Motoranlagen und Blockheizkraftwerke

Die Emissionen von Stickstoffoxiden (NO_x) aus Verbrennungsmotoranlagen sind ohne Emissionsminderung um ein Vielfaches höher als bei reinen Verbrennungsanlagen wie etwa Kesseln und Öfen. Auch die Ruß-Emissionen von Anlagen mit flüssigen Brennstoffen sind relativ hoch. Anlagen mit gasförmigen Brennstoffen stoßen Formaldehyd- und Methan aus. Eine Minimierung der NOx-Emissionen ist erforderlich, um die Zielwerte der Richtlinie über nationale Emissionshöchstmengen für bestimmte Luftschadstoffe (NEC-Richtlinie) einzuhalten.

Motoranlagen mit flüssigen Brennstoffen

Flüssige Brennstoffe werden in der Regel in Diesel-Aggregaten verbrannt. Dabei entstehen die für den Dieselbetrieb typischen Schadstoffe wie Ruß und Stickstoffoxide. Besonders problematisch sind die Emissionen an Krebs erzeugendem Dieselruß.

Für Anlagen unter einem Megawatt Feuerungswärmeleistung bestehen keine bundesweit gültigen Emissionsgrenzwerte. Entsprechend hoch fallen die Emissionen aus: Zur Minimierung von Stickstoffoxiden findet in der Regel keine Abgasreinigung statt. In der Praxis gemessene Emissionswerte für NO_x können ohne Abgasreinigung zwischen zwei und drei Gramm pro Kubikmeter liegen. Die Konzentrationen an Stickstoffoxiden in der Umgebung solcher Anlagen überschreiten häufig die durch die 22. Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV) vorgegebenen Immissions-Grenzwerte. Auch ein Rußfilter ist für kleine Anlagen keine Selbstverständlichkeit. Ohne Abgasreinigung können die Staubemissionen bis zu 100 Milligramm pro Kubikmeter betragen. Darüber hinaus kommt es bei Pflanzenöl-Motoren ohne Abgasreinigung häufig zu Geruchsbeschwerden.

Mororanlagen mit gasförmigen Brennstoffen

Bei Erdgas-Motoranlagen handelt es sich zum Teil um Lambda-1-Motoren mit Drei-Wege-Katalysator. Diese Technik ist von Kraftfahrzeugen bekannt und gewährleistet sehr niedrige Emissionen von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickstoffoxiden.

Die Mehrheit der Erdgasmotoranlagen sind Magermotoren. Dabei wird der Brennstoff bei Luftüberschuss verbrannt, um einen höheren elektrischen Wirkungsgrad zu erzielen. In der Regel wird für die Minderung von Kohlenmonoxid (CO) ein Oxidationskatalysator verwendet. Für die Einhaltung der Grenzwerte der 44. und 13. BImSchV für NO_x ist eine Abgasreinigung in Form einer Selektiven Katalytischen Reduktion (SCR) erforderlich . Für Magermotoren unter einem Megawatt Feuerungswärmeleistung ist eine Abgasreinigung für NO_x in Deutschland nicht üblich.

Bei der mageren Verbrennung entsteht in bedeutendem Ausmaß Formaldehyd, welches durch Oxidationskatalysatoren gemindert werden kann. Allerdings liegen die verbleibenden Emissionskonzentrationen deutlich über den Werten, die Lambda-1-Motoren mit Drei-Wege-Katalysatoren erreichen.

Ein weiteres Problem von Gasmotoren stellt der Methanschlupf dar. Er entsteht dadurch, dass im Motor stets Zonen vorhanden sind, in denen der Brennstoff nicht vollständig umgesetzt wird. Die Emissionen können bei Magermotoren bis zu mehreren Gramm pro Kubikmeter betragen. Bei Lambda-1-Motoren mit Drei-Wege-Katalysator liegen sie in der Regel unter 300 Milligramm pro Kubikmeter.

Bei Motoranlagen zur Verbrennung von Biogas, Klärgas, Deponiegas und weiteren Sondergasen handelt es sich nahezu ausschließlich um Magermotoren und Zündstrahlmotoren. Dadurch bedingt sind entsprechend hohe Emissionen an NO_x, CO, Formaldehyd und Methan. Die Einhaltung der NO_x-Emissionsgrenzwerte der 44. BImSchV erfordert den Einsatz einer SCR. Zur Nachrüstung sind Übergangsfristen vorgesehen. Für Anlagen unter einem Megawatt Feuerungswärmeleistung ist diese Abgasreinigung in Deutschland nicht üblich.

Grundsätzlich lassen sich Emissionen durch die Konstruktion und Einstellung des Motors, die Verwendung sauberer Brennstoffe sowie durch Abgasreinigung mindern. Wichtig für alle Anlagen ist eine regelmäßige fachkundige Wartung.

Emissionsminderung für Motoren mit flüssigen Brennstoffen

Zur Minderung von Stickstoffoxid-Emissionen eignet sich die Selektive Katalytische Reduktion (SCR). Die Grenzwerte der 13. und 44. BImSchV werden durch diese Technik sicher eingehalten. Weitere Möglichkeiten der Stickstoffoxid-Minderung sind die Abgasrückführung sowie die Wassereinspritzung. Doch sind diese Methoden weniger wirksam.

Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe werden durch einen Oxidationskatalysator gemindert. Diese Technik ist relativ kostengünstig und somit auch im Bereich kleinster Leistung anwendbar.
Dieselruß kann durch den Einsatz von Rußfiltern wirksam reduziert werden. Für Pflanzenöl-Motoren ist die Brennstoffqualität von entscheidender Bedeutung. Katalysatorgifte im Brennstoff (zum Beispiel Phosphor) können den Rußfilter schnell unwirksam machen.

Emissionsminderung für Erdgasmotoren

Lambda-1-Motoren sind ausschließlich mit Drei-Wege-Katalysatoren ausgestattet. Dadurch werden die NO_x-, die CO- und die Kohlenwasserstoffemissionen wirksam gemindert. Auch Methanemissionen werden zu einem Teil abgebaut. Die Formaldehyd-Emissionen solcher Motoren liegen in der Regel unter einem Milligramm pro Kubikmeter. Magermotoren können zur Minderung von NO_x mit SCR ausgestattet werden.

Zur Reduzierung von CO und Kohlenwasserstoffen dienen Oxidationskatalysatoren. Sie mindern auch Formaldehyd, allerdings nicht so wirksam wie der Drei-Wege-Katalysator. Auf die Methan-Emissionen haben handelsübliche Oxidationskatalysatoren nahezu keinen Einfluss.

Emissionsminderung für Sondergasmotoren

Die wichtigsten Sondergase sind Biogas, Klärgas, Deponiegas, Grubengas und Holzgas. Für Sondergasmotoren sind Katalysatoren nur bedingt einsetzbar, da die Gase Katalysatorgifte enthalten. Voraussetzung ist eine Reinigung des Brenngases vor dem Eintritt in den Motor, um Katalysatorgifte, wie zum Beispiel Schwefel oder Silicium, zu entfernen. Für Biogasmotoren ab einem Megawatt Feuerungswärmeleistung ist die Verwendung von Oxidationskatalysatoren zur Formaldehyd-Minderung sowie der Einsatz von SCR zur Minderung von Stickstoffoxiden Stand der Technik. Zur Reinigung des Brenngases wird in der Regel Aktivkohle verwendet.
Sehr unempfindlich gegenüber der Gaszusammensetzung ist die Thermische Nachverbrennung. Ihr Einsatzgebiet liegt vor allem bei der motorischen Nutzung von Deponiegas. Diese Technik reduziert wirksam Kohlenmonoxid und alle Kohlenwasserstoffe, also auch Methan und Formaldehyd. Zur NO_x-Minderung ist sie jedoch ungeeignet.

Welche Emissionen eine genehmigungsbedürftige Anlage ausstoßen darf, regelt in Deutschland je nach Feuerungswärmeleistung der Anlage die 44. Bundesimmissionsschutzverordnung oder die 13. Bundesimmissionsschutzverordnung. Für Motoren mit flüssigen Brennstoffen enthalten die 44. BImSchV und die 13. BImSchV Grenzwerte für NO_x, CO, Staub und Formaldehyd. Zur Einhaltung der Grenzwerte ist in der Regel eine Kombination aus SCR, Oxidationskatalysator und Rußfilter erforderlich.

Für Erdgasmotoranlagen begrenzen die 44. BImSchV und die 13. BImSchV die Emissionen von NO_x, CO, Formaldehyd und Methan. Die 44. BImSchV setzt einen Grenzwert für  Gesamt-Kohlenstoff als Indikator für Methan. Dabei existieren in der 44. BImSchV unterschiedliche Grenzwerte für Magermotoren und „sonstige Ottomotoren“, womit Lambda-1-Motoren gemeint sind. Für Motoren, die mit Biogas, Klärgas, Deponiegas oder Grubengas betrieben werden, enthält die 44. BImSchV Emissionsgrenzwerte für CO, NO_x, Formaldehyd, Gesamt-Kohlenstoff als Indikator für Methan und Schwefeloxide. Diese liegen zum Teil höher als bei Erdgasmotoren Auf internationaler Ebene legt Anhang V des Göteborg-Protokolls NO_x-Grenzwerte für Verbrennungsmotoranlagen fest. Auf europäischer Ebene gilt die EU-Richtlinie 2015/2193 über mittelgroße Feuerungsanlagen, auf Englisch Medium Combustion Plants Directive (MCPD).