6. Verbrennungstechnik - Rahmenbedingungen Holzfeuerungen

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1 6. Verbrennungstechnik - Rahmenbedingungen Holzfeuerungen Dipl.-HLFL-Ing. Leopold Lasselsberger, Bundesanstalt für Landtechnik (BLT) 6.1 Grundlagen der Verbrennungstechnik [1] und technische Umsetzung Zusammensetzung von Holz Feste Brennstoffe lassen sich sowohl durch ihre brennbaren und nicht brennbaren Bestandteile als auch durch ihre Elementaranalyse beschreiben. Nicht brennbare Bestandteile sind Asche und Wasser (Abb. 1). Holz unterscheidet sich von Kohle durch einen hohen Gehalt an flüchtigen (vergasbaren) Bestandteilen und einen geringen Gehalt an Asche. Der Wassergehalt von Holz ist variabel. Erntefrisches Waldholz hat einen Wassergehalt von 40 % bis 50 %, lufttrockenes Holz enthält 15 % bis 20 % Wasser. Brennstoff nicht brennbare Substanz brennbare Substanz Wasser Asche flüchtige Bestandteile Holzkohle Abbildung 1: Schematische Zusammensetzung von festen Brennstoffen [2] Die brennbaren Bestandteile sind hauptsächlich Kohlenstoff und Wasserstoff, daneben auch (unerwünschter) Schwefel. Als Ballaststoffe kommen Sauerstoff, Stickstoff, Asche und Wasser vor. In der Asche sind diejenigen festen Rückstände erfasst, die nicht mit Sauerstoff reagieren können, also z.b. Quarz u.a., aber auch der in Karbonaten gebundene Kohlenstoff und Sulfidschwefel. Die einzelnen Elemente liegen im Brennstoff in meist nicht näher bekannten Bindungen vor. Die Mengen der vorhandenen Elemente werden durch eine Elementaranalyse ermittelt und als Massenanteile angegeben. Auch von der Asche und vom Wasser werden die Massenanteile bestimmt. Zur Kennzeichnung der Massenanteile werden Kleinbuchstaben verwendet, z.b. bei Kohlenstoff (c), bei Wasserstoff (h), bei der Asche (a), beim Wassergehalt (w) usw. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

2 Die Elementarzusammensetzung (c, h, n, o, s) sagt etwas über den Heizwert des Brennstoffes aus, ermöglicht auch Rückschlüsse auf die zu erwartenden Emissionen bei der Verbrennung. Der Aschegehalt gibt an, mit welchem Ascheanfall nach der Verbrennung zu rechnen ist. Holz (wie auch andere pflanzliche biogene Brennstoffe) enthält erhebliche Mengen an gebundenem Sauerstoff. Dies zeigt an, dass ein Teil der Verbindungen bereits teilweise oxidiert ist. Holz hat daher einen geringeren Heizwert als Holzkohle, Koks (besteht nahezu vollständig aus Kohlenstoff) oder Kohlenwasserstoffe (Gas und Heizöl), wie aus Abb. 2 ersichtlich ist. Abbildung 1: Heizwert verschiedener Brennstoffe im Vergleich [2] Der Heizwert von Holz wird weiter durch den Gehalt an Stickstoff, an Asche bildenden Mineralien und an Wasser vermindert Wassergehalt und Brennwert Die entscheidende Größe des Holzes ist der Wassergehalt (w). Holz enthält in der Praxis stets unterschiedlichen Wassergehalt, der sich laufend verändern kann. Der Wassergehalt hat einen Einfluss auf das Verbrennungsverhalten des Holzes und den Heizwert. Bei der Trocknung verflüchtigt sich das Wasser. In Freiluftlagerung erreicht das Holz den so genannten lufttrockenen Zustand (lutro) von 15 % bis 20 % Wassergehalt. Durch Erwärmung auf Temperaturen über 100 C lässt sich die Holzfeuchte vollkommen entfernen. Dieser Zustand wird als absolut trocken (atro) bezeichnet. Die Holzfeuchte (u) ist der Anteil des im Holz enthaltenen Wassers, angegeben in Prozent der Masse des wasserfreien Holzes und wird aus der Differenz zwischen Frischgewicht (G u = Gewicht bei u % Feuchte) und Darrgewicht (G o = absolut Trockengewicht) errechnet. Gu Go u = 100 in % G o 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

3 Der Wassergehalt (w) ist der Anteil des im Holz enthaltenen Wassers, angegeben in Prozent der Masse des wasserhaltigen Holzes (Frischgewicht), und errechnet sich nach der Formel: w G u = G G u o 100 in % Zusammenhang zwischen Wassergehalt und Holzfeuchte: w 100 u 100 w = u = u 100 w Ein hoher Wassergehalt vermindert den Heizwert pro kg Brennstoff (Abb. 3) und führt zu niedrigeren Verbrennungstemperaturen, die einen unvollständigen Ausbrand begünstigen. Abbildung 2: Zusammenhang zwischen Wassergehalt w bzw. Holzfeuchte u und dem Heizwert H u bei Holz [2] Die im Brennstoff gebundene Energie wird durch den Brennwert bzw. den Heizwert gekennzeichnet und stellt eine weitere wichtige Kennzahl des Brennstoffes dar. Der Brennwert (H o ), früher oberer Heizwert oder Verbrennungswärme genannt, ist der Quotient aus der durch vollständige Verbrennung frei werdenden Wärmemenge und der Masse des Stoffes unter der Voraussetzung, dass die Temperatur des Brennstoffes vor dem Verbrennen und die seiner Verbrennungsprodukte 25 C beträgt. das vor der Verbrennung im Brennstoff bereits vorhandene und das durch die Verbrennung zusätzlich gebildete Wasser nach der Verbrennung in flüssiger Form vorliegt. die Verbrennungsprodukte von Kohlenstoff und Schwefel als Kohlendioxid und Schwefeldioxid gasförmig vorliegen. eine Oxidation des Stickstoffes nicht stattgefunden hat. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

4 Der Heizwert (H u ), früher unterer Heizwert genannt, ist der Quotient aus der durch vollständige Verbrennung frei werdenden Wärmemenge und der Masse des Stoffes unter der Voraussetzung, dass die Temperatur des Brennstoffes vor dem Verbrennen und die seiner Verbrennungsprodukte 25 C beträgt. das vor der Verbrennung im Brennstoff bereits vorhandene und das durch die Verbrennung zusätzlich gebildete Wasser nach der Verbrennung dampfförmig (bei 25 C) vorliegt. die Verbrennungsprodukte von Kohlenstoff und Schwefel als Kohlendioxid und Schwefeldioxid gasförmig vorliegen. eine Oxidation des Stickstoffs nicht stattgefunden hat. Der Brennwert ist um den Betrag der Verdampfungswärme des in den Abgasen enthaltenen Wassers größer als der Heizwert. In allen technischen Feuerungen enthalten die Abgase das Wasser in dampfförmigem Zustand, sodass bei Verbrennungsrechnungen allgemein mit dem Heizwert zu rechnen ist. Es ist also: H o ( 9H + w) = H u r [kj/kg] 100 r Verdampfungsenthalpie des Wassers = 2441 kj/kg bei 25 C w Wassergehalt des Brennstoffes in % H Wasserstoffgehalt des Brennstoffes in % Der Heizwert für den Brennstoff Holz wird entsprechend ÖNORM M 7132 wie folgt berechnet: H u, w H u, wf (100 w) 2,44w = H u r [MJ/kg] 100 H u,w H u,wf Heizwert in MJ/kg bei einem Wassergehalt von w Heizwert der wasserfreien Substanz in MJ/kg 2,44 Verdampfungswärme des Wassers in MJ/kg, bezogen auf 25 C Bei festen Brennstoffen lässt sich die genaue Größe des Heizwertes wegen der vielen möglichen Bindungsarten der Elemente nur auf kalorimetrische Weise ermitteln. Angenähert ist bei bekannter Zusammensetzung eines Brennstoffes der empirisch ermittelte Heizwert. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

5 Heizwert nach Boie für feste und flüssige Brennstoffe: H u = 34,8 c+93,9 h+6,3 n+10,5 s-10,5 o-2,5 w [kj/kg] c Gehalt an Kohlenstoff [kg/kg] h Gehalt an Wasserstoff [kg/kg] n Gehalt an Stickstoff [kg/kg] o Gehalt an Sauerstoff [kg/kg] s Gehalt an Schwefel [kg/kg] w Gehalt an Wasser [kg/kg] Der Energiegehalt und der Raumbedarf von Holz sind abhängig von der Darrdichte und dem Wassergehalt der jeweiligen Holzart. Ein Raummeter geschichtetes Buchenholz (w = 15 %) enthält gerade so viel Energie wie ein 1,56 rm Fichtenholz (w = 15%). Abbildung 3: Rauminhalt von Holz [VI] Stückholz [kg/rm] [kwh/rm] Buche 1rm, geschichtet Fichte 1rm, geschichtet Aufbau von Holz Tabelle 1: Energiegehalt pro Raummeter Holz Die Beschreibung der Zusammensetzung von Holz kann einerseits durch die chemischen Bestandteile erfolgen, welche die Holzsubstanz aufbauen (Tab. 2), andererseits durch die Elementaranalyse (Tab. 3). Hartholz Weichholz Zellulose Hemizellulose Lignin Tabelle 2: Grundbausteine des Holzes [3] 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

6 Holz besteht zu fast 50 % aus Zellulose, die dem Holz die Struktur verleiht und die in eine Matrix aus Hemizellulose (als Traggerüst) und Lignin (Bindemittel zwischen Zellulose und Hemizellulose) eingebettet ist. Weitere Bestandteile des Holzes sind Harze, Wachse, Fette, mineralische Stoffe usw. c h o n a Fichte 50,74 5,40 43,47 0,10 0,29 Buche 49,67 5,30 44,36 0,22 0,45 Tanne 50,84 5,20 43,42 0,17 0,31 Tabelle 3: Elementarzusammensetzung bezogen auf die Trockenmasse in % [3] Schwefel, Chlor sowie Schwermetalle sind in sehr kleinen Mengen im Holz vorhanden. Schädliche Emissionen, die auf diese Elemente zurückzuführen sind, treten bei der Holzverbrennung nicht auf Ablauf der Holzverbrennung Abbildung 5: Schematischer Verlauf der bei der Holzverbrennung ablaufenden Vorgänge [2] Die Verbrennung von Holz ist ein komplexer Vorgang, der in mehreren Stufen abläuft (Abbildung 5). Die Verbrennung beginnt mit der Trocknungs- und Entgasungsphase. Das Holz gibt zunächst das Wasser (15 bis 20 Massen-% bei luftgetrocknetem Holz) ab. Da für die Verdampfung des Wassers Energie gebraucht wird, verringert sich der Heizwert mit steigendem Wassergehalt. In dieser Phase steigt die Temperatur des Holzes kaum über 100 C. Wenn das auf der Oberfläche anhaftende oder in Hohlräumen der Zellen befindliche Wasser verdampft ist, steigt die Temperatur des Holzes. Bereits ab 60 C werden aus der Holzsubstanz die ersten organischen Abbauprodukte in Spuren freigesetzt. Die eigentliche thermische Zersetzung aber 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

7 beginnt bei 160 bis 180 C (Pyrolyse oder Entgasungsphase). Mit steigender Temperatur nehmen die Abbaureaktionen immer stärker zu. Ab ca. 250 C wird der Zersetzungsvorgang heftig. Jetzt erzeugen die Zersetzungsreaktionen mehr Wärme als sie verbrauchen. In dieser Phase sind die Pyrolysereaktionen nicht mehr kontrollierbar und eine Ursache dafür, warum die Verbrennung von Holz in einer handbeschickten Feuerung nicht durch Luftdrosselung geregelt werden kann. Die Entgasungsphase (Pyrolysephase) dauert bis etwa 600 C an. Dann hat das luftgetrocknete Holz rund 85 % seiner Masse in Form vom Wasser, Kohlenstoffdioxid und brennbaren gasförmigen Produkten verloren. Es verbleibt energiereiche Holzkohle (Abb. 6). Gewichtsanteil Energieanteil 1% Mineralstoffe 83% Flüchtige Stoffe 67% 16% Holzkohle 33% Abbildung 6: Gewichts- und Energieanteil der festen und flüchtigen Stoffe in Holz [4] Während der Entgasungsphase werden ca. 70 % des Heizwertes von Holz freigesetzt. Das bei der Entgasung gebildete Gas enthält als brennbare Bestandteile vor allem Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und organische Verbindungen. Das Gas ist sehr reaktiv und reagiert unter Flammenbildung in Gegenwart von Luft zu CO 2 und H 2 O durch Freisetzung von Wärme (Energie). Werden die Verbrennungsvorgänge an dieser Stelle vorzeitig gestört, z.b. durch Wärmeentzug, dann entsteht ein schadstoffreiches und geruchsintensives Gas, das außerdem mit schwer flüchtigen organischen Verbindungen, Ruß und Teer beladen ist. Wesentliche Aufgabe des Konstrukteurs und des Betreibers einer Holzfeuerung ist es daher, einen möglichst ungestörten Ausbrand der Brenngase zu ermöglichen Verbrennung der Brenngase Die Reaktionen in der Flamme laufen über sogenannte Radikale ab. Radikale sind Moleküle oder Atome, die ungepaarte Elektronen haben und sehr reaktiv sind. Sie entstehen aus normalen Molekülen oder Atomen bei höheren Temperaturen oder aus bereits vorhandenen Radikalen. In dieser Phase ist es notwendig, ausreichend Luftsauerstoff zuzuführen und mit dem Brenngas gut zu vermischen und ausreichend lang reagieren zu lassen. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

8 Verbrennung der Holzkohle Das Endprodukt der Pyrolyse (Entgasung) von Holz ist Holzkohle. Dieser kohlenstoffreiche Rückstand (ca. 90% C) verbrennt bei Temperaturen über 600 C mit einer kleineren Flamme. Die Oxidation der Holzkohle setzt nochmals ca. 30% des Heizwertes von Holz frei. Am Ende der Verbrennung verbleibt die Asche mit einem Anteil von ca. 0,5 bis 1 Masse-%. Holzkohle verbrennt weniger heftig. Chemisch gesehen ist es eine heterogene Reaktion. Luftsauerstoff (Gas) muss die Oberfläche von Holzkohle (Feststoff) erreichen. Es entsteht zuerst CO, das weiter mit Luftsauerstoff zu CO 2 reagiert (Boudouard Gleichgewicht). 2C + O 2CO + O CO 2 2 2CO 2 2CO + C 2CO Die Holzfeuerung verhält sich in dieser Phase wie eine mit einem gasarmen Festbrennstoff (Koks, Kohle) betriebene Anlage. 2 Abbildung 7: Verlauf der Temperatur und der CO 2 -Konzentration im Abgas einer handbeschickten Holzfeuerung [2] Abbildung 8: Durchbrandkessel Der stufenweise Verlauf der Verbrennung lässt sich gut am Verlauf der CO 2 - Konzentration im Abgas einer handbeschickten Feuerung erkennen (Abb. 7). Durchbrandkessel zeigen dieses typische Verbrennungsverhalten. Bei Aufgabe von 10 kg Holz (luftgetrocknet) ist die Trocknungszeit nach ein paar Minuten zu Ende. Es setzt die Entgasungsreaktion, verbunden mit Flammenbildung und einem steilen Anstieg der CO 2 -Konzentration ein. Nach ca. 15 Minuten erreichen die Verbrennungsvorgänge und die CO 2 -Konzentration ein Maximum, das einige Minuten anhält. Danach nimmt der CO 2 -Wert ab. Nach einer Stunde sind mehr als 95% des Holzes verbrannt. Auch der Temperaturverlauf im Abgas (nach der Brennkammer) spiegelt diese Vorgänge wider. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

9 Bei kontinuierlich arbeitenden Feuerungen laufen die Vorgänge parallel ab, d.h. sie sind räumlich und zeitlich getrennt. Abbildung 9 zeigt eine Rostfeuerung, bei der die einzelnen Zonen nacheinander auf einem beweglichen Rost angeordnet sind. Dem mehrstufigen Verbrennungsablauf des Holzes wird dadurch Rechnung getragen, dass die Verbrennungsluft stufenweise zugeführt wird. Mindestanforderung für eine Holzfeuerung ist eine zweistufige Luftzufuhr, die als Primär- und Sekundärluft bezeichnet wird. Abbildung 9: Räumliche Differenzierung der verschiedenen Phasen des Verbrennungsvorgangs bei Holz bei einer Schrägrostfeuerung [2] Abbildung 10: Automatisch beschickte Feuerung 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

10 6.1.3 Verbrennungsgleichungen Die brennbaren Bestandteile des Brennstoffes können mit Sauerstoff folgende Verbindungen eingehen: C + O 2 = CO 2 1 kmol 1 kmol 1 kmol 12 kg 32 kg 44 kg 12 kg 22,41 m 3 22,41 m 3 1 kg 1,867 m 3 1,867 m 3 2 H 2 + O 2 = 2 H2O 2 kmol 1 kmol 2 kmol 4 kg 32 kg 36 kg 4 kg 22,41 m 3 44,82 m 3 1 kg 5,6 m 3 11,2 m 3 S + O 2 = SO 2 1 kmol 1 kmol 1 kmol 32 kg 32 kg 64 kg 32 kg 22,41 m 3 22,41 m 3 1 kg 0,7 m 3 0,7 m Sauerstoffbedarf Aus der Elementaranalyse eines Brennstoffes lässt sich der zur Verbrennung von festen (und flüssigen) Brennstoffen erforderliche Sauerstoffbedarf berechnen. O2,min = 1867, c + 5, 6 h + 0, 7 s 0, 7 o [Nm 3 /kg Brennstoff] Luftbedarf Die zur vollkommenen Verbrennung von Brennstoffen theoretisch erforderliche Luftmenge wird als Mindestluftbedarf (L min ) bezeichnet. In 1 Nm 3 Luft sind 0,21 Nm 3 Sauerstoff und 0,79 Nm 3 Stickstoff enthalten. Die Luftmenge, die theoretisch zur vollständigen Verbrennung erforderlich ist, beträgt daher L min O,min = 2 0, 21 [Nm 3 /kg Brennstoff] Faustregel zur Berechnung des Mindestluftbedarfs: Luftüberschuss L min 0, 25 Nm 3 je 1000 kj Heizwert Bei allen technischen Feuerungen ist, um eine vollkommene Verbrennung zu erhalten, mehr Luft zuzuführen als theoretisch erforderlich ist, da sonst nicht jedem brennbaren Molekül der erforderliche Sauerstoff zugeteilt werden könnte. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

11 Das Verhältnis der wirklich zugeführten Luftmenge L zu L min nennt man (Luftverhältniszahl) Luftzahl λ. λ = L L min [-] Die tatsächlich zuzuführende Verbrennungsluftmenge ist L = L Verbrennungsgasmenge λ min [Nm 3 /kg Brennstoff] Enthalten die Verbrennungsgase noch Staub, Flugasche oder sonstige Feststoffe (Ruß), so spricht man von Rauchgasen. In den Schornstein eintretende reine oder gereinigte Gase sind Abgase. Bei vollständiger Verbrennung kann das Verbrennungsgas CO 2, SO 2, H 2 O, N 2 und O 2 enthalten. Die gesamte auf die Brennstoffmenge bezogene feuchte Verbrennungsgasmenge (V A,f ) ist V, = V + V + V + V + V A f CO H O SO N O Ein Teil dieser Bestandteile entsteht bei der chemischen Reaktion des Brennstoffes, z.b. wird aus 1 kmol C 1 kmol CO 2. Aus der in 1 kg Brennstoff enthaltenen Kohlenstoffmenge c/12 (kmol C/kg Brennstoff) entsteht demnach die CO 2 -Menge c/12 (kmol C/kg Brennstoff). Entsprechendes gilt für die übrigen brennbaren Elemente. Daneben gehen die im Brennstoff und in der Verbrennungsluft vorhandenen Wasser- und Stickstoffmengen und der überschüssige Sauerstoff in das Verbrennungsgas über. Die Stickstoffmenge des Brennstoffes ist n/28 (kmol N 2 /kg Brennstoff), die Wassermenge im Brennstoff ist w/18 (kmol H 2 O/kg Brennstoff). Der Stickstoffgehalt der Luft ist 0,79 l L min, der Sauerstoffüberschuss ist 0,21 (L- L min )= 0,21 (λ - 1)L min. Trockene Abgasmenge V A, tr ( λ ) λ ( λ ) VA tr = N2 + 1, 867 c + 0, 7 s + 1 0, 21 L = 0, 79 L , c + 0, 7 s + 1 0, 21 L,,min min min min ( ) V = 1867, c + 0, 7 s + λ 0, 21 L [Nm 3 /kg Brennstoff] A, tr min Feuchte Abgasmenge V A, f VA, f = VA, tr + 11, 2 h + 1, 24 w [Nm 3 /kg Brennstoff] Unvollständige Verbrennung Bei der unvollständigen Verbrennung treten im Verbrennungsgas brennbare Gase wie CO, CH 4 oder H 2 auf. Daher sind die oben genannten Gleichungen nicht anzuwenden. Die Ursache kann Luftmangel oder ungenügende Durchmischung von Brennstoff und Luft (trotz ausreichender Luftzufuhr) sein. Weiters kann auch freier Sauerstoff im Verbrennungsgas auftreten. In Feuerungen ist die unvollständige Verbrennung wegen der hohen Verluste durch die chemisch gebundene Energie unerwünscht, da 1 % CO im Verbrennungsgas bereits einen Wirkungsgradverlust von etwa 4 % bis 6 % verursacht. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

12 Die Verbrennungsgasmenge und -zusammensetzung ändern sich gegenüber der vollständigen Verbrennung durch die brennbaren Gase, sowie den bei ungenügender Durchmischung nicht verbrauchten Sauerstoff Taupunkt der Rauchgase Als Taupunkt eines wasserdampfhältigen Gases wird die Temperatur bezeichnet, unterhalb der ein Auskondensieren des Wasserdampfes erfolgt, d.h. Tauwasserbildung einsetzt. Der Wasserdampf im Rauchgas kondensiert beim Taupunkt (Abb.11). Abbildung 11: Taupunkt für Wasserdampf bei verschiedenen Brennstoffen in Abhängigkeit vom Luftverhältnis (CO 2 -Gehalt) [5] Da das aus dem Gas stammende Kondenswasser durch Lösen anderer Abgasbestandteile im Allgemeinen sauer reagiert, sollte zur Vermeidung von Korrosion eine Taupunktunterschreitung in herkömmlichen Anlagen weitgehendst vermindert werden. Eine Ausnahme bilden hier die speziell für den Kondensationsbetrieb vorgesehenen Feuerungs- oder Wärmeerzeugungsanlagen. Der Taupunkt ist abhängig von der Brennstoffart und dem Luftüberschuss. Er steigt auch mit dem Schwefelgehalt des Brennstoffes an, was besonders bei schwefelhaltigen Brennstoffen zu beachten ist (Säuretaupunkt). Die Taupunkttemperatur der Abgase ist um so höher, je höher der Wasser- und Wasserstoffgehalt des Brennstoffes ist. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

13 6.1.5 Wärmebilanz und Kesselwirkungsgrad Die Wirtschaftlichkeit einer Wärmeerzeugungsanlage ist durch den Anteil der ausgenutzten Wärme zu der im Brennstoff enthaltenen Energie bestimmt. Zum Nachweis der Nutzwärmeabgabe dient eine Wärmebilanz (Abb. 132) und die daraus resultierende Berechnung des Wirkungsgrades η. Brennstoffenergie Q B K E S S E L Nutzenergie Q N u Verluste Q V e r l Abbildung 12: Wärmebilanz einer Feuerung Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad ist das unter Prüfbedingungen ausgedrückte Verhältnis von zugeführter zur abgegebenen Wärme. Es ergeben sich zwei Methoden zur Ermittlung des Wirkungsgrades. Direkte Methode Bei dieser Methode wird der Wirkungsgrad (η K ) direkt über die abgegebene Nutzwärme bestimmt. Der Wirkungsgrad nach der direkten Methode ist das Verhältnis in Prozent von eingesetzter Leistung (Brennstoffenergiestrom Q B ) zur nutzbaren Leistung (Nutzenergiestrom Q Nu ). Die erzeugte Wärme wird an einen Wärmeträger übertragen, z.b. Wasser. η K Q = Nu Q B 100 ( ) m c T T p V R η k = Hu B 100 in % m Wasserdurchfluss [kg/h] c p spezifische Wärmekapazität des Wärmeträgers [kj/kgk] (Wasser 4,2 kj/kgk) T V Vorlauftemperatur [K] T R Rücklauftemperatur [K] H u Heizwert des Brennstoffes [kj/kg] B Brennstoffmenge [kg/h] Indirekte Methode In der Praxis ist das direkte Messen der zugeführten und nutzbar abgegebenen Wärme schwierig oder teilweise unmöglich. Deshalb begnügt man sich bei Kontrollmessungen meistens mit der Bestimmung des Wirkungsgrades nach der indirekten Methode. Der Wirkungsgrad nach der indirekten Methode in Prozent 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

14 entspricht der eingesetzten Leistung (Brennstoffenergiestrom Q B ) minus der Verluste Q Verl. η K = Q Q Nu B QB QVerl QVerl 100 = 100 = 100 = Q Q B B ( Q Q Q Q ) A U F S Q A Abgasverluste Q U Unverbrannte Gase Q F Brennbare Rückstände Q S Strahlungsverluste Abgasverluste durch freie Wärme Wenn die Abgase den Kessel verlassen, besitzen sie noch eine höhere Temperatur als die Luft und der Brennstoff bei Eintritt in die Feuerung. Diese Differenz des Wärmeinhaltes der Heizgase stellt den bedeutendsten Verlust dar. Wenn auch anzustreben ist ihn möglichst klein zu halten, so sind hiefür noch Grenzen gesetzt. Einmal muss der notwendige Kaminzug gesichert sein, zum anderen muss durch genügend hohe Abgastemperatur der Tauwasserbildung und der Korrosion im Kessel und Schornstein vorgebeugt werden. Bei bekannter Abgasmenge und Abgaszusammensetzung ergibt sich der Abgasverlust aus folgender Gleichung: Q A ( ) V, c T T = H A f pm A L u 100 in % V A, f Feuchte Abgasmenge [m 3 /kg Brennstoff] c pm Spezifische Wärmekapazität des Abgases [kj/m 3 K] T A T L H u Abgastemperatur [ C] Lufttemperatur [ C] Heizwert des Brennstoffes Für überschlägige Rechnungen genügt die ältere, aber viel benutzte Formel von Siegert mit dem Faktor (σ). Es gilt: Q A TA T = σ CO Ein Anstieg der Abgastemperatur und damit eine Erhöhung des Verlustes Q A tritt allerdings auch ein, wenn durch Verschmutzung der Kesselheizfläche der Wärmeübergang behindert wird. Um einen wirtschaftlichen Betrieb zu sichern, empfiehlt sich daher ein regelmäßiges Überwachen der Abgastemperatur um danach die Notwendigkeit einer Kesselreinigung zu überprüfen. 2 L in % 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

15 Verluste durch unverbrannte Gase Von den im Abgas etwa noch vorhandenen unverbrannten Gasen spielt praktisch nur der Kohlenoxidgehalt eine Rolle. Der anteilsmäßige Verlust lässt sich berechnen durch QU = VA, tr COgem H V A, tr trockenes Abgasvolumen [m 3 /kg] CO gem der gemessene Kohlenmonoxidgehalt der Gase in Raumanteilen Heizwert von CO [kj/nm 3 ] Sind außer Kohlenmonoxid noch andere unverbrannte Gase vorhanden (z.b. Kohlenwasserstoffe), so vergrößert sich der Verlust. Verluste durch brennbare Rückstände Im Rostdurchfall ist je nach Beschaffenheit des Brennstoffes und der Betriebsweise der Feuerung eine mehr oder weniger große Menge an Unverbranntem enthalten. Verluste durch Strahlung Dieser Verlust ist abhängig von der Bauart und den Betriebsverhältnissen. Bei modernen Anlagen liegt er unter 0,5 % der Nenn-Wärmeleistung Schadstoffe im Abgas (Emissionen) Wie schon erwähnt, findet bei Verbrennungsvorgängen eine große Anzahl komplexer physikalischer und chemischer Vorgänge statt. Voraussetzung für eine vollständige Verbrennung sind folgende Bedingungen in der Ausbrandzone einer Holzfeuerung: ausreichend hohe Temperatur (mindestens 800 C) ausreichende Verweilzeit (mindestens zwei Sekunden bei 800 C) gute Durchmischung von Brenngas und Luftsauerstoff genügend Luftsauerstoff durch Primär- und Sekundärluftzufuhr u Im englischen Sprachgebrauch werden die Vorbedingungen für einen guten Ausbrand durch die 3-T-Regel verdeutlicht: Temperature, Time and Turbulence. Die Bildung von Schadstoffen bei Verbrennungsprozessen ist unvermeidlich und läßt sich in der Praxis nur durch Optimierung der Verbrennung (Primärmaßnahmen) oder durch Abgasreinigung (Sekundärmaßnahmen) vermindern. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

16 Die Emissionen von Holzfeuerungen werden in folgenden Kategorien eingeteilt: Emissionen bei vollständiger Verbrennung: Kohlendioxid, Wasser, Aschepartikel, Schwefeloxide, Stickstoffoxide (Halogenwasserstoffe, Schwermetalle) Emissionen bei unvollständiger Verbrennung: Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe (organisch Gesamt-C), Teer, Ruß, unverbrannte Partikel, polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) Emissionen durch Nebenreaktionen: Stickstoffoxide, Dioxine Kohlenmonoxid CO Zwischenprodukte des Entgasungs- und Verbrennungsvorganges sind vor allem Kohlenmonoxid und organische Verbindungen. Sie lassen sich stets in unterschiedlichen Konzentrationen nachweisen. Die Oxidation des Kohlenmonoxids erfordert eine sogenannte Anspringtemperatur von 500 C und für einen vollständigen Abbrand eine gewisse Verweilzeit von mindestens eine Sekunde bei einer Temperatur zwischen 500 und 700 C. Bei zu geringer Verweilzeit in der Flamme und zu geringer Temperatur oder auch bei Luftmangel kann ein Teil des Kohlenmonoxids in das Abgas gelangen. Kohlenmonoxid ist stark toxisch, farb- und geruchlos und gilt deshalb als besonders gefährlich Organische Kohlenwasserstoffe Unter dem Sammelbegriff organisch Gesamt-C verbirgt sich eine Vielzahl von organischen Kohlenwasserstoff-Verbindungen, die, wie das Kohlenmonoxid, eine Folge der nicht vollständigen Oxidation sind. Bei Luftmangel kann eine thermische Zersetzung einsetzen, die zur Bildung neuer, ursprünglich nicht im Brennstoff enthaltener Kohlenwasserstoffe führt. Auf diese Weise stellt man sich die Bildung von polyzyklischen aromatischen Verbindungen (PAK) vor, von denen einige als krebserregend bekannt sind Staubförmige Emissionen Hiezu zählen alle Substanzen, die eine Feuerstätte als Feststoffpartikel im Abgas verlassen Schwefeloxide Schwefeloxide (SO 2 und SO 3 ) zählen zu den Verbindungen, die ein normales Produkt der Verbrennung sind, wenn der Brennstoff Schwefel enthält. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

17 Der mit dem Brennstoff zugeführte Schwefel ist nach seiner Verbrennung in den Verbindungen SO 2, SO 3 und H 2 SO 4 ebenso für die Umweltschäden verantwortlich, wie auch die Stickstoffoxide (Stichwort: saurer Regen, Bauwerkschäden usw.). Das bei der Verbrennung zunächst entstehende SO 2 ist ein farbloses, stechend riechendes und hoch toxisches Gas, das seine Giftwirkung auf alle Lebewesen gleichsam ausübt. Holz enthält nur geringe Mengen an Schwefel (hauptsächlich durch Umwelteinflüsse z.b. saurer Regen in der Rinde). Auch liegt ein Teil des Schwefels als Sulfat vor, sodass SO 2 nicht von Bedeutung ist Stickstoffoxide Stickstoffoxide lassen sich durch Optimierung des Ausbrandes vermindern aber nicht grundsätzlich vermeiden. Stickstoffoxide (NO x ) sind der Oberbegriff für die beiden Oxide des Stickstoffs - Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO 2 ). Auch Distickstoffoxid N 2 O (Lachgas) gehört dazu. Bei Konzentrationsangaben wird unabhängig von der Zusammensetzung des Abgases NO x als NO 2 berechnet. Die Stickstoffoxide werden auf dreierlei Weise gebildet: Thermisches NO x Prompt-NO x Chemisches NO x Thermisches NO x Bei Temperaturen oberhalb 1300 C reagieren Luftstickstoff und Luftsauerstoff miteinander unter Bildung von NO. Formell kann diese Reaktion durch folgende Gleichung dargestellt werden: N2 + O2 2NO Die Bildungsreaktion nimmt mit steigender Temperatur stark zu. Da die kritische Temperatur von 1300 C bei Holzfeuerungen nicht erreicht wird, spielt diese Art von NO x hier keine praktische Rolle. Prompt-NO x Bei diesem Bildungsweg entsteht Stickstoffoxid über Zwischenverbindungen, die aus kohlenstoffhaltigen Radikale und Luftsauerstoff in heißen Bereichen der Flamme gebildet werden und weiter oxidieren. Auch diese Art der Bildung hat für Holzfeuerungen keine nennenswerte Bedeutung. Chemisches NO x Holz enthält geringe Mengen an organisch gebundenem Stickstoff (0,2 bis 0,5 Masse-%). Bei der Verbrennung wird der gebundene Stickstoff zunächst als gasförmiges Ammoniak oder Cyanwasserstoff freigesetzt. Im weiteren Verlauf der Verbrennung werden diese Verbindungen teilweise zu Stickstoffoxiden oxidiert. Die Bildung von chemischem NO x nimmt auch mit steigender Temperatur zu. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

18 6.2 Technische Umsetzung Feuerungstechnik Warmwasserzentralheizungsanlagen bestehen aus einem Heizkessel mit Brenner, einem Warmwasserverteilungssystem mit Pumpen und Heizkörpern in den Räumen, einer Warmwasserbereitungsanlage, einer Regelungseinheit und der Abgasabfuhreinrichtung. Die Heizkessel werden dabei mit verschiedenen Brennstoffen und unterschiedlicher Beschickung betrieben Handbeschickte Kessel Stückholzkessel werden händisch mit Holzstücken (abgelängt und gespalten) oder grobem Energiehackgut beschickt. Bei modernen Kesseln mit unterem Abbrand wird die Verbrennungsluft über Gebläse (Saugzug- oder Druckgebläse) als Primär- und Sekundärluft getrennt zugeführt Traditionelle Bauweise Durchbrandkessel haben große, gekühlte Brennräume. Die Flamme brennt durch die gesamte Brennstofffüllung. Die Verbrennung ist schwer zu kontrollieren. Systembedingt ist mit kurzen Nachlegeintervallen zu rechnen und die Verluste im Abgas sind hoch. Aufgrund bestehender Anforderungen sind diese Kessel für Holz nicht mehr zu empfehlen. Kessel mit unterem Abbrand wurden auf das Brennverhalten von Holz abgestimmt. Die Verbrennung erfolgt im unteren Teil des Füllraums. Auf Grund des höheren heizgasseitigen Widerstandes und der meist geringen Abgastemperaturen ist in der Praxis vor allem beim Anfeuern und im gedrosselten Betrieb mit Problemen zu rechnen. Bild 13: Durchbrandkessel Bild 14: Stückholzkessel mit unterem Abbrand Neue Kesselgeneration Gebläsekessel: Stückholz wird im Füllraum auf das Glutbett, wo die Primärverbrennung stattfindet, aufgebracht. Durch den von einem Ventilator erzeugten Überdruck im Füllraum werden die Holzgase durch eine Öffnung (Brenner), in den darunter gelegenen heißen Brennraum gedrückt, in welchem die Gase unter Zufuhr von Sekundärluft bei hohen Temperaturen ausbrennen können. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

19 Saugzugkessel: Im unteren Teil des Füllraumes wird durch Zufuhr von Primärluft Wärme freigesetzt und brennbares Gas erzeugt. Das Gas wird durch das Saugzuggebläse - am Übergang vom Wärmetauscher zum Kamin - nach unten oder seitlich neben dem Füllraum, in den Brennraum gesaugt, verwirbelt und brennt ohne Wärmeabgabe unter Zufuhr von Sekundärluft aus. Regelung Saugzuggebläse Rohrwärmetauscher Stellmotor Primärluft Sekundärluft Lambdasonde Füllraum Rost Brennraum Aschenraum Bild 15: Saugzugkesselkessel handbeschickt Bild 16: Saugzugkesselkessel handbeschickt 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

20 6.2.2 Automatisch beschickte Feuerungen Hackgutfeuerungen kleiner Leistung für die Beheizung des Wohnraumes werden überwiegend mit Holzhackgut bis zu einer Körnung von 30 mm automatisch beschickt. Meist werden die Systeme mit in den Wärmetauscher integrierten Brennräumen oder Voröfen verwendet. Regelung Brennraum Förderschnecke Verbrennungsluft Bild 17: Hackgutfeuerung automatisch beschickt Pelletsfeuerungen sind als Heizkessel, ähnlich Holzhackgutfeuerungen, oder als Kaminöfen zur Wohnraumbeheizung aufgebaut. Diese Feuerungen werden automatisch aus einem Vorrats- oder Zwischenbehälter beschickt. Der sehr rieselfähige Brennstoff mit konstantem Wassergehalt ermöglicht einen einfacheren Aufbau der Fördereinrichtung und einfachere Regelungen. Bild 18: Pellets-Heizkessel Bild 19: Pellets-Kaminofen 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

21 6.2.3 Regelung der Feuerungen Grundsätzlich wird die Leistungsabgabe der im Handel befindlichen händisch oder automatisch beschickten Holzfeuerungen durch die Kesselsolltemperatur geregelt. Eine Begrenzung der höchsten und tiefsten Abgastemperatur ermöglicht ebenfalls die Leistungsregelung. Unterstützend wird auch eine Unterdruckmessung und -kontrolle im Brennraum eingesetzt. Diese Regelparameter drosseln vor allem die Primärluftzufuhr durch Öffnen oder Schließen von Stellschiebern und/oder durch Drehzahlregelung der Verbrennungsluftgebläse. Bei einfachen Regelungen wird die Sekundärluftzufuhr durch festgelegte Stellgrößen entsprechend dosiert. Mit einer Lambdasondenregelung kann die Sekundärluftmenge weiter optimiert werden. Als weitere Regelgrößen zur Leistungsanpassung bzw. Verbrennungsoptimierung werden eine Brennraumtemperaturregelung oder Luftmengenmessungen von Primärluft und Sekundärluft verwendet. Händisch beschickte Feuerungen können nur über die Zufuhr der Verbrennungsluftmenge geregelt werden. Bei automatisch beschickten Feuerungen kann zusätzlich die Brennstoffmenge kontrolliert zugeführt werden. Mit Hilfe von Füllstandskontrollen wird mechanisch oder optisch die optimale Füllmenge im Brennraum garantiert. Durch die Anpassung der mit dem Brennstoff zugeführten Energie an den Wärmebedarf kann bei automatisch beschickten Feuerungen das Teillastverhalten wesentlich verbessert werden. Eine entsprechende Steuerung mit zusätzlichen Sensoren (wie u.a. O 2 -Sonde oder CO-Sonde) regelt die Brennstoff- und Luftmengenzufuhr und optimiert damit die Verbrennung. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

22 6.3 Rahmenbedingungen Regelwerke für Holzfeuerungen in Österreich - Standardisierung von Begriffen, Feuerungen und Brennstoffen Österreich kann bei der Standardisierung von Feuerungen und Brennstoffen im Bereich der Biomasse als vorbildlich bezeichnet werden. Bereits 1981 wurde auf Initiative der NÖ Umweltschutzanstalt im Fachnormenausschuss Luftreinhaltung (FNA 139) begonnen, die Emissionen aus Strohfeuerungen zu begrenzen. In weiterer Folge wurden viele Normen in den Fachgebieten Energiewirtschaft (FNA 093), Heizungsanlagen (FNA 058) sowie Biomasse (FNA 241) erstellt. All diese Normen stellen grundsätzlich den Stand der Technik dar, beeinflussen allerdings auch die Entwicklung sowohl in der Brennstoffbereitung als auch in der Feuerungstechnik. Die in diesem Kapitel behandelten Normen werden in Definitionsnormen, Heizungsnormen und Brennstoffnormen unterteilt. Die Standardisierung der Brennstoffe ist Voraussetzung für den Aufbau eines Marktes sowie für die Konzeption von Feuerungen und Gesamtanlagen. Die österreichischen Brennstoffnormen enthalten Angaben zur Probenahme, physikalische Daten (Darrdichte, Größe, etc.) und Durchschnittszahlen für die Gehalte an Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. In den Emissionsnormen sind die Messmethoden sowie Grenzwerte für Luftschadstoffe festgelegt. Die Initiative zur Erstellung dieser Normen ist von der Forstwirtschaft, der Sägewirtschaft und der holzverarbeitenden Industrie ausgegangen, wobei einschlägige Normen zum Teil bereits 1985 aufgelegt wurden. Diese Normen stellen das Bindeglied zwischen der Holzwirtschaft und Herstellern von Biomasseheizkesseln dar. Gerade dies hat positiv zur Entwicklung von Energie aus Holz beigetragen. Die Beschreibung der brennstofftechnologischen Merkmale erleichtert die Entwicklung von Anlagen. Die in diesem Abschnitt behandelten Normen haben seit ihrem Erscheinen zur Verbreitung des Wissens, zur Vereinheitlichung der Sprache und zur Vermittlung wesentlicher Kenntnisse und somit zur Entwicklung der energetischen Nutzung von Holz beigetragen Definitionen und Klassifizierungen In den nachfolgenden ÖNORMEN sind allgemeine Definitionen und Begriffsbestimmungen, welche für Kleinfeuerungen für Holz relevant sind, enthalten. ÖNORM M 7101 Begriffe der Energiewirtschaft Allgemeine Begriffsbestimmungen ( ) ÖNORM M 7104 Begriffe der Energiewirtschaft Gewinnung und Verarbeitung fester Brennstoffe ( ) ÖNORM M 7111 Grundbegriffe der Energiewirtschaft Energie aus Biomasse, organischen Abfällen, Wind und Geothermie ( ) 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

23 Normung von Heizkesseln Ein Vergleich der Prüfergebnisse einzelner europäischer Prüfinstitute war bisher auch für Fachleute wegen fehlender einheitlicher Normen und Gesetze sehr schwierig. In den meisten europäischen Ländern waren bereits entsprechende Standards (DIN, ÖNORMEN,...) und Gesetze, nach welchen länderspezifisch die Prüfungen und Beurteilungen von Feuerungen vorgenommen wurden, vorhanden. Als die BLT vor mehr als 20 Jahren mit der Prüfung von Biomassefeuerungen begann, mussten zuerst entsprechende Prüfmethoden für Biomassefeuerungen ausgearbeitet werden. Diese Methoden wurden als Interne Prüfrichtlinien erstellt und dienten, wie zuvor bereits erwähnt, als Basis für eine internationale Standardisierung. Mit der Fertigstellung der Europanorm EN Heizkessel für feste Brennstoffe, die unter österreichischer Leitung erarbeitet wurde, und der Veröffentlichung im April 1999, waren für alle CEN-Mitglieder die Voraussetzungen zur Veröffentlichung als nationale Norm gegeben. In Österreich wurde dieser Standard als ÖNORM EN Heizkessel für feste Brennstoffe am 1. Juli 1999 veröffentlicht. Diese Norm ermöglicht eine einheitliche Prüfung und Beurteilung der Biomassefeuerungen in Europa. ÖNORM EN Heizkessel für feste Brennstoffe, hand- und automatisch beschickte Feuerungen, Nenn-Wärmeleistung bis 300 kw; Begriffe, Anforderungen, Prüfungen und Kennzeichnung ( ) ÖNORM M Emissionsbegrenzung für luftverunreinigende Stoffe aus Strohheizungsanlagen bis zu einer Brennstoff-Wärmeleistung von 75 kw; Anforderungen und Überprüfung am Aufstellungsort ( ) ÖNORM M Emissionsbegrenzung für luftverunreinigende Stoffe aus Strohheizungsanlagen bis zu einer Brennstoff-Wärmeleistung von 75 kw; Anforderungen und Überprüfung auf dem Prüfstand ( ) ÖNORM M 9466 Emissionsbegrenzung für luftverunreinigende Stoffe aus Feuerungsanlagen für Holzbrennstoffe mit einer Nennwärmeleistung ab 50 kw; Anforderungen und Prüfungen am Aufstellungsort ( ) ÖNORM M Überprüfung von Heizanlagen für feste Brennstoffe, mit einer Nenn-Wärmeleistung bis 300 kw ( ) Die vorliegende ÖNORM ist als Grundlage für die Überprüfung von Heizungsanlagen mit Heizkesseln für feste Brennstoffe und einer Nenn-Wärmeleistung bis 300 kw anzuwenden. Diese Überprüfung von Feuerungen vor Ort ist im Hinblick auf die wirtschaftliche Zweckmäßigkeit und Umweltfreundlichkeit vorzunehmen. Die regelmäßige Überprüfung von Heizanlagen und Feuerstätten soll den optimalen Betrieb gewährleisten. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

24 Im Abschnitt Anwendungsbereich sind unter den biogenen Brennstoffen, die für die Überprüfung und den praktischen Betrieb von Heizungsanlagen eingesetzt werden können, einige Eckdaten aufgelistet. Es handelt sich bei den zulässigen biogenen Brennstoffen um naturbelassenes Brennholz gemäß ÖNORMEN M 7132, M 7133 und M Bereits durch die Sichtprüfung kann festgestellt werden, ob der widmungsgemäße Brennstoff eingesetzt wird. Die heiztechnische Untersuchung im bestimmungsgemäßen Betrieb lässt die Beurteilung der Feuerungen hinsichtlich deren Umweltverträglichkeit und der energiewirtschaftlichen Zweckmäßigkeit zu Normung der Brennstoffe ÖNORM M 7132 Energiewirtschaftliche Nutzung von Holz und Rinde als Brennstoff; Begriffsbestimmungen und Merkmale ( ) ÖNORM M 7133 Holzhackgut für energetische Zwecke; Anforderungen und Prüfbestimmungen ( ) ÖNORM M 7135 Presslinge aus naturbelassenem Holz oder naturbelassener Rinde, Pellets und Briketts; Anforderungen und Prüfbestimmungen ( ) Landes- und Bundesgesetzgebung Bereits im Jahr 1992 wurde vom Bundesministerium für Umwelt Jugend und Familie (BMUJF) zu einem Fachgespräch Bundeseinheitliche Typenprüfung für Feuerungsanlagen eingeladen. Das Bundesministerium für wirtschaftliche Angelegenheiten (BMWA) arbeitete einen Entwurf zur Reduktion der Emissionen in Feuerungsanlagen des Hausbrandes aus. Dieser Entwurf sollte als Bundesgesetz das Inverkehrbringen und den Nachweis durch die Typenprüfung von Feuerungsanlagen regeln. Da die Begrenzung der Emissionen und der Wirkungsgrade auch in die Kompetenz der Länder fällt, mussten die Bundesregierung und die österreichischen Bundesländer das Inverkehrbringen von Feuerungen über Vereinbarungen gemäß Art. 15 a B-VG festlegen. Für gewerbliche Betriebsanlagen wurde die 331. Verordnung (Feuerungsanlagen- Verordnung FAV) des Bundesministeriums für wirtschaftliche Angelegenheiten über die Bauart, die Betriebsweise, die Ausstattung und das zulässige Ausmaß der Emission von Anlagen zur Verfeuerung fester, flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe am 18. November 1997 ausgegeben Vereinbarung gemäß Art. 15 a B-VG über die Einsparung von Energie Im Jahr 1995 sind der Bund und die österreichischen Bundesländer übereingekommen, gemäß Art. 15 a B-VG die Vereinbarung über die "Einsparung von Energie" zu schließen. Kleinfeuerungen im Sinne dieser Vereinbarung sind technische Einrichtungen bis zu einer Brennstoffwärmeleistung von 350 kw, die zum Zwecke der Gewinnung von Nutzwärme für die Raumheizung oder zur Warmwasserbereitung bestimmt sind. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

25 Neben dem energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden sind in dieser Vereinbarung die energiesparenden Maßnahmen bei der Aufbereitung von Warmwasser sowie die Beheizung von Gebäuden geregelt. Kleinfeuerungen dürfen nur dann in Verkehr gebracht werden, wenn der Nachweis der Einhaltung der Wirkungsgrade durch Einzel- oder Typenprüfung erfolgte. Kleinfeuerungen als Zentralheizungsgeräte für feste Brennstoffe: händisch beschickt bis 10 kw 73 % über 10 bis 200 kw (65,3 + 7,7 log Pn) % über 200 kw 83 % automatisch beschickt bis 10 kw 76 % über 10 bis 200 kw (68,3 + 7,7 log Pn) % über 200 kw 86 % Mindestwirkungsgrade von Kleinfeuerungen für feste Brennstoffe in Abhängigkeit von der Wärmeleistung Wirkungsgrad [%] Wärmeleistung [kw] händisch beschickt automatisch beschickt Es ist der Nachweis zu erbringen, dass Kleinfeuerungen als Zentralheizungsgeräte für feste Brennstoffe in Abhängigkeit von der Wärmeleistung im bestimmungsgemäßen Betrieb mit Nennlast und bestimmungsgemäßen Betrieb mit Teillast mindestens oben angeführte Wirkungsgrade aufweisen. Die zur Durchführung dieser Vereinbarung notwendigen Vorschriften sollten längstens drei Jahre nach Inkrafttreten dieser Vereinbarung erlassen werden. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

26 Vereinbarung gemäß Art. 15 a B-VG über die Schutzmaßnahmen betreffend Kleinfeuerungen (1995) Nach mehrjährigen zähen Verhandlungen sind die österreichischen Bundesländer übereingekommen, gemäß Art. 15 a B-VG die Vereinbarung über die "Schutzmaßnahmen betreffend Kleinfeuerungen" zu schließen. Die Vertragsparteien kommen überein, das Inverkehrbringen von Kleinfeuerungen gemäß dieser Vereinbarung zu regeln Vereinbarung gemäß Art. 15 a B-VG über Änderung der Vereinbarung gemäß Art. 15 a B-VG über die Schutzmaßnahmen betreffend Kleinfeuerungen (1998) Die Bundesländer waren gezwungen, die Vereinbarung über die Schutzmaßnahmen betreffend Kleinfeuerungen auf Grund der Stellungnahme der Europäischen Kommission, Frankreichs, Großbritanniens und Deutschlands zum Kärntner Heizungsanlagengesetz 1996, 95/410/A in einigen Punkten zu ändern. Kleinfeuerungen im Sinne dieser Vereinbarung sind technische Einrichtungen bis zu einer Brennstoffwärmeleistung von 400 kw, die zum Zwecke der Gewinnung von Nutzwärme für die Raumheizung oder zur Warmwasserbereitung bestimmt sind. Kleinfeuerungen dürfen nur in Verkehr gebracht werden, wenn sie die Anforderungen dieser Vereinbarung erfüllen. Der Nachweis der Erfüllung hat durch die Vorlage eines Prüfberichtes einer hiezu befugten Stelle (staatlich autorisierte Anstalten, akkreditierte Stellen,...) zu erfolgen. Kleinfeuerungen für feste Brennstoffe dürfen folgende Emissionsgrenzwerte nicht überschreiten: Feuerungen für feste Emissionsgrenzwerte [mg/mj] Brennstoffe CO NO x OGC Staub Händisch beschickt Automatisch beschickt Biogene Brennstoffe Fossile Brennstoffe Biogene Brennstoffe Fossile Brennstoffe *) **) 150*) *) Der NOx-Grenzwert gilt nur für Holzfeuerungen. **) Bei Teillastbetrieb mit 30 % der Nennleistung kann der Grenzwert um 50 % überschritten werden. Typenprüfung und Versuchsdurchführung In den vorliegenden umgesetzten Landesgesetzen und Verordnungen der umseitig angeführten Art.15 a B-VG mussten wegen fehlender einheitlicher Standards die Prüfungs- und Versuchsdurchführung für Feuerungen für feste Brennstoffe formuliert werden. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

27 Der Nachweis zur Einhaltung der Emissionsgrenzwerte und der geforderten Wirkungsgrade ist bei Nenn-Wärmeleistung und bei der kleinsten Teillast zu erbringen. Bei händisch beschickten Feuerungen ist die kleinste Teillast 50 % der Nennleistung und bei automatisch beschickten Feuerungen 30 % der Nennleistung. Händisch beschickte Kleinfeuerungen sind bei Nennleistung durch Beobachtungen von zwei aufeinander folgenden Abbrandperioden zu beurteilen. Für die Beurteilung bei kleinster Teillast des Wärmeleistungsbereiches genügt die Beobachtung einer Abbrandperiode. Beurteilungswerte sind bei automatisch beschickten Kleinfeuerungen als arithmetische Mittelwerte über die gesamte Versuchszeit (zumindest drei Stunden) bei Nennleistung und kleinster Teillast anzugeben. Wiederkehrende Prüfung Die wiederkehrende Prüfung vor Ort ist in den entsprechenden Ländervorschriften oft nur relativ unverbindlich geregelt. Bei der wiederkehrenden Prüfung sind die Feuerungsanlagen hinsichtlich jener Anlagenteile, die für die Emissionen oder deren Begrenzung von Bedeutung sind, zu besichtigen und auf etwaige Mängel zu kontrollieren. Als Grundlage für diese Überprüfung kann die ÖNORM M herangezogen werden Ländervorschriften Umsetzung der Vereinbarungen, Stand August 2001 Stand der Artikel 15 a B-VG Vereinbarungen Die Artikel 15 a B-VG Vereinbarungen wurden in den einzelnen Bundesländern als Landesgesetze kund gemacht: Land Burgenland Schutzmaßnahmen betr. Kleinfeuerungen 1995/1998 Einsparung v. Energie 1995 Burgenländisches Luftreinhalte- und Heizungsanlagengesetz Bgld. LHG 1999 LGBl. Nr. 44, 30.März 2000 Kärnten Kärntner Heizungsanlagengesetz -K-HeizG, LGBl. Nr. 63/1998 Niederösterreich Oberösterreich NÖ Bauordnung 1996, LGBl , NÖ Bautechnikverordnung 1997, LGBl. 8200/7-0, NÖ BTV 1997 Oö LuftREnTG 2001 Beschlussreifer Entwurf Salzburg Heizungsanlagen Verordnung, LGBl. Nr. 100/2001, 11.Dez Steiermark Tirol Vorarlberg Wien Steiermärkisches Feuerungsanlagengesetz FAnlG, LGBl. Nr. 73, 24. Oktober 2001 Tiroler Heizungsanlagenverordnung 2000, 19. Sept. 00 zum Tiroler Heizungsanlagengesetz 2000, LGBl. Nr. 34, 15. März 2000 Verordnung der Landesregierung über das Inverkehrbringen von Kleinfeuerungen, LGBl. Nr. 56/1998 Wiener Kleinfeuerungsgesetz WKlfG Entwurf 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002

28 Das Bundesland Kärnten hat als erstes Bundesland im Heizungsanlagengesetz die zitierten Art. 15 a B-VG Vereinbarungen umgesetzt und zur Notifizierung bei der Europäischen Kommission in Brüssel eingereicht. Kleinfeuerungen können auch in den Geltungsbereich von Bundesvorschriften fallen und müssen diesem auch entsprechen. In den jeweiligen Landesgesetzen wird auf weitere entsprechende Landesgesetze, Bundesgesetze und EU - Richtlinien in der jeweils geltenden Fassung verwiesen Bundesvorschriften BGBl 331. Verordnung: Feuerungsanlagenverordnung - FAV, 1997 Verordnung des Bundesministeriums für wirtschaftliche Angelegenheiten über die Bauart, die Betriebsweise, die Ausstattung und das zulässige Ausmaß der Emission von Anlagen zur Verfeuerung fester, flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe in gewerblichen Betriebsanlagen (Feuerungsanlagenverordnung - FAV). Diese Verordnung gilt für genehmigungspflichtige und für bereits genehmigte gewerbliche Betriebsanlagen, in denen Feuerungsanlagen mit einer Nennwärmeleistung von 50 kw oder mehr verwendet werden. Prüfung von Feuerungsanlagen bis zu einer Brennstoffwärmeleistung von 350 kw Erstmalige Prüfung Feuerungsanlagen sind anlässlich ihrer Inbetriebnahme einer erstmaligen Prüfung zu unterziehen. Die erstmalige Prüfung hat in der Erbringung des Nachweises zu bestehen, dass die Feuerungsanlage den Anforderungen der Verordnung entspricht. Bei Feuerungsanlagen mit einer Brennstoffwärmeleistung bis 350 kw darf der Nachweis durch Vorlage eines Messberichtes einer baugleichen Anlage (z.b. im Rahmen einer Typenprüfung) und einer Bestätigung des Gewerbetreibenden, der die Feuerungsanlage für den Betriebsanlageninhaber aufgestellt hat, dass die Feuerungsanlage entsprechend den Regeln der Technik aufgestellt wurde und der angeführten baugleichen Anlage entspricht, erbracht werden. Wiederkehrende Prüfung Bei der jährlichen Prüfung sind die Feuerungsanlagen hinsichtlich jener Anlagenteile, die für die Emissionen oder deren Begrenzung von Bedeutung sind, zu besichtigen und auf etwaige Mängel zu kontrollieren. Bei der jährlichen Prüfung sind die CO- Emissionen und die Abgasverluste zu bestimmen. Es ist festzustellen, ob der zulässige Brennstoff verfeuert wird. Sind beim Betrieb einer Feuerungsanlage Emissionen gegeben, die Zweifel an der einwandfreien Funktion rechtfertigen, ist diese einer außerordentlichen Prüfung zu unterziehen. Prüfbescheinigung und Behebung der Mängel Das Ergebnis jeder Prüfung muss in einer Prüfbescheinigung festgehalten sein, die insbesondere festgestellte Mängel sowie Vorschläge zu deren Behebung zu enthalten hat. Diese ist fünf Jahre im Original in der Betriebsanlage aufzubewahren, damit sie den behördlichen Organen vorgewiesen werden kann. 6. Verbrennungstechnik-Rahmenbedingungen Biowärme-Rauchfangkehrer 2002