CO ist ein indirektes Treibhausgas, CO Minderung mit Blue Fire Katalysatoren

CO ist ein indirektes Treibhausgas, CO Minderung mit Blue Fire Katalysatoren

Kohlenstoffmonoxid oder in chemischer Schreibweise CO entsteht bei jedem Verbrennungsvorgang von fossilen Brennstoffen. CO ist ein Zwischenprodukt eines Verbrennungsvorganges auf dem Weg zur Bildung von letztlich CO2. Es ist messtechnisch leicht nachweisbar und es hat tödliche Wirkung auf den Menschen, wenn es eingeatmet wird. Kohlenstoffmonoxid ist ein farb- und geruchloses toxisches Gas, das bei der unvollständigen Verbrennung von Biomasse-Materialien, zum Beispiel Holz, entsteht. Es ist nach CO2 das zweitwichtigste Gas, das bei der Verbrennung von Biomasse-Material freigesetzt wird, mit einem Emissionsfaktor von etwa 130 g/kg verbranntem Holz. Die Verbrennung von Biomasse emittiert hohe Mengen an CO, wenn das Feuer schwelt. Die CO Emissionen aus der Verbrennung von Biomasse machen etwa 32 Prozent des gesamten weltweit produzierten CO aus allen Quellen aus. Sie nimmt auf lokaler, regionaler und globaler Ebene einen wichtigen Platz in der Umwelt ein. Auf lokaler und regionaler Ebene beeinflusst es die Luftqualität. Hohe CO Mischungsverhältnisse können insbesondere die menschliche Gesundheit beeinträchtigen [1].

CO ist kein direktes Treibhausgas, da seine atmosphärischen Strahlungseigenschaften, verglichen mit CH4 (Methan) oder CO2 (Kohlenstoffdioxid), unbedeutend sind. CO übt allerdings in der Atmosphäre eine komplexe indirekte Wirkung aus und hat damit einen Einfluss auf die Treibhausgase CH4 und #CO2. Grundsätzlich wird durch den Ausstoß von CO die Oxidationskapazität beziehungsweise die Oxidationsleistung der Atmosphäre gesenkt. Durch diesen Effekt können die Treibhausgase CH4 und CO2 zunehmen.

CO reagiert in der Atmosphäre mit der OH-Gruppe. Die Reaktion CO + OH → CO2 + H ist für bis zu 90 Prozent des CO Abbaus verantwortlich. Da OH aber auch für viele weitere Reaktionen verantwortlich ist, bei denen CO entsteht, besteht eine komplexe Kopplung zwischen CO, reduzierten Gasen und OH.

Der Fokus der Betrachtung liegt also auf der OH-Gruppe, die für die Reduktion der Treibhausgase Methan und Kohlenstoffdioxid dringend notwendig ist, die jedoch viel leichter mit CO in Reaktion kommt. Die OH-Gruppe ist demnach der Schlüssel zum atmosphärischen Abbau der Treibhausgase.

Zusammenfassend bleibt festzuhalten …

Kohlenmonoxid (CO) beeinflusst die Atmosphärenchemie, indem es zur Ozonbildung (O3) in der Troposphäre beiträgt und den Methanabbau (CH4) in der Stratosphäre stört.

Wer also verantwortungsvoll und klimabewusst handelt, reduziert und mindert den CO Anfall bereits bei der Entstehung. Bei Fahrzeugen wurde das durch den Einsatz von Katalysatoren in großem Maße geschafft. Der Einsatz von Katalysatoren in jeglicher Art von Verbrennungskraftmaschinen ist heute selbstverständlich und wird nicht mehr weiter diskutiert.

Alleine in Deutschland sind 11 Millionen Einzelraumfeuerungen in Betrieb, die beträchtliche Mengen an CO in die Umgebungsluft und in die Atmosphäre emittieren. Der Grenzwert gemäß 1. BImSchV aus 2010 liegt für CO bei 1.250 Milligramm pro Kubikmeter. Bei älteren Feuerungen ist der Anteil der CO Emissionen noch deutlich höher. Abhängig von der Nutzungsdauer und der Brennstoffqualität kommen so die weiter oben im Text beschriebenen CO Mengen zustande.

Was im Auto schon längst Standard ist, muss auch in die Biomassefeuerungen Einzug halten.

Katalysatoren für solche Feuerungen sind schon lange im Markt verfügbar. Die Firma Blue Fire GmbH aus Ramsloh hat sich ganz und gar der Entwicklung von Katalysatoren für die Biomasseverbrennung verschrieben. Das Unternehmen existiert bereits seit 2015 und ist ein Joint Venture der Gesellschaften ETE EmTechEngineering GmbH und der Emission Partner GmbH & Co. KG.

Durch das Wissen und die Erfahrung der beiden Muttergesellschaften ist die Blue Fire GmbH ein ausgewiesener Spezialist in der Entwicklung und Anwendung von Katalysatoren für Biomassefeuerungen.

Blue Fire Katalysatoren sind Oxidationskatalysatoren. CO und OGC Emissionen können durch Aufoxidieren reduziert werden. Beim Aufoxidieren werden die CO und OGC Emissionen mit Sauerstoff in Verbindung gebracht, sodass CO zu CO2 reagiert, OGC reagiert zu CO2 und kürzeren Ketten von CnHm. Diese Oxidation unter Nutzung des Umgebungssauerstoffs erfolgt nur bei entsprechend hohen Temperaturen, die zur Reaktion notwendig sind. Im Brennraum in der Nachverbrennungszone unterhalb der Flammprallplatte streichen die emissionsreichen Abgase über die Flammenspitze hinweg. Unter Zugabe von Sekundärluft reagieren die Emissionen zu den zuvor beschriebenen Reaktionsprodukten. Auf dem weiteren Weg der Abgase durch die Holzfeuerung kühlen diese recht schnell ab und es kommt zu keiner weiteren Reaktion zwischen CO beziehungsweise OGC und Sauerstoff.

Hier setzt der Blue Fire Katalysator an. Blue Fire Katalysatoren setzen die Aktivierungsenergie der Emission CO und OGC herab. Sie werden durch Kontakt mit der katalytischen Oberfläche des Blue Fire Katalysators wieder in die Lage versetzt, mit Sauerstoff in Verbindung zu treten, obwohl die Umgebungstemperatur für eine solche Oxidation bereits zu gering ist.

Möglich macht ein Katalysator dies durch die spezielle katalytische Beschichtung

Die Blue Fire Katalysatoren sind für die Anwendung in Holzabgasen entwickelt worden. Der Fokus der Entwicklung lag dabei auf einer sehr hohen Temperaturstabilität der katalytischen Beschichtung. Beim Anzünden von Holzfeuerungen kommt es immer wieder zu langen Flammen, die kurzzeitig bis ins Abgasrohr vordringen. Solche langen Flammen schlagen also auch am Katalysator an und sollten die katalytische Beschichtung dabei nicht beschädigen.

Möglich macht dies eine für den Anwendungsfall Holzfeuerung entwickelte Beschichtung aus Mischmetalloxiden. Diese Grundbeschichtung erzielt selbst schon gute Umsatzraten zur CO und OGC Minderung. Diese Wirkung kann man jedoch noch unterstützen, indem man Edelmetalle auf die katalytische Oberfläche gibt. Wichtig ist dabei aber, dass die Edelmetalle in sehr kleiner Form – in Nanogröße – sehr gleichmäßig auf der Katalysatoroberfläche verteilt werden. Je gleichmäßiger die Edelmetalle auf der Oberfläche verteilt sind, umso einfacher ist es für das durch den Katalysator strömende Abgas, mit einer in die Oberfläche eingebetteten Edelmetallzelle in Kontakt zu kommen.

Durch den kurzzeitigen Kontakt zwischen Abgas und katalytischer Oberfläche kommt es zur Reduzierung der Aktivierungsenergie und die Emissionen CO beziehungsweise OGC sind wieder in der Lage, mit Sauerstoff zu reagieren. Es kommt zu der gewünschten Oxidation von CO zu CO2 beziehungsweise von CnHm zu CO2 und kürzeren CnHm Ketten.

Die Auswahl der Edelmetalle sowie deren Mischungsverhältnis sind ebenso wichtig wie die sehr gleichmäßige Verteilung der Edelmetalle auf der Katalysatoroberfläche. Es gibt Edelmetalle, die besonders gut zur Emissionsminderung von den genannten CO und OGC Emissionen genutzt werden können. Es gibt aber auch andere Edelmetalle, die zur Anlagerung von Sauerstoff an der Katalysatoroberfläche genutzt werden können. Weitere eignen sich besser zur Anwendung in Benzin- oder Dieselabgasen.

Bei der Auswahl der Edelmetalle und der Mischungsverhältnisse kommt die Erfahrung des Katalysatorherstellers ins Spiel. Wichtig ist, dass für die verschiedenen Anwendungsfälle Forschungsarbeiten und großes Wissen vorliegen. Bei Blue Fire ist dies im Bereich für Emissionen aus Holzfeuerungen der Fall. Blue Fire kann dabei auf die Expertise der beiden Muttergesellschaften ETE EmTechEngineering GmbH und Emission Partner GmbH & Co. KG zurückgreifen. Das Konsortium verfügt über mehr als 20 Jahre Beschichtungserfahrung. Die Firmen sind eng vernetzt mit angesehenen deutschen Forschungseinrichtungen und betreiben mit diesen aktiv Forschungsprojekte zur Weiterentwicklung der Katalysatortechnologie für künftige Anwendungen.

Für die Auslegung der geeignetsten katalytischen Beschichtung sind Kenntnisse der Abgastemperatur, der Strömungsgeschwindigkeit und die Zusammensetzung der Abgase wichtig. Selbstverständlich sind als Emissionsminderungsziel die gesetzlichen Vorgaben beziehungsweise Grenzwerte oder evtl. eigene Ziele von außerordentlicher Bedeutung. 

Neben der katalytischen Beschichtung des Katalysators ist auch der Träger des Katalysators von entscheidender Bedeutung. Für Emissionen aus Holzfeuerungen sind sehr gute Minderungsergebnisse mit keramischen Schwammträgern nachgewiesen worden. Insbesondere bei Holzfeuerungen, die mit natürlichem Schornsteinzug betrieben werden, eignen sich keramische Schwammträger sehr gut, da sie einen nur geringen abgasseitigen Widerstand darstellen. Es gibt diese keramischen Schwammträger in unterschiedlichen Dicken und Porösitäten, sodass man mit der Auswahl des keramischen Schwammträgers auf die Druckverhältnisse im Abgassystem und der Feuerung Rücksicht nehmen kann. Bei Systemen in denen nur ein sehr geringer Druckverlust zu verkraften ist, empfiehlt sich die Anwendung von keramischen Schwammträgern mit einer nur geringen Dicke von zum Beispiel 18 Millimetern und einer Porösität von 10 ppi (Pores per Inch). Bei Systemen, die einen höheren Druckverlust erlauben, kann auch mit kleineren Poren und größeren Materialdicken gearbeitet werden. In jedem Fall sind die Katalysatoren für jeden einzelnen Anwendungsfall mit Tests zu erproben, um diese ideal auf die jeweilige Feuerung abzustimmen.

Keramische Schwammträger zeichnen sich dadurch aus, dass die Abgase bei der Durchströmung der Schwammstruktur relativ stark umgelenkt werden. Die Strömung bleibt im Katalysator mit Schwammträger noch #laminar, sie wird aber in der Strömungsrichtung deutlich abgelenkt, um möglichst viele Oberflächenkontakte mit der keramischen Schwammstruktur zu ermöglichen. Durch die Strömungsumlenkung im Schwammkatalysator wird ein Druckverlust erzeugt. Dieser liegt bei Schwammkatalysatoren bei 0,5 bis 1 Pascal.

Staub setzt sich an der Anströmseite der Schwammkatalysatoren ab. Durch die vorhandene Strömung des Abgases bilden sich in der angelagerten Staubschicht Strömungskanäle. Das Anlagern von trockenem Staub führt nicht zur Verblockung der Schwammkatalysatoren. Kohlenstoffhaltige Anteile im angelagerten Staub werden durch den Kontakt zur katalytischen Oberfläche mithilfe von Sauerstoff aus der Verbrennungsluft zu CO2 umgesetzt. Durch diesen Effekt wird das Gewicht des angelagerten Staubes reduziert. Der abgeschiedene Staub muss in Zeitintervallen von der Anströmfläche des Schwammkatalysators entfernt werden. Dies geschieht recht einfach durch Absaugen mithilfe eines Staubsaugers und einem Bürstenaufsatz oder alternativ mit einem Pinsel oder einem Handfeger. Blue Fire Schwammkatalysatoren können aufgrund ihrer besonderen Beschichtung auch mit Wasser abgespült werden.

Einige namhafte deutsche und europäische Hersteller von Kaminöfen, Kamineinsätzen und Heizeinsätzen sind sich Ihrer Verantwortung bewusst und rüsten deren neueste Entwicklungen mit Blue Fire Katalysatoren aus. Durch die Blue Fire Katalysatoren können mindestens 50 Prozent der anfallenden CO Emissionen gemindert werden. Wenn die Einbau- und Temperaturbedingungen sowie die Auslegung des Bypasses nach unseren Vorgaben vorgenommen werden, sind auch CO Minderungen von mehr als 80 Prozent über die Dauer eines ganzen Abbrandes möglich.

Sie als Verbraucher haben es in der Hand. Fragen Sie im Fachhandel nach Holzfeuerungen mit integrierten Blue Fire Katalysatoren und sorgen Sie aktiv dafür, dass der Treibhauseffekt gemindert wird. Mit Holzfeuerungen heizen Sie prinzipiell #CO2 neutral. Es wird durch die Verbrennung der Biomasse nur der CO2-Anteil wieder freigesetzt, der während des Wachstums der Pflanze aus der Umgebung gebunden wurde. Sie verursachen durch die Verbrennung von Biomasse jedoch CO Emissionen und unterstützen damit die zuvor beschriebenen Vorgänge zur Entstehung des Treibhausgaseffektes.

Die Zeit ist reif, die Technologie der Katalysatoren ist es schon lange und auch die der Holzfeuerungen ist auf dem Weg, sauber und zukunftssicher zu werden.

Der Verbraucher ist das relevante Stellglied, um aktiven Klimaschutz zu betreiben. Jeder einzelne verantwortet seinen CO Beitrag in die Umgebungsluft und in die Atmosphäre.

»Sprechen Sie uns gerne an, wir helfen Ihnen weiter auf dem Weg zur #CO Minderung und damit zur Reduzierung des #Treibhauseffektes.«

1.) C. Yadav Ishwar, L. Devi Ningombam, in »Encyclopedia of Environmental Health« (Second Edition), 2019