ABLUFT I FILTERTECHNIK 6
ABLUFT I FILTERTECHNIK 6 UmweltJournal /Juli 2019 Umgehungstunnel Central-Wan Chai Bypass Filter vs. Kamin: Bessere Luft für Hong Kong Ein deutscher Abluftfilter-Hersteller beseitigt feinste Staubpartikel in einem 3,7 Kilometer langem Straßentunnel der chinesischen Metropole zu mehr als 90 Prozent. 0a 1 0b 2 3 Fotos: FILTRONtec GmbH 0a und b: Abhilfe gegen das hohe Verkehrsaufkommen und die verstopften Straßen soll in Hong Kong der neue Umgehungstunnel Central-Wan Chai Bypass schaffen, der zu den größten Unterführungen der Stadt zählt. Die Filtrontec GmbH wurde mit der Installation einer Filteranlage beauftragt. | 1: Durch Adsorption und katalytische Umwandlung erfolgt die Abscheidung von Stickstoffdioxid, Ozon, Benzol und unverbrauchten Kohlenwasserstoffen an die im Filter enthaltene Aktivkohle. | 2: Bei dem Partikelfilter handelt es sich im Wesentlichen um einen zweistufigen Elektrofilter mit negativer Gleichspannung. Dieser entzieht der Luft Staubpartikel, die beispielsweise durch Reifenabrieb entstanden sind. | 3: Eine speziell aufbereitete Aktivkohle wird in Form von zylinderförmigen Pellets zwischen zwei Filterwände mit Lochblechen an den Vorder- und Rückseiten gefüllt. Für eine optimale Luftströmung sind die einzelnen Wände angeschrägt in W-Form positioniert. UNSERE MISSION: REINE LUFT CTP Chemisch Thermische Prozesstechnik ist globaler Innovationsführer in der industriellen Abluftreinigung. Wir entwickeln maßgeschneiderte Abluftreinigungssysteme für Industrieunternehmen, welche rund um die Erde zum Einsatz kommen. Hong Kongs Einwohnerzahl wächst jährlich um eine fünfstellige Zahl und dementsprechend steigt auch das Verkehrs- und Stauaufkommen im eng besiedelten Stadtgebiet. In Folge leidet die Metropole unter enorm hohen Abgaswerten und Feinstaubbelastung. Abhilfe soll dabei der neue Umgehungstunnel Central-Wan Chai Bypass schaffen, der mit einer Gesamtstrecke von 3,7 Kilometern zu den längsten Unterführungen der Stadt zählt. Um den Tunnel nicht nur mit Frischluft zu versorgen, sondern gleichzeitig die anfallende Abluft zu reinigen, entschied sich die Zentralregierung gegen eine Kaminlösung, wie sie beispielsweise häufig in Deutschland eingesetzt wird. Stattdessen beauftragte sie die „Filtrontec GmbH“ mit der Installation einer effizienten Filteranlage. Das zweistufige System transportiert die gesamte Abluft – 5,4 Millionen Kubikmeter pro Stunde – nicht einfach nur an die Oberfläche wie ein Kamin, sondern reinigt sie gleichzeitig von Schadstoffen. So werden etwa 80 Prozent der Stickstoffdioxide und 90 Prozent des Feinstaubs – selbst die gesundheitsgefährdenden PM2,5 und PM1-Partikel – beseitigt, sodass zusätzlich die Luftqualität der Umgebung verbessert wird. Belastung mit Stickstoffdioxid und Feinstaubpartikeln Viele Städte leiden unter erhöhtem innerstädtischen Verkehrsaufkommen. Entlastung sollen häufig große Tunnel bringen, die den Verkehr gebündelt unterirdisch leiten. Allerdings lässt sich gerade an den Tunnelausgängen und den Abluftleitungen eine besonders hohe Belastung der Luft mit Stickstoffdioxid und Feinstaubpartikeln messen. Diese Rückstände sind unter anderem auf Autoabgase sowie Reifen-, Straßen- oder Bremsabrieb zurückzuführen, die sich aufgrund der Enge lokal sammeln und über die Ventilation an die Umgebung abgegeben werden. In Hong Kong hat sich die Regierung der Sonderverwaltungsregion bei ihrem Umgehungstunnel Central-Wan Chai Bypass nun dazu entschieden, die Abluft nicht einfach auf die übliche Weise anzusaugen und hinaus zu blasen. Die neue Filterlösung soll die Umgebungsluft im Umkreis des Tunnels verbessern, indem Stickstoffdioxid und Feinstaubpartikel der Luft entzogen und beseitigt werden, bevor die Luft weiter in den Tunnel und aus den Luftausgängen hinausgelangt. „Was das Projekt in Hong Kong besonders macht, ist die sehr große Abluftmenge, die dort täglich anfällt“, erklärt Elke Deux, Projektleiterin und Geschäftsführerin bei der Filtrontec GmbH. „Die Filter gehören dabei sicher aktuell zu den größten dieser Art weltweit.“ Seit dem 24. Februar 2019, als der Tunnel komplett für den Verkehr geöffnet wurde, sind sie nun im Einsatz. Hohe Abscheiderate An drei verschiedenen Punkten im Bau sind acht Partikel- und acht Gasfilter integriert, die nacheinander geschaltet sind. Dem Luftstrom im Tunnel folgend besteht jedes Modul aus drei Komponenten: dem Vor-, dem Elektro- und dem Gasfilter. Der Vorfilter in Form eines Drahtgitters schützt die nachfolgenden Anlagenteile vor größeren Gegenständen wie Plastiktüten oder Papierfetzen, die im Elektrofilter Kurzschlüsse verursachen könnten. Anschließend gelangt die Luft in den Partikelfilter. „Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um einen zweistufigen Elektrofilter mit negativer Gleichspannung“, erläutert Deux. In der ersten Abscheidestufe wird die Luft elektrostatisch aufgeladen. Bei einer Spannung von 16 Kilovolt (kV) werden Elektronen emittiert, die sich an die Partikel in der Luft anlagern. Im nachfolgenden Kollektor sammeln sich die elektronenbeladenen Partikel an Kollektorplatten und bleiben daran haften, wo sie später mit Wasser entfernt und abgepumpt werden. Im darauffolgenden Gasfilter werden der feinstaubbefreiten Luft zusätzlich die gasförmigen Schadstoffe entzogen. Dazu wird eine speziell aufbereitete Aktivkohle in Form von zylinderförmigen Pellets zwischen zwei Filterwände mit Lochblechen an den Vorder- und Rückseiten gefüllt. Um hohe Energieeffizienz zu gewährleisten, werden alle Hilfsaggregate nur bei Bedarf betrieben. Der Stromverbrauch des Elektrofilters liegt im Milliampere-Bereich, sodass trotz hoher Spannungen nur eine geringe Leistung erforderlich ist. Anders als etwa bei einem Abluftkamin, bei dem ein hoher Energieaufwand nötig ist, um die Luft mit 20 Metern pro Sekunde hoch genug hinaus zu blasen, ist beim Filter keine zusätzliche Energie für die Erzeugung derart hoher Geschwindigkeiten notwendig. „In der Regel beläuft sich die Filterinstallation gerade einmal auf weniger als zwei und in Hong Kong sogar auf weniger als ein Prozent der gesamten Baukosten“, erklärt Deux.
Juli 2019/ UmweltJournal TRANSPORT | MOBILITÄT I STOFFSTRÖME 7 Katalysator-Innovation für Erdgasmotoren Saubere Abgase dank Schwamm-Struktur Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI in Villigen haben einen Katalysator für die Reinigung von Abgasen aus Erdgasmotoren entwickelt. Im Unterschied zu bisherigen Katalysatoren ist er auch bei niedrigen Temperaturen sehr aktiv und bleibt es über lange Zeit. So lässt sich Erdgas sauberer und klimaschonender verbrennen. Erd- und Biogas werden dadurch noch attraktiver als Ersatz für Erdölprodukte – zum Beispiel als Treibstoff für Autos. Der Trick liegt im Trägermaterial des Katalysators, dessen Struktur an einen Schwamm erinnert. Über ihre Entwicklung berichten die Forschenden in der neusten Ausgabe des Fachjournals Nature Communications. Autor: Jan Berndorff Paul Scherrer Institut Erdgasmotoren gelten vielfach als Brückentechnologie im Verkehr. Sie sollen Automotoren auf Erdölbasis, die etwa ein Drittel mehr Kohlendioxid ausstossen, ersetzen, bis Elektroautos und die dazugehörige Infrastruktur ausgereift sind. Besonders klimafreundlich ist ein Gasmotor, der statt mit fossilem Erdgas mit Biogas betrieben wird. Denn das wird in der Schweiz ausschließlich aus organischen Abfällen produziert, ist also eine erneuerbare und dadurch weitgehend klimaneutrale Ressource. Doch in der Praxis gibt es noch ein Problem: die Abgase. Die beste Option zur Verbrennung von Erdgas ist eigentlich der sogenannte Magermixmotor. Er mischt dem Gas in der Brennkammer viel Luft bei, denn das mindert die Menge an Treibstoff, die man zum Betrieb braucht. Magermixmotoren sind also besonders effizient. Sie kommen bislang vor allem in Gaskraftwerken zum Einsatz, auch in Schiffen und manchen grossen Lastwagen. Jedoch noch nicht in Autos. Denn sie haben den Nachteil, dass sie den Treibstoff nicht so gründlich verbrennen wie Erdgasmotoren mit weniger Luftbeimischung: „Beim Verbrennen von Erdoder Biogas bleiben recht grosse Mengen seines Hauptbestandteils Methan übrig. Zudem entsteht auch toxisches Formaldehyd.“, sagt Oliver Kröcher, Leiter des Labors für Bioenergie und Katalyse am Paul Scherrer Institut PSI. Der PSI-Katalysator behandelt das Abgas gründlicher Methan jedoch ist ein hochpotentes Treibhausgas, 25 Mal klimawirksamer als Kohlendioxid. Seinen Ausstoss sollte man also vermeiden – und den der anderen Schadstoffe ebenfalls. Dazu werden Katalysatoren eingebaut, die die Schadstoffe durch chemische Reaktionen in harmlosere Substanzen umwandeln, bevor diese in die Umwelt gelangen. Diese Katalysatoren basieren meist auf dem Edelmetall Palladium. Atomar fein verteilt auf einer rauen und dadurch grossen Oberfläche eines Trägermaterials kann das Palladium effektiv mit dem Abgas 1 2 1: Das Trägermaterial des Katalysators erinnert in seiner Struktur an einen Schwamm. Der Katalysator läuft stabil und behandelt das Abgas auch bei niedrigen Temperaturen effektiv. 2: Oliver Kröcher (rechts) und Andrey Petrov an der Experimentierstation, an der der Katalysator für Magermixmotoren entwickelt wurde. reagieren und die Schadstoffe abbauen. Als Trägermaterial diente bislang in der Regel Aluminiumoxid. Doch ausgerechnet bei Magermixmotoren funktioniert diese Technik noch nicht optimal: „Herkömmliche Katalysatoren sind im Magermixmotor bei Temperaturen unter 400 Grad noch zu wenig aktiv“, sagt Kröcher. Niedrige Abgas-Temperaturen sind aber von Vorteil, weil sie bedeuten, dass mehr Energie in die eigentliche Arbeit des Motors gesteckt werden konnte; der Wirkungsgrad ist also höher. Hinzu kommt, dass bisherige Katalysatoren schnell an Leistung einbüssen: Auf Aluminiumoxid sintert Palladium im heissen Abgas recht schnell. Das heisst, dass die winzigen Pal- ladiumpartikel zu grösseren verschmelzen wie Schokoflocken in der Sonne. Dadurch verlieren sie an Oberfläche und entsprechend verliert der Katalysator schnell an Aktivität, „im Labor bereits innerhalb weniger Stunden“, so Kröcher. Genau diese Nachteile konnte seine Forschungsgruppe nun beheben: Sie hat einen Katalysator für Magermixmotoren entwickelt, der stabil läuft und das Abgas auch bei niedrigen Temperaturen effektiv behandelt. Die Materialstruktur erinnert an einen Schwamm Die Forschenden testeten Zeolithe als neue Trägermaterialien. Dabei handelt es sich um hochporöse Substanzen auf Basis von Siliziumdioxid. Unter dem Mikroskop sehen sie aus wie ein Schwamm: durchzogen von lauter winzigen Löchern, die über Kanäle miteinander verbunden sind. Eine solche Struktur bietet enorm viel Oberfläche. Wenn sich darin das Palladium fein verteilt, kann es noch aktiver mit den Abgasen reagieren, der Katalysator ist effektiver – auch bei niedrigeren Temperaturen. „Auf den Gedanken mit dem Zeolith sind andere ebenfalls gekommen“, berichtet Andrey Petrov, Doktorand am PSI und Erstautor der Studie. Allerdings nur um festzustellen, dass das Palladium trotzdem sintert und auf Dauer an Effektivität verliert: Es wandert durch die Kanäle an die Oberfläche des Zeoliths und verschmilzt dort. Petrov hatte jedoch die entscheidende Idee, dies zu verhindern: Er bearbeitete den Zeolith mit Säuren und Basen, so dass die Poren sich etwas vergrösserten, und gab dann dem Palladium Natrium hinzu. „In diesen grösseren Poren kann sich das Palladium nun sammeln und sie ausfüllen. Wie wir feststellten, zeigt es in dieser immer noch nanometerkleinen Partikelgrösse die stärkste Aktivität.“ Gleichzeitig verhindert das Natrium, dass die Partikel wandern. Der Katalysator sintert dadurch fast gar nicht mehr. „In unseren Labortests blieb die erhöhte Aktivität über 90 Stunden erhalten“, bestätigt Oliver Kröcher. „Und wir erreichten die gleichen Umsätze der Abgasreinigung bei Temperaturen, die mindestens 50 Grad unter denen herkömmlicher Katalysatoren lagen.“ Der Schadstoffausstoss von Magermixmotoren lässt sich mit dem neuen Katalysator also deutlich verringern. Mit weiterer Entwicklungsarbeit womöglich sogar so weit, dass diese Art Motor auch für den Einbau in normale Autos in Frage kommt. „Die Motoren von Erdgasautos funktionieren zurzeit noch nach einem anderen Prinzip, eben weil bei Magermixmotoren bislang die Abgasnachbehandlung noch zu ineffektiv ist“, so Kröcher. „Doch das könnte sich nun ändern.“ Der endgültige Schritt zum papierlosen Unternehmen Innovative Software-, Dispositions- und Telematiklösungen vom führenden Hersteller für die Entsorgungs- und Recyclingwirtschaft : office : mobile : web Österreich Vorarlberger Wirtschaftspark 1 . 6840 Götzis . T +43 5523 62696-0 Deutschland Aroser Allee 64 . 13407 Berlin . T +49 30 9160718-0 Schweiz Körnerstraße 11 . 8004 Zürich . T +41 44 5852326 office@rona.at www.rona.at rona_Inserat_275x98mm_4c_RZ.indd 1 21.05.19 13:44
