<p>Schwefeldioxid-Emissionen </p><p>Schwefeldioxid entsteht hauptsächlich bei der Verbrennung schwefelhaltiger Brennstoffe. Seit 1990 sind die Emissionen um 96 Prozent gesunken, vor allem durch technische Maßnahmen sowie den Einsatz schwefelarmer Brennstoffe. Die Reduktionsziele sind damit alle erreicht worden.</p><p>Entwicklung seit 1990</p><p>Von 1990 bis 2023 ist ein Rückgang der Schwefeldioxid-Emissionen (SO2) von 5,5 auf nur 0,22 Millionen Tonnen (Mio. t) oder gut 96 % zu verzeichnen (siehe Abb. „Schwefeldioxid-Emissionen nach Quellkategorien“). Die Gründe hierfür liegen vor allem in der Stilllegung bzw. technischen Nachrüstung von Betrieben in den neuen Bundesländern sowie der Einsatz von Brennstoffen mit geringerem Schwefelgehalt. Ab dem Jahr 2016 sanken die Schwefeldioxid-Emissionen nochmals deutlich. Grund dafür war die Verschärfung der Anforderungen an die Abgasreinigung bei Großfeuerungsanlagen durch die Neufassung der 13. <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/b?tag=BImSchV#alphabar">BImSchV</a> vom 02.05.2013. Die Jahre ab 2020 sind von Sondereffekten geprägt, der stetig fallende Trend ist erst einmal unterbrochen.</p><p>Hauptverursacher der Schwefeldioxid-Emissionen im Jahr 2023 waren die stationären Feuerungsanlagen der Kraft- und Fernheizwerke der Energiewirtschaft und die Industriefeuerungen des Verarbeitenden Gewerbes mit einem Anteil an den Gesamtemissionen von zusammen 64 %. Seit 1990 senkten diese Bereiche ihren Schwefeldioxid-Ausstoß um 3,9 Mio. t (-97 %).</p><p>Eine vergleichbare Entwicklung zeigt sich in den Bereichen Haushalte sowie Gewerbe, Handel und Dienstleistung (Rückgang um insgesamt ca. 1 Mio. t oder fast -99 %, Anteil im Jahr 2023: 6,1 %).</p><p>Die Emissionen der mengenmäßig weniger bedeutsamen Industrieprozesse sanken zwischen 1990 und 2023 um 0,1 Mio. t und verminderten sich dadurch um ca. 69 %. Ihr Anteil an den gesamten Schwefeldioxid-Emissionen stieg durch die überproportionalen Minderungen in den anderen Bereichen im gleichen Zeitraum von 3 % auf 26 % (siehe Tab. „Emissionen ausgewählter Luftschadstoffe nach Quellkategorien“).</p><p>Erfüllungsstand der Emissionsminderungsbeschlüsse</p><p>Im <a href="https://unece.org/environment-policy/air/protocol-abate-acidification-eutrophication-and-ground-level-ozone">Göteborg-Protokoll</a> zur <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/u?tag=UNECE#alphabar">UNECE</a>-Luftreinhaltekonvention und in der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/n?tag=NEC-Richtlinie#alphabar">NEC-Richtlinie</a> (<a href="https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/?uri=CELEX%3A32016L2284">EU 2016/2284</a>) der EU wird festgelegt, dass die jährlichen SO2-Emissionen ab 2020 um 21 % niedriger sein müssen als 2005. Dieses Ziel wird seit 2021 eingehalten. </p><p>Auf EU-Ebene legt die NEC-Richtlinie (<a href="https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/?uri=CELEX%3A32016L2284">EU 2016/2284</a>) auch fest, dass ab 2030 die jährlichen Emissionen 58 % niedriger gegenüber 2005 sein sollen. Dieses Ziel wurde bisher nicht erreicht.</p><p>Entstehung von Schwefeldioxid-Emissionen</p><p>Schwefeldioxid entsteht überwiegend bei Verbrennungsvorgängen durch Oxidation des im Brennstoff enthaltenen Schwefels. Die nahezu konstanten, jedoch relativ unbedeutenden prozessbedingten Emissionen treten vornehmlich in den Bereichen der industriellen Produktionsprozesse in der Chemischen Industrie, der Metallerzeugung und dem Sektor Steine und Erden sowie der Erdöl- und Erdgasaufbereitung auf.</p>
<p>Stickstoffoxide entstehen hauptsächlich bei Verbrennungsprozessen in Anlagen und Motoren. Geringe Emissionen entstehen auch in bestimmten Industrieprozessen und in der Landwirtschaft. Trotz erheblicher Reduzierungen sind weitere Maßnahmen nötig, um die seit 2010 einzuhaltenden Höchstmengen dauerhaft zu unterschreiten und die Minderungsverpflichtungen seit 2020 und 2030 einzuhalten.</p><p>Entwicklung seit 1990</p><p>Emissionsangaben von Stickstoffoxiden (NOx) werden als NO2 berechnet. Diese übliche Umrechnung erfolgt, weil Stickstoffoxide zwar überwiegend als Stickstoffmonoxid (NO) emittiert werden, anschließend aber atmosphärisch zu Stickstoffdioxid (NO2) oxidieren. Von 1990 bis 2023 ist ein Rückgang der NOx-Emissionen um knapp 2 Millionen Tonnen (Mio. t) oder 70 % zu verzeichnen (siehe Abb. „Stickstoffoxid-Emissionen nach Quellkategorien“). Dieser Rückgang erfolgte in allen Quellkategorien – mit einem Minus von über 1,1 Mio. t am deutlichsten im Verkehr. Trotz dieser Minderung ist der Verkehrsbereich mit einem Emissionsanteil von fast 37 % weiterhin mit Abstand der größte Verursacher von NOx-Emissionen (siehe Tab. „Emissionen ausgewählter Luftschadstoffe nach Quellkategorien“).</p><p>Obwohl die Stickstoffoxid-Emissionen im Verkehrssektor insgesamt sinken, nimmt der Anteil des giftigen Stickstoffdioxids an den gesamten Stickstoffoxid-Emissionen zu. Als Grund hierfür wird neben der natürlichen Umwandlung von NO zu NO2 der höhere Anteil von NO2 im Abgas von mit Oxidationskatalysatoren ausgestatteten Dieselfahrzeugen diskutiert. Das in diesen Katalysatoren gebildete NO2 wird direkt emittiert und führt zum Beispiel in verdichteten Innenstädten zu erhöhten Stickstoffdioxid-Konzentrationen.</p><p>Emissionsminderungen in den anderen Bereichen resultierten aus dem Einsatz emissionsärmerer Brennstoffe, dem effizienteren Energieeinsatz, dem Einsatz von mobilen und stationären Katalysatoren sowie historisch in Folge des Strukturwandels in den neuen Bundesländern.</p><p>Die NOx-Freisetzung aus landwirtschaftlichen Böden dominiert die Emissionen aus der Landwirtschaft. Sie gingen zwischen 1990 und 2023 um 31,5 % zurück. Die Stagnation auf hohem Niveau in den Jahren 2014 bis 2016 konnte in den letzten Jahren mit deutlichen Rückgängen beendet werden. 2023 sanken die Emissionen auf den niedrigsten Stand der gesamten Zeitreihe.</p><p>Verursacher</p><p>Zu den Stickstoffoxiden (NOx) zählen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2). Sie entstehen größtenteils bei Verbrennungsvorgängen in Anlagen und Motoren und werden überwiegend als NO ausgestoßen und anschließend zu NO2 umgewandelt. Der prozessbedingte Anteil (2023 bei ca. sechs Prozent) wird von den energieintensiven Industrien der Wirtschaftssektoren Steine und Erden sowie Metallindustrie dominiert.</p><p>Die Bildung von NOx variiert in den Verbrennungsanlagen stark. Die höchsten Emissionen je Einheit verbrauchter Energie weist der Verkehrsbereich auf, gefolgt von den Kraftwerken. Die niedrigsten spezifischen Emissionen werden an den Kleinfeuerungen der Haushalte festgestellt, in der Summe sind die Emissionen aus diesem Bereich jedoch signifikant. Die entstehenden NOx-Emissionen können durch Nachbehandlung (Katalysatoren im Verkehrsbereich, DENOX-Anlagen bei Großfeuerungen) erheblich vermindert werden. Aber auch die Landwirtschaft (2023: 12 %) ist weiterhin eine relevante Emissionsquelle, wobei vor allem die landwirtschaftlichen Böden NOx emittieren.</p><p> </p><p>Erfüllungsstand der Emissionsminderungsbeschlüsse</p><p>Im <a href="https://unece.org/environment-policy/air/protocol-abate-acidification-eutrophication-and-ground-level-ozone">Göteborg-Protokoll</a> zur <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/u?tag=UNECE#alphabar">UNECE</a>-Luftreinhaltekonvention und in der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/n?tag=NEC-Richtlinie#alphabar">NEC-Richtlinie</a> (<a href="https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/?uri=CELEX%3A32016L2284">EU 2016/2284</a>) der EU wird festgelegt, dass die jährlichen NOx-Emissionen ab 2020 um 39 % niedriger sein müssen als 2005. Diese Ziele wurden 2021, 2022 und 2023 eingehalten. </p><p>Auf EU-Ebene legt die NEC-Richtlinie (<a href="https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/?uri=CELEX%3A32016L2284">EU 2016/2284</a>) auch fest, dass ab 2030 die jährlichen Emissionen 65 % niedriger gegenüber 2005 sein sollen. Dieses Ziel wurde bisher nicht erreicht.</p>
In der Industrie werden Hochtemperaturprozesse (800 - 2000°C) zur Produktion von Zementklinker, Kalk oder anderen Produkten eingesetzt. In diesen Prozessen wird meist Erdgas oder Kohle für die Erzeugung von Hochtemperaturprozesswärme eingesetzt. Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung eines einsatzfähigen Systems für die Konversion von Klärschlamm und anderen biogenen Rest- und Abfallstoffen in ein Brenngas zur direkten Substitution von fossilen Brennstoffen in Hochtemperaturindustrieprozessen. Im Rahmen von NaBI werden folgende Innovationen erforscht und erprobt, um die spezifischen Anforderungen der Hochtemperaturindustrieprozesse zu erfüllen: (1) Flexibilisierung des Gasifizierungsverfahrens bezüglich der Brennstoffqualität durch Optimierung der Wirbelschichtfluidisierung und damit Ermöglichung der Gasifizierung von Klärschlamm wechselnder Qualität sowie von weiteren Rest- und Abfallstoffen für einen breiten Einsatz des NaBI-Ansatzes. (2) Steigerung des Heizwerts des Brenngases durch Einsatz von Sauerstoff: Dadurch wird in gängigen Hochtemperaturprozessen eine weitaus höhere Substitutionsrate von Primärenergie ermöglicht. (3) Optimierung der Qualität der Klärschlammasche als Rohstoff für die Phosphorrückgewinnung durch Einsatz von Additiven. Damit wird die Attraktivität der Asche für Phosphorrückgewinnung erhöht. (4) Untersuchung und Nachweis des Einsatzes von Infrarot-Kamerasystemen für die Prozessüberwachung und -regelung. Bis 2026 wird die Marktreife für die optimierte Brenngasbereitstellung für Industrieprozesse durch Klärschlammgasifizierung erreicht, sodass die erste kommerzielle Anlage bis 2027 realisiert werden kann.
Gastrennmembranen stellen eine Querschnittstechnologie für die Energiewende dar. Sie erlauben es, eine modular skalierbare und dynamisch betreibbare Gastrenntechnologie an verschiedenste Anlagentypen und -größen anzupassen und dabei durch die unterschiedlichen zur Verfügung stehenden Membranmaterialien zahlreiche Trennaufgaben zu adressieren. Aus diesem Grunde sind sie bestmöglich geeignet, unterschiedliche Industrie- und Energieerzeugungssegmente im Sinne der Sektorkopplung zu verbinden. Dieser Querschnittsgedanke wird im geplanten Vorhaben MemKoWI durch die Untersuchung von Membranverfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus verschiedenen, in der Industrie und der regenerativen Energieerzeugung auftretenden Abgas- und Prozessgasströmen verfolgt. Beide Gaskomponenten, CO2 und H2, stellen im Kontext der Energie- und Rohstoffwende Einsatzstoffe für die Erzeugung von Energieträgern und industriellen Grundstoffen mittels Power-to-X Verfahren dar. Im geplanten Vorhaben sollen dazu exemplarisch relevante Abgas- und Prozessgasströme folgender ausgewählter Industrieprozesse betrachtet werden: - Regenerative Energieerzeugung: Frischholzkraftwerk CO2-Abtrennung aus dem Abgas. - Zementindustrie: CO2-Abtrennung aus dem Abgas. - Eisen- und Stahlindustrie o Gichtgaskraftwerk: CO2-Abtrennung aus dem Abgas o Hochofengas: CO2-Abtrennung und Aufbereitung für anschl. Synthesegasherstellung o Hochofengas: H2-Abtrennung und prozessinterne Rückführung als Reduktionsmittel o Koksofengas: H2-Abtrennung zur Aktivierung von CO2 für die Erzeugung von Grundchemikalien und Kraftstoffen sowie zur Nutzung als Reduktionsgas im Hochofen und Direktreduktion. Der Fokus des Vorhabens liegt auf der experimentellen Untersuchung des Gastrennverfahrens im Miniplant- und Testanlagenmaßstab. Dabei sollen ein- und zweistufige Verfahrensführungen getestet werden. Begleitet werden sollen die experimentellen Aktivitäten durch theoretische Arbeiten zur Modellierung und Simulation der Trennverfahren.
Im Projekt LuftBlock soll die Hochtemperatur-Wärmespeicherlösung der Firma Kraftblock weiterentwickelt und bei hohen Temperaturen mit gasförmigem Wärmeträger bei der Firma Comet in industriellem Maßstab demonstriert werden. Damit wird einerseits die Rückgewinnung einer großen Menge gespeicherter Wärme für einen Batch-Prozess, und andererseits gleichzeitig die damit verbundene Möglichkeit der kosteneffizienten Teilelektrifizierung eines Gasheizprozesses in der Anwendung realisiert. Herausforderungen, die dabei im Projekt adressiert werden, sind: - Direkte Nutzung der Abluft aus industriellen Prozessen, die u.U. mit Stäuben oder Kondensaten beaufschlagt ist - Verständnis der plastischen Verformung der Speicherwände in Schüttgutspeichern durch zyklische thermische Belastung. Ableitung von Auslegungsregeln zur Vermeidung von Materialversagen bei gleichzeitigen Materialeinsparungen - Optimale Integration in den bestehenden Prozess im Bezug auf Auslegung/Dimensionierung der einzelnen Komponenten und Betriebsführung des Speichers Ziel des geplanten Vorhabens ist es daher, Hindernisse zu überwinden, die bisher eine breite kommerzielle Einführung von Schüttgutspeichern verhindert haben oder kostentreibende Konstruktionslösungen und Überdimensionierungen erforderlich machten.