelt durch den aufwendigen Herstellungsprozess.

Ein innovativer Ansatz ist die Entwicklung von Katalysatoren auf Basis von Schaumglasplatten, einem Recyclingprodukt, das thermisch und chemisch inert ist. Diese Platten bieten Vorteile, wie hohe Staubabscheidungsrate und verbesserte Oberflächenstruktur und werden zudem aus Abfallglas des Automotive-Bereichs hergestellt. Die Platten können mit Eisen- und Mangan-haltigen Komponenten modifiziert werden, die als Schäumungsagenz wirken und als katalytisch aktive Spezies dienen. Diese energieeffiziente und lösungsmittelfreie "Einschrittsynthese" soll ein Katalysatorsystem hervorbringen, das bestehende keramische Schwämme übertrifft. Dies betrifft nicht nur die Funktionalität, sondern auch die Herstellbedingungen. Für die neue Synthese soll eine Maximaltemperatur von 900 °C ausreichen, was einige hundert Grad unter der Herstelltemperatur für Keramiken liegt. Die modifizierten Schaumglasplatten werden umfassend getestet, um ihre Wirksamkeit zur Emissionsminderung in Holzfeuerungsanlagen zu validieren.
Ziel des Vorhabens ist es zu zeigen, dass Abfallgläser zur Herstellung von Schaumglaskatalysatoren verwendet werden können. Folglich soll eine ressourceneffiziente Syntheseroute in Bezug auf Rohstoff und Energieeinsatz erfolgreich erprobt werden.

Arbeitsschritte

Das Projekt zur Entwicklung von Katalysatorsystemen auf Basis von Schaumglas zur Reduzierung von Schadstoffen in Holzfeuerungsanlagen umfasst mehrere Schritte:

Zunächst untersuchte die Hochschule Niederrhein verschiedene Übergangsmetalloxide, insbesondere Eisen- und Manganoxide, auf ihre Wirksamkeit bei der Reduktion von HC und CO. Diese Materialien wurden an der Universität Leipzig durch etablierte Verfahren in Pulverform hergestellt.

Parallel dazu wurden an der Universität Leipzig Schaumglasplatten mit kontrollierbarer Zellgröße und offenzelliger Struktur produziert. Diese Platten wurden später auf ihre Staubabscheidungsrate und Durchströmbarkeit getestet.

Im nächsten Schritt optimierte das Unternehmen Rottner den Schaumglasherstellungsprozess. Dabei wurde untersucht, wie sich Übergangsmetalle und -oxide als Additive oder Schäumungsmittel auf die industrielle Produktion von Schaumglas auswirken, wobei besonderes Augenmerk auf die Nassschäumung mit Wasserglas und Glycerin gelegt wurde.

Anschließend analysierte die Firma Blue Fire, welche Schaumglasstrukturen die besten Staubabscheidegrade und den niedrigsten Systemgegendruck bieten. Diese Tests wurden an marktüblichen Monolithen durchgeführt und mit theoretischen Simulationen verglichen.

In einem weiteren Schritt arbeitete die Universität Leipzig daran, die Schaumglasherstellung so zu modifizieren, dass die Übergangsmetalloxide gleichmäßig verteilt sind und die optimale Porosität erreicht wird.

Daraufhin wurden an der Hochschule Niederrhein umfassende Laboruntersuchungen durchgeführt, um die Staubabscheidung und Emissionsminderung der entwickelten Prototypen zu evaluieren.

Schließlich wurden vielversprechende Prototypen bei der Firma Blue Fire unter realen Bedingungen getestet, um deren Minderungsleistung und die Auswirkungen auf das Abbrandverhalten im Brennraum zu bewerten.

Abschließend wurde auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse die optimalen Eigenschaften der Schaumglaskatalysatoren definiert, die als Grundlage für die Hauptprojektphase dienen.

Ergebnisse

Das Ziel des Projekts war die Herstellung von Glasschäumen aus Abfallglas bei Temperaturen von maximal 900 °C, die katalytisch so funktionalisiert werden sollten, dass sie in Kleinbrandöfen zur Emissionsminderung eingesetzt werden können. Trotz erfolgreicher Herstellung von Glasschäumen bei 800 - 900 °C wiesen diese eine zu geringe Durchströmbarkeit auf, um in Kleinbrandöfen nutzbar zu sein. Im Verlauf des Projekts wurde jedoch eine völlig neuartige Syntheseroute entwickelt, welche die Glasschaumherstellung bei Raumtemperatur ermöglicht und nur eine einmalige Erwärmung auf 625° C erfordert. Diese Methode spart erheblich Energie in der Herstellung und ermöglicht die Katalyse, allerdings wurde bis Projektende nur eine geringe katalytische Aktivität erreicht, da es chemische Wechselwirkungen zwischen dem Glasschaum und den Katalysatoren gab. Diese Wechselwirkungen sind inzwischen besser verstanden, weshalb eine Optimierung in einem Folgeprojekt möglich ist. Obwohl das ursprüngliche Ziel nicht vollständig erreicht wurde, konnte eine ressourcenschonendere Methode etabliert und die grundsätzliche Machbarkeit demonstriert werden. Die Projektlaufzeit und das Budget waren ausreichend, um die Machbarkeit zu zeigen. Dies war unter anderem auch aufgrund der guten Zusammenarbeit der Projektpartner möglich.
Die auf diese Weise herzustellenden Materialien werden die Anforderungen der aktuell geltenden Abgasnorm, der 1. BimSchV. einhalten und teilweise übertreffen können, sodass es sich hierbei um eine zukunftsorientierte Entwicklung handelt.

Öffentlichkeitsarbeit

Die Ergebnisse der Machbarkeitsstudie wurden auf der deutschen Katalytiker Tagung in Weimar, im März 2024, vorgestellt. Hierbei handelte es sich um eine Posterpräsentation mit dem Titel "Catalytically active glass foams for emission reduction in wood burning stoves".

Aktuell sind die Hochschule Niederrhein und die Universität Leipzig in der Vorbereitung einer Publikation (im Peer Review-Verfahren) zu den Ergebnissen der Machbarkeitsstudie. Es wird das Journal "Advanced Engineering Materials" favorisiert.

Weiterhin beabsichtigt die Firma Blue Fire einen Fachbeitrag in der Branchenzeitschrift "Die Rote / Kachelofen und Kamin", wodurch die relevante Branche über den Entwicklungsfortschritt informiert wird.

Fazit

Die Idee, Abfallgläser zur Synthese von Glasschaumkatalysatoren einzusetzen, ist aus Sicht der Nachhaltigkeit sinnvoll und erstrebenswert. Im Rahmen der Machbarkeitsstudie konnte gezeigt werden, dass diese Synthese grundsätzlich funktioniert und das auch bei Temperaturen unterhalb 900 °C. Gegenüber klassischen keramischen Substraten kann also sowohl rohstoffseitig als auch beim Energieeinsatz in der Synthese ein deutlicher Fortschritt gezeigt werden.
Da die so erhaltenen Glasschäume jedoch eine unzureichende Durchströmbarkeit für den Einsatz im Abgas von Kleinbrandöfen aufweisen, können Sie nicht unmittelbar die bestehenden Katalysatoren ersetzen. Jedoch könnten die so hergestellten Materialien als ergänzende brennraumnahe Katalysatoren, als Prallplatte im Brennraum, fungieren und die Emissionen weiter senken. In einem Folgevorhaben kann diese Idee umgesetzt werden.
Aufgrund oben genannter Schwierigkeiten wurde eine vom Plan abweichende und völlig neuartige zusätzliche Syntheseroute entwickelt, deren Glasschäume bei noch niedrigeren Temperaturen herzustellen sind und tatsächlich im Abgas von Kleinbrandofen eingesetzt werden können. Bei diesen Glasschäumen muss jedoch die katalytische Aktivität weiter verbessert werden, was durch geeignete chemische Modifikationen möglich ist. In einem Folgevorhaben kann dies umgesetzt werden.