Moderne Gasbrenner sind zukunftssicher:
Zielvorgaben eingehalten

23.09.2019 Die Marktprognosen zur Energieverteilung der Zukunft und die gleichzeitigen Umweltschutzbestrebungender Europäischen Union lassen sich auf eine stark vereinfachte Formel bringen: erhöhter Bedarf versus verminderte Emissionen. Dieser vermeintliche Gegensatz offenbart schnell Fragen nach der technologischen Machbarkeit – zumal die fossilen Ressourcen auch in den kommenden ahrzehnten trotz aller Fortschritte bei den erneuerbaren Energien eine entscheidende Rolle im weltweiten Energiemix spielen werden.

Der Erdgasbrenner ,Teminox GL Ultra-Low-NOx’ erzielt gegenüber vergleichbaren Anlagen derzeit die niedrigsten Stickoxidwerte in ganz Europa.
© Foto: Saacke GmbH
Der Erdgasbrenner ,Teminox GL Ultra-Low-NOx’ erzielt gegenüber vergleichbaren Anlagen derzeit die niedrigsten Stickoxidwerte in ganz Europa.

Erdgasnutzung wächst

Laut dem im World Energy Outlook 2018 enthaltenen New Policies Scenario der Internationalen Energieagentur (IEA) steigt der globale Energiebedarf bis 2040 um mehr als ein Viertel, was nicht zuletzt auf prosperierende Entwicklungsländer in Asien und eine um 1,7 Mrd. Menschen wachsende Weltbevölkerung zurückzuführen ist. Insbesondere die industrielle Erdgasnutzung wächst in diesem Zeitraum um circa 45 Prozent und damit vergleichsweise am stärksten. Allein die Nachfrage Chinas wird sich bis 2040 verdreifachen. Bereits zehn Jahre zuvor wird Gas die Kohle überholen, um den zweitgrößten Anteil im Energiemix einzunehmen. In diese globale Gemengelage fügt sich der in Deutschland beschlossene Kohleausstieg bis 2038 mit seiner schrittweisen Reduzierung von kohlebefeuerten Wärmekraftwerken. Zwar werden erneuerbare Energien diese Ausfälle teils kompensieren, aber im Falle von wetterabhängigen Versorgungslücken ergibt sich allein in der Bundesrepublik ein Bedarf für gasbefeuerte Wärmekraftwerke von 100 GW. Bei einem Status quo von lediglich 30 GW gilt es auch hier, diese Diskrepanz perspektivisch durch fortschrittliche Technologie zu minimieren.
Der Querschnitt der Stoffströme am Beispiel eines ‚Atonox‘-Brenners verdeutlicht die Funktionsweise (grüne Pfeile = gasförmiger Brennstoff, blaue Pfeile = Verbrennungsluft, blaugrüne Pfeile = interne Rauchgasrezirkulation). © Foto: Saacke GmbH
Der Querschnitt der Stoffströme am Beispiel eines ‚Atonox‘-Brenners verdeutlicht die Funktionsweise (grüne Pfeile = gasförmiger Brennstoff, blaue Pfeile = Verbrennungsluft, blaugrüne Pfeile = interne Rauchgasrezirkulation).

Fristen für Emissionen

Genau hier setzt die EU an, indem sie bereits 2013 das Inkrafttreten der Industrieemissionsrichtlinie forcierte. Seitdem haben Merkblätter für die besten verfügbaren Techniken (BVT) und die damit verbundenen Emissionsbandbreiten einen verbindlichen Stellenwert erhalten. So müssen Genehmigungsbehörden innerhalb von vier Jahren nach Veröffentlichung von BVT-Schlussfolgerungen sicherstellen, dass die betroffenen Anlagen die mit BVT verbundenen Emissionswerte einhalten.

NOx-Werte reduziert

Die Industrieemissionsrichtlinie definiert die besten verfügbaren Techniken dabei als „(...) den effizientesten und fortschrittlichsten Entwicklungsstand der Tätigkeiten und entsprechenden Betriebsmethoden, der spezielle Techniken als praktisch geeignet erscheinen lässt, grundsätzlich als Grundlage für die Emissionsgrenzwerte zu dienen, um Emissionen in und Auswirkungen auf die gesamte Umwelt allgemein zu vermeiden oder, wenn dies nicht möglich ist, zu vermindern (...)“.

Die Vorgaben aus dem aktuellen Merkblatt der Europäischen Union von 2017 bedeuten eine deutliche Reduktion der NOx-Werte für Großfeuerungsanlagen (≥ 50 MW) in Bezug auf feste, flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe inklusive industriellen Nebenprodukten, Abfallstoffen und Biomasse. Dies gilt vor allem für Neuanlagen (ab 2014), wobei hier einige Einschränkungen hinsichtlich der jährlichen Betriebsdauer vorgesehen sind. Die exakten Emissionswerte werden bis 2021 in nationales Recht überführt, allerdings sind die verbindlichen Grenzwerte noch nicht definitiv festgelegt. Die dazu veröffentlichten BVT-Schlussfolgerungen der EU geben aber bereits hilfreiche Orientierung zum definierten Stand der Technik und sind in der Tabelle (unten) zusammengefasst.
Die Tabelle zeigt die erreichbaren NOx-Emissionen gemäß des BVT-Merkblattes der Europäischen Union. © Foto: Saacke GmbH
Die Tabelle zeigt die erreichbaren NOx-Emissionen gemäß des BVT-Merkblattes der Europäischen Union.

Darin wird aufgezeigt, dass primär gasbefeuerte Bestands- und Neuanlagen von einer Reduzierung der zulässigen NOx-Emissionen betroffen sind – angesichts des prognostizierten Anstiegs beim weltweiten Gasbedarf ein nicht zu unterschätzender Umstand. Denn gerade jene Betreiber, die auch aus Umweltgründen von Schwer- und Heizölkesseln auf Erdgas umgestellt haben, werden trotz dieser richtungsweisenden Strategie vor erhebliche Herausforderungen gestellt: Durch die teilweise sehr hohe Feuerraumwärmebelastung von Bestandsanlagen gestaltet sich die Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte bereits heute schwierig.

Anforderungen steigen

Generell sind zwei verschiedene technische Ansätze zur Minderung der NOx-Emissionen bekannt und im Einsatz: Zum einen primäre Maßnahmen, die auf einer geänderten Feuerungsführung basieren (Low-NOx-Technologie) und zum anderen sekundäre Maßnahmen, die der Feuerung nachgeschaltet sind (Abgasreinigung). In der Regel gehen sekundäre Maßnahmen mit hohen Investitionskosten und zusätzlichen Betriebskosten einher, sodass viele Anlagenbetreiber bevorzugt kosteneffizientere Low-NOx-Feuerungssysteme einsetzen. Obwohl Bestandsanlagen mit Low-NOx-Technologie aktuell noch hinreichend sicher unterhalb der gesetzlichen Grenzwerte betrieben werden können, unterstreichen die BVT-Werte in der Tabelle, dass diese Anforderungen für Großfeuerungsanlagen in naher Zukunft steigen werden.

China strenger als Europa

Dies verdeutlicht auch ein Blick über den Tellerrand: Zwar mögen die BVT-Vorhaben der EU vielen Anlagenbetreibern zunächst ambitioniert erscheinen, doch gelten schon jetzt in vereinzelten Staaten noch deutlich strengere Emissionsgrenzen als in Europa. Zu nennen ist hier insbesondere China, welches im Raum Peking bereits heute NOx-Emissionen unterhalb von 30 mg/m3 i.N. für gasbefeuerte Neu- und Bestandsanlagen fordert. Die auf dem Markt gängige Low-NOx-Technologie stößt in diesen Bereichen an ihre Grenzen. Die typischen primären Maßnahmen zur NOx-Minderung, etwa eine erhöhte Abgasrezirkulation oder ein hoher Luftüberschuss, führen von steigenden Betriebskosten der Gebläse über Effizienzverluste durch größere Abgasverluste (siehe BImSchV) teilweise sogar bis hin zu einem instabilen Betrieb der Feuerungsanlage. Nur mit fortschrittlichster Technik und der abgestimmten Kombination verschiedener primärer Maßnahmen gelingt es, solch niedrige NOx-Emissionen wie in den urbanen Ballungsräumen Chinas verlässlich über den gesamten Leistungsbereich abzubilden.
Die Grafik zeigt die erzielten Abgasemissionen für eine hochbelastete Großfeuerungsanlage in China über den Leistungsbereich. © Foto: Saacke GmbH
Die Grafik zeigt die erzielten Abgasemissionen für eine hochbelastete Großfeuerungsanlage in China über den Leistungsbereich.

Seit über 80 Jahren entwickelt die in Bremen ansässige Saacke GmbH kontinuierlich neue und effizientere Feuerungstechnologien, um den stetig steigenden Anforderungen infolge sinkender Emissionsgrenzen verlässlich entgegenzutreten. So ist bereits heute weltweit eine Vielzahl von Feuerungssystemen im Einsatz, die die strengen aktuellen chinesischen und zukünftigen europäischen Emissionsgrenzen sicher unterschreiten können. Beispielsweise am Beijing New International Airport sind Saacke Brenner der Serie ‚Atonox G‘ an fünf Kesseln mit je 62,5 MW Leistung installiert. Hier hat sich die Ultra-Low-NOx-Technologie bereits in der Praxis erfolgreich bewährt – wie auch bei anderen Projekten im Reich der Mitte mit einem Gesamtvolumen von 1274 MW installierter Feuerungskapazität. In Deutschland setzen unter anderem Unternehmen aus der Lebensmittel- und Chemieindustrie auf die Brenner aus Bremen, um auch zukünftig BVT-konform produzieren zu können.

Unterhalb des Grenzwertes

Sogar Wärmeerzeuger mit einer bis zu 60 Prozent höheren Feuerraumwärmebelastung (verglichen mit marktüblichen Wärmeerzeugern) können durch diese Technologie basierend auf ausgeklügelter Rauchgasrückführung sicher unterhalb des gesetzlichen Grenzwertes von 30 mg/m3 i.N. betrieben werden. Die Abbildung links zeigt dies beispielhaft: Hier sind die für eine Großfeuerungsanlage in China mit hochbelastetem Feuerraum erzielten Abgasemissionen über den Leistungsbereich aufgeführt.

Luft nach oben

Die Messwerte belegen, dass die europäischen Behörden mit ihrem Ziel der Emissionsminderung auf dem richtigen Weg sind, jedoch die bereits heutzutage vorhandenen technologischen Möglichkeiten durch den Gesetzgeber noch keinesfalls ausgereizt wurden. Im Sinne eines Wettbewerbs um die wortwörtlich besten verfügbaren Techniken zum Wohle der Umwelt, sollte die Politik somit mehr Vertrauen in die Innovationskraft des Engineerings entwickeln. So oder so gilt für Anlagenbetreiber: Obwohl die aktuellen Emissionsvorschriften in Europa für Bestandsanlagen noch weit entfernt von Grenzwerten chinesischer Ausprägung liegen, zeigt das aktuelle BVT-Merkblatt insbesondere für gasbefeuerte Neuanlagen deutlich die Richtung der zukünftigen Grenzwerte der Europäischen Union auf. Und: Bereits 2021 soll das BVT-Merkblatt in nationales Recht umgesetzt werden (13. BImSchV). Die in Aussicht stehenden Anforderungen an Großfeuerungsanlagen sind somit eine Herausforderung – die aber bereits heute durch neue Technologien und individuelle Bewertung lösbar sind.

Ein Beitrag von Dr.-Ing. Christopher Rosebrock, Saacke GmbH

Fachartikel aus dem ENTSORGA-Magazin Nr. 4/2019

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