Motoranlagen und Blockheizkraftwerke

Verbrennungsmotoranlagen erzeugen durch die Verbrennung von Gas oder Öl Wärme und Strom oder treiben Maschinen an. Typische Emissionen in die Luft sind Stickstoffoxide, Kohlenmonoxid, Staub, Formaldehyd und Methan. Emissionsanforderungen stellt die Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft.

Inhaltsverzeichnis

 

Einsatz von Verbrennungsmotoranlagen

Bei der überwiegenden Mehrheit der Geräte handelt es sich um Blockheizkraftwerke (BHKW), die in Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) betrieben werden. Weitere Anlagen dienen zur reinen Stromerzeugung oder zum Antrieb von Arbeitsmaschinen. Laut Recherchen des deutschen Biomasseforschungszentrums waren 2011 in Deutschland etwa 7.200 Biogasanlagen mit einer elektrischen Gesamtleistung von rund 2.850 Megawatt in Betrieb. Die Zahl der mit Pflanzenöl betriebenen BHKW ist von 1.400 im Jahr 2009 auf 560 im Jahr 2011 gesunken. Die installierte elektrische Leistung in Deutschland betrug 2011 etwa 100 Megawatt.

 

Umweltprobleme

Die Emissionen von Stickstoffoxiden (NOx) aus Verbrennungsmotoranlagen sind ohne Emissionsminderung um ein Vielfaches höher als bei reinen Verbrennungsanlagen wie etwa Kesseln und Öfen. Auch die Ruß-Emissionen von Anlagen mit flüssigen Brennstoffen sind relativ hoch. Anlagen mit gasförmigen Brennstoffen stoßen Formaldehyd- und Methan aus. Eine Minimierung der NOx-Emissionen ist erforderlich, um die Zielwerte der Richtlinie über nationale Emissionshöchstmengen für bestimmte Luftschadstoffe (NEC-Richtlinie) einzuhalten.

Motoranlagen mit flüssigen Brennstoffen

Flüssige Brennstoffe werden in der Regel in Diesel-Aggregaten verbrannt. Dabei entstehen die für den Dieselbetrieb typischen Schadstoffe wie Ruß und Stickstoffoxide. Besonders problematisch sind die Emissionen an Krebs erzeugendem Dieselruß.

Für Anlagen unter einem Megawatt Feuerungswärmeleistung bestehen keine bundesweit gültigen Emissionsgrenzwerte. Entsprechend hoch fallen die Emissionen aus: Zur Minimierung von Stickstoffoxiden findet in der Regel keine Abgasreinigung statt. In der Praxis gemessene Emissionswerte für NOx können ohne Abgasreinigung zwischen zwei und drei Gramm pro Kubikmeter liegen. Die Konzentrationen an Stickstoffoxiden in der Umgebung solcher Anlagen überschreiten häufig die durch die 22. Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV) vorgegebenen Immissions-Grenzwerte. Auch ein Rußfilter ist für kleine Anlagen keine Selbstverständlichkeit. Ohne Abgasreinigung können die Staubemissionen bis zu 100 Milligramm pro Kubikmeter betragen. Darüber hinaus kommt es bei Pflanzenöl-Motoren ohne Abgasreinigung häufig zu Geruchsbeschwerden.

Mororanlagen mit gasförmigen Brennstoffen

Bei Erdgas-Motoranlagen handelt es sich zum Teil um Lambda-1-Motoren mit Drei-Wege-Katalysator. Diese Technik ist von Kraftfahrzeugen bekannt und gewährleistet sehr niedrige Emissionen von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickstoffoxiden.

Die Mehrheit der Erdgasmotoranlagen sind Magermotoren. Dabei wird der Brennstoff bei Luftüberschuss verbrannt, um einen höheren elektrischen Wirkungsgrad zu erzielen. In der Regel wird für die Minderung von Kohlenmonoxid (CO) ein Oxidationskatalysator verwendet. Durch Einstellung des Motors lässt sich der Grenzwert der Technischen Anleitung Luft für NOx erreichen. Eine Abgasreinigung für diesen Schadstoff ist in Deutschland nicht üblich.

Bei der mageren Verbrennung entsteht in bedeutendem Ausmaß Formaldehyd, welches durch Oxidationskatalysatoren gemindert werden kann. Allerdings liegen die verbleibenden Emissionskonzentrationen deutlich über den Werten, die Lambda-1-Motoren mit Drei-Wege-Katalysatoren erreichen.

Ein weiteres Problem von Gasmotoren stellt der Methanschlupf dar. Er entsteht dadurch, dass im Motor stets Zonen vorhanden sind, in denen der Brennstoff nicht vollständig umgesetzt wird. Die Emissionen können bei Magermotoren bis zu mehreren Gramm pro Kubikmeter betragen. Bei Lambda-1-Motoren mit Drei-Wege-Katalysator liegen sie in der Regel unter 500 Milligramm pro Kubikmeter.

Bei Motoranlagen zur Verbrennung von Biogas, Klärgas, Deponiegas und weiteren Sondergasen handelt es sich nahezu ausschließlich um Magermotoren und Zündstrahlmotoren. Dadurch bedingt sind entsprechend hohe Emissionen an NOx, CO, Formaldehyd und Methan.

 

Maßnahmen zur Emissionsminderung

Grundsätzlich lassen sich Emissionen durch die Konstruktion und Einstellung des Motors, die Verwendung sauberer Brennstoffe sowie durch Abgasreinigung mindern. Wichtig für alle Anlagen ist eine regelmäßige fachkundige Wartung.

Emissionsminderung für Motoren mit flüssigen Brennstoffen

Zur Minderung von Stickstoffoxid-Emissionen eignet sich die Selektive Katalytische Reduktion (SCR). Der Grenzwert der TA Luft wird durch diese Technik sicher eingehalten. Weitere Möglichkeiten der Stickstoffoxid-Minderung sind die Abgasrückführung sowie die Wassereinspritzung. Doch sind diese Methoden weniger wirksam.

Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe werden durch einen Oxidationskatalysator gemindert. Diese Technik ist relativ kostengünstig und somit auch im Bereich kleinster Leistung anwendbar.
Dieselruß kann durch den Einsatz von Rußfiltern wirksam reduziert werden. Für Pflanzenöl-Motoren ist die Brennstoffqualität von entscheidender Bedeutung. Katalysatorgifte im Brennstoff (zum Beispiel Phosphor) können den Rußfilter schnell unwirksam machen.

Emissionsminderung für Erdgasmotoren

Lambda-1-Motoren sind ausschließlich mit Drei-Wege-Katalysatoren ausgestattet. Dadurch werden die NOx-, die CO- und die Kohlenwasserstoffemissionen wirksam gemindert. Auch Methanemissionen werden zu einem Teil abgebaut. Die Formaldehyd-Emissionen solcher Motoren liegen in der Regel unter einem Milligramm pro Kubikmeter. Magermotoren können zur Minderung von NOx mit SCR ausgestattet werden. In Deutschland ist diese Technik nicht üblich, doch in den Niederlanden ist der Einsatz von SCR für Erdgas-Motoranlagen ab 2,5 Megawatt Feuerungswärmeleistung verpflichtend.

Zur Reduzierung von CO und Kohlenwasserstoffen dienen Oxidationskatalysatoren. Sie mindern auch Formaldehyd, allerdings nicht so wirksam wie der Drei-Wege-Katalysator. Auf die Methan-Emissionen haben handelsübliche Oxidationskatalysatoren keinen Einfluss.

Emissionsminderung für Sondergasmotoren

Die wichtigsten Sondergase sind Biogas, Klärgas, Deponiegas, Grubengas und Holzgas. Für Sondergasmotoren sind Katalysatoren nur bedingt einsetzbar, da die Gase Katalysatorgifte enthalten. Voraussetzung ist eine Reinigung des Brenngases vor dem Eintritt in den Motor, um Katalysatorgifte, wie zum Beispiel Schwefel oder Silicium, zu entfernen. Eine relativ neue Entwicklung ist die Verwendung von Oxidationskatalysatoren zur Formaldehyd-Minderung bei Biogasanlagen. Zur Reinigung des Brenngases wird in der Regel Aktivkohle verwendet.
Sehr unempfindlich gegenüber der Gaszusammensetzung ist die Thermische Nachverbrennung. Ihr Einsatzgebiet liegt vor allem bei der motorischen Nutzung von Deponiegas. Diese Technik reduziert wirksam Kohlenmonoxid und alle Kohlenwasserstoffe, also auch Methan und Formaldehyd. Zur NOx-Minderung ist sie jedoch ungeeignet.

 

Gesetzliche Grundlagen

Welche Emissionen eine genehmigungsbedürftige Anlage ausstoßen darf, regelt in Deutschland die Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft). Ihre Vorgaben gelten für alle Verbrennungsmotoranlagen ab einem Megawatt Feuerungswärmeleistung sowie für alle Deponiegasmotoranlagen unabhängig von ihrer Größe.

Für Motoren mit flüssigen Brennstoffen enthält die TA Luft Grenzwerte für NOx, CO, Staub und Formaldehyd. Zur Einhaltung der Grenzwerte ist in der Regel eine Kombination aus SCR, Oxidationskatalysator und Rußfilter erforderlich.

Für Erdgasmotoranlagen nennt die TA Luft Grenzwerte für NOx, CO, Formaldehyd und Schwefeloxide. Für NOx und CO existieren unterschiedliche Grenzwerte für Magermotoren und „sonstige Ottomotoren“, womit Lambda-1-Motoren gemeint sind. Die Grenzwerte für Magermotoren beruhen auf dem Einsatz eines Oxidationskatalysators. Die Werte für Lambda-1-Motoren setzen die Nutzung eines Drei-Wege-Katalysators voraus.

Für Motoren, die mit Biogas, Klärgas, Deponiegas oder Grubengas betrieben werden, enthält die TA Luft ebenfalls Emissionsgrenzwerte für CO, NOx, Formaldehyd und Schwefeloxide. Diese liegen zum Teil höher als bei Erdgasmotoren. Die Grenzwerte für CO und NOx beruhen auf einer motorischen Minderung dieser Schadstoffe. Zur Einhaltung des Formaldehyd-Grenzwerts ist gegebenenfalls eine Abgasreinigung erforderlich. Auf internationaler Ebene legt Anhang V des Göteborg-Protokolls NOx-Grenzwerte für Verbrennungsmotoranlagen fest.