Entwicklungen im Bereich der Einzelraumfeuerungen

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1 Entwicklungen im Bereich der Einzelraumfeuerungen Tobias Ulbricht, Dr. rer. nat. Ingo Hartmann Mittwochs im MUEEF: Optimales Heizen mit Holz Für eine saubere Umwelt

2 Warum Wärmewende mit Holz? Holz gilt als treibhausgasneutraler Brennstoff. Holz kann in vielen Regionen Deutschlands ohne lange Transportwege bereitgestellt werden. Auf Basis von Holzfeuerungen können Anlagen für den Betrieb mit anderen biogenen Reststoffen entwickelt werden. Aber: Die Feuerung darf durch ihre Emissionen nicht treibhausgasrelevant werden (z.b. durch Ruß, Methan, CO). Durch die Emissionen sollten keine Gesundheitsschäden hervorgerufen werden. 2

3 Phasen der Holzverbrennung Trocknung ( C) Das gebundene Wasser im Holz wird erhitzt und verdampft. Je mehr Wasser im Holz gebunden ist, desto mehr Energie muss für das Verdampfen aufgewendet werden (hörbar am Knistern). Die Holzscheite rauchen dunkler. Anforderung / notwendiges Eingreifen Schornsteinzug richtige Auslegung; ggf. Einsatz eines Zugbegrenzers trockener Brennstoff Holz vor dem Einsatz ca. 2 Jahre trocknen beim Kauf auf Holzfeuchte achten Holz bei der Lagerung von Wiederbefeuchtung schützen (C) Grzegorz Polak/Fotolia.com (C) Paul Trainer (DBFZ) (C) Tobias Ulbricht (DBFZ) 3

4 Phasen der Holzverbrennung Entgasung (=Pyrolyse; C) Flüchtige Holzbestandteile gehen bei C in gasförmige Phase über. Ab 250 C ist der Zersetzungsvorgang heftig und nicht mehr zu kontrollieren (Verbrennung kann durch Luftdrosselung nicht geregelt werden!). Wird der Verbrennungsprozess in dieser Phase gestört (z.b. schließen der Luftklappe) so entsteht ein schadstoffreiches, geruchsintensives und gesundheitsgefährdendes Pyrolysegas mit Ruß und Teer. Anforderung / notwendiges Eingreifen Schornsteinzug (Optimum) Verhältnis Brennstoffmasse zum Feuerraum entstehendes Brenngas muss später reagieren können. laut Herstellerangaben (i.d.r. max. 1/3 des Brennraumes) Sauerstoffmenge (Optimum) muss zur Verfügung stehen im Holz ist ausreichend Sauerstoff vorhanden (Primärluft zu) (C) Paul Trainer (DBFZ) (C) Tobias Ulbricht (DBFZ) 4

5 Phasen der Holzverbrennung Oxidation ( C) Bei der Oxidation wird das brennbare Gas aus dem Holz umgesetzt. Es entsteht Wärme, übrig bleibt Asche (= nicht brennbare Anteil des Holzes z.b. Salze). Anforderung / notwendiges Eingreifen Schornsteinzug (Optimum) Temperatur (zum Zünden der Gase) Auskleidung des Brennraumes z.b. mit Schamotte Sauerstoffzuführung (Optimum) Sekundär- oder Terziärluft gute Durchmischung Ausreichende Reaktionszeit ausreichende Länge zwischen Brennstoff und Schornsteinstutzen (C) Grzegorz Polak/Fotolia.com (C) Paul Trainer (DBFZ) (C) Tobias Ulbricht (DBFZ) 5

6 Phasen der Holzverbrennung - Zusammenfassung Trocknung Entgasung =Pyrolyse Oxidation ( C) ( C) ( C) Anforderung / notwendiges Eingreifen trockener Brennstoff Schornsteinzug (Optimum) Verhältnis Brennstoffmasse zum Feuerraum Reaktionszeit und Reaktionsraum Temperatur zum Zünden Sauerstoffzuführung (Optimum) (C) Grzegorz Polak/Fotolia.com (C) Paul Trainer (DBFZ) (C) Tobias Ulbricht (DBFZ) 6

7 Emissionen aus Kaminöfen 10 nm nm Anorganische Salz-Partikel: d p < 100 nm (Ultrafeinstaub) Alkali-Salze aus den Komponenten K +, Na +, SO 4 2-, Cl -, OH -, CO 3 2-, NO 3 - Anorganische Ruß-Partikel und OC: d p 100 nm (Feinstaub) Ruß Anlagerung von Organik-Komponenten wie PAK, Phenole und andere semi- bzw. schwerflüchtige OC sowie PCDD/F durch Adsorption Anorganische oxidische Partikel: 100 nm< d p < nm Oxide von Schwermetallen (Zn, Fe, Mn u.a. in Spuren wie Cr, Cu, Pb, Cd) Kondensation von Alkali-Komponenten Anorganische Aschepartikel und unverbrannte Brennstoffpartikel: d p > nm Erdalkali-/Übergangsmetall-Verbindungen (Ca, Mg, Al, Fe als Oxide, Sulfate, Silikate, Phosphate) Kohlenstoff-Verbindungen (C) Grzegorz Polak/Fotolia.com (C) Paul Trainer (DBFZ) (C) Steffi Pelz / pixelio.de 7

8 Emissionen aus Kaminöfen 10 nm nm Anorganische Salz-Partikel: d p < 100 nm (Ultrafeinstaub) Alkali-Salze aus den Komponenten K +, Na +, SO 4 2-, Cl -, OH -, CO 3 2-, NO 3 - Anorganische Ruß-Partikel und OC: d p 100 nm (Feinstaub) Ruß Anlagerung von Organik-Komponenten wie PAK, Phenole und andere semi- bzw. schwerflüchtige OC sowie PCDD/F durch Adsorption Anorganische oxidische Partikel: 100 nm< d p < nm Primärluft* Sekundärluft Primärluft* Oxide von Schwermetallen (Zn, Fe, Mn u.a. in Spuren wie Cr, Cu, Pb, Cd) Kondensation von Alkali-Komponenten Anorganische Aschepartikel und unverbrannte Brennstoffpartikel: d p > nm Erdalkali-/Übergangsmetall-Verbindungen (Ca, Mg, Al, Fe als Oxide, Sulfate, Silikate, Phosphate) Kohlenstoff-Verbindungen (C) Grzegorz Polak/Fotolia.com Primärluft / Zug * wirkt über die Glutbetttemperatur (C) Paul Trainer (DBFZ) (C) Steffi Pelz / pixelio.de 8

9 Einzelraumfeuerungen: Emissionsbereich für die nach 1. BImSchV relevanten Abgasbestandteile Kaminofen Grenzwerte 1. BImSchV Einfacher Ofen Hochwertiger Ofen Sturzbrandofen oder Ofen mit Luftregelung Typprüfung Labormessung Labormessung Labormessung CO 1,25 g/m³ größer 1,5 g/m³ 1,0 bis 1,5 g/m³ 1,0 bis 1,5 g/m³ VOC größer 0,2 g/m³ 0,1 bis 0,2 g/m³ unter 0,15 g/m³ Staub 0,04 g/m³* größer 0,1 g/m³** 0,05 bis 0,1 g/m³** unter 0,05 g/m³** Werte bezogen auf 13 Vol.-O2 und im Normzustand * Vereinfachtes Verfahren (ohne Spülung); **Referenzverfahren (mit Spülung) Grenzwerte aus der 1. BImSchV (2.Stufe) können mit der heute üblichen Technik in der Praxis nur selten erreicht werden Hartmann, I.; Lenz, V.: Emissionen aus Kleinfeuerungsanlagen und deren Minderung. VDI Wissensforum Emissionsminderung, Nürnberg,

10 Exkurs Typprüfung / täglicher Betrieb Typprüfung Erzeugen von reproduzierbaren Werten Randbedingungen: Betrieb durch Spezialisten unter kontrollierten Bedingungen Startphase wird nicht berücksichtigt Anlagenüberwachung mit Messgeräten täglicher Betrieb Produktion von Wohlsein und Wärme mit möglichst wenig Aufwand Randbedingungen: schwankende Umgebungsbedingungen Betreiber mit sehr unterschiedlichem Erfahrungshintergrund Kein Abgleich zwischen subjektivem Eindruck und tatsächlichen Emissionen 10

11 Kaminofen mit Regelung und nachgeschaltetem ESP und Katalysator Hochwertiger Ofen Einfacher Ofen mit Sekundärmaßnahmen CO 1,0 bis 1,5 g/m³ 1,0 g/m³ VOC 0,1 bis 0,2 g/m³ 0,07 g/m³ Staub 0,05 bis 0,1 g/m³ 0,02 g/m³ Hartmann, I.; Koch, C.; Schenker, M.; Thiel, C.: Emissionsminderung in Biomassekleinfeuerungsanlagen durch Kombination von katalytischen und elektrostatischen Abgasreinigungsverfahren. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachausschüsse Gasreinigung und Hochtemperaturtechnik DECHEMA-Haus, Frankfurt am Main, 2011 Thiel, C.: Emissionsminderung durch integrierte und kombinierte Maßnahmen an einer Einzelraumfeuerung; Vortrag auf der 5. Statuskonferenz, Fünf Jahre BMU-Förderprogramm Energetische Biomassenutzung Wege zur effizienten Bioenergie!, Leipzig

12 Sturzbrandkaminofen DBU-NEKO Entwicklungsbasis (Referenz) Patent: Stove for solid fuels (EP A2), Firma Specht, 2002 Quelle: Stahl- und Apparatebau Specht OHG getrennte Luftführung für Primärund Sekundärluft brennraumtemperaturgeführte Sauerstoffregelung optimierte Sekundärluftzufuhr Katalysatorintegration 12

13 Sturzbrandkaminofen DBU-NEKO Hochwertiger Ofen DBU-NEKO Prototyp mit integr. Katalysator CO 1,0 bis 1,5 g/m³ 0,32 g/m³ VOC 0,1 bis 0,2 g/m³ 0,03 g/m³ Staub 0,05 bis 0,1 g/m³ < 0,02 g/m³** DBFZ DBFZ 13

14 Entwicklung eines Kaminofens zur kombinierten Nutzung von Pellets und Scheitholz - PELLWOOD Prototyp Gewinn des ersten Platzes auf dem Pellet Stove Design Challenge 2016 in den USA (April 2016) Team Wittus: DBFZ 14

15 Entwicklung eines Kaminofens zur kombinierten Nutzung von Pellets und Scheitholz - PELLWOOD Hochwertiger Ofen PELLWOOD Prototyp CO 1,0 bis 1,5 g/m³ < 0,02 g/m³ VOC 0,1 bis 0,2 g/m³ Staub 0,05 bis 0,1 g/m³ < 0,01 g/m³ Entwicklungsziel Wirkungsgrad = %, Wärmeabgabe = 13 kw 15

16 Biomassekleinstfeuerung Leistung 1-2 kw Sturzbrandprinzip kontinuierliche Brennstoffdosierung mit einem Schneckendosierer Brennstoff: zerkleinerte Holzpellets (Korngröße 1-6 mm) gestufte Luftzufuhr mit Massenflussreglern Anlagendesign zum Patent angemeldet Kleinstfeuerungsanlage für biogene Festbrennstoffe WO A1, Prioritätsdatum 12. Febr DBFZ 16

17 Biomassekleinstfeuerung Hochwertiger Ofen Kleinstfeuerungs - Prototyp CO 1,0 bis 1,5 g/m³ < 0,02 g/m³ VOC 0,1 bis 0,2 g/m³ < 0,01 g/m³ Staub 0,05 bis 0,1 g/m³ < 0,006 g/m³ Matthes, M.; Hartmann, I.; König, M.: Emissionsarme Wärmebereitstellung aus Biomasse im kleinen Leistungsbereich (< 2 kwth) ; DBFZ Tagungsband Nr. 3 "Smart Bioenergy - Wie sieht die Zukunft der Bioenergie aus?" von der 2. DBFZ-Jahrestagung am 8./9. September 2016; Leipzig; S.120; ISBN: DBFZ 17

18 Forschungsschwerpunkte SmartBiomassHeat und Katalytische Emissionsminderung Ansprechpartner Tobias Ulbricht Tel.: 0341/ Dr. Ingo Hartmann Tel.: 0341/ DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Torgauer Straße 116 D Leipzig Tel.: +49 (0)