„Erdgas und Wasserstoff – was gibt es neues?“ Ergebnisse aus Labor und Praxis (Teil 3 von 3)

4.4.4 Abgaszusammensetzung

4.4.4.1 Emissionen aus dem Rohmaterial

Das Abgas enthält neben den Verbrennungsprodukten der Brenngase die Emissionen aus dem ungebrannten Rohmaterial. Diese wurden aus der Zusammensetzung des Rohmaterials berechnet und sind in »Tabelle 7 dargestellt.

Aus dem Rohmaterial werden bei einer Besatzmasse von 51,8 kg insgesamt folgende Gasmassen erwartet:

3,36 kg Wasserdampf

7,38 kg CO₂

ca. 0,006 kg NO

ca. 0,5 kg SO₂

Für die Berechnung der NO-Masse wurde der zweifache TOC-Anteil als Masse Holz mit 0,1 M.-% Stickstoff im Holzanteil angenommen (vgl. [7], [9] und eigene Messwerte). Der Stickstoffanteil und damit die NO-Masse sowie der Pyrit-Gehalt und damit die SO₂-Masse sind lediglich Näherungswerte.

4.4.4.2 O₂- und CO₂-Konzentration beim Wasserstoffbrand

Die gemessenen Sauerstoff- (O₂) und Kohlenstoffdioxid-Anteile (CO₂) im Abgas beim Brennen mit Wasserstoff zeigen »18 und »19.

In den Bildern links sind jeweils die O₂- und CO₂-Anteile abhängig von der Brennzeit dargestellt. Die Bilder rechts zeigen dieselben Messwerte, jedoch abhängig von der Materialtemperatur. Dazu sei bemerkt, dass die reinen CO₂-Emissionen des ungebrannten Rohmaterials lediglich beim Wasserstoffbrand zu sehen sind, da diese nicht durch die Verbrennungsprodukte des Brenngases überlagert werden. Der O₂-Anteil hingegen stammt sowohl aus den Materialreaktionen als auch der Verbrennung der Brenngase.

Beim gebrannten Material wurden sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen keine CO₂-Emissionen aufgrund von Materialreaktionen festgestellt. Der Anstieg bis 250 °C wird durch das Zuschalten der mit Erdgas beheizten TNV hervorgerufen. Die Abgase der TNV strahlen beim Anheizen des Ofens so lange in den Ofenraum hinein, bis der Kamin ausreichend Zug aufgebaut hat und die Abgase der TNV zum Kamin transportiert.

Heizen

Den O₂-Anteil im Abgas zeigt »18. Er verringert sich mit zunehmender Temperatur durch die Verbrennung des Brenngases. Beim ungebrannten Material sinkt er schneller als beim gebrannten, da durch den Ausbrand der organischen Bestandteile zusätzlich Sauerstoff verbraucht wird. Ab einer Ofentemperatur von 800 °C steigt der O₂-Anteil geringfügig an, was auf das stärkere Pulsen der Brenner mit zunehmender Temperatur zurückzuführen ist. Hierbei wird dem Ofen zusätzlich Verbrennungsluft zugeführt. Dieses Phänomen tritt sowohl beim ungebrannten als auch gebrannten Material auf.

Den CO₂-Anteil im Abgas zeigt »19. Ab einer Temperatur von 130 °C im ungebrannten Material steigt der CO₂-Anteil durch die Oxidation der organischen Bestandteile. Die Werte erreichen bei 334 °C ein Maximum und bei 501 °C ein Minimum. Ab hier überlagern sich die Oxidation des Restkohlenstoffes sowie die Entsäuerung der Carbonate. Das Maximum wird bei 670 °C erreicht. Danach sinkt der CO₂-Anteil bis zur maximalen Brenntemperatur ab. Die beschriebenen Reaktionen finden sich bei den Materialgradienten in »16 (rechts), vgl. ZI 3/26, Seite 16, in denselben Temperaturbereichen.

Kühlen

Der Ofen kühlt infolge von Temperaturunterschieden und Undichtigkeiten zunächst passiv ab. Das ungebrannte Material kühlt etwas langsamer als das gebrannte Material ab. Beim ungebrannten Material wird deshalb bereits ab einer Ofentemperatur von 750 °C und beim gebrannten Material erst ab 720 °C aktiv Verbrennungsluft in den Ofen eingeblasen (vgl. »18 links). Diese aktive Kühlung zwischen 819 und 723 °C Materialtemperatur führte beim ungebrannten Material zuerst zu einer raschen Zunahme des O₂-Anteils und verringerte gleichzeitig den CO₂-Anteil infolge der Abgasverdünnung mit Luft (vgl. »18 und »19 rechts). Durch die Zunahme des O₂-Anteils im Ofen fand kurz darauf der Ausbrand von Restkohlenstoff statt. Hierbei stiegen die Materialtemperatur und der CO₂-Anteil, der O₂-Anteil verringerte sich. Die passive und aktive Kühlung ist ebenfalls beim gebrannten Material zu sehen. Hier reagiert jedoch das Material nicht mit dem Luftsauerstoff.

4.4.4.3 O₂- und CO₂-Konzentration beim Erdgasbrand

Die gemessenen O₂- und CO₂-Anteile im Abgas beim Brennen mit Erdgas zeigen »20 und »21.

In den Bildern links sind jeweils die O₂- und CO₂-Anteile abhängig von der Brennzeit dargestellt. Die Bilder rechts zeigen dieselben Messwerte, jedoch abhängig von der Materialtemperatur. Angemerkt sei, dass sich in den O₂- und CO₂-Anteilen sowohl die Materialreaktionen als auch die Verbrennung des Erdgases widerspiegeln. So zeigt sich sowohl beim O₂ als auch beim CO₂ der Umschaltpunkt der Brennerleistung und des Lambda-Wertes stets bei einer Ofentemperatur von 430 °C (links). Auf die zusätzliche Darstellung abhängig von der Ofentemperatur wird hier jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.

Beim gebrannten Material sind beim Heizen lediglich die CO₂-Emissionen der Erdgasverbrennung zu verzeichnen, die sich beim Kühlen zunehmend mit der Kühlluft verdünnen.  

Heizen

Den O₂-Anteil im Abgas zeigt »20. Er verringert sich mit zunehmender Temperatur durch die Verbrennung des Brenngases. Beim ungebrannten Material sinkt er schneller als beim gebrannten, da durch den Ausbrand der organischen Bestandteile zusätzlich Sauerstoff verbraucht wird. Ab einer Ofentemperatur von 800 °C steigt der O₂-Anteil geringfügig an, was auf das stärkere Pulsen der Brenner mit zunehmender Temperatur zurückzuführen ist. Hierbei gelangt zusätzlich Verbrennungsluft in den Ofen. Dieses Phänomen tritt sowohl beim ungebrannten als auch gebrannten Material auf.

Den CO₂-Anteil im Abgas zeigt »21. Ab einer Temperatur von 100 °C im ungebrannten Material steigt der CO₂-Anteil durch die Oxidation der organischen Bestandteile. Die Werte erreichen bei 369 und 606 °C zwei Maxima und bei 496 °C ein Minimum. Ab 496 °C überlagern sich die Oxidation des Restkohlenstoffes sowie die Entsäuerung der Carbonate. Das Maximum wird bei 606 °C erreicht. Danach sinkt der CO₂-Anteil bis zur maximalen Brenntemperatur ab. Die beschriebenen Reaktionen finden sich bei den Materialgradienten in »16 (rechts), vgl. ZI 3/26, Seite 16, in denselben Temperaturbereichen.

Kühlen

Auch hier kühlt der Ofen infolge von Temperaturunterschieden und Undichtigkeiten zunächst passiv ab. So kühlt das ungebrannte Material etwas langsamer als das gebrannte Material ab. Beim ungebrannten Material wird deshalb bereits ab einer Ofentemperatur von 750 °C und beim gebrannten Material erst ab 720 °C aktiv Verbrennungsluft in den Ofen eingeblasen (vgl. »20 links). Diese aktive Kühlung zwischen 826 und 731 °C Materialtemperatur führte beim ungebrannten Material zuerst zu einer raschen Zunahme des O₂-Anteils und verringerte gleichzeitig den CO₂-Anteil infolge der Abgasverdünnung mit Luft (vgl. »20 und »21 rechts). Durch die Zunahme des O₂-Anteils im Ofen fand kurz darauf der Ausbrand des Restkohlenstoff statt. Hierbei stiegen die Materialtemperatur und der CO₂-Anteil, der O₂-Anteil verringerte sich.Die passive und aktive Kühlung ist ebenfalls beim gebrannten Material zu sehen. Hier reagiert jedoch das Material nicht mit dem Luftsauerstoff.

Vergleich Wasserstoff - Erdgas

Bei beiden Wasserstoffbränden war der Umschaltpunkt der Brennerleistung bei 430 °C weder beim O₂- noch beim CO₂-Anteil zu erkennen, beim Erdgas hingegen deutlich.

Der O₂-Anteil sinkt beim Heizen bis zu einer Ofentemperatur von 500 °C beim Wasserstoff langsamer als beim Erdgas, der O₂-Anteil im Ofen ist bei Wasserstoff stets um 1 bis 2 V.-% größer als bei Erdgas. Beides wird darauf zurückgeführt, dass bei Wasserstoff weniger Energie in Form von Brennstoff benötigt wird, weshalb die Brenner öfters takten als bei Erdgas. Beim Takten erfolgt vor der eigentlichen Verbrennung stets eine Luftspülung des Brennerkopfes. Hiermit gelangt zusätzlich Sauerstoff in den Ofen.

Der CO₂-Anteil zeigt sowohl bei Wasserstoff als auch bei Erdgas bei den gleichen Ofentemperaturen die beschriebenen Maxima und Minima.

Die aus den Brennstoffvolumen und dem Rohmaterial berechneten sowie die je Brand gemessenen CO₂-Massen zeigt »Tabelle 8. Dazu wurden die CO₂-Massen aus dem Erdgasverbrauch von Ofen und TNV berechnet bzw. gemessen sowie aus dem Rohmaterial berechnet. Die Einzelwerte sind in den Zeilen 1 bis 3 dargestellt und in Zeile 4 zusammengefasst. Zeile 5 zeigt im Vergleich dazu die Messwerte.

Die erste Zeile enthält die aus dem gemessenen Erdgasverbrauch des Ofens und der CO₂-Masse je Nm³ Erdgas (vgl. »Tabelle 3, in Teil 2, ZI 3/26, S. 8) berechneten CO₂-Massen. Die Werte sind abhängig vom Brenngasverbrauch. Der Wert ist beim ungebrannten Material kleiner als beim gebrannten Material, da das ungebrannte Material Energie in den Ofen einbringt und den Erdgasverbrauch verringert. Für Wasserstoff entfällt diese Berechnung.

Zeile zwei zeigt die gemessene CO₂-Masse beim Wasserstoffbrand am gebrannten Material (vgl. letzte Zeile). Der Messwert stammt alleinig von der Erdgasverbrennung der TNV. Bei den Erdgasbränden wird der Anteil des CO₂ aus der TNV geringfügig größer vermutet, da die TNV bereits bei 200 °C zugeschaltet wurde. Dies war jedoch anhand der Messergebnisse nicht verifizierbar.

In der dritten Zeile ist die berechnete CO₂-Masse aus dem ungebrannten Rohmaterial eingetragen (vgl. »Tabelle 7). Zeile vier fasst die Zeilen 1 bis 3 zusammen.

Die letzte Zeile zeigt im Vergleich dazu die mit der Abgasanalyse gemessenen und auf das Abgasvolumen (vgl. 4.4.2) bezogenen CO₂-Massen. Die Messwerte setzen sich aus dem CO₂ vom Erdgasverbrauch des Ofens und der TNV sowie vom ungebrannten Rohmaterial zusammen. Es ist zu sehen, dass die gemessene CO₂-Masse bei Wasserstoff und dem ungebrannten Material nahezu der Emission aus dem Rohmaterial entspricht. Auch die Werte der Erdgasbrände vom gebrannten und ungebrannten Material liegen in der gleichen Größenordnung. Die berechneten Werte sind hingegen geringfügig größer als die Messwerte.

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4.4.4.4 NO_x-Konzentration beim Wasserstoff- und Erdgasbrand

Stickoxide können in einem Verbrennungsprozess sowohl thermisch als auch prompt sowie aus dem Brennstoff entstehen. Thermische Stickoxide entstehen bei hohen Temperaturen aus dem N₂- und O₂-Anteil der Verbrennungsluft. Prompt-Stickoxide bilden sich bei Vorhandensein von CH-Radikalen und Luft, Brennstoff-Stickoxide aus dem im Brennstoff chemisch gebundenen Stickstoff, wie z. B. aus Aminosäuren und Proteinen im Holz [9].

Während der Brände wurden im Abgas die Anteile an NO₂ und NO gemessen. Die NO₂-Anteile betrugen sowohl bei Wasserstoff als auch bei Erdgas beim ungebrannten und gebrannten Material weniger als 10 ppm. Dies war zu erwarten, da bei einer Verbrennung erfahrungsgemäß ca. 5 % NO₂ und ca. 95 % NO entstehen [10], [11].

Die gemessenen NO-Anteile waren sowohl vom Brenngas als auch vom Material abhängig und sind in »22 und »23 über der Brennzeit dargestellt.

Es zeigt sich, dass beim gebrannten Material und starkem Temperaturanstieg der NO-Anteil stetig zunimmt. Der Umschaltpunkt der Brennerleistung bei 430 °C Ofentemperatur führt zu einer NO-Verringerung. Hier gelangt mehr Verbrennungsluft in den Ofen und verdünnt das Abgas. Ab ca. 800 °C steigt die Temperatur weniger stark und der NO-Anteil bleibt nahezu konstant. Ab diesem Zeitpunkt wird weniger Brenngas zum Heizen benötigt und verbrannt. Zudem nimmt der O₂-Anteil durch den höheren Anteil an Verbrennungsluft zu und führt zur Verdünnung des Abgases. An den Messkurven zeigt sich kein Materialeinfluss. Der Anstieg kann allein auf die Bildung von thermischem NO am Brenner zurückgeführt werden. Beim Kühlen ist zwischen 720 und 695 °C geringfügig die Zugabe der Kühlluft zu erkennen, die das Abgas verdünnt und damit den NO-Anteil verringert.

Beim ungebrannten Material ist während des starken Temperaturanstiegs im Ofen zunächst eine deutliche Zunahme des NO-Anteiles zu verzeichnen, welches nach sechs Stunden wiederum in einem Plateau endet. Die Ofentemperatur ist noch gering, so dass weniger thermisches NO entsteht. Es wird angenommen, dass die beiden Peaks mit einem Maximum bei 546 °C Ofentemperatur aus dem im Fangstoff enthaltenen Stickstoff stammen. Bekannt ist, dass in Holz vorhandener Stickstoff aus Proteinen und Aminosäuren zwischen 130 und 350 °C entweicht [9]. Ab 750 °C stagnieren die NO-Emissionen. Hier bringt das Material zusätzlich Energie in den Ofen ein. Dadurch ist weniger Brennerleistung erforderlich, die sich ab 800 °C stärker verringert als beim gebrannten Material. Zudem steigt der O₂-Anteil im Abgas ab einer Ofentemperatur von 800 °C leicht an und verdünnt somit die NO-Emissionen. Ab 800 °C steigt der NO-Anteil ähnlich dem gebrannten Material wieder an. Hier bildet sich vermutlich zunehmend das thermische NO unabhängig vom Rohmaterial. Beim Kühlen ist zwischen 750 und 695 °C die Zugabe der Kühlluft zur Besatzkühlung infolge der Nachverbrennung des Restkohlenstoffs zu erkennen, welche das Abgas verdünnt und damit den NO-Anteil verringert.

Die die aus dem Rohmaterial berechneten NO-Massen sowie gemessenen NO-Massen je Brand zeigt »Tabelle 9. Der NO-Anteil aus dem im Fangstoff enthaltenen Holz wurde mit 6,3 g berechnet (vgl. »Tabelle 7).

Die aus dem Rohmaterial zu erwartenden NO-Massen zeigt die erste Zeile. Sie werden durch das thermische NO überlagert, welches vom Brennstoff und der Verbrennungstemperatur abhängig ist. Das gebrannte Material erfordert zudem eine größere Energiezufuhr als das ungebrannte. Dabei entsteht mehr thermisches NO. Die Messwerte sind sowohl bei Wasserstoff als auch bei Erdgas größer als aus dem Rohmaterial berechnet.

Bei Wasserstoff wurde beim gebrannten Material mehr NO als beim Ungebrannten gemessen. Zudem sind die NO-Massen etwas größer als bei Erdgas.

Bei Erdgas waren die gemessenen NO-Massen beim gebrannten und ungebrannten Material nahezu gleich groß. Es wird angenommen, dass bei einer Verbrennung nicht der gesamte Organik-Stickstoff aus dem Rohmaterial in Stickoxide umgesetzt wird. Ein Teil davon kann zu molekularem Stickstoff reagieren oder in Asche eingebunden werden [9].

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4.5 Wasserdampf und Schadstoffe im Abgas abhängig vom H₂-Anteil im Erdgas

4.5.1 Grundlagen - Wasserstoff/Erdgas-Gemische

In einem thermischen Prozess wird stets eine bestimmte Energiemenge benötigt, um das gleiche Brennergebnis zu erreichen. Aus diesem Grund erscheint es beim Vergleich von Brenngasen mit unterschiedlichen Heizwerten hilfreich, sämtliche Gaseigenschaften auf ihren jeweiligen Heizwert zu beziehen und diese energiespezifischen Werte miteinander zu vergleichen. In [5] wurden bereits wesentliche Daten für Methan (CH₄), Wasserstoff (H₂) und deren Gemische in Abhängigkeit vom H₂-Anteil im CH₄ vorgestellt. Als Hauptbestandteil von Erdgas wurde vereinfacht CH₄ ausgewählt. Dabei wurde gezeigt, dass sich neben dem Brenngasbedarf in Nm³/MJ auch die CO₂-Emissionen in kg/MJ mit dem H₂-Anteil im CH₄ nichtlinear verringern. So halbieren sich beispielsweise die CO₂-Emissionen erst bei einem H₂-Anteil von ca. 80 V.-% im CH₄.

Die Nichtlinearität der auf den Heizwert bezogenen CO₂-Emissionen in Abhängigkeit vom H₂-Anteil im CH₄ ergibt sich aus der Rechenoperation 1/x. Mit unterschiedlichen Wertepaaren bzw. H₂-Anteilen im CH₄ entsteht eine Hyperbel. Aus diesem Grund bildet z. B. die Operation 1/H_i (reziproker Heizwert = erforderliches Brenngasvolumen je Megajoule) ebenfalls eine Hyperbel, in der mit zunehmendem H₂-Anteil im CH₄ das Brenngasvolumen überproportional zunimmt.

Als ein weiterer Rechenschritt wurden die Eigenschaften der CH₄/H₂-Gemische auf den jeweiligen Wert für 100 % CH₄ bezogen. Daraus ergibt sich eine relative Änderung der jeweiligen Eigenschaft des Gasgemisches im Vergleich zu CH₄. Anhand der Kurven in »24 kann die relative Änderung durch H₂ bezogen auf CH₄ prozentual bestimmt werden.

4.5.2 CO₂- und NO-Emissionen

Der nichtlineare Verlauf für Wasserdampf und CO₂ abhängig vom H₂-Anteil im Erdgas konnte durch die Messung der Abgaszusammensetzung am Kammerofen für die Brenngasmischung mit 50 V.-% Wasserstoff im Erdgas bestätigt werden. »25 zeigt die gemessenen CO₂- und NO-Anteile im Abgas für die Brände vom gebrannten Material mit den reinen Brenngasen und der Brenngasmischung.

Die CO₂-Messwerte für Erdgas (braun) und die Brenngasmischung (grün) zeigen, dass sich der CO₂-Anteil bei der Brenngasmischung nicht halbiert, sondern lediglich um ca. ein Viertel verringert. Der Anstieg des CO₂-Anteils beim Brand mit 100 % Wasserstoff nach ca. 1,4 Stunden (blau) ist auf das Zuschalten der TNV zurückzuführen. Da der Zug im Kamin nicht ausreichte, strömte ein Teil des Abgases der mit Erdgas beheizten TNV in den Ofen. Die NO-Messwerte der Brenngasmischung liegen annähernd zwischen den Messwerten für die reinen Brenngase. In der »Tabelle 10 sind die Ergebnisse zusammengefasst.

Das gemessene Wasserdampfvolumen betrug bei der Verbrennung von reinem Wasserstoff das 1,63- und bei der Brenngasmischung das 1,15-fache im Vergleich zu Erdgas. Zudem verringerte sich bei Wasserstoff der CO₂-Anteil im Abgas auf nahezu 0 kg, während er sich bei der Brenngasmischung auf lediglich 76 % verringerte (vgl. »25). Diese Werte stimmen mit den berechneten Werten aus [5] und [6] nahezu überein.

Die gemessenen NO-Emissionen hängen neben der Flammentemperatur des Brenngases vom jeweiligen Brenneraufbau ab und können nicht im Voraus berechnet werden. Die Messwerte zeigen jedoch, dass bei der Brenngasmischung die NO-Emissionen etwa die Hälfte des Wertes von reinem Wasserstoff betragen.

4.5.3 Fluoremissionen

Emissionen entstehen einerseits durch die Verbrennung des Brenngases, andererseits sind sie rohstoffseitig bedingt. So bestand die Frage, ob bei rohstoffseitigen Emissionen wie Schwefel, Fluor oder Chlor ebenfalls ein nichtlinearer Verlauf abhängig von H₂-Anteil im CH₄ zu erwarten ist. Aus diesem Grund wurde der Verlauf beispielhaft für einen rohstoffbedingten Fluor-Anteil im Abgas berechnet und dabei angenommen, dass die aus dem Rohmaterial emittierten Fluor-Masseströme bei der Verbrennung von Erdgas, Wasserstoff bzw. deren Gemischen gleich groß sind. Diese Annahme resultiert daher, dass bisher keine Messdaten zu rohstoffseitigen Fluoremissionen beim Einsatz beider Brenngase bekannt sind.

Die Fluorkonzentration wird in der TA-Luft als Massenkonzentration von Fluorwasserstoff (HF) je Normkubikmeter trockenes Abgas bzw. als Massenstrom angegeben. Die Grenzwerte beim keramischen Brennprozess sind 5 mg/Nm³ bzw. 15 g/h HF bei einem Bezugs-Sauerstoffgehalt von 17 V.-%. Zwischen Klein- und Großanlagen wird dabei nicht unterschieden [12].

Um zu zeigen, wie sich der HF-Anteil abhängig vom H₂-Anteil im CH₄ ändert, wurden die Ergebnisse aus [5] um eine angenommene HF-Massenkonzentration von 5 mg/Nm³ trockenes Abgas bei CH₄-Einsatz ergänzt (vgl. »24). Die Ergebnisse zeigen, dass sich auch der HF-Anteil im trockenen Abgas bei gleichem Energieeintrag mit zunehmendem H₂-Anteil im CH₄ nichtlinear verhält. Bei 100 % Wasserstoff erhöht sich der HF-Anteil im trockenen Abgas im Vergleich zu CH₄ um 36 %, bei 50 % H₂-Anteil hingegen mit 7 % um weniger als ein Viertel. Erst bei einem H₂-Anteil im CH₄ von ca. 80 % steigt der HF-Anteil um die Hälfte im Vergleich zu Erdgas. Während sich bei größeren bzw. kleineren Bezugssauerstoffgehalten die absoluten HF-Anteile im Abgas verdünnen bzw. aufkonzentrieren, sind die gezeigten relativen HF-Anteile sowohl vom Bezugssauerstoffgehalt als auch der tatsächlichen HF-Massenkonzentration unabhängig.

Sowohl die Berechnungsergebnisse als auch die Messergebnisse am Kammerofen zeigten, dass sich bei gleichem Energieeintrag bei der Wasserstoffverbrennung das Abgasvolumen verringert. Die Verringerung beträgt im Vergleich zu Methan bei trockenem Abgas 26 % und bei feuchtem Abgas 9 % (vgl. »Tabelle 4, in Teil 2, ZI 3/26, S. 12). Infolge des geringeren Abgasvolumens erhöht sich bei der Wasserstoffverbrennung der prozentuale Fluor-Anteil im Abgas trotz eines konstanten Fluor-Massestroms aus dem Rohmaterial bei beiden Brenngasen. Das bedeutet, dass trotz des gleich großen emittierten Fluor-Massestroms pro Zeiteinheit der volumenbezogene HF-Anteil im Abgas zunimmt.

Aktuell wird in Ziegelwerken meist die Massenkonzentration von HF im trockenen Abgas in mg/Nm³ bestimmt und mit dem Grenzwert der TA-Luft von 5 mg/Nm³ verglichen. Beim Einsatz von Wasserstoff als Brenngas erscheint es aufgrund des geringeren Abgasvolumens jedoch sinnvoll, zusätzlich das trockene Abgasvolumen in Nm³/h in die Bewertung der realen Emissionen einzubeziehen. Zur Bewertung des HF-Anteiles im Abgas empfiehlt es sich somit, den massestrombezogenen Grenzwert von 15 g/h heranzuziehen.

Inwieweit das Brenngas Wasserstoff einen Einfluss auf den rohstoffseitigen Austrieb von Fluor sowie weiterer Schadstoffe hat, können zukünftige Untersuchungen zeigen.

5 Fazit und Ausblick

Im Projekt wurden die Eigenschaften von porosierten HMz verglichen, die sowohl im Tunnelofen mit Erdgas als auch im Kammerofen mit Erdgas und Wasserstoff gebrannt wurden. Festgestellt wurde, dass die mit Wasserstoff gebrannten Ziegel z. T. geringfügig höhere Festigkeiten als mit Erdgas aufwiesen bzw. etwas dichter versintert waren. Denkbar ist dadurch eine entsprechende Verringerung der Brenntemperatur. Generell hatte Wasserstoff jedoch keinen wesentlichen Einfluss auf die Brenn-eigenschaften der untersuchten HMz und kann ohne weiteres anstelle von Erdgas zum Brennen verwendet werden. Diese Aussage gilt jedoch ausschließlich für das untersuchte Material und die verwendete Brennkurve. Vor einem Praxiseinsatz von Wasserstoff sollten daher die Rohmaterialien mit Hilfe von Labor-untersuchungen auf ihre Eigenschaften geprüft werden.

Im gasbeheizten Kammerofen konnten mit Hilfe der kontinuierlichen Abgasanalyse und der Aufzeichnung des Brenngasverbrauchs die hauptsächlichen Materialumwandlungen nachgewiesen werden. Die bislang theoretischen Werte zu den Abgas-, Brenngas- und Verbrennungsluftmengen sowie zum Energieverbrauch von Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas wurden durch die Messungen bestätigt. So verringerte sich beim Brennen mit Wasserstoff der Energieverbrauch um 7 bis 9 % und das Abgasvolumen auf 90 bis 91 % aufgrund der verringerten Verbrennungsluftmenge von 83 bis 84 %.

Es wurde zudem gezeigt, dass Schadstoff-Emissionen aus dem Rohmaterial mit zunehmendem Wasserstoffanteil im Methan aufgrund der Verringerung der Abgasmenge nichtlinear zunehmen. Aus diesem Grund sollte zukünftig der absolute Schadstoffgehalt im Abgas bestimmt werden.

Damit ist ersichtlich, dass Erdgas teilweise oder vollständig durch Wasserstoff ersetzt werden kann - vorausgesetzt, es steht jederzeit ausreichend grüner Wasserstoff zu vertretbaren Kosten zur Verfügung. Wasserstoff ist im Vergleich zu Erdgas derzeit zu teuer und nicht in den erforderlichen Mengen für Ziegelwerke verfügbar.

Das Projekt wurde durch vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit dem Aktenzeichen „I2322F002_KlimaZiegProd“ gefördert.