EmiH2: Messung und Bewertung der Abgase von Glasschmelzanlagen beim Einsatz von Wasserstoff als Brennstoff
Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF), 1. Mai 2025 — 31. Oktober 2027
Projektbeschreibung
Der Einsatz von Wasserstoff als alternativer Energieträger wurde in den letzten Jahren zunehmend diskutiert, erforscht und zum Teil bereits erprobt. Die Nutzung von Wasserstoff ist allerdings mit einigen Herausforderungen verbunden. Die Bereitstellung von Wasserstoff in den nötigen Mengen und Qualität, sowie eine weitreichende Versorgungsinfrastruktur sind offene Fragestellungen, die neben der technischen Umsetzbarkeit und Anpassung der Prozessketten noch zu klären sind. Bei der Glasherstellung wird der Einsatz von Wasserstoff in einer Vielzahl an Forschungs- und Pilotprojekten bereits untersucht. Vielversprechende Ansätze sind dort zu beobachten. Die angesprochenen Problematiken müssen auch dort thematisiert werden. Ein nicht zu vernachlässigender Punkt ist die Emissionsmessung an der Glasschmelzwanne. Folgerichtig können die direkten feuerungsbedingten CO2-Emissionen mit dem Umstieg auf Wasserstoff reduziert werden. Berücksichtigt werden müssen jedoch auch Emissionen die aus den eingesetzten Rohstoffen, dem verwendeten Recyclingglas und aus der Verbrennungsreaktion des Wasserstoffes (insbesondere Stickoxide NOx) stammen können. Diese Emissionen müssen in der Glasindustrie den regulatorischen Anforderungen der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft) genügen, ggf. angepasst und sicher überwacht werden. Die einzuhaltenden Emissions-Grenzwerte beziehen sich auf eine Messung des trockenen Abgases. Dafür wird der Wasserdampf vor Eintritt in die Analyseeinheit auskondensiert. Der Anteil an Wasserdampf im Abgas nimmt bei der Verbrennung von Wasserstoff erheblich zu. Wird der Wasserstoff mit reinem Sauerstoff als Oxidator verbrannt, dem sogenannten Oxyfuel-Verfahren, besteht das Abgas nahezu vollständig aus Wasserdampf. Konventionelle Messverfahren stellt dies vor große technische Herausforderungen und die Vergleichbarkeit der Messwerte hinsichtlich der gesetzlichen Grenzwerte muss hinterfragt werden.
Das Förderprojekt EmiH2 befasst sich eingehend mit der Emissionsmessung und der Emissionsmesstechnik bei Einsatz von Wasserstoff als Brennstoff an dem Beispiel der Glasschmelzwanne. Im Zuge des Projekts werden umfassende Referenzmessungen an einer Versuchs-Glasschmelzwanne durchgeführt. Dort können verschiedene Betriebspunkte hinsichtlich des verwendeten Brennstoffs (Erdgas/Wasserstoff) und des eingesetzten Gemenges (karbonatbeladen/karbonatfrei) aufgenommen werden. Gleichzeitig werden an einer Versuchsbrennkammer unterschiedliche Emissionsmessgeräte getestet und mit der Standard Referenz Methode (SRM) verglichen. Die Brennkammer kann mit den beiden Brenngasen Erdgas und Wasserstoff betrieben werden. Zusätzlich kann zwischen dem Oxidator Luft oder reinem Sauerstoff gewählt werden. Parallel wird bei den trockenen Emissionsmessverfahren geprüft, ob und in welchem Maße wasserlösliche Spezies des Abgases, wie beispielsweise SO2 oder NO2 im Kühlerkondensat ausgewaschen werden. Dafür werden die beiden genannten Spezies gezielt in die Brennkammer eingedüst und das Kondensat im Labor untersucht. Besonderer Fokus in dem Projekt liegt auf der Konzeptionierung und Erprobung einer geeigneten Probennahmeeinrichtung für den mobilen Feldeinsatz zur Verwendung von SRM in Abgasen der Wasserstoff-Oxyfuel Verbrennung. Aufgrund des hohen Wasserdampfanteils besteht das trockene Abgas lediglich aus geringen Mengen Sauerstoff und Emissionen aus der Schmelze und aus der Verbrennung. Zum einen ist es technisch schwierig für diesen Fall einen hinreichenden Volumenstrom für die Gasanalysatoren zu erzeugen und zum anderen können bei einer prozentualen Betrachtung der Gasspezies die gesetzlichen Grenzwerte nicht mehr eingehalten werden. Die neuartige Messsonde soll die gezielte Verdünnung des Abgases mit einem Inertgas (N2, CO2, Ar, etc.) und somit die weitere Nutzung von SRM Geräten ermöglichen. Das Messprinzip wird zunächst an einer Versuchsbrennkammer getestet und bei erfolgreicher Umsetzung für den mobilen Einsatz umgerüstet.
Mit Abschluss des Projekts sollen neben einem erprobten Prototyp der mobilen Probennahmeeinrichtung umfangreiche Handlungsempfehlungen ausgesprochen werden für die weitere Entwicklung der Messtechnik als auch für die Eingliederung des Messverfahrens in die geltenden Normen und eine mögliche Zertifizierung dessen.
Projektziele
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Validierung geeigneter Messtechniken und ‑systeme zur verlässlichen Emissions- und Prozessüberwachung von Abgasen mit hohen Wasserdampfkonzentrationen. Im Rahmen der Energiewende, die durch internationale und nationale Richtlinien und Gesetze geregelt ist, wird in Deutschland angestrebt, fossile Energieträger mit CO2-neutralen Alternativen zu ersetzen. Eine mögliche Alternative ist die Nutzung von regenerativ erzeugtem Wasserstoff in Thermoprozessanlagen. Die Emissionsüberwachung, beispielsweise nach den Anforderungen der TA Luft, erfolgt durch auf trockenem Abgas im Normzustand basierenden Standardreferenzmessverfahren. Mit der Substitution von Erdgas durch Wasserstoff steigt der Wasserdampfanteil im Abgas deutlich an und wird bei stöchiometrischer Wasserstoff-Sauerstofffeuerung aus nahezu 100 Vol.-% Wasserdampf bestehen. Damit müssen neue Technologien zur reproduzierbaren Probenahme und Analyse der einzelnen Emissionskomponenten entwickelt und verifiziert werden und allgemeingültige Normen und Standards zur Einhaltung gesetzlicher Auflagen erarbeitet bzw. angepasst werden. Aus den Forschungsarbeiten werden Handlungsempfehlungen abgeleitet, die den zuständigen Behörden und Gremien zur Verfügung gestellt werden.
Kontakt
Franziska Ott, M.Sc.
+49 241 80–26073
Förderung
Das Projekt EmiH2 wird über den Projektträger Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und ‑entwicklung (IGF) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages finanziell gefördert.