Stickoxidminderung bei der oszillierenden Verbrennung von Ammoniak als kohlenstofffreiem Energieträger

Abstract

Der Klimawandel ist eine der zentralen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts, bei dem die durch die Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Erdöl oder Erdgas freigesetzten Treibhausgasemissionen (THG, Kohlenstoffdioxid (CO2), aber auch Methan (CH4) und Lachgas (N2O) aus dem landwirtschaftlichen Bereich) einen wesentlichen Beitrag zur globalen Erwärmung leisten. Die Nutzung von fossilen Energie-trägern ist derzeit dominierend, weltweit und in allen Sektoren. In Deutschland beispielsweise wurden 2022 nur 22 % des Primärenergieverbrauchs durch erneuerbare Energien gedeckt [2], wobei das Groß im Bereich der Stromerzeugung zum Einsatz kam. Mehr als 46 % des deutschen Nettostromverbrauchs wur-den im gleichen Jahr durch erneuerbare Energieträger (Wind, Sonne, Wasserkraft und Biomasse) gedeckt [2], in den anderen Energieverbrauchsektoren ist der Anteil der erneuerbaren Energien entsprechend er-heblich geringer. Zur Reduktion von Treibhausgasen aus Verbrennungsprozessen ist die Nutzung von alternativen Energie-trägern ein populärer Ansatz. Neben Wasserstoff erscheint Ammoniak derzeit als vielversprechender Brennstoff, da die Verbrennung vollständig CO2-frei erfolgt. Gegenüber Wasserstoff sind die Speicherung und der Transport von Ammoniak deutlich einfacher, da NH3 bereits bei -33 °C in die Flüssigphase über-geht. Der bessere volumetrische Heizwert von NH3 ist ein weiterer Vorteil. Derzeit wird Ammoniak überwiegend mittels des Haber-Bosch-Verfahrens produziert, wobei der dazu be-nötigte Wasserstoff aktuell aus der Dampfreformierung von Erdgas, Kohle oder Mineralöl stammt. In dem vorliegenden Projekt wird hingegen ein umweltschonender und unkonventioneller Ansatz verfolgt und techno-ökonomisch bewertet, bei dem der Wasserstoff durch Wasserelektrolyse und der Stickstoff durch Luftzerlegung erzeugt werden. Die hierzu notwendige elektrische Energie soll dabei aus erneuerbaren Quellen stammen. Bei der Verbrennung von NH3 ist mit dem Auftreten von höheren N2O- und NOx-Kon-zentrationen im Abgas zu rechnen. Deshalb sind wirtschaftliche Aspekte des Gesamtprozesses, wie etwa Investitionskosten für Abgasreinigungssysteme mitzubetrachten, um Betreibern von Kessel- und Ther-moprozessanlagen die Möglichkeit zu geben, den zu erwartenden finanziellen Aufwand abschätzen zu können. Vor der Anwendung entsprechender sekundärer Abgasreinigungsmaßnahmen (z. B. SCR), sollten allerdings alle Primärmaßnahmen zur Vermeidung von Stickoxiden ausgeschöpft werden. Neben den be-kannten Primärmaßnahmen wie Luft- und Brennstoffstufung, Abgasrezirkulation und flammenlose Oxi-dation, kann eine deutliche Reduzierung der Stickoxidemissionen mit Hilfe der oszillierenden Verbren-nung erreicht werden. Dies wurde bereits in einer Pilotbrennkammer am Institut für Technische Chemie des Karlsruher Instituts für Technologie für Kohlestaubfeuerungen und durch das Gas- und Wärme-Insti-tut Essen e.V. im Rahmen des AIF-Forschungsprojekts Nr.: 11456 N für Erdgasflammen demonstriert. Ne-ben einer umfassenden Energieeffizienzuntersuchung für die Verfügbarkeit, den Transport und die Spei-cherung von NH3, fokussiert sich das vorliegende Projekt auf die Wirtschaftlichkeit der oszillierenden NH3-Verbrennung im Hinblick auf die Minimierung der Kosten für die Abgasreinigung. Es konnte dargelegt werden, wie die NOx-Emissionen reduziert und welche Kosten bei der Nutzung von NH3 als Brennstoff zu erwarten sind. Für die oszillierende Ammoniakverbrennung wurden wichtige Zu-sammenhänge ermittelt und es konnten entsprechende Handlungsempfehlungen aufgezeigt werden. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht. Datei-Upload durch TIB