Selektive katalytische Reduktion

Der Begriff selektive katalytische Reduktion (englisch selective catalytic reduction, SCR) bezeichnet eine Technik zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen von Feuerungsanlagen, Müllverbrennungsanlagen, Gasturbinen, Industrieanlagen und Motoren. Die chemische Reaktion am SCR-Katalysator ist selektiv, das heißt, es werden bevorzugt die Stickoxide (NO, NO₂) reduziert, während unerwünschte Nebenreaktionen (wie zum Beispiel die Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid) weitgehend unterdrückt werden.

Zum Ablauf der Reaktion wird Ammoniak (NH₃) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Die Produkte der Reaktion sind Wasser (H₂O) und Stickstoff (N₂). Chemisch gesehen handelt es sich bei der Reaktion um eine Komproportionierung der Stickoxide mit Ammoniak zu Stickstoff. Es gibt zwei Arten von Katalysatoren. Die eine Art besteht im Wesentlichen aus Titandioxid, Vanadiumpentoxid und Wolframdioxid. Die andere Art verwendet Zeolithe.

Katalysatoren aus Titandioxid, Vanadiumpentoxid und Wolframoxid oxidieren in Gegenwart von gasförmigen Halogenen auch das in vielen Kraftwerksabgasen vorhandene elementare Quecksilber, das sich dann besser in den Wäschern der Rauchgasentschwefelungsanlagen bzw. in den Elektrofiltern abscheiden lässt und nur noch zu einem geringeren Anteil (ca. 10 %) an die Umgebung abgegeben wird.

Eine weitere technisch genutzte Nebenreaktion ist es, dass Dioxine und Furane beim Durchströmen des Entstickungskatalysators abgebaut werden.

SCR in der Kraftwerksfeuerung

Abhängig vom Feuerungskonzept (bei Kohlekraftwerken:Wirbelschicht-Feuerung, Trockenstaubfeuerung, Schmelzkammerfeuerung, etc.), dem Brennstoff und der Feuerungstemperatur entstehen in Kraftwerksanlagen durch die Verbrennung Stickoxide, die zum Schutz der Umwelt aus dem Rauchgas entfernt werden müssen.

Die dazu nötigen Anlagen werden als „DeNO_x“-Anlagen bezeichnet und zählen zu den sekundären Minderungsmaßnahmen der Rauchgasentstickung. In Deutschland hat sich die SCR zur Rauchgasentstickung gegenüber den anderen Verfahren (z. B. Aktivkohle-, oder Simultanverfahren etc.) durchgesetzt.

Bei der Anordnung der SCR im Rauchgasstrom der Kraftwerksanlage unterscheidet man drei Schaltungsvarianten:

1. High-Dust
2. Low-Dust
3. Tail End

High-Dust

Bei der so genannten High-Dust-Schaltung ist die Entstickung der Rauchgase zwischen der Speisewasservorwärmung (Economiser) und dem Luftvorwärmer (LuVo) vorgesehen. Die Anlagen zur Staubfilterung befinden sich in diesem Konzept hinter der Entstickung.

Zu den Vorteilen dieser Schaltung gehört vor allem, dass die zur katalytischen Reaktion benötigten Rauchgastemperaturen von 300 bis 400 °C ohnehin im Abgas vorhanden sind. Das Potential zur Quecksilberentfernung wird bei dieser Schaltungvariante am Besten genützt, da die Anlagen zur Staubabscheidung und zur Rauchgasentschwefelung erst nach dem Katalysator angeordnet sind.

Nachteilig ist allerdings die hohe Staubbeladung, die die Standzeit des Katalysators merklich verringert. Weiterhin wurde dem Rauchgas in dieser Schaltung das enthaltene Schwefeldioxid (SO₂) noch nicht entzogen (Rauchgasentschwefelung). Dieses wird zu einem kleinen Teil (etwa 0,5 bis 1,5 %) zu Schwefeltrioxid oxidiert. Da das zur Entstickung nötige NH₃ direkt in das Rauchgas eingespritzt wird, kommt es im kalten Bereich des Luftvorwärmers zu einer unerwünschten Reaktion des SO₃ mit nicht verbrauchten Restmengen an NH₃ zu Ammoniumbisulfat, das ausfällt und zur Verstopfung des Luftvorwärmers führt.

Low-Dust

Bei der so genannten Low-Dust-Schaltung werden die Rauchgase erst durch die Anlage zur Staubabscheidung (üblicherweise Elektrofilter oder Schlauchfilter) geleitet, bevor sie auf den Katalysator treffen. Dadurch werden erosive Bestandteile entfernt und die mechanische Lebensdauer des Katalysators verlängert. Die zum Betrieb der Enstaubungsanlage notwendige Temperaturabsenkung der Rauchgase muss eventuell durch eine entsprechende Wiederaufheizung ausgeglichen werden.

Tail End

In diesem Konzept ist die SCR nach der Rauchgasentschwefelung angeordnet, so dass hier die zusätzlichen Belastungen durch die meisten Katalysatorgifte und Staub entfallen – dadurch verlängert sich die Standzeit des Katalysators. Der Nachteil in dieser Schaltungsvariante ist darin zu sehen, dass das Rauchgas nur noch Temperaturen um 50 bis 100 °C bei nasser und um 140 °C bei trockener Rauchgasreinigung mit Sorbens auf Kalkbasis (Kalkstein, Calciumhydroxid) aufweist. Um die für die SCR benötigte Temperatur zu erreichen, muss das Gas jedoch vorgewärmt werden (z. B. Kanalbrenner), was den Gesamtwirkungsgrad des Systems verschlechtert. Bei Systemen mit trockener RGR mit NaHCO₃ liegt die Temperatur im Bereich von 180 bis 190 °C, was die Nacherwärmung überflüssig macht.

SCR in der Fahrzeugtechnik

In der Fahrzeugtechnik wird das SCR-Verfahren angewendet, um bei Dieselfahrzeugen die Stickoxidemissionen zu senken. Mit Hilfe dieser Technik können Nutzfahrzeuge die Euro-V-Norm, Landmaschinen die Tier 3b Norm und PKW die sehr strenge amerikanische BIN5 Abgasnorm sowie die Euro-6-Norm erfüllen.

Das für die SCR-Reaktion benötigte Ammoniak wird nicht direkt, d. h. in reiner Form, verwendet, sondern in Form einer 32,5-prozentigen, wässrigen Harnstofflösung, von der Industrie einheitlich mit AdBlue^[1] bezeichnet. Die Zusammensetzung ist in der DIN 70070 geregelt. Diese wässrige Lösung wird vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang, z. B. mittels Dosierpumpe oder Injektor, eingespritzt. Aus der Harnstoff-Wasser-Lösung entstehen durch eine Hydrolysereaktion Ammoniak und CO₂. Das so erzeugte Ammoniak kann in einem speziellen SCR-Katalysator bei entsprechender Temperatur mit den Stickoxiden im Abgas reagieren. Die Menge des eingespritzten Harnstoffs ist von der motorischen Stickoxidemission und damit von der momentanen Drehzahl und dem Drehmoment des Motors abhängig. Der Verbrauch an Harnstoff-Wasser-Lösung beträgt abhängig von der Rohemission des Motors etwa 2 bis 8 % der Menge des eingesetzten Dieselkraftstoffs. Es muss deshalb ein entsprechendes Tankvolumen mitgeführt werden. Zur Erzielung hoher NO_x-Minderungsraten ist es wichtig, dass AdBlue im richtigen Verhältnis zur Stickoxidemission des Motors dosiert wird. Da SCR-Katalysatoren bis zu einer gewissen Grenze NH₃ speichern können, muss die Dosierung im Mittel der NO_x-Emission entsprechen. Ist die Dosierung zu gering, so sinkt der Wirkungsgrad der Stickoxidminderung, wird zu viel Harnstoff zudosiert, so kann das daraus gebildete Ammoniak nicht mit NO_x reagieren und in die Umgebung gelangen. Da Ammoniak einen stechenden Geruch hat und bereits in sehr kleinen Konzentrationen wahrgenommen werden kann, würde dies bei einer Überdosierung zu einer Geruchsbelästigung in der Nähe des Fahrzeugs führen. Abhilfe schafft man, indem hinter dem SCR-Katalysator ein Oxidationskatalysator eingebaut wird. Dieser wandelt im Falle einer Ammoniak-Überdosierung das NH₃ wieder in Stickstoff und Wasser um. Eine weitere Möglichkeit, den sogenannten Ammoniak-Schlupf zu verhindern, ist eine größere Auslegung des Katalysators, um damit eine gewisse Speicherfunktion zu erhalten.

Hydrolyse der Harnstoff-Lösung:

Thermolyse: (NH₂)₂CO → NH₃ + HNCO (Isocyansäure)

Hydrolyse: HNCO + H₂O → NH₃ + CO₂

Reduktion der Stickoxide:

4 NH₃ + 4 NO + O₂ → 4 N₂ + 6 H₂O („Standard SCR“)

2 NH₃ + NO + NO₂ → 2 N₂ + 3 H₂O („Fast SCR“)

4 NH₃ + 3 NO₂ → 3,5 N₂ + 6 H₂O („NO₂ SCR“)

Die Stickoxidminderung erfolgt ohne Änderung der motorischen Verbrennung und erhält damit den sehr guten Wirkungsgrad von Dieselmotoren.

Im Oktober 2006 hat DaimlerChrysler in den USA einen PKW, den E 320 BlueTec® zunächst mit einem Speicherkatalysator zur nachmotorischen Entstickung eingeführt.^[2]

In Zukunft wird bei Pkws ein SCR-System mit AdBlue-Einspritzung zur Anwendung kommen, das einen höheren Wirkungsgrad bei der Stickoxidminderung aufweist. Seit 2007 sind verschiedene BMW-Modelle mit dem 3,0-l-Dieselmotor mit einer AdBlue-Einspritzung erhältlich. Seit 2009 benutzt der "Audi Q7 3.0 TDI clean diesel" dieses System.^[3] Auch im Audi A4 und Audi Q5 werden serienmäßig SCR-Systeme verbaut. Die entsprechenden Modelle tragen die Bezeichnung "clean diesel". Ebenfalls seit Anfang 2009 ist der VW Passat BlueTDI auf dem Markt.^[4] Im Vergleich zur Version ohne SCR-System hat der Motor eine etwas höhere Leistung und einen um etwa 3 bis 4 % geringeren Verbrauch und ebenso geringeren CO₂-Ausstoß.

Vorteile

Durch eine selektive katalytische Reduktion werden Stickoxide aus dem Abgas mit einem hohen Wirkungsgrad entfernt. Im Gegensatz zum Dieselpartikelfilter (DPF) stellt sich kein Kraftstoffmehrverbrauch ein. Dieser Vorteil gilt auch gegenüber der alternativen Technologie zur Reduktion von Stickoxiden mittels eines NO_x-Speicherkatalysators, der wie der DPF eine zeitweise Abwendung von optimalen Verbrennungsverhältnissen erfordert. Der Einbau eines SCR-Systems zur NO_x-Minderung ermöglicht es, den Motor in verbrauchsgünstigeren Betriebspunkten zu betreiben. Damit sinkt der Verbrauch je nach Fahrweise zwischen 3 und 8 %.

Nachteile

Der wesentliche Nachteil bei der Verwendung der SCR-Technologie ergibt sich aus dem benötigten Betriebsstoff AdBlue. Dieser muss in einem weiteren Tank mitgeführt und bedarfsgerecht in den Abgasstrom eingesprüht werden. Dadurch ergibt sich neben dem SCR-Katalysator und der Einsprühanlage die Notwendigkeit eines zweiten, kleineren Tanks neben dem Dieseltank.

Es gibt eine Reihe von Versuchen, das Speicherproblem durch die Verwendung von Stoffen mit höherer Speicherdichte zu verringern oder durch die direkte Erzeugung von Ammoniak aus Kraftstoff im Fahrzeug zu umgehen. Da diesen jedoch bisher der Erfolg versagt blieb, hat sich die SCR-Technologie mit AdBlue-Tank, SCR-Katalysator und Einspritzregelung bei nahezu allen großen LKW-Herstellern zur Erreichung der Euro-6-Abgasnorm durchgesetzt.

Das zunächst befürchtete Problem der flächendeckenden Versorgung mit wässriger Harnstofflösung AdBlue für den Schwerlastverkehr wurde seit Anfang 2005 durch eine Reihe von Anbietern gelöst. Heute, da die ersten Euro-6-LKWs bereits betrieben werden, gibt es AdBlue-Depots bei Speditionen und vielen öffentlichen Tankstellen, die meist auf den Fernstreckenrouten liegen. Neben Zapfsäulen für AdBlue findet man mittlerweile europaweit an vielen Tankstellen auch Nachfüllkanister.

Literatur

• Helmut Effenberger: Dampferzeugung. Springer, Berlin u. a. 2000, ISBN 3-540-64175-0.
• Karl Strauß: Kraftwerkstechnik. Zur Nutzung fossiler, regenerativer und nuklearer Energiequellen. 4. Auflage. Springer, Berlin u. a. 1998, ISBN 3-540-64750-3.
• Kurt Kugeler, Peter-W. Phlippen: Energietechnik. Technische, ökonomische und ökologische Grundlagen. 2. Auflage. Springer, Berlin 1993, ISBN 3-540-55871-3.

Einzelnachweise

1. ↑ eingetragenes Warenzeichen des Verbandes der Automobilindustrie e. V. (VDA)
2. ↑ Auto-News: Mercedes: E 320 Bluetec eröffnet Diesel-Offensive in den USA, 11. Oktober 2006
3. ↑ ATZ online: Neuer Audi Q7 wird dank "clean diesel"-Technologie geiziger, 16. April 2009
4. ↑ Focus Online: Passat Blue TDI: Teurer Saubermann, 4. Februar 2009