Entwicklung eines neuartigen Katalysators für stationäre Gasmotoren zur NOx-Minderung mittels H2 als Reduktionsmittel
Projektdurchführung
Emission Partner GmbH & Co. KGIndustriestr. 5
26683 Saterland
Zielsetzung
Im von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projekt „H-Kat“ wurde von Emission Partner GmbH & Co. KG und der TU Bergakademie Freiberg ein Verfahren für die katalysierte Stickoxid-Minderung mittels Wasserstoff (H₂-DeNOₓ) im mageren Abgas stationärer Gasmotoren entwickelt. Dezentrale gasmotorische Blockheizkraftwerke (BHKW) sind von besonderer Bedeutung, um den fluktuierenden Energieeintrag durch Photovoltaik- und Windkraftanlagen auszugleichen. Allerdings entstehen bei der motorischen Verbrennung auch Schadstoffe, wie beispielsweise Stickoxide (NOₓ). Mit der innovativen H₂-DeNOₓ Technik können Stickoxid-Emissionen bereits bei tiefen Abgastemperaturen < 200 °C reduziert werden. Das Verfahren weist damit entscheidende Vorteile gegenüber dem konventionellen SCR-Verfahren auf, welches höhere Temperaturen für eine effiziente Schadstoffminderung benötigt. Insbesondere die NOₓ-Minderung bereits während der Kaltstartphasen, der geringere Platzbedarf sowie die bessere thermische Nutzung der Motorabwärme sind entscheidende Vorteile gegenüber dem aktuellen Stand der Technik. Damit bietet das neuartige Verfahren eine Antwort auf die großen Herausforderungen stationärer Gasmotoren wie Flexibilisierung, Emissionsreduzierung und Effizienzsteigerung.
Arbeitsschritte
An der TU Bergakademie Freiberg wurden zunächst eine Vielzahl vielversprechender pulverförmiger Katalysatormaterialien untersucht, anschließend selektiert und auf Basis eines wissensbasierten Ansatzes bestehend aus umfangreicher physikalisch-chemischer Charakterisierung und Aktivitätstests in mehreren Iterationsschleifen gezielt verbessert. So wurde ein neuartiger Katalysator für die NOₓ-Reduktion mittels H₂ im Abgas magerer Gasmotoren entwickelt, welcher sich gegenüber bekannten Katalysatorsystemen insbesondere durch deutlich verringerte N₂O-Bildung auszeichnet.
Für eine geplante Erprobung der H₂-DeNOₓ-Technologie an einem bestehenden BHKW wurde von Emission Partner die Entwicklung des H₂-Dosiersystems, die Optimierung des Beschichtungsverfahrens für das entwickelte Katalysatorpulver und die abschließende Fertigung eines Katalysatorvollteils verfolgt.
Ergebnisse
In Laboruntersuchungen mit Katalysatoren auf technisch relevanten Wabenkörpern konnte im synthetischen Abgas eines Holzgas-BHKWs gezeigt werden, dass die NOₓ-Reduktion mittels H₂ prinzipiell zur Minderung der Stickoxidemissionen von mageren Gasmotoren geeignet ist. So wurde ein NOₓ-Umsatz größer 75% zwischen 125°C und 155°C erzielt, sodass in diesem Temperaturbereich der, durch die 44. BImSchV, festgelegte Grenzwert von 100 mg/Nm³ unterschritten wird. Das Hauptprodukt ist hierbei mit einer Selektivität oberhalb 80% Stickstoff, jedoch treten weiterhin signifikante N₂O-Emissionen (bis zu 20 ppm) auf, welche aufgrund der starken Treibhauswirkung weiter zu reduzieren sind. Durch eine gezielte Anpassung der H₂-Dosierung können prinzipiell auch variierende NOₓ-Emission bei unterschiedlichen Lastzustände des Gasmotors reduziert werden. Für hohe NOₓ-Umsätze ist derzeit aber ein unerwartet hohes Verhältnis des Reduktionsmittels H₂ zu NOₓ von mindestens 10 erforderlich, da die H₂‑Selektivität für die NOₓ-Reduktion nur ca. 10% beträgt. Vor Etablierung des H₂-DeNOₓ Konzeptes in Feldversuchen ist daher weitere Katalysatorentwicklung zur Minimierung der N₂O-Bildung und zur Verbesserung der H₂-Selektivität für die NOₓ-Reduktion nötig.
Öffentlichkeitsarbeit
Wesentliche Ergebnisse der Katalysatorentwicklung im Projekt „H-Kat“, sowie das Konzept zur Stickoxidminderung mittels H₂ im mageren Abgas stationärer Gasmotoren wurden im Rahmen der 20. FAD-Konferenz „Herausforderung Abgasnachbehandlung“ vom 8.11. bis 9.11.2023 in Dresden dem Fachpublikum und Industrievertretern präsentiert sowie im Tagungsband veröffentlicht [1]:
SCHRÖDER, D.; KURETI, S.: Katalysierte NOₓ-Minderung mittels H₂ bei tiefen Temperaturen im mageren Abgas von stationären Gasmotoren. In: Förderkreis Abgasnachbehandlungstechnologien für Verbrennungskraftmaschinen e.V. (Hrsg.): 20. FAD-Konferenz: Herausforderung Abgasnachbehandlung, S. 205–213
Fazit
Im Projekt H-Kat konnte gezeigt werden, dass die NOₓ-Minderung mittels H₂ prinzipiell geeignet ist, um die NOₓ-Emissionen magerer Gasmotoren bei Abgastemperaturen unterhalb 200°C zu reduzieren, wodurch im BHKW eine erhöhte Wärmeauskopplung realisiert werden kann. Dem stehen jedoch insbesondere eine anspruchsvolle Applikation mit Eingriff in den Wärmeregelkreis des BHKWs entgegen, um eine hohe NOₓ-Minderung im engen Aktivitätsfenster der H₂-DeNOₓ-Katalysatoren zu gewährleisten. Da aktuell außerdem keine wesentliche Kosteneinsparung gegenüber der konventionellen SCR-Technologie erzielt werden kann, ist auf Basis des derzeitigen Entwicklungsstandes die erprobte SCR-Technik zur Einhaltung der NOₓ-Grenzwerte der 44. BImSchV an stationären mageren Gasmotoren zu bevorzugen.