Feinstaubbildung in Holzfeuerungen und Gesundheitsrelevanz im Vergleich zu Dieselruss Norbert Klippel und Thomas Nussbaumer.

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1 Feinstaubbildung in Holzfeuerungen und Gesundheitsrelevanz im Vergleich zu Dieselruss Norbert Klippel und Thomas Nussbaumer 1

2 Übersicht 1. Wie entsteht Feinstaub bei der Verbrennung von Holz? 2. Wie hoch sind die Emissionen? 3. Grössenverteilung der Stäube 4. Chemische Zusammensetzung 5. Abschätzung der Gesundheitswirkung durch biologische Zelltests Automatische Feuerungen > 100 kw Kleinfeuerungen: Stückholz- und Pelletöfen < 20 kw 6. Schlussfolgerungen: Wie gut ist die heutige Technik, wo sind die grössten Emittenten? Empfehlungen für eine saubere Nutzung von Biomasse 2

3 Partikelbildung bei Holzverbrennung vollständige Verbrennung: anorganische Salze KCl, K 2 SO 4, CaSO 4, unvollständige Verbrennung: Russ, Kohlenwasserstoffe: 50 mg/m 3 Emission sind nur 0.5 des Brennstoffs (!) 3. Aufwirbelung von Asche: Grobpartikel > 10 µm 3 Oser et al. 2003

4 Automatische Holzfeuerungen 4 4

5 1.0E+9 Automatische Feuerung: Anzahlgrössenverteilung 1.0E+8 1.0E+7 dn/dlogd [cm -3 ] 1.0E+6 1.0E+5 1.0E+4 1.0E+3 1.0E+2 1.0E+1 1.0E D [µm] 5

6 140 Automatische Feuerung: Partikelmassenspektrum 120 dm/dlogd [mg/m 3 ] D [µm] 6

7 K, Ca, Na, Cl, S.. KCl, K 2 SO 4,CaCO 3 7 K < Automatische Feuerungen [Kaufmann/Nussbaumer 1998] [Oser et al. 2000] Hauptbestandteil der Partikel sind Salze 5.13 Aerodynamic Diameter [µm] 7.59 Ca > [mg/m 3 ] (13% O 2 )

8 Probennahme für biologische Tests und chemische Analysen Diesel- Partikel Partikel aus automatischer Holzfeuerung 0.5 g particle mass 2 g particle mass 8

9 Kleinfeuerungen ( < 20 kw) Konventionelle Öfen moderner Ofen mit Qualitätssiegel Stückholzofen mit zweistufiger Verbrennung Pelletofen einfacher Metallofen (ohne Qualitätslabel) 9

10 Laboraufbau zur Partikelmessung Streulichtgerät beheizter Filter Kondensat - Waschflaschen SMPS: 20 nm bis 0.5 µm Gasanalytik: CO, CO 2, O 2, NO x 10

11 Kleinfeuerungen ( < 20 kw) Konventionelle Öfen moderner Ofen mit Qualitätssiegel Stückholzofen mit zweistufiger Verbrennung Pelletofen einfacher Metallofen (ohne Qualitätslabel) 11

12 Zeitlicher Verlauf der Emissionen Cheminéeofen mit schweizer Qualitätssiegel 8.0E+7 Ofentyp 2, Normmessungen, Buche w=12% Anzahlkonzentration [Partikel/cm 3 ] 7.0E+7 6.0E+7 5.0E+7 4.0E+7 3.0E+7 2.0E+7 1.0E+7 Start Nachlegen auf Grundglut 60 mg/m 35 mg/m mg/m Massenkonzentration [mg/m 3 ] 0.0E :30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 Zeit 12

13 Cheminéeofen mit schweizer Qualitätssiegel Partikelanzahlgrössenverteilung 1.0E+9 1.0E+8 1.0E+7 Ofen gefüllt mit grossen Holzstücken dn/dlog D [cm -3 ] 1.0E+6 1.0E+5 1.0E+4 1.0E+3 Ausbrand phase 500 mg/m 3 1.0E+2 1.0E D/µm 13

14 Partikelmassenverteilung Ofen gefüllt mit grossen Holzstücken :02 17:29 dm/dlog D [mg/m 3 ] Emissionspeak 600 mg/m 3 Mittlere Emissionen für 1 Stunde: 200 mg/m Ausbrandphase < 10 mg/m D/µm 14

15 Kleiner Metallofen Normmessung nach Prüfbedingungen für Qualitätssiegel Betrieb mit schlechtem Brennstoff (feuchtes Holz) Sehr schlechter Betrieb mit Luftmangel 15

16 Zeitlicher Verlauf, Normmessung Anfeuern Nachlegen auf Grundglut SMPS 05. Dez 05 PM [mg/m 3 ] Luftklappe 1/2 Messung nach Norm: 20±10 mg/m Normmessung 20 Normmessung 0 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 Zeit 16

17 1.0E+9 Betrieb mit feuchtem Holz mit ungünstigen Eigenschaften Chilenische Metallofen Buche, schlechter Wassergehalt Brennstoff 16-33% 7. Dez :15:15 1.0E+8 SMPS 16:18:15 16:21:15 dn/dlog D [cm -3 ] 1.0E+7 1.0E+6 1.0E+5 1.0E mg/m 3 mittlere Emission OPC 16:15:59 16:16:27 16:16:35 16:20:27 16:22:51 16:23:06 1.0E+3 1.0E+2 1.0E D/µm 17

18 Sehr schlechter Betrieb mit Luftmangel Auszug aus der Bedienungsanleitung eines importierten Ofens: Um eine gute Verbrennung während der ganzen Nacht zu gewährleisten, machen Sie das folgende: (a) Erreichen Sie eine gute Glut auf der Basis des Feuers. (b) Legen Sie dementsprechend eine volle Ladung von neuem Brennholz nach. (c) Sobald als die nachgelegten Scheiter ebenfalls Feuer fangen, stellen Sie den Luftregulierungshebel auf Low. 18

19 Sehr schlechter Betrieb mit Luftmangel SMPS/OPC Number Size Distribution 1.0E+8 1.0E+7 Wood stove operated under very bad conditions 16. Nov 05 dn/dlog D [cm -3 ] 1.0E+6 1.0E+5 1.0E+4 1.0E+3 10E7 at 1.5µm! Emission > 5000 mg/m 3 für mehr als 1/2 Stunde Total mass emission > 5 g/m 3 1.0E+2 1.0E D/µm 19

20 Sehr schlechter Betrieb mit Luftmangel Inhalt der Kondensat-Waschflaschen nach dem beheizten Filter (Filterdurchbruch durch hohe Beladung) 20

21 Kann eine Kleinfeuerung zuverlässig mit tiefen Emissionen betrieben werden? Ja, wenn der Betreiber alle ½ Stunde kleine trockene Holzstücke nachlegt und für genügend Luftzufuhr sorgt Ist das praxisgerecht? Gibt es auch technische Lösungen für kontinuierlichen Betrieb? 21

22 Stückholzofen mit zweistufiger Verbrennung Sekundärluftdüsen für vollständigen Ausbrand 22 Glutbett mit Primärluft, Füllschacht für > 10kg Holz auf Rückseite

23 Stückholzofen mit zweistufiger Verbrennung Flammenbild Füllschacht für > 10kg Holz auf Rückseite Glutbett 23

24 Stückholzofen mit zweistufiger Verbrennung: zeitlicher Verlauf der Partikelemissionen 100 Partikelmassenkonzentration [mg/m 3 ] mg/m nm (SMPS) > 0.5µm (OPC) Filtermessung Filtermessung Filtermessung 15 mg/m 3 < 9 mg/m Sep :00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 Zeit 24

25 dn/dlog D [cm -3 ] Stückholzofen mit zweistufiger Verbrennung: Sirius operation with dry Swiss beech (w=10%) 6. Sept Partikelgrössenverteilung 9.0E+7 8.0E+7 7.0E+7 6.0E+7 5.0E+7 4.0E+7 3.0E+7 mittlere Emission: 15 mg/m 3 (bei 13% O 2 ) 30nm Continuous operation under stable conditions 60nm 12:30-13:20 (optimal operation) 13:20-13:50 (heating-up) 13:50-14:55 (stove at full temperature) 15:30-16:30 (burn-out phase) 2.0E+7 1.0E+7 0.0E D/µm 25

26 dn/dlog D [cm -3 ] Stückholzofen mit zweistufiger Vebrennung Stückholzofen mit zweistufiger Vebrennung: Grössenverteilung und Filterproben bei verschiedener Temperatur Sirius operation with dry Swiss beech (w=10%) 6. Sept Continuous operation under stable conditions 9.0E+7 60nm 12:30-13:20 (optimal operation) 8.0E+7 13:20-13:50 (heating-up) 7.0E+7 13:50-14:55 (stove at full temperature) 30nm 6.0E+7 15:30-16:30 (burn-out phase) 5.0E+7 4.0E+7 3.0E+7 2.0E+7 1.0E+7 Russ Russ und Salze 0.0E D/µm 26

27 Pelletofen 9.0E+7 8.0E+7 7.0E+7 Holz- Stroh-Pellets Averaged SMPS data and results of filter measurement wood pellets straw pellets dn/dlog D [cm -3 ] 6.0E+7 5.0E+7 4.0E+7 3.0E+7 17 mg/m 3 (at λ = 4) 54 mg/m 3 (at λ = 8) 2.0E+7 1.0E+7 0.0E D/µm 27

28 Pelletofen 9.0E+7 8.0E+7 Holz- Stroh-Pellets straw pellets dn/dlog D [cm -3 ] 7.0E+7 6.0E+7 5.0E+7 4.0E+7 3.0E+7 wood pellets 26 mg/m 3 at 13% O 2 17 mg/m 3 (at λ = 4) 165 mg/m 3 at 13% O 2 54 mg/m 3 (at λ = 8) 2.0E+7 1.0E+7 0.0E D/µm 28

29 1.0E+9 1.0E+8 1.0E+7 Zusammenfassung: Partikelspektren von kleinen Öfen 20 mg/m mg/m mg/m 3 dn/dlog D [cm -3 ] 1.0E+6 1.0E+5 1.0E+4 1.0E+3 1.0E+2 1.0E+1 1.0E D [µm] 29 optimaler Betrieb normaler Ofen mit feuchtem Holz Betrieb unter sehr schlechten Bedingungen

30 Welche Emissionen sind relevant für die Gesundheit? Verschiebung der Emissionspeaks abhängg vom Betrieb Alle Emissionen sind dominiert von Partikeln 2.5 µm, sogar bei 5000 mg/m 3 Chemische Zusammensetzung ist bei schlechter Verbrennung anders als bei automatischen Feuerungen 30

31 Partikelabscheidung in den Atmungsorganen 31 [Health Phys. 12, 173] [Huch et al., 2003]

32 Chemische Zusammensetzung der Partikel von verschiedenen Holzfeuerungen Automatische Feuerung Automatic wood furnace KCl CaSO4 K2SO4 K2CO3 C unburnt Holzofen bei sehr schlechter Wood stove, Betriebsweise bad operation KCl CaSO4 K2SO4 K2CO3 C unburnt CaCO3 Na2CO3 Anorganische Salze, < 2.5% Kohlenstoff von 100 mg/m 3 Emission sind nur 2.5 mg/m 3 Russ 32 Hauptsächlich unverbrannter Kohlenstoff (Russ)

33 Abschätzung der Gesundheitswirkung Partikel < 2.5µm gelangen in die unteren Atemorgane: Lunge und kleine Bronchien Biologische Wirksamkeit getestet mit Lungen-Fibroblastzellen des Chinesischen Hamsters 33 Klinke and Silbernagl, 2003

34 Zellüberlebensrate bei Staub aus automatischer Holzfeuerung und Dieselruss wood, test 1 Diesel, test 1 wood, test 2 Diesel, test 2 wood, test 3 Diesel, test 3 Cell survival [%] Particle concentration in cell medium [mg/ml]. 34

35 Zellüberlebensrate in Abhängigkeit der Partikelkonzentration Biologische Zelltests: Holzruss im Vergleich zu Dieselruss Staub aus gut betriebenen Kleinfeuerungen Zellüberlebensrate [%] Holzstaubproben mittlere bis gute Verbrennung Salze, aut. Feuerung Dieselruss Holz A Holz B Holz C Holz D Dieselruss Partikelkonzentration in Zellnährlösung [µg/ml] 35

36 Proben von sehr schlechtem Betrieb mit Luftmangel Partikelemissionen >> 1 g/m 3 CO emissions 1 % 36

37 Zellüberlebensrate in Abhängigkeit der Partikelkonzentration Staub aus gut betriebenen Kleinfeuerungen Filter 2 vom Filter 4 vom Zellüberlebensrate [%] Partikel aus sehr schlechter Holzverbrennung Dieselruss Filter 2 vom Filter 4 vom Filter 3 vom Dieselruss Partikelkonzentration in Zellnährlösung [µg/ml] 37

38 Schwellenkonzentrationen für Chromosomendefekte (Krebsrisiko) Zellüberlebensrate [%] Chromosomenabberation schlechte Holzverbrennung Chromosomenabberation Dieselruss Filter 2 vom Filter 4 vom Dieselruss Chromosomenabberation Holzstaubprobe mittlere bis gute Verbrennung 20 Holzstaub (Mittelwert über 4 Proben) Feinstaubepisode Jan./Feb in Schweiz 38 Partikelkonzentration µg Partikel/ml Surfactant in Zellnährlösung in Alveolen [µg/ml] London-Smog 1952

39 Inhalt polyzklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe PAK pro Menge Staub Holzofen schlechter Betrieb Diesel Naphthalin mg/kg Acenaphthylen mg/kg Acenaphthen mg/kg 17 < 3 Fluoren mg/kg 173 < 3 Phenanthren mg/kg Anthracen mg/kg 65 < 3 Fluoranthen mg/kg 154 < 3 Pyren mg/kg 170 < 3 Chrysen mg/kg 54 < 3 Benzo(a)anthracen mg/kg 44 < 3 Benzo(b )fluoranthen mg/kg 30 < 3 Benzo(k)fluoranthen mg/kg 11 < 3 Benzo(a)pyren mg/kg 25 < 3 Indeno(1,2,3-cd)pyren mg/kg 9 < 3 Dibenzo( a,h)anthracen mg/kg < 8 < 3 Benzo(g,h,i)perylen mg/kg < 8 < 3 Summe PAK mg/kg

40 Schlussfolgerungen Salze aus automatischen Holzfeuerungen sind weniger toxisch als Dieselruss Unvollständige Verbrennung von Holz führt zu übermässigen Feinstaub-Emissionen (bis zu 100 mal mehr als korrekter Betrieb) Russpartikel mit polyzyklischen Kohlenwasserstoffen Partikel sind 10mal toxischer als Dieselruss und kanzerogen Technische Lösungen zur zuverlässigen sauberen Verbrennung von Holz sind vorhanden: zweistufige Verbrennung Pelletfeuerungen 40

41 Partikelemissionen von kleinen Öfen Sehr grosse Bandbreite der Partikelemissionen: 15 mg/m 3 bis 5000 mg/m 3 Konventionelle Stückholzöfen erreichen 50 mg/m 3 bei Optimalbetrieb oder bei heutiger Prüfnorm sehr grosser Einfluss des Betreibers auf Emissionen Emissionen in der Praxis können signifikant höher liegen als bei Prüfung für heutiges Qualitätssiegel Stückholzofen mit zweistufiger Verbrennung und Pelletofen erreichen typisch 30 mg/m 3 und sicher 100mg/m 3 bei geringem Betreibereinfluss Diese Vorteile waren bisher nicht genügend bekannt, werden bisher vom Gesetzgeber nicht belohnt. noch kein Marktdurchbruch für zweistufige Verbrennung 41

42 Bedeutung der Emissionsfaktoren Hochnebelwetterlage für 10 Tage Obergrenze 900 m, Wohnort 400 m ü. Meer Verfügbare Luftsäule 500 m Höhe Staub-Grenzwert von 50 µg/m 3 soll eingehalten werden Darf ich meinen Cheminéeofen noch betreiben? Wieviel Luft braucht es zur Verdünnung? Wie gross ist die benötigte Fläche bei 500 m Höhe? Leistung 8 kw für 5 Stunden pro Tag 14 kg Holz pro Tag 42

43 Was können wir verbessern? 43

44 44

45 Bedeutung der Emissionsfaktoren 45

46 Bedeutung der Emissionsfaktoren 1 offenes Waldfeuer mit 500kg feuchtem Astmaterial 5 sehr schlecht betriebene Öfen an 10 Tagen 46

47 Moderne Technik führt zu tiefen Immissionen 47

48 Empfehlungen Unvollständige Verbrennung immer vermeiden! Keine offene Verbrennung von Waldabfällen Korrekter Betrieb von Kleinanlagen fördern Schulung der Betreiber Kontrollen der Emissionen mit vereinfachten Messmethoden Umsetzung und Förderung der technisch möglichen Lösungen Qualitätssiegel für einen realitätsnahen Betrieb mit zuverlässig tiefen Emissionen... 48

49 49

50 Danksagung Bundesamt für Energie, Bern Bundesamt für Umwelt, Bern Direktion für Entwicklung und Zusammenarbeit, Bern (DEZA) RCC Cytotest Cell Research, Darmstadt, Deutschland Müller Feuerungen, Balsthal, Schweiz Tiba AG, Bubendorf, Schweiz EMPA Dübendorf, Schweiz Bachema Chemische Laboratorien, Schlieren, Schweiz Alstom Technology Center, Schweiz 50

51 Anhang: Berechnung der Beispiele für die Immisionsbelastung 51

52 Emissionsfaktoren Beispiel 1 Prototyp-Stückholzofen oder ideal betriebener Ofen oder Pelletsfeuerung mit 25 mg/m 3 Abgasmenge: 27 m 3 /h 5 h Betrieb/Tag -> 135 m 3 /Tag Verdünnungsluftbedarf: m 3 /Tag Fläche 135 m 2 (mal 500 m Höhe) pro Tag benötigt Flächenbedarf nach 10 Tagen: m 2 52

53 Emissionsfaktoren Beispiel 2 In einer Gemeinde mit 5000 Einwohnern gibt es 5 Betreiber mit sehr hohen Staub-Emissionen von mg/m 3 Abgasmenge in 10 Tagen: m 3 Verdünnungsluftbedarf: m 3 benötigte Fläche m 2 (1.4 km 2 ) Vergleich: Ortskern hat 1.5 km 2 53

54 Emissionsfaktoren Beispiel 3 Waldarbeiter verbrennen 500 kg feuchtes Astmaterial unter starker Rauchentwicklung mit Staub-Emissionen von mg/m 3 Abgasmenge an 1 Tag: m 3 Verdünnungsluftbedarf: 500 Millionen m 3 benötigte Fläche m 2 (1 km 2 ) 54