Edelmetallfreie Katalysatoren im Vergleich zu edelmetallhaltigen Katalysatoren – Eine Frage des Recyclings

Katalysatoren sind in vielen Produkten im Einsatz und die Technologie ist bekannt und beherrscht.
Sie arbeiten häufig als Oxidationskatalysatoren in Abgassystemen von Fahrzeugen, Blockheizkraftwerken, Gasmotoren, Kamin- und Pelletöfen, in Kamineinsätzen, Kachelöfen, Scheitholzkesseln, Hackschnitzel- und auch Pelletkesseln und der Gleichen mehr. Sie unterliegen während der Nutzungszeit großen Temperaturschwankungen, die von Raumtemperatur bis auf über 800°C reichen. Katalysatoren können unterschiedlichste Trägersysteme aus Keramik oder Metall haben, die wiederum unterschiedlichste Strukturen aufweisen. Immer sind Katalysatoren aber so beschaffen, dass die sehr dünne katalytische Beschichtung fest auf dem Trägersystem haftet und die enormen Temperaturgradienten ohne Beschädigung aushält.

Die bei Einzelraumfeuerungen anfallenden Emissionen sind hauptsächlich Staub, Kohlenstoffmonoxid (CO) und organische kohlenstoffartige Verbindungen (OGC). Für alle 3 Emissionen sieht der Gesetzgeber in den entsprechenden Normen und Vorschriften Grenzwerte vor. Abhängig vom Typ der Einzelraumfeuerung und vom verwendeten Brennstoff kommen unterschiedliche Normen zur Geltung. Die Grenzwerte für die Immissionen regelt die 1. BImSchV mit den auf den Anwendungsfall zu beziehenden Grenzwerten.

Um CO-Emissionen von Holzfeuerungen katalytisch zu mindern, benötigt man Katalysatoren.
Die Minderung von CO geschieht immer durch Oxidation mit Sauerstoff (O₂). CO wird durch die Reaktion mit Sauerstoff zu CO₂ aufoxidiert. Im Brennraum einer Holzfeuerung geschieht diese Reaktion unterhalb der Flammprallplatte, wo das Temperaturniveau für eine solche Oxidation hoch genug ist. Schnell kühlen die Abgase auf dem Weg zum Abgasrohr jedoch aus. Die Oxidation des CO mit Sauerstoff kann nicht mehr stattfinden.

An dieser Stelle setzt der Blue Fire Katalysator an. Der Katalysator wird von den emissionsreichen Holzabgasen durchströmt. Im Abgas ist auch ein Anteil Sauerstoff aufgrund der Zuführung von Verbrennungsluft vorhanden. Durch Kontakt der CO-haltigen Abgase mit der katalytischen Oberfläche wird die Aktivierungsenergie des CO-Moleküls herabgesetzt und es ist trotz der schon abgekühlten Temperatur erneut in der Lage, mit Sauerstoff zu reagieren. Der Katalysator stellt also eine weitere Möglichkeit zur CO-Oxidation zur Verfügung, die ohne den Katalysator aufgrund der zu geringen Abgastemperatur nicht mehr stattfinden würde.

Temperatur ist für den Betrieb von Katalysatoren ein wichtiger Parameter. Jeder Katalysator hat eine charakteristische Anspringtemperatur, auch Light-Off-Temperatur genannt, ab der die katalytische Aktivität zu 50% nachweisbar ist. Bei Katalysatoren mit Edelmetalldotierung kann die Light-Off Temperatur schneller und bei geringerem Temperaturniveau erreicht werden.

Je weiter das Abgas bereits abgekühlt ist, umso eher muss man die katalytische Beschichtung mit Edelmetallen, wie Platin, Palladium oder Rhodium, dotieren. Die Edelmetalldotierung sorgt dafür, dass die CO-Moleküle trotz der schon geringen Abgastemperatur die Reaktion mit Sauerstoff zulassen. Wichtig ist dabei aber, dass die Edelmetalle in sehr kleiner Form - in Nanogröße - sehr gleichmäßig auf der Katalysatoroberfläche verteilt werden. Je gleichmäßiger die Edelmetalle auf der Oberfläche verteilt sind, umso einfacher ist es für das durch den Katalysator strömende Abgas mit einer in die Oberfläche eingebetteten Edelmetallzelle in Kontakt zu kommen.
Durch den kurzzeitigen Kontakt zwischen Abgas und katalytischer Oberfläche kommt es zur Reduzierung der Aktivierungsenergie und die Emissionen CO- bzw. OGC sind wieder in der Lage, mit Sauerstoff zu reagieren. Es kommt zu der gewünschten Oxidation von CO zu CO₂ bzw. von C_nH_m zu CO₂ und kürzeren C_nH_m-Ketten.
Die Auswahl der Edelmetalle sowie deren Mischungsverhältnis sind ebenso wichtig wie die sehr gleichmäßige Verteilung der Edelmetalle auf der Katalysatoroberfläche. Es gibt Edelmetalle, die besonders gut zur Emissionsminderung von den genannten CO- und OGC-Emissionen genutzt werden können. Es gibt aber auch andere Edelmetalle, die zur Anlagerung von Sauerstoff an der Katalysatoroberfläche genutzt werden können. Weitere eignen sich besser zur Anwendung in Benzin- oder Dieselabgasen. Wieder andere Edelmetalle und deren Mischungen werden für die Verwendung in Katalysatoren für Gas- oder Biogasemissionen genutzt.
Bei der Auswahl der Edelmetalle und der Mischungsverhältnisse kommt die Erfahrung des Katalysatorherstellers ins Spiel.

Die am Katalysator stattfindende Oxidation unter Nutzung des Umgebungssauerstoffs erfolgt nur bei entsprechend hohen Temperaturen, die zur Reaktion notwendig sind. Im Brennraum in der Nachverbrennungszone unterhalb der Flammprallplatte streichen die emissionsreichen Abgase über die Flammenspitze hinweg. Unter Zugabe von Sekundärluft reagieren die Emissionen zu den zuvor beschriebenen Reaktionsprodukten. Auf dem weiteren Weg der Abgase durch die Holzfeuerung kühlen diese recht schnell ab und es kommt zu keiner weiteren Reaktion zwischen CO bzw. OGC und Sauerstoff.

Will man auf den Einsatz von Edelmetallen verzichten und edelmetallfreie Katalysatoren einsetzen, so geht dies nur zu Lasten der Light-off Temperatur. Edelmetallfreie Katalysatoren beginnen bei einer höheren Temperatur aktiv zu werden.
Möglich macht dies eine für den Anwendungsfall der Holzfeuerung entwickelte Beschichtung aus Mischmetalloxiden. Diese Beschichtung erzielt auch gute Umsatzraten zur CO- und OGC-Minderung ohne weitere Nutzung von Edelmetallen, benötigt jedoch eine höhere Temperatur zur Aktivierung.

Edelmetallfreie katalytische Beschichtungen, wie z.B. die Blue Fire Mischmetalloxid-Beschichtung, fördern ebenfalls eine Reaktion des CO mit dem Sauerstoff. Dies geschieht jedoch aufgrund des Fehlens der Edelmetalle erst nach etwas längerer Betriebszeit und auch erst bei einem höheren Temperaturniveau. Edelmetallfreie Katalysatoren können aufgrund ihrer Zusammensetzung daher direkt im Brennraum eingesetzt werden. Man profitiert damit vom höheren Temperaturniveau z.B. bei Montage des Katalysators an der Flammprallplatte. Durch den Einsatz im höheren Temperaturbereich des Abgases kann man das trägere Ansprechverhalten der edelmetallfreien Katalysatoren kompensieren.
Der Vorteil von edelmetallfreien Katalysatoren ist der, dass diese auf die kostenintensiven und seltenen Edelmetalle gänzlich verzichten können und damit diese Ressourcen schonen. Sie bestehen aus Mischungen von unterschiedlichen Metalloxiden, die allesamt eine gute Verfügbarkeit aufweisen. Durch gezielte Forschung und Entwicklung können Mischungen herausgearbeitet werden, die ebenfalls sehr gute katalytische Effekte gegenüber CO und OGC aufweisen. Der edelmetallfreie Blue Fire Katalysator wird z.B. schon in mehrstufigen Katalysatorsystemen eingesetzt. Der edelmetallfreie Katalysator wird dabei direkt im Brennraum unterhalb der Flammprallplatte montiert. Er hat die Aufgabe aus dem heißen Anteil des Abgases CO und Staub zu mindern. Der Katalysator der 2. Stufe ist hinter der Flammprallplatte in den Abgasweg integriert. Dort sind die Abgastemperaturen schon soweit abgekühlt, dass ein edelmetallhaltiger Katalysator eingesetzt wird, der eine weitere CO- und OGC-Minderung vornimmt. Solche Systeme können die CO-Emissionen auf Messwerte reduzieren, die nahe der Nachweisgrenze liegen.

Recycling spielt besonders bei edelmetallhaltigen Katalysatoren eine sehr wichtige Rolle. Durch die gezielte Rückführung der edelmetallhaltigen Katalysatoren zum Hersteller können die Edelmetalle zu einem sehr hohen Grad (>95%) wieder zurückgewonnen werden. Dafür werden die Katalysatoren geschreddert und durch einen Mahlprozess homogenisiert. Durch Erhitzung können aus der Schmelze gezielt die Edelmetalle wiedergewonnen werden.
Emission Partner GmbH & Co. KG, die Muttergesellschaft der Blue Fire GmbH, hat bereits ein bundesweites Rückführungssystem für gebrauchte Katalysatoren eingeführt, das auf den Kundenstamm der Blue Fire GmbH ausgerollt werden soll.
Auch die edelmetallfreien Katalysatoren sollten zurückgeführt werden, da auch die verwendeten Metalloxide zu einem hohen Grad wieder zurückgewonnen werden können. Recycling dient in beiden Fällen dem Umweltschutz und dem Erhalt von Ressourcen. Dies führt letztlich zu stabilen Rohstoffpreise, von denen am Ende der Ofenhersteller und der Ofenanwender profitieren.
Das Recycling von Rohstoffen geht uns alle an. Blue Fire hat die Wege dafür vorbereitet und stellt diesen Service der Ofenbranche zur Verfügung.