Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz am Beispiel der 37. BImSchV

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1 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz am Beispiel der 37. BImSchV Michael Beckmann LfULG - Kolloquium am in Dresden Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie

2 Hintergrund Eckpunktepapier für ein integriertes Klimaund Energieprogramm der Bundesregierung Bestandteil ist die Verordnung zur Absicherung g der nationalen Emissionshöchstmengen 37. BImSchV soll TA Luft, 13. und 17. BImSchV ersetzen (teilweise erst kürzlich novelliert) Bestandteil sind neue NO x -Grenzwerte betroffen sind u.a. die Abfallverbrennung, sonstige Festbrennstofffeuerungen, Gasturbinenanlagen und Zementanlagen Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 2 von 29

3 Vergleich alter und neuer Grenzwerte Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 3 von 29

4 NO-Bildungsmechanismen N 2 (z.b. aus Luft) N N Abgas N 2 + O NO + N N + O NO + O 2 Thermisches NO Flammenfront HCN. HCN NHi a) NHi + OX NO +... b) NHi + NO N z.b. N + CH N + HCN Prompt-NO Brennstoff-NO Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 4 von 29

5 NO-Bildungsmechanismen Thermisches NO 15 % O 2 im Abgas (trocken) Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 5 von 29

6 NO-Bildungsmechanismen Brennstoff-NO Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 6 von 29

7 NO-Bildungsmechanismen Brennstoff-NO Typische Reaktionen Primärmaßnahmen Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 7 von 29

8 Maßnahmen zur NO-Minderung Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 8 von 29

9 Primärmaßnahmen in der technischen Anwendung Primärmaßnahmen: Temperaturüberwachung Luftstufung nahstöchiometrische Verbrennung Verminderung der Feuerraumbelastung Brennstoffstufung Abgasrückführung Stickoxidarme Brenner Bsp.: Kraftwerke Boxberg / Schwarze Pumpe (Neu) Emissionsminderung 50%, maximale Stickoxidemission 200 mg/nm³ Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 9 von 29

10 Sekundärmaßnahmen Reaktionspfade [Förster 1993] SNCR: Reaktionstemperatur C NO x - Minderung bis 80% 100 mg/nm³ für Abfallverbrennung kaum zu unterschreiten Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 10 von 29

11 Sekundärmaßnahmen SNCR Temperaturfenster [Bischl Anlagenbau GmbH 2007] Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 11 von 29

12 Sekundärmaßnahmen SNCR Klassische Eindüstechnik Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 12 von 29

13 Grundlagen Freistrahl Injektor Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 13 von 29

14 SNCR Optimierung mit akustischer Temperaturmessung Von der Heide, Berliner Abfallwirtschaftsund Energiekonferenz, 30./31. Januar 2008 Temperaturmessstellen für SNCR-Technik am Kessel einer MVA Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 14 von 29

15 Anwendungsgrenzen der SNCR Anwendungsgrenzen SNCR Temperaturen Feuerraumgröße und -geometrie Umweltverträglichkeit (Ammoniakschlupf) Wirkungsgrad/ Wirtschaftlichkeit Es können ebenfalls Ablagerungen und korrosives Verhalten durch die bei der SCR genannten Sekundärreaktionen (nahe Stöchiometrieverhältnis von 1) durch Taupunktunterschreitungen auftreten. Das ideale Temperaturfenster muss eingehalten werden, damit die Emissionsgrenzen für NH 3 und NO x garantiert werden können. Der entsprechende Impuls für die jeweils notwendige Eindringtiefe muss wie die homogene Verteilung über großen Querschnitten gewährleistet werden, da eine schlechte Durchmischung zu einem hohen Ammoniakschlupf führen würde. Möglicherweise ergeben sich Versperrungen im Feuerraum, beispielsweise durch Strahlungsheizflächen. Der zu erreichende Entstickungsgrad wird unter anderem durch einen unzulässig hohen Ammoniakschlupf bei Unterschreitung des optimalen Temperaturbereichs und gleichzeitig hohem Stöchiometrieverhältnis begrenzt. Harnstoff darf gemäß Wasserhaushaltsgesetz nicht in das Grundwasser gelangen. Der energetische Aufwand für hohe Entstickungsgrade bei niedrigen NO x -Ausgangskonzentrationen steigt exponentiell, der anlagentechnische Aufwand vergrößert sich ebenfalls stark. Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 15 von 29

16 Sekundärmaßnahmen SCR Selektive katalytische Reduktion 4 NO + 4 NH 3 + O 2 4 N H 2 O Reaktionstemperatur C Erreichbare NO x - Minderung > 95% Bsp.: MVA Spittelau < 30 mg/nm³ NO x Jahresmittel Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 16 von 29

17 Sekundärmaßnahmen Schaltungsvarianten Schu, Seiler; Berliner Abfallwirtschafts- und Energiekonferenz, 30./31. Januar 2008 Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 17 von 29

18 Anwendungsgrenzen SCR Anwendungsgrenzen der SCR Temperaturen Taupunktunterschreitungen können zur Bildung von Ammoniumchlorid, Ammoniumhydrogensulfat, Ammoniumsulfat sowie Alaunen führen. Ein unterer Grenzwert für eine ausreichende Reaktivität ist notwendig. Katalysatormaterial Schadstoffe für Anlagenkomponenten Bypass zur Verhinderung von Katalysatorbrand bei zu hoher CO- Konzentration im Abgas bzw. zu hoher Abgastemperatur notwendig. Reaktionen mit Bestandteilen des Abgases, vor allem Metallen wie Blei, sind möglich. Entstehung von SO 3 im Katalysator kann die Bildung von Ammoniumhydrogensulfat fördern, was Verklebungen und Korrosionen an nachgeschalteten Anlagenteilen verursacht. Wirkungsgrad/ Wirtschaftlichkeit Der energetische Aufwand für hohe Entstickungsgrade bei niedrigen NO x - Ausgangskonzentrationen steigt exponentiell, der anlagentechnische Aufwand vergrößert sich ebenfalls stark. Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 18 von 29

19 NOx-Emissionen deutscher MVAs mg/nm³ SCR-Technik SNCR-Technik Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 19 von 29

20 Vergleich von SCR und SNCR bei MVA (1) Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 20 von 29

21 Vergleich von SCR und SNCR bei MVA (2) Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 21 von 29

22 Vergleich von SCR und SNCR bei MVA (3) Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 22 von 29

23 SCR Erweiterung Braunkohlekraftwerk (1) Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 23 von 29

24 SCR Erweiterung Braunkohlekraftwerk (2) Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 24 von 29

25 Wirkungsgrad des realen GTA in Abhängigkeit vom Druckverhältnis und der oberen Prozesstemperatur Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 25 von 29

26 SCR-Erweiterung GTA im Solobetrieb GWE NOx =GWE NOx,0 η η e GWE NOx NO x -Emissionsgrenzwert GWE NOx,0 festgelegter NO x -Sockel-Grenzwert Re ferenz η e Nettowirkungsgrad bei Nennlast unter ISO-Bedingungen festgelegter Bezugswirkungsgrad η Referenz Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 26 von 29

27 Stickoxide im Straßenverkehr - NOx-Ausstoß [Kraftfahrt-Bundesamt, 2007] Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 27 von 29

28 NOx-Abgaskonzentrationen Straßenverkehr [DIW Berlin 2002] [COST 2006] Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 28 von 29

29 Zusammenfassung Weitere Primärmaßnahmen Bei MVA/BMHKW können die Grenzwerte mit SNCR eingehalten werden (Ammoniakschlupf), Bei Kohlekraftwerken und Gasturbinen entsteht ein Zielkonflikt zwischen Emissionsminderung und Energieeffizienz -> Auswirkungen weiter untersuchen, Effizienzabhängige Emissionen diskutieren Bezug auf die Zielenergie, abhängig vom Brennstoff -> Frachten Insbesondere auch wichtig für CCS-Technik Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 29 von 29

30 Zusatzfolien Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 30 von 29

31 Stickoxide im Straßenverkehr - NOx-Minderungspotenzial [Umweltbundesamt, 2003] Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 31 von 29

32 Kosten für NOx-Minderung Straßenverkehr vs. MVA [Umweltbundesamt, 2003] Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 32 von 29

33 Sekundärmaßnahmen SNCR Entstickungsprognose [Bischl Anlagenbau GmbH 2007] Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 33 von 29

34 Ersatz von SNCR- durch SCR-Anlagen bei MVA (1) Annahmen für die Bilanzierung: Der Heizwert des Abfalls beträgt 10 MJ/kg Abfall, das spezifische Abgasvolumen beträgt 5,56 Nm³/kg Abfall, zur Wiederaufheizung des Abgases auf eine SCR- Betriebstemperatur von 280 C sind pro Tonnen Abfall 12 Nm³ Erdgas notwendig, Erdgas mit 35 MJ/Nm³, die NO-Reingaskonzentration beim SCR-Verfahren beträgt 80 mg NO /Nm³, die NO-Reingaskonzentration beim SNCR-Verfahren beträgt 160 mg NO /Nm³, das spezifische Abgasvolumen beim gasbetriebenen Kraftwerk wurde mit 10,75 Nm³ Abgas /Nm³ Erdgas angesetzt. Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 34 von 29

35 Stickoxide im Straßenverkehr - Fahrzeugarten [Umweltbundesamt 2003] Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 35 von 29

36 Stickoxide im Straßenverkehr - spezifischer NOx-Ausstoß [Umweltbundesamt, 2003] [Kraftfahrt-Bundesamt, 2007] Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 36 von 29

37 NOx-Abscheidung in Abhängigkeit von der Temperatur Von der Heide, Berliner Abfallwirtschaftsund Energiekonferenz, 30./31. Januar 2008 Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 37 von 29

38 Vergleich zwischen SCR und SNCR Verfahrensfließbild SCR-Anlage nach trockener Rauchgasreinigung Von der Heide, Berliner Abfallwirtschaftsund Energiekonferenz, 30./31. Januar 2008 Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 38 von 29

39 SCR Wirkungsgrad Schallert, Berliner Abfallwirtschafts- und Energiekonferenz, 30./31. Januar 2008 Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz Folie 39 von 29