Fachinformationen zu Quecksilber in der Umwelt

Quecksilberemissionen aus der Energiegewinnung unterliegen gesetzlichen Vorgaben, um eine Gesundheitsgefährdung des Menschen auszuschließen und die Umwelt zu schützen. Seit 1990 wurden die Quecksilberemissionen der Energieerzeugung in Deutschland um rund 64 % gesenkt.

Zitat aus: Beckers, R., Heidemeier, J., Hilliges, F.: Kohlekraftwerke im Fokus der Quecksilberstrategie, 44. Kraftwerktechnisches Kolloquium Dresden, 2012:

„Aufgrund der Eigenschaften von Quecksilber (u.a. Halbwertzeit von metallischem Quecksilber in der Atmosphäre von etwa einem Jahr) sind nicht nur aktuelle Emissionen, sondern auch natürliche Quellen und Reemissionen aus Depots, z.B. von Böden oder Ozeanen zu beachten. Nach Pirrone (2009) stellt sich die globale Situation 2008 wie folgt dar:
  • Die Gesamtemissionen betragen etwa 7.527 t/a, davon stammen,
  • 5.207 t/a aus natürlichen Quellen und Reemissionen und
  • 2.320 t/a aus Neuemissionen.

Die größten Beiträge bei den natürlichen Quellen und Reemissionen leisten Emissionen aus den Ozeanen mit 2.682 t/a und die Verbrennung von Biomasse mit 675 t/a. Bei Neuemissionen sind es die Kohlekraftwerke mit 810 t/a, Goldgewinnung mit 400 t/a, Nichteisenmetallverarbeitung mit 310 t/a, Zementherstellung mit 236 t/a, Abfallbehandlung/-ablagerung mit 187 t/a und Natronlaugeherstellung mit 163 t/a.

Quecksilberemissionen aus der Energiegewinnung unterliegen in Deutschland schon seit Jahren gesetzlichen Vorgaben (13. BImSchV , 2004), um eine Gesundheitsgefährdung des Menschen auszuschließen und die Umwelt zu schützen. Seit 1990 wurden die Quecksilberemissionen der Energieerzeugung in Deutschland um rund 64 % gesenkt.

In der europäischen DEMOCOPHES-Studie (2013) „Human Biomonitoring on a European Scale“ wurde die Quecksilberbelastung von Müttern und Kindern in Europa untersucht. Dabei wurde ein Quecksilbermittelwert von 0,14 µg/g für Kinder und 0,22 µg/g für Mütter festgestellt. Der von der WHO/FAO gesundheitsbasierte Richtwert liegt bei 2,3 µ/g. Die Werte für Deutschland liegen bei etwa 50% der gefundenen Mittelwerte, also bei einem Zwanzigstel des festgelegten Richtwertes.

Quecksilberemissionen aus der Energiegewinnung unterliegen gesetzlichen Vorgaben, um eine Gesundheitsgefährdung des Menschen auszuschließen und die Umwelt zu schützen. Seit 1990 wurden die Quecksilberemissionen der Energieerzeugung in Deutschland um rund 64 % gesenkt. In Zahlen bedeutet dies:

  • Emissionen in Deutschland im Jahr 1990*
    • Gesamt: 32,25 t
    • Verbrennung, insgesamt alle Sektoren: 25,68 t
    • Kraftwerke: 19,04 t
  • Emissionen in Deutschland im Jahr 2015*
    • Gesamt: 10,82 t
    • Verbrennung, insgesamt alle Sektoren: 8,05 t
    • Kraftwerke: 6,87 t

*Quelle: Umweltbundesamt, Stand der Berechnung: 2015; Jahr 2015: vorläufige Werte.

Der gesetzlich aktuell gültige Grenzwert für Quecksilberemissionen über den Luftpfad, zuletzt 2013 vom Gesetzgeber überprüft, liegt bei 30 Mikrogramm pro Normkubikmeter im Tagesmittel. Ab 2019 gilt zusätzlich ein Jahresmittelwert von 10 Mikrogramm pro Normkubikmeter. Die tatsächlichen Emissionen liegen teils deutlich unter dem Genehmigungsgrenzwert.

Die heute im Einsatz befindlichen Techniken zur Rauchgasreinigung ermöglichen eine Abscheidung des Quecksilbers aus dem Rauchgas von bis zu 90 %.

Europaweit ist Deutschland in Sachen Grenzwerte für Quecksilberemissionen ein Vorreiter. Auf EU-Ebene werden Emissionswerte im sogenannten BREF-Prozess aktuell überprüft. Bindende Festlegungen werden voraussichtlich ab dem Jahr 2021 greifen.

In folgenden Fachbeiträgen finden sich weiterführende Informationen:

1. Fachgutachten über BVT-assoziierte Emissionswerte für Quecksilberemissionen in die Luft aus bestehenden Braunkohlekraftwerken mit Kohlenstaubfeuerung im LCP BREF-Überarbeitungsverfahren

Alfons Kather

Die BVT-assoziierten Emissionswerte (BAT-AELs) für Quecksilber (Hg) in die Luft aus bestehenden Braunkohlekraftwerken mit einer Feuerungswärmeleistung (MWth) ≥ 300 sind im endgültigen LCP BREF Entwurf als Jahresmittelwerte zwischen < 1 und 7 μg/Nm3 festgelegt. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse dieses Gutachtens sollte der Bereich für die neuen Hg-BATAELs für bestehende Braunkohlekraftwerke mit Kohlenstaubfeuerung zwischen 5 und 9 μg/Nm3 festgelegt werden, wenn der Hg-Gehalt der trockenen Braunkohle weniger als 0,22 mg/kg beträgt. Höhere Quecksilbergehalte als 0,22 mg/kg im trockenen Brennstoff sind im Rahmen des Genehmigungsverfahrens der betroffenen Anlage zu berücksichtigen.

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2. Grenzwerte für Quecksilberemissionen aus Kohlekraftwerken

Alfons Kather und Mathias Klostermann

Quecksilberemissionen aus deutschen Kohlekraftwerken sind seit dem Jahr 2004 auf einen Tagesmittelwert von 30 µg/m³ i.N. limitiert. Nach der derzeitigen Festlegung wird dieser Grenzwert ab dem Jahr 2019 auf einen Jahresmittelwert von 10 µg/m³ i.N. reduziert. Auf EU-Ebene wurden im Rahmen des aktuell laufenden Verfahrens zur Revision des Merkblattes „Reference Document on Best Available Techniques for Large Combustion Plants“ BREF-LCP im Juni 2015 eine mit der zur Zeit besten verfügbaren Technik im Jahresmittel erreichbare Quecksilberkonzentration für Kraftwerke mit einer thermischen Leistung ≥ 300 MW(th) von <1 bis 4 µg/m³ i.N. für bestehende Steinkohlekraftwerke und von <1 bis 7 µg/m³ i.N. für bestehende Braunkohlekraftwerke identifiziert und zur Diskussion in die nachgeschalteten Gremien eingebracht. Bei einer Annahme durch die Gremien muss die nationale Gesetzgebung der EU-Mitgliedsstaaten die Grenzwerte dann derart anpassen, dass Bestandsanlagen diese Konzentrationsbereiche von ca. 2021 an erreichen.

In der aktuellen Diskussion um die Umweltbelastung durch Kohlekraftwerke werden häufig die Quecksilberemissionsgrenzwerte der USA genannt, welche derzeit die weltweit schärfsten darstellen. Diese wurden am 16. Februar 2012 im Federal Register unter der Bezeichnung MATS (Mercury and Air Toxics Standards) in den Maßeinheiten lb/GWh bzw. lb/TBtu veröffentlicht und werden immer wieder auf die europäische Grenzwertmaßeinheit µg/m³ i.N. umgerechnet. Bei dieser Umrechnung werden häufig fälschlicherweise Grenzwerte von 1,4 µg/m³ i.N. für Steinkohlekraftwerke und 4,1 µg/m³ i.N. für Braunkohlekraftwerke berechnet. Bei richtiger Umrechnung der MATS-Grenzwerte ergeben sich für Steinkohle- bzw. Braunkohlekraftwerke mit sehr niedrigen Wirkungsgraden Grenzwerte von 1,5 µg/m³ i.N. bzw. 5 µg/m³ i.N. und für Steinkohle- bzw. Braunkohlekraftwerke mit Wirkungsgraden nach dem heutigen Stand der Technik Grenzwerte von 2,3 µg/m³ i.N. bzw. 5,6 µg/m³ i.N.. Diese Klarstellung ist deshalb so wichtig, weil auf die US-Grenzwerte in Diskussionen, Studien und Veröffentlichungen zu Quecksilberemissionen in Deutschland häufig Bezug genommen wird. So wird in der Kurzstudie „Quecksilberemissionen aus Kohlekraftwerken in Deutschland – Stand der Technik der Emissionsminderung“ von Dr. Barbara Zeschmar-Lahl davon ausgegangen, dass der ohnehin schon zu niedrig umgerechnete Grenzwert von 4,1 µg/m³ i.N. im Normalbetrieb noch einmal um 40 % niedriger läge, sodass in dieser Studie von einem Grenzwert von 2,46 µg/m³ i.N. und somit von weniger als der Hälfte des tatsächlichen MATS-Grenzwerts ausgegangen wird. Im Rahmen einer kleinen Anfrage im deutschen Bundestag wird sogar 1 µg/m³ i.N., also weniger als 20 % des MATS-Grenzwerts für Braunkohlekraftwerke, in die Diskussion eingebracht.

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3. Möglichkeiten und Nachteile der Bromid-Zugabe zur Minderung von Quecksilber-Emissionen in kohlebefeuerten Kraftwerken

Henk te Winkel

Die Zugabe von Bromid zum Brennstoff oder bromierter Aktivkohle zur Rauchgasreinigung gehört zu den neueren Verfahren, um zusätzliches Quecksilber aus den Rauchgasen von Kohlekraftwerken abzuscheiden. Die in dem vorliegenden Bericht beschriebene Studie konzentriert sich auf mehrere Aspekte der Bromidzugabe zur Reduzierung von Quecksilberemissionen.

Quecksilberemissionen sind ein globales Umweltproblem. Der Beitrag Europas einschließlich Russlands zu den globalen Quecksilberemissionen beläuft sich auf weniger als 15 %. Der Beitrag der Kohlekraftwerke in der EU-27 wird auf weniger als 2 % geschätzt.

Grundsätzlich lässt sich bei Kohlekraftwerken durch den Zusatz von Bromid (Br) zum Brennstoff eine gewisse zusätzliche Reduzierung von Hg-Emissionen in die Luft erreichen. Doch die Technik ist auch mit einigen Nachteilen hinsichtlich Umwelt- und Gesundheitsaspekten verbunden. Darüber hinaus ist nicht vollständig geklärt, welche langfristigen Effekte ein Bromidzusatz auf Korrosionseffekte hat. Daher kann diese Technik im Moment nicht als „beste verfügbare Technik (BVT)“ betrachtet werden. In Kraftwerken, in denen die Hg-Emissionen bereits niedrig sind, wie in vielen europäischen Kraftwerken mit installierter BVT, könnte der Nutzen einer zusätzlichen nur geringen Hg-Abscheidung für die Umwelt kleiner sein als die negativen Begleiteffekte. In diesem Fall wäre ein positiver Effekt auf die gesamte Umweltbilanz zweifelhaft.

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4. Quecksilber-Abscheidung am Beispiel des Kraftwerkes Lippendorf

Jan Schütze, Uwe Schilling, Lothar Hilbert, Josef Herbert Strauß und Thomas Hörtinger

Infolge anlagentechnischer und brennstoffseitiger Besonderheiten lassen sich Abscheidetechnologien für Quecksilber (Hg) nur sehr eingeschränkt auf andere Kraftwerksanlagen übertragen. Für das Kraftwerk Lippendorf wurden seit dem Jahr 2010 verschiedene Optionen zur Reduzierung der Hg-Konzentrationen im Reingas getestet, bei denen sich der Zusatz eines sulfidischen Fällungsmittels zur REA als leistungsfähigstes Verfahren qualifizierte. Die Optimierungsmaßnahmen innerhalb der Branntkalk-REA, wie z.B. durch Kalksteinzusatz eine pH-Pufferung zu erzielen oder per Oxidationsluftzufuhr, Steigerung des L/G-Verhältnisses und Vergrößerung des Sumpfvolumens das Redoxpotential zu erhöhen, steigerten zwar das Hg-Inventar im Wäscher, konnten aber letztendlich keine stabile Hg-Einbindung in der REA-Suspension gewährleisten. Erst die Zugabe eines sulfidischen Fällungsmittels zur REA, bzw. alternativ die Dosierung von Aktivkohle ins Rauchgas vor Elektrofilter stellten Potentiale für Hg-Senken mit Hg-Abscheidegraden von bis zu ca. 80 % dar. Eine kumulierende Wirkung von Fällungsmitteln in der REA und AK-Dosierungen konnten bei Kombination beider Verfahren nicht festgestellt werden.

Deshalb hat sich für die Anlage in Lippendorf zur dauerhaften Absenkung der Hg-Emissionen in der Praxis nur die Zugabe des sulfidischen Fällungsmittels als Erfolg versprechend erwiesen.

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5. Bilanzierung von Quecksilber in der Rauchgasreinigung bei Mitverbrennung von Biomasse in einer Laborfeuerungsanlage

Tobias Schwämmle, Silvio Farr, Barna Heidel und Günter Scheffknecht

Eine Strategie zur Reduzierung der Quecksilberemissionen von kohlebefeuerten Kraftwerken stellt der Co-Benefit-Ansatz dar, bei dem in High-dust SCR-DeNOx-Katalysatoren zunächst elementares Quecksilber (Hg0) oxidiert wird. Das oxidierte Quecksilber (Hg2+) wird im zweiten Schritt in der nassen Rauchgasentschwefelung (REA) abgeschieden. Eine neue Herausforderung stellt die Mitverbrennung von Biomasse und Ersatzbrennstoffen als attraktive, kurzfristig verfügbare Lösung zur Reduzierung der CO2-Emissionen, dar. Diese Maßnahme kann jedoch auch zu Betriebsbedingungen in der Rauchgasreinigung führen, für die diese nicht ausgelegt wurde.

Das Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik der Universität Stuttgart (IFK) betreibt eine Laborfeuerung, an der im Rauchgasweg ablaufenden Reaktionen untersucht werden können. Die Versuchsanlage mit einer Leistung von 2 kWth und einem Rauchgasvolumenstrom von 2 m3/h ist mit einem SCR-DeNOx-Katalysator, einem Elektrofilter und einer nassen REA ausgestattet.

Die Verteilung der Quecksilberspezies während der Verbrennung von Kohle wie auch bei Biomassemitverbrennung wird anhand detaillierter Massenbilanzen über die gesamte Versuchsanlage gezeigt. Die Quecksilberoxidation an SCR-DeNOx-Katalysatoren kann durch einen höheren Chlorgehalt des Brennstoffs und durch einen erhöhten Vanadium-Gehalt des Katalysators gesteigert werden. Die Abscheidung von partikulär gebundenem Quecksilber im Elektrofilter wird von der Betriebstemperatur beeinflusst. Schließlich werden Einflüsse auf die Schwefeldioxid- und Quecksilberabscheidung in der nassen REA während der Mitverbrennung, insbesondere die Hemmung der Sulfitoxidation durch Iodid, aufgezeigt und Maßnahmen zur Vermeidung der Re-Emission von Quecksilber diskutiert.

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Mehr zum Thema:

  1. Umweltbundesamt:
    Emissionen von Luftschadstoffen
  2. Umweltbundesamt:
    Nationale Trendtabellen für die deutsche Berichterstattung atmosphärischer Emissionen (Schwermetalle) 1990 - 2013
  3. Umweltbundesamt:
    Emissionen von Wärmekraftwerken und anderen Verbrennungsanlagen
  4. Christian Tebert, Oekopol:
    Quecksilber-Emissionen aus Kohlekraftwerken – Auswertung der EU-Schadstoffregistermeldungen nach einer Idee der BZL GmbH
  5. Alfons Kather, Technische Universität Hamburg-Harburg:
    Stellungnahmen zum Gutachten „Quecksilber‐Emissionen aus Kohlekraftwerken“ des Instituts für Ökologie und Politik (Ökopol)
  6. United States Environmental Protection Agency:
    Mercury and Air Toxics Standards (MATS)
  7. Umweltbundesamt:
    Berichte
  8. DEMOCOPHES final report
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1 Fachgutachten über BVT-assoziierte Emissionswerte für Quecksilberemissionen in die Luft PDF 11.04.2017 2,54 MB
2 Grenzwerte für Quecksilberemissionen aus Kohlekraftwerken (Alfons Kather und Mathias Klostermann) PDF 27.01.2016 0,81 MB
3 Möglichkeiten und Nachteile der Bromid-Zugabe zur Minderung von Quecksilber-Emissionen in kohlebefeuerten Kraftwerken (Henk te Winkel) PDF 27.01.2016 0,27 MB
4 Quecksilber-Abscheidung am Beispiel des Kraftwerkes Lippendorf (Jan Schütze, Uwe Schilling, Lothar Hilbert, Josef Herbert Strauß und Thomas Hörtinger) PDF 27.01.2016 1,34 MB
5 Bilanzierung von Quecksilber in der Rauchgasreinigung bei Mitverbrennung von Biomasse in einer Laborfeuerungsanlage (Tobias Schwämmle, Silvio Farr, Barna Heidel und Günter Scheffknecht) PDF 27.01.2016 0,71 MB