9. Holzenergie-Symposium

Transkript

1 Thomas Nussbaumer (Hrsg.) 9. Holzenergie-Symposium Feinstaubminderung und Stromerzeugung im Rahmen der zukünftigen Energieversorgung 20. Oktober 2006, ETH Zürich verenum Schweizerische Eidgenossenschaft Confédération suisse Confederazione Svizzera Confederazium svizra Bundesamt für Energie

2 Thomas Nussbaumer (Hrsg.): Feinstaubminderung und Stromerzeugung im Rahmen der zukünftigen Energieversorgung. 9. Holzenergie-Symposium, 20. Oktober 2006, ETH Zürich, Zürich 2006, Verenum, Zürich und Bundesamt für Energie, Bern, ISBN Bezugsquellen: Holzenergie-Symposium, c/o TEMAS AG, Egnacherstrasse 69, CH 9320 Arbon Telefon , Fax , Verenum, Langmauerstrasse 109, CH 8006 Zürich, Weitere Informationen:

3 Inhaltsverzeichnis Vorwort 5 1 Ulrich Jansen: Aktionsplan Feinstaub des Bundes im Bereich Holzfeuerungen und verschärfte Emissionsgrenzwerte 2 Fritz Zürcher: FairFeuern Aktionsplan zur Verhinderung erhöhter Emissionen und illegaler Abfallverbrennung 3 Norbert Klippel: Feinstaubbildung in Holzfeuerungen und Gesundheitsrelevanz von Holzstaub im Vergleich zu Dieselruss 4 Michael Oser: Praxiserfahrungen mit Low-Particle-Feuerungen für Holzpellets 5 Ruedi Frey: Grundlagen und Techniken zur Feinstaubabscheidung und Einfluss von Partikeleigenschaften und Betriebsart 6 Reiner Bär: Praxiserfahrungen mit elektrischen Abscheidern für Holzfeuerungen ab 200 kw 7 Roland Schmid: Rohrelektroabscheider für Holzfeuerungen ab 200 kw: Entwicklung und Praxiserfahrung 8 Peter Rüegg: Klein-Elektroabscheider für Holzfeuerungen: Stand der Entwicklung und Praxiserfahrungen 9 Morten Berntsen: Small scale electrostatic precipitator for residential wood combustion Elektroabscheider für häusliche Holzfeuerungen 10 Christian Gaegauf: Flammlose Verbrennung zur NO X -Minderung: Konzept und Anwendung für automatische Holzfeuerung 11 Herbert Ortner: Technik moderner Pelletskessel mit Brennwerttechnik 12 Thomas Nussbaumer: Potenzial und Wirtschaftlichkeit der Holzenergie sowie Stromerzeugung in Holzgas- und Holzgas/Erdgas-Kombikraftwerk 13 Hermann Unsinn: 7 MWe-Holzheizkraftwerk in Kufstein: Konzept, Wirkungsgrad, Kosten und Praxiserfahrungen 14 Gerd Eisenbeiss: Sichere Energieversorgung für Europa Welche Optionen haben wir und welche Rolle spielt die Biomasse? Autorenverzeichnis 203

4

5 Vorwort Im Winter 2005/2006 wurde die Feinstaub-Problematik durch lang anhaltende Überschreitungen der Immissionsgrenzwerte unerwartet aktuell und der Fachbegriff PM10 für lungengängige Stäube kleiner 10 Mikrometer über Nacht bekannt. Die Dieselfahrzeuge waren rasch als wichtige Feinstaubquelle identifiziert und die Forderung einer Filterpflicht für Dieselmotoren hat eine erfreulich grosse Akzeptanz gefunden. Für viele überraschend waren jedoch bis dahin kaum beachtete Informationen, welche einen hohen Beitrag der Holzheizungen am Feinstaub dokumentierten. Für die Branche gilt es nun, sich dieser Herausforderung anzunehmen. Ziel ist, den CO 2 -neutralen Energieträger Holz vermehrt zu nutzen und gleichzeitig die Feinstaubemissionen deutlich zu reduzieren. Der Bund hat dazu einen Aktionsplan erarbeitet, der an der Tagung vorgestellt wird und den es konsequent umzusetzen gilt. Wie verschiedene Beiträge zeigen, sind zahlreiche Ansätze zur Staubminderung vorhanden und vor allem für automatische Holzheizungen effiziente Feinstaubabscheider verfügbar. Obwohl aller Feinstaub unerwünscht ist, wird aber auch gezeigt, dass Staub nicht einfach gleich Staub ist, sondern dass es riesige Unterschiede der Gesundheitsrelevanz gibt. Nicht unerwartet ist die Erkenntnis, dass Staub aus unvollständiger Holzverbrennung um ein Vielfaches schädlicher ist als Staub aus vollständiger Verbrennung. Besonders kritisch sind deshalb unsachgemäss betriebene handbeschickte Holzfeuerungen. Noch unterstrichen wird dies durch die Erfahrung, dass Holzfeuerungen oft zur illegalen Abfallverbrennung missbraucht werden, was in Zukunft durch strenge Kontrollen und Sanktionen wie im vorgestellten Programm FairFeuern zu verhindern ist. Trotz bereits intensivierter Nutzung steht heute immer noch ein grosses Zusatzpotenzial an Energieholz zur Verfügung, welches für eine maximale Substitution nichterneuerbarer Energieträger genutzt werden kann. Dazu kommt ein vermehrter Einsatz in Holzheizungen in Frage, sofern geringe Feinstaubemissionen sicher gestellt werden. Daneben kann Holz auch zur Stromerzeugung und zur Wärmekraftkopplung genutzt werden. Die heutigen Möglichkeiten zur Wärmekraftkopplung werden am Beispiel einer kürzlich realisierten Anlage in Österreich vorgestellt. Wenn Holz einen namhaften Beitrag zur Stromversorgung leisten soll, könnte Energieholz auch in Kombi-Kraftwerken mit Holzvergasung genutzt werden. Dank bis anhin unerreicht hohen elektrischen Wirkungsgraden könnten damit unter Einsatz dezentraler Wärmepumpen mehr Häuser beheizt werden als mit Holzheizungen, wobei die zusätzliche Holznutzung in solchen Kraftwerken als Feinstaubquelle vernachlässigbar wäre. Falls in der Schweiz ein Erdgaskraftwerk gebaut wird, könnte auch ein Teil der Kraftwerksleistung durch Anbindung einer Vergasungsanlage mit Holz gedeckt werden und so fossiles CO 2 mit hoher Effizienz substituieren, wie in einem Beitrag vorgestellt wird. Der Welt stehen für die kommenden Jahrzehnte grosse Herausforderungen bevor. Während der Treibhauseffekt seit langem ein Thema ist, wird bald auch der Begriff Peak oil auf den Frontseiten der Zeitungen stehen. Das 9. Holzenergie-Symposium bietet die Gelegenheit, in einem Ausblick des bekannten Energie-Experten Dr. Gerd Eisenbeiss Visionen zur künftigen Energieversorgung Europas kennen zu lernen und den Beitrag der Holzenergie zu bewerten. Ich hoffe, dass diese Themen zu einer optimalen Nutzung der Holzenergie beitragen und wünsche Ihnen viel Spannung an der Tagung und beim Studium des Tagungsbandes! Ihr PD Dr. Thomas Nussbaumer Zürich, im Oktober 2006

6

7 Aktionsplan Feinstaub des Bundes im Bereich Holzfeuerungen und verschärfte Emissionsgrenzwerte Ulrich Jansen Bundesamt für Umwelt, Bern Zusammenfassung Um die Luftverschmutzung durch Feinstaub zu reduzieren und die heute regelmässig überschrittenen Schweizerischen Immissions-Grenzwerte einzuhalten, hat Bundespräsident Moritz Leuenberger im Januar 2006 einen Aktionsplan gegen Feinstaub lanciert. Die Mehrzahl der Massnahmen betrifft den Verkehr. Die Holzfeuerungen sind von drei Massnahmen betroffen: Einführung eines Konformitätsnachweises für Holzfeuerungen 350 kw mit strengen Grenzwerten für Staub- und Kohlenmonoxid-Emissionen Verschärfung der bestehenden Staubgrenzwerte für Holzfeuerungen > 70 kw um einen Faktor 5. Initiierung von Holzwärmekraftwerken Mit diesen Massnahmen will die Schweiz sicherstellen, dass mit der aus energie- und klimapolitischen Gründen angestrebten Verdoppelung der Energieholznutzung mittel- bis langfristig keine gravierenden Luftreinhalteprobleme entstehen. 7

8 1 Ausgangslage Die Verschmutzung der Luft durch Feinstaub ist ein grosses Problem für die Umwelt und die Gesundheit. Feinstaub besteht aus winzigen Partikeln, die tief in die Lunge eindringen und zu Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen können. Besonders gefährlich ist der aus Dieselmotoren und Holzfeuerungen stammende Russ, denn er ist Krebs erregend. Im Jahr 2000 wurden in der Schweiz total etwa 21'000 Tonnen Feinstaub emittiert. 8 Prozent dieser Feinstaubemissionen entstammen den Holzfeuerungen. Haushalte 7% Verkehr 29% Holzbrennstoffe 8% Heizöl und Erdgas <1% Diesel 17% Land- und Forstwirtschaft 37% Industrie und Gewerbe 27% Nicht-Verbrennung 56% Sonstige 10% Benzin 1% Offene Verbrennung Forstabfälle 7% Bild 1 Herkunft der Feinstaubemissionen Bild 2 Quellen der Feinstaubemissionen im Jahr 2000 im Jahr

9 Um die Luftverschmutzung durch Feinstaub zu reduzieren und die heute regelmässig überschrittenen schweizerischen Immissions-Grenzwerte einzuhalten, hat Bundespräsident Moritz Leuenberger im Januar 2006 einen Aktionsplan gegen Feinstaub lanciert. Die Mehrzahl der Massnahmen betrifft den Verkehr. Die Holzfeuerungen sind von drei Massnahmen betroffen: Holzfeuerungen mit einer Feuerungswärmeleistung bis 350 kw dürfen nur noch in Verkehr gebracht werden, wenn ihre Konformität mit den entsprechenden Produktenormen der EU nachgewiesen ist und wenn sie zudem fortschrittlichen lufthygienischen Anforderungen genügen. Bei automatischen Holzfeuerungen mit einer Feuerungswärmeleistung über 70 kw werden die Staubgrenzwerte der LRV um einen Faktor 5-7 gesenkt. Die Anlagen müssen mit wirksamen Entstaubungseinrichtungen wie Elektroabscheidern oder Gewebefiltern ausgerüstet sein. Die neuen Staubgrenzwerte werden nach Anlagegrösse zeitlich abgestuft eingeführt (2007 bis 2015). Durch geeignete energiepolitische Massnahmen sollen moderne Holzwärmekraftwerke mit hochwirksamen Rauchgasreinigungssystemen initiiert werden. Die letztgenannte Massnahme muss im Rahmen der zukünftigen Energiepolitik umgesetzt werden. Für die übrigen zwei Massnahmen ist eine Änderung der schweizerischen Luftreinhalte-Verordnung (LRV) erforderlich. Die nachfolgenden Ausführungen zeigen auf, wie die LRV im Bereich Holzfeuerungen geändert werden soll. 9

10 2 Emissionsbegrenzungen für Holzfeuerungen 2.1 Konformitätserklärung Holzfeuerungen mit einer Feuerungswärmeleistung bis 350 kw dürfen nur noch in Verkehr gebracht werden, wenn ihre Konformität mit den massgebenden EN-Normen nachgewiesen und die Grenzwertanforderungen der LRV erfüllt sind. Bisher war der Konformitätsnachweis nur für Öl- und Gasfeuerungen nötig. Die neue Bestimmung soll am in Kraft treten und ab 2011 nochmals verschärft werden. Das Qualitätssiegel für Holzfeuerungen von Holzenergie Schweiz wird während einer Übergangsphase einer Konformitätserklärung gleichgesetzt. Bestehende Anlagen sind von dieser Neuregelung nicht betroffen. Handwerklich hergestellte Einzelanlagen werden von der neuen Regelung ausgeschlossen und müssen im Einzelfall beurteilt werden. Im Vordergrund stehen normierte Berechnungsprogramme für die Konstruktion von Speicheröfen oder kleine Staubfilter für Einzelcheminées und Öfen. Eine koordinierende Vollzugsempfehlung durch das BAFU dürfte sinnvoll sein. Tabelle 1 Anforderungen an Holzfeuerungen bei deren Prüfung nach der massgebenden europäischen Norm. Die Werte beziehen sich auf einen Sauerstoffgehalt von 13 Vol.-% O 2. Massgebende Normen CO mg/m 3 Staub mg/m 3 Staub mg/m 3 Anlageart gültig ab Stückholzkessel Autom. Heizkessel Pelletheizkessel EN EN EN EN EN EN Raumheizer EN Pelletöfen EN EN Einzelherde EN Zentralheizherde EN Kamineinsätze & offen Kamine EN

11 2.2 Neue Staubgrenzwerte für grössere Holzfeuerungen Für grössere automatische Holzfeuerungen über 70 kw Feuerungswärmeleistung legt die LRV-Änderung neue Staub- und Kohlenmonoxid-Grenzwerte fest. Die Grenzwerte werden entsprechend ihrer technischen Realisierbarkeit und wirtschaftlichen Tragbarkeit zeitlich abgestuft in Kraft gesetzt. Dies soll den Markt befähigen, kostengünstige Lösungen zu entwickeln. Diese Grenzwerte stehen nicht im Widerspruch zur Konformitätserklärung nach Artikel 20 LRV. Es handelt sich um ergänzende Anforderungen für Anlagen über 70 kw. Diese Grenzwertanforderungen gelten für neue und bestehende Anlagen. Für bestehende Anlagen werden wie bei früheren LRV-Änderungen lange Sanierungsfristen gewährt. Neue Holzfeuerungen unter 1 MW, welche in Betrieb genommen werden, bevor der verschärfte Staubgrenzwert von 30 mg/m 3 gültig ist, dürfen noch 15 Jahre einen Staubgrenzwert von 150 mg/m 3 beanspruchen (Wahrung der Rechtssicherheit). Tabelle 2 Grenzwerte für Holzfeuerungen über 70 kw Feuerungswärmeleistung Anlagegrösse/ Grenzwert gültig ab über 10 MW ab über 1 MW ab Bezugs- O 2 -Gehalt Vol.-% Staub mg/m 3 CO mg/m 3 NO X als NO 2 mg/m über 600 kw über 350 kw über 70 kw ab 2009 ab 2012 ab ) gilt für einem Massenstrom von 2,5 kg/h oder mehr (Anhang 1 LRV) 2 ) gilt ab

12 3 Ziel und Nutzen der Vorschrift Konformitätserklärung nach Art. 20 LRV: Der Konformitätsnachweis für Holz- (und Kohle-)Feuerungen bietet der Schweiz die Chance, den hohen Produktestandard in diesem Sektor beizubehalten bzw. auszubauen. Bereits heute erfüllen 30 bis 40 Prozent der neu in Verkehr gebrachten Holzfeuerungen die Anforderungen des Qualitätssiegels von "Holzenergie Schweiz" und somit auch die neuen Grenzwertanforderungen nach Anhang 4 dieser LRV-Änderung. Lufthygienisch verhindert die vorgeschlagene Massnahme in erster Linie eine Marktöffnung hin zu billigen Produkten aus Ländern ausserhalb der EU. Die rund 650'000 bereits bestehenden Cheminées, Holzöfen und Heizkessel sind von dieser Massnahme nicht betroffen. Staubgrenzwerte für grössere Holzfeuerungen Heute werden in der Schweiz ca. 5'000 meist automatische Holzfeuerungen mit einer Leistung über 70 kw betrieben. In diesen Anlagen werden etwa 40 Prozent des schweizerischen Energieholzes verbrannt. Auch gut betriebene Anlagen stossen mindestens 300 Mal mehr Feinstaub aus als eine entsprechende Öl- oder Gasfeuerung. Bis 2015 sollen deshalb sämtliche automatisch betriebenen Neuanlagen über 70 kw mit einer wirksamen Entstaubungseinrichtung (Elektroabscheider, Gewebefilter, usw.) ausgerüstet werden. Mit dieser Massnahme lässt sich verhindern, dass mit der angestrebten Verdoppelung der Holzenergienutzung auch die Feinstaubemissionen verdoppelt werden. Heute werden Entstaubungseinrichtungen für Holzfeuerungen bis auf wenige Ausnahmen erst im Megawatt-Bereich erfolgreich eingesetzt. Mit einer gestaffelten Inkraftsetzung der neuen Staubgrenzwerte soll erreicht werden, dass bis in einigen Jahren der Markt in der Lage ist, auch für kleine Anlagen kostengünstige Systeme anzubieten. Ein ähnliches Vorgehen hat die EU mit ihren Abgasvorschriften für Motorfahrzeuge gewählt. 4 Weiteres Vorgehen Der Entwurf zur Änderung der Luftreinhalte-Verordnung liegt vor. Voraussichtlich noch im Oktober 2006 soll der Entwurf den betroffenen und interessierten Kreisen zur Anhörung unterbreitet werden. Diese dauert ca. zwei Monate. Danach wird der Entwurf bereinigt und der schweizerischen Regierung (dem Bundesrat) zum Entscheid vorgelegt. Die LRV-Änderung soll am 1. Juli 2007 in Kraft treten. 12

13 FairFeuern Aktionsplan zur Verhinderung erhöhter Emissionen und illegaler Abfallverbrennung Fritz Zürcher Amt für Umwelt Appenzell Ausserrhoden, Herisau Abstract FairFire - Plan of action for the prevention of increased emissions and illegal refuse incineration More than half of the available firewood is burned in small wood heaters. With inappropriate operation they contribute significantly to air pollution with fine particles and dangerous byproducts. Such emissions are avoidable, if good technical and operational conditions and only clean and dry firewood, split to the right size are used. In contrary to oil or gas fired heaters, legally prescribed examination of small wood heaters are mainly missed. Operators are often not able to guarantee smoke-free burn-up without additional help. Beside small hand-fed heaters are frequently abused for the disposal of inflammable wastes. The described control concept FairFire is based on the Ordinance on Air Pollution Control and aims low emission heating with small wood heaters. The first step contains the control of the technical and operational requirements with first-time or acceptance inspections. The compliance of the fuel and operational procedures are examined later again in combination with the periodic chimney sweeping. Injuries of the fuel regulations are to be announced to the responsible execution authorities, so that they can apply the suitable sanctions. Technical and operational bases for the low emission wood burning and the visual inspection of small wood heaters are offered in special courses. Zusammenfassung In kleinen Holzfeuerungen wird mehr als die Hälfte der verfügbaren Energieholzmenge verbrannt. Bei unsachgemässem Betrieb kann die Atemluft dadurch massiv mit Feinstaub und gefährlichen Begleitstoffen belastet werden. Derartige Emissionen sind vermeidbar, wenn die anlagetechnischen Voraussetzungen erfüllt, 13

14 optimale Betriebsbedienungen eingehalten und nur trockene, richtig gestückelte und zulässige Brennholzformen eingesetzt werden. Im Gegensatz zu Öl- oder Gasfeuerungen fehlt bei kleinen Holzfeuerungen die Überprüfung der gesetzlich vorgeschrieben Anforderungen bisher weitgehend. Anlagebetreiber sind zudem oft überfordert, einen raucharmen Abbrand sicherzustellen. Gleichzeitig werden handbeschickte Kleinanlagen auch häufig zur Entsorgung brennbarer Abfälle missbraucht. Das vorliegende Konzept FairFeuern basiert auf der geltenden Luftreinhalte-Verordnung und zielt auf einen emissionsarmen Betrieb kleiner Holzfeuerungen. Der erste Schritt beinhaltet die Überprüfung der anlagetechnischen und betrieblichen Anforderungen mit Erst- bzw. Abnahmekontrollen. Die Einhaltung der Brennstoffund Betriebsvorschriften wird im Rahmen der regelmässig erforderlichen brandschutztechnischen Reinigung später erneut überprüft. Verstösse gegen die Brennstoffvorschriften sind den zuständigen Vollzugsbehörden zu melden, damit sie die geeigneten Massnahmen anordnen können. Anlagetechnische und betriebliche Grundlagen für den emissionsarmen Betrieb und die Sichtkontrolle werden in speziellen Fachkursen angeboten. 1 Handlungsbedarf Mehr als die Hälfte der heute verfügbaren Energieholzmenge wird in kleinen Holzfeuerungen verwertet [1]. Die Brennstoffbeschaffung erfolgt mehrheitlich auf dem lokalen Markt. Dabei werden neben naturbelassenem Brennholz auch mehr oder weniger stark vorbelastete Brennstoffe wie Restholz aus der Verarbeitung sowie Altholz, Altpapier und andere Abfälle mitverbrannt. Trotz Einhaltung der Brennstoffvorschriften verursachen kleine Holzfeuerungen häufig übermässige Emissionen. Neben der unsachgemässen Bedienung ist dafür in vielen Fällen eine ungenügende Brennstoffaufarbeitung verantwortlich. Entweder ist die Stückelung nicht an die Anlage bzw. den Regelungsbereich für die Verbrennungsluft angepasst oder Schwankungen der Brennstoffdichte und -feuchte sind für die Regelung nicht erkennbar. Bei handbeschickten Anlagen wirken sich solche Faktoren besonders ungünstig aus, weil jede Brennstoffcharge individuell angesetzt und angefeuert wird und der Verlauf des Abbrandes nur noch in begrenztem Rahmen geregelt werden kann. Unter diesen Umständen besteht regelmässig die Gefahr eines unvollständigen Abbrands der zu massiven Rauch- und Geruchsbelästigungen mit gesundheitlichen Folgen führen kann. Typenprüfungen oder ähnliche anlagetechnische Anforderungen können solche Probleme allein nicht beheben, weil die Praxisverhältnisse unter Testbedingungen nur mit unverhältnismässigem Aufwand nachgestellt werden können. Damit die häufigen Brennstoff- und Bedienungsprobleme behoben werden können, ist neben 14

15 technischen Mindestanforderungen auch für eine bessere Unterstützung von Anlagebetreibern und Anlagelieferanten zu sorgen. Um das Schadstoffemissionsrisiko handbeschickter Holzfeuerungen zu beurteilen, wurden Verbrennungsrückstände aus unterschiedlichen Anlagen untersucht. Mehr als zwei Drittel der unangemeldet entnommenen Ascheproben waren mit Rückständen von unerlaubten Brennstoffen wie Altholz, Verpackungsmaterial oder Siedlungsabfälle verunreinigt und konnten die Toleranzwerte für Chlor und Schwermetalle z.t. nicht einhalten (Bild 1). Über 70% der Beanstandungen betrafen Kachelöfen und Stückholzkessel. Anlagen mit intensiver Nutzung zeigten somit deutlich mehr Beanstandungen als Cheminées und Cheminéeöfen [3]. Fremdkörper und chemische Verunreinigungen machen Holzaschen zum Sonderabfall und zeigen, dass bei der Verbrennung verunreinigter Hölzer grosse Mengen gefährlicher Schadstoffe über die Kamine ausgestossen werden. Vor allem Schwermetalle und chlororganische Verbindungen können die Menschen und Umwelt auf diesem Weg gefährden. Solche Schadstoffemissionen sind besonders bedenklich, weil sie zusammen mit lungengängigen Russpartikeln anfallen. Zur Vermeidung solcher Gefahren hat der Gesetzgeber entsprechende Brennstoffvorschriften erlassen und das Verfeuern von Altholz oder anderer brennbarer Abfälle in Hausfeuerungen verboten. Bild 1 Beanstandungsrate bei Stichprobenkontrollen von kleinen Holzfeuerungen in den Regionen der Arbeitsgemeinschaft FairFeuern-Ost [2]. Kleine Holzfeuerungen sind bedeutende Quellen von Feinstaub und anderen gefährlichen Luftbelastungen in bewohnten Gebieten. Bei diesen mehrheitlich handbeschickten Anlagen ist die optimale Bedienung und die Verwendung von sauberen Brennstoffen entscheidend, um unerwünschte Emissionen zu vermeiden. Die entsprechenden Anforderungen sind in der Luftreinhalte-Verordnung (LRV) [4] festgelegt, aber bisher kaum durchgesetzt worden. 15

16 Systematische Kontrollen bei kleinen Holzfeuerungen entlasten die Atemluft von Feinstaub und anderen Schadstoffen und verbessern die Akzeptanz bei der Nutzung erneuerbarer Energieträger (Fair Feuern). Sie unterstützen zudem die längst fällige Gleichbehandlung gegenüber den Feuerungsanlagen, die mit Öl oder Gas betrieben werden und bei denen periodische Kontrollen seit Jahrzehnten erfolgreich angewendet werden. Über die Anforderungen an eine gute Verbrennung und die zulässigen Brennstoffe sind Anlagebetreiber und Öffentlichkeit hinreichend informiert. Zusätzliche Informationskampagnen können eine emissionsarme Verbrennung nur unterstützen, wenn sie durch zweckmässige Kontrollen und gezielte Beratung verstärkt werden [2]. 2 Konzept Sichtkontrolle Kleine Holzfeuerungen müssen ebenso wie vergleichbare Öl- und Gasfeuerungen nach Inbetriebnahme einer Abnahmekontrolle unterzogen werden. Bei Holzfeuerungen unter 70 kw Feuerungswärmeleistung, die ausschliesslich mit naturbelassenem Holz betrieben werden, ist insbesondere zu prüfen, ob ein fachgerechter Betrieb sichergestellt ist und die Brennstoffvorschriften eingehalten werden (Art. 13 Ziff. 1 LRV in Verbindung mit Anhang 3 Ziff. 521 und 524 LRV). Die verbrennungstechnischen Anforderungen für einen emissionsarmen Betrieb sowie die Einhaltung der Brennstoffvorschriften lassen sich mit Sichtkontrollen besser überprüfen als mit Abgasmessungen. Der Verzicht auf aufwändige Emissionsmessungen entbindet später aber nicht von einer periodischen Inspektion der eingesetzten Brennstoffe und eines emissionsarmen Betriebes. Mit Sichtkontrollen bei kleinen Holzfeuerungen werden folgende lufthygienischen Ziele verfolgt: Einhaltung der Betriebs- und Brennstoffvorschriften, durch Abnahmekontrollen bei Neuanlagen bzw. Erstinspektionen bei bestehenden Anlagen sicherstellen Einhaltung der Emissionsvorschriften, durch wiederkehrende Kontrollen längerfristig unterstützen Problemfälle durch gezielte Aufklärung und Beratung beheben und bei Regel- Verstössen den gesetzlichen Spielraum für Sanktionen besser nutzen. Für eine systematische Kontrolle von kleinen Holzfeuerungen ist die Zusammenarbeit zwischen Vollzugsbehörden (Kommunalbehörden) und Kontrollorganen sehr wichtig. Die Organisationsform und die Anordnung von Sanktionen müssen von der Vollzugsbehörde sichergestellt werden (Bild 2). Kontrollaufgaben werden zweckmässigerweise dem Kaminfeger übertragen, zusammen mit der Meldepflicht bei Verstössen gegen Brennstoffvorschriften. Nach dem Verursacherprinzip tragen Anlagebetreiber/-eigentümer die anfallenden Kosten. 16

17 Bild 2 Kontrollsystem: Delegation der Kontrollaufgaben an Kontrollorgane und Anordnung von geeigneten Sanktionsmassnahmen durch die Vollzugsbehörde [5]. 2.1 Erstkontrolle Erstkontrollen von bisher nicht kontrollierten kleinen Holzfeuerungen sind lufthygienisch wichtig. Diese Kontrollen sind bei neuen und sanierten Anlagen in der Regel Bestandteil der Abnahmeroutine im Baubewilligungsverfahren. Folgende lufthygienischen Aspekte sind bei der Erstkontrolle zu beachten: Bau und Ausrüstung Typenprüfung/Q-Label, Frischluftversorgung, Wärmespeicher, Kaminhöhe Brennstoff und Betrieb Brennstoffqualität, Ablagerungen, Belästigungsrisiko Aschebeurteilung Fremdkörper, Fremdstoffe (Rückstellprobe bei Verdacht auf Brennstoffmissbrauch) Die Ergebnisse der Kontrollen sind schriftlich festzuhalten (Protokoll). Als Basis für spätere Kontrollen sind die massgebenden Anlagedaten in einem Register aufzunehmen bzw. nachzuführen (Bild 3). 17

18 Bild 3 Kontroll-Konzept: Abnahme und wiederkehrende Sichtkontrollen bei kleinen Holzfeuerungen und Meldeweg bei Verstoss gegen Brennstoffvorschriften. Das Anlageregister kann allenfalls auf das bestehende Feuerschutz- bzw. Brandschutzregister abgestützt werden [5]. 2.2 Wiederkehrende Kontrolle Die periodische Prüfung der Einhaltung von lufthygienischen Anforderungen erfolgt zweckmässigerweise im Rahmen der Reinigung durch den Kaminfeger (Brandschutzauftrag). Bei der wiederkehrenden Kontrolle müssen folgende Bereiche kontrolliert und beurteilt werden: Brennstoff und Betrieb Brennstoffqualität, Ablagerungen, Erfahrungen mit Belästigungen Aschebeurteilung Fremdkörper, Fremdstoffe (bei Verdacht auf Brennstoffmissbrauch Ascheprobe sicherstellen bzw. Ascheschnelltest anwenden) Betrieblich-technische Mängel und die Verwendung unzulässiger Brennstoffe sind zu dokumentieren. Letztere sind der Vollzugsbehörde zu melden (Rapport). Bei Verdacht auf Verstoss gegen die Brennstoffvorschriften sind zudem Ascheproben sicherzustellen. Technische Mängel, welche die Anlage, den Betrieb oder die Brennstoffqualität (Lagerung, Feuchte, Stückelung) betreffen, sollen spätestens bis zur nächsten Reinigung behoben werden. Die Überprüfung kann dann zusammen mit der nächsten wiederkehrenden Kontrolle erfolgen. Anlagen, die nicht betrieben wurden und dem- 18

19 zufolge auch nicht gereinigt werden müssen, können von der Kontrolle befreit werden. Im Falle eines grösseren Vorrates an illegalen Brennstoffen ist das weitere Verbrennen durch die zuständige Behörde zu verhindern. Der Anlageverantwortliche ist unter Androhung der Ersatzvornahme aufzufordern, solches Material innerhalb kurzer Frist (14 bis 30 Tage) umweltgerecht zu entsorgen und den entsprechenden Nachweis zu liefern. Die Verletzung der Brennstoffvorschriften gilt als Strafdelikt und ist wenigstens im Wiederholungsfall als Übertretung (Altholz, Verpackungs- oder Siedlungsabfälle) bzw. Vergehen (Sonderabfälle) bei der Strafverfolgungsbehörde anzuzeigen oder direkt nach kommunalem Abfallreglement zu büssen. Für die Bemessung der Bussenhöhe sind neben dem Ausmass der verursachten Verschmutzung auch die Entsorgungskosten anzurechnen, die der öffentlichen Hand durch die illegale Entsorgung entgangenen sind. 2.3 Ausbildung Zur Unterstützung eines emissionsarmen Betriebes von kleinen Holzfeuerungen hat der Schweizerische Kaminfegermeisterverband (SKMV) zusammen mit Fachleuten einen modularen Weiterbildungskurs erarbeitet [6]. Damit werden die anlagetechnischen und betrieblichen Grundlagen für die emissionsarme Brennholznutzung sowie die Sichtkontrollen nach LRV vermittelt. Der Kurs richtet sich sowohl an Meister wie Gesellen und ist bereits an mehreren Orten in der Schweiz erfolgreich durchgeführt worden. 3 Erfahrungen Inzwischen gibt es aus verschiedenen Regionen positive Erfahrungen mit Sichtkontrollen bei Holzfeuerungen. Die Kontrollen wurden jeweils von den Gemeinden initiiert und fanden bei der Bevölkerung grosse Akzeptanz, obwohl damit Mehrkosten verbunden waren. Ausdrücklich geschätzt wurden die Anleitungen zum richtigen Feuern mit Holz. Die betroffenen Anlagebetreiber haben zudem bestätigt, dass die bekannten Brennstoffvorschriften mehr beachtet werden, wenn kontrolliert wird und mit entsprechenden Sanktionen zu rechnen ist. Die Anwendung von Sichtkontrollen bei handbeschickten Holzfeuerungen zeigt eine positive Wirkung. In den betroffenen Gebieten wurden die Sorgfalt im Umgang mit Holzfeuerungen verbessert und weniger unzulässige Brennstoffe genutzt. 4 Schlussfolgerungen 1. Emissionen kleiner Holzfeuerungen sind massgebende Quellen von Feinstaub und anderen Schadstoffen. Zum Schutz der Atemluft und Umwelt ist der sauberen Holzverbrennung höchste Priorität einzuräumen. 19

20 2. Die Emissionsvorschriften der Luftreinhalte-Verordnung zum Schutz von Mensch und Umwelt sind auch bei kleinen Holzfeuerungen umzusetzen. Im Gegensatz zu Öl- oder Gasfeuerungen stehen dabei nicht die Emissionsmessung sondern die Inspektion anlagetechnischer Voraussetzungen sowie die Einhaltung der Betriebs- und Brennstoffvorschriften im Vordergrund. 3. Anlagebetreiber und Bevölkerung sind durch Umweltfachstellen und Dritte hinlänglich über die zulässigen Brennstoffe und die Anforderungen an eine gute Verbrennung informiert. Mangels Kontrollen werden die geltenden Bestimmungen bisher zu wenig beachtet. 4. Weitere Informations- und Aufklärungskampagnen zur Bekämpfung der illegalen Abfallverbrennung sind nur dann zielführend und kosteneffizient, wenn sie in Verbindung mit zweckmässigen Kontrollen helfen Emissionen zu minimieren. 5. Die Einführung systematischer Sichtkontrollen nach dem Vorschlag von FairFeuern-Ost findet bei Betroffenen grosse Akzeptanz und wird von Kaminfegern als unterstützenswerte Zusatzaufgabe angesehen. Für eine wirksame Emissionsminderung ist die organisatorische und handlungsbezogene Unterstützung durch die Vollzugsbehörden unerlässlich. 5 Literatur [1] Bundesamt für Energie: Schweizerische Holzenergiestatistik. Folgeerhebung für das Jahr 2004, Juni 2005 ( [2] BPUK-Ost: Kontrolle von Holzfeuerungen - Konzept zur Verhinderung illegaler Abfallverbrennung und zum Vollzug Luftreinhalte-Verordnung, Schlussbericht Verenum im Auftrag der Arbeitsgruppe FairFeuern-Ost, Mai 2005 ( [3] Amt für Umwelt: Aschen als Qualitätskriterium kleiner Holzfeuerungen - Stichprobenkontrolle im Kanton Appenzell Ausserrhoden, Dezember 2000 [4] Luftreinhalte-Verordnung (LRV) vom 16. Dezember 1985 (Stand 23. August 2005) [5] BPUK-Ost: Merkblatt Sichtkontrollen bei Holzfeuerungen, die von der Messpflicht befreit sind. Arbeitsgruppe FairFeuern-Ost, Mai 2005 ( [6] Holzfeuerungskontrolleur SKMV: Kursangebot Schweiz. Kaminfegermeister-Verband, 2006 ( > Weiterbildung > allgemeines Kursangebot),

21 Feinstaubbildung in Holzfeuerungen und Gesundheitsrelevanz von Holzstaub im Vergleich zu Dieselruss Norbert Klippel und Thomas Nussbaumer, Verenum, Zürich Zusammenfassung In der vorliegenden Untersuchung wurden die Feinstaubemissionen von Holzfeuerungen und Dieselmotoren vergleichend untersucht und auf folgende Eigenschaften analysiert: Massenkonzentration, Anzahl und Korngrössenverteilung sowie Gehalt an polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK). Im Weiteren erfolgte eine Probenahme des Feinstaubs und deren anschliessende in vitro-analyse auf biologische Reaktivität an Lungenzellen von chinesischen Hamstern. Die Untersuchungen erlauben eine Auswertung der Zelltoxizität sowie der Chromosomendefekte, wobei letztere als Indikator für das karzinogene Potenzial dienen. Da keine ähnlichen Untersuchungen bekannt waren, wurden verschiedene Varianten bezüglich Probenahme und -aufbereitung entwickelt. Im Beitrag wird gezeigt, dass die Methode geeignet ist, die biologische Reaktivität der untersuchten Partikel vergleichend zu beurteilen. Die Untersuchungen zeigen zudem folgende Resultate: Weitgehend anorganischer Feinstaub aus der nahezu vollständigen Verbrennung von naturbelassenem Holz in einer automatischen Holzfeuerung weist eine mindestens rund fünf- bis zehnfach geringere biologische Reaktivität durch Zelltoxizität auf als der untersuchte Dieselruss. Kaminruss von typischen mit Holz befeuerten Kleinfeuerungen weist eine mit Dieselruss vergleichbare biologische Reaktivität auf. Feinstaub aus einer sehr unvollständigen Verbrennung von naturbelassenem Holz in einem schlecht betriebenen Holzofen weist eine rund zehnfach höhere biologische Reaktivität und rund 20-fach höhere PAK-Gehalte auf als Dieselruss. Im Vergleich zu anorganischem Holzstaub ist die biologische Reaktivität somit rund ein Faktor 100 höher. Die untersuchten Holzöfen weisen eine riesige Bandbreite der Feinstaubemissionen von unter 20 mg/m 3 bis über 5000 mg/m 3 bei 13 Vol.-% O 2 auf. Der höchste Wert entspricht dem Feinstaub des schlecht betriebenen Holzofens, welcher gleichzeitig die höchste biologische Reaktivität aufweist. Die grosse Bandbreite ist nicht nur, aber zu einem grossen Teil auf die Betriebsart zurückzuführen. So kann der Wechsel von einem idealen Betrieb zu einem typischen Praxisbetrieb eine Erhöhung der Emissionen um mehr als einen Faktor 10 bewirken. Dieser Sachverhalt wird in der heutigen Typenprüfung nicht ausreichend berücksichtigt, weshalb für Prüfungen eine praxisgerechtere Betriebsart festgelegt werden sollte. Für die Partikelemissionen ist dabei die Erfassung von Anfahrvorgang, Nachlegen und stationärer Betriebsphase entscheidend, während die Ausbrandphase von untergeordneter Bedeutung ist. Durch sehr schlechten Betrieb ergab sich bei einem Holzofen eine Erhöhung der Staubemissionen um mehr als einen Faktor 100. Zur Reduktion der Staubemissionen aus Holzfeuerungen muss deshalb nicht nur das Abfallverbrennungsverbot, sondern auch für naturbelassenes Holz ein sachgerechter Betrieb umgesetzt werden. 21

22 1 Einleitung Unter dem Begriff PM10 werden Partikel in der Umgebungsluft, die kleiner als 10 µm sind, zusammengefasst. Hierzu gehören Partikel unterschiedlichster Grösse und chemischer Zusammensetzung. Hierbei stellt sich die Frage, welche dieser Partikel am meisten zur Gesundheitsschädigung beitragen eine Frage, die seit Jahren viel diskutiert, aber nicht abschliessend beantwortet ist. Epidemiologische Studien belegen einen Zusammenhang zwischen PM10 Konzentrationen in der Umgebungsluft und negativen Auswirkungen auf die Gesundheit [1 3]. Ein besonderes Augenmerk galt in den letzten Jahren den sogenannten Nanopartikeln, also der PM10-Komponente, die kleiner als rund 100 nm sind. Verschiedene Forschungsgruppen haben herausgefunden, dass diese ultrafeinen Teilchen Zellwandbarrieren unseres Körpers ohne weiteres durchdringen können [4, 5]. Sie gelangen daher nach der Inhalation ins Blut und können auch die Bluthirnschranke passieren, also ins Gehirn gelangen [6]. Eine Dosis-Wirkungsbeziehung speziell für diese Partikel ist jedoch nicht bekannt. Wichtige Quellen für Feinstäube aus Verbrennungsprozessen sind Dieselmotoren und die Holzverbrennung. Bisherige Studien zeigen, dass die Grössenverteilung der emittierten Stäube bei beiden Quellen sehr ähnlich ist und im Bereich um 100 nm liegt. Andererseits ist bekannt, dass bei modernen Holzfeuerungen die chemische Zusammensetzung der Stäube völlig anders ist als bei Dieselmotoren. Ziel dieser Studie ist es, mögliche Unterschiede in der Gesundheitswirkung dieser beiden Feinstaubkomponenten herauszuarbeiten. Weiterhin soll geklärt werden, welche Variation in Menge und Beschaffenheit der emittierten Stäube aus Holzfeuerungen auftreten können, wozu auch die Bildungsmechanismen zu unterscheiden sind. 2 Entstehung von Feinstaub bei der Holzverbrennung Feinstaub im Abgas von Holzfeuerungen kann durch folgende Prozesse entstehen: 1. Verdampfung von anorganischen Komponenten des Brennstoffs (Kalium, Kalzium, Chlor, Schwefel) und anschliessende Kondensation zu Salzpartikeln, 2. Unvollständige Verbrennung mit Bildung von kohlenstoffhaltigen Partikeln (Russ, Teer), 3. Austrag von Aschematerial aus dem Glutbett in den Abgasstrom. Sowohl die Korngrösse als auch die chemische Zusammensetzung der Partikel im Abgas können sich stark unterscheiden, je nachdem welcher der Bildungsmechanismen dominiert. Für moderne automatische Feuerungen ist bekannt, dass der Hauptanteil der Partikel- Emissionen aus anorganischen Salzen besteht [7, 8]. Durch eine gute Verbrennungsführung kann bei diesen Anlagen der Russanteil auf Werte unter 1 bis 5 Gew.-% begrenzt werden. Demgegenüber können bei handbeschickten Kleinfeuerungen erhebliche Anteile an Partikeln aus unvollständiger Verbrennung emittiert werden. In dieser Arbeit werden die Gesamtemissionen und Partikelgrössenverteilungen für sehr verschiedene Holzfeuerungen untersucht. Ausgewählte Proben wurden chemisch analysiert und in biologischen Zelltests auf ihre mögliche gesundheitsschädliche Wirkung untersucht. Als Vergleichsbasis für die biologische Wirksamkeit werden Dieselrusspartikel verwendet, deren schädigende Wirkung bekannt ist. 22

23 3 Emissionen aus automatischen Holzfeuerungen Alle grössenaufgelösten Staubmessungen erfolgten im Bereich 20 nm bis 0.7 µm mit einem Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) und mit einem Optischen Partikelzähler (OPC) für den Grössenbereich von 0.5 µm bis 20 µm. Sowohl die absoluten Emissionen als auch die Partikelgrössenverteilungen sind bei automatischen Holzfeuerungen ähnlich wie bei Dieselmotoren. Typische Emissionen liegen im Bereich von 50 bis 150 mg/m 3. In Bild 1 ist das Ergebnis einer Messung an einer 200 kw Holzschnitzelfeuerung bei stabilen Bedingungen und bei Betriebstemperatur dargestellt. Die Umrechnung der Anzahlgrössenverteilung in Partikelmasse (Bild 2) ergibt ein ausgeprägtes Maximum, das zu grösseren Partikeln steil abfällt. Die Maxima liegen bei 70 nm in der Anzahl- und bei 110 nm in der Massenverteilungsfunktion. 1.0E+9 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] Bild 1 Anzahlgrössenverteilung der Partikel im Abgas einer automatischen Feuerung dm/dlogd [mg/m 3 ] D [µm] Bild 2 Massengrössenverteilung der Partikel im Abgas einer automatischen Feuerung. 23

24 Der wesentliche Unterschied zwischen automatischen Holzfeuerungen und Dieselmotoren liegt in der chemischen Zusammensetzung der emittierten Partikel. Dieselmotoren emittieren vorwiegend Russ, also unverbrannten Kohlenstoff. Demgegenüber können die Russemissionen durch nahezu vollständigen Ausbrand bei einer stationären und gut geregelten Verbrennung in automatischen Holzfeuerungen weitgehend vermieden werden. Der dominierende Bestandteil der Partikel bei automatischen Holzfeuerungen sind anorganische Salze aus den Mineralstoffen der verbrannten Biomasse [8]. In Bild 3 ist das Ergebnis der chemische Analyse für eine Staubprobe aus einer automatischen Holzschnitzel-Feuerung gezeigt. Der Anteil an unverbranntem Kohlenstoff (Russ) lag bei dieser Probe unter 3 %. Normalbetrieb autom.- Feuerung KCl CaSO4 K2SO4 K2CO3 C unverbrannt Bild 3 Staubinhaltsstoffe bei einer Probe aus dem Abgas einer automatischen Feuerung im Normalbetrieb. Eine solche Probe wurde auch für die später beschriebenen biologischen Tests verwendet. 4 Emissionen aus Stückholzöfen 4.1 Untersuchte Holzöfen Bei handbeschickten Holzfeuerungen ist die Verbrennungsqualität stark von der Betriebsart abhängig. Die resultierende Bandbreite der Emissionen wurde an drei verschiedenen Holzöfen gemessen (Bild 4). Ofen 1: Ofen 2: Ofen 3: Einfacher Metallofen mit oberem Abbrand, kleinem Feuerraum und kaum ausgeprägter Nachbrennkammer (typisch für Billigöfen, ohne Qualitätssiegel). Typischer heutiger Zimmerofen der gehobenen Klasse mit grossem schamottiertem Feuerraum und oberem Abbrand. Sekundärluft und Ausbrandzone sind vorhanden, jedoch keine räumlich klare Trennung zwischen den Zonen und eine Sekundärluftzuführung direkt im Feuerraum, nicht in einer verjüngten Zone. Der Ofen verfügt über das Qualitätssiegel. Zimmerofen mit zweistufiger Verbrennung in Anlehnung an einen unteren Abbrand sowie mit Sekundärluftzufuhr in einer verjüngten Zone und einer nachfolgenden, schamottierten Nachbrennkammer. 24

25 Ofen 3 Ofen 1 Ofen 2 Bild 4 Untersuchte Holzöfen. Bild 5 Aufbau des Ofens 3 mit zweistufiger Verbrennung. 4.2 Vorgehen und Resultate an Feinstaub Gemäss Norm zur Durchführung der Messungen für das Qualitätssiegel für Holzöfen und die Typenprüfung (EN 13240) erfolgt die Betriebsweise der Holzfeuerungen so, dass zuerst eine Grundglut erzeugt wird, und die Messung anschliessend ab Nachlegen der Holzcharge auf die Grundglut beginnt. Wenn zum Nachlegen sehr kleine Holzchargen mit trockenem Stückholz verwendet werden (im vorliegenden Fall 2 Holzscheiter à 750 g von Buchenholz mit w = 12%), so erreichen alle getesteten Öfen Emissionen von 50 mg/m 3 (bei 13 Vol.-% O 2 ). Ein typisches Grössenspektrum für Optimalbetrieb bei einer Gesamtemission von 20 mg/m 3 ist in Bild 6 gezeigt. Die Bandbreite der möglichen Emissionen ist jedoch viel grösser als mit diesem optimalen Betrieb erfasst wird. So weist der Cheminéeofen mit Qualitätssiegel (Ofen 2) bei 25

26 Verwendung einer grossen Holzcharge und feuchtem Holz Emissionen von 500 mg/m 3 auf. Die höchsten Emissionen wurden mit über 5000 mg/m 3 an einem einfachen Metallofen (Ofentyp 1) bei sehr schlechten Betriebsbedingungen gemessen, also nach Füllen des Ofens mit normalem Holz und geschlossener Luftklappe. Höhere Emissionen führen zu einer Verschiebung des Partikelspektrums zu grösseren Partikeln, was mindestens teilweise auf Agglomeration von immer mehr gebildeten Primärpartikeln zurückzuführen ist. Ungeachtet dieser Verschiebung ist die wesentliche Partikelfracht in jedem Fall auf Partikel unterhalb 3 µm Durchmesser zurückzuführen. Alle diese Partikel sind inhalierbar und zu einem grossen Teil auch lungengängig. 1.0E+9 1.0E+8 20 mg/m mg/m mg/m 3 dn/dlog D [cm -3 ] Bild 6 1.0E+7 1.0E+6 1.0E+5 1.0E+4 1.0E+3 optimaler Betrieb 1.0E+2 normaler Ofen mit feuchtem Holz 1.0E+1 Betrieb unter sehr schlechten Bedingungen 1.0E D [µm] Anzahlgrössenverteilung und Gesamtemissionen bei unterschiedlicher Betriebsart von Stückholzöfen. Zur Beurteilung der Gesundheitsrelevanz ist auch ein Vergleich mit therapeutischen Aerosolen interessant. Stand der Technik sind derzeit Inhalationsgeräte, die therapeutische Aerosole von etwa 5 µm Durchmesser erzeugen. Speziell für die Pädiatrie wurden inzwischen Dispergierer entwickelt, die Aerosole von etwa 2 bis 3 µm Durchmesser erzeugen, um bei den noch engen Atemwegen von Kindern ein möglichst tiefes Eindringen in die Atemwege zu ermöglichen [9]. Die bestverfügbaren therapeutischen Aerosole haben daher etwa die gleiche Grösse wie die Partikel aus den schlechtesten Verbrennungsbedingungen. Eine Sonderstellung bei diesen Tests nimmt der der Ofen 3 mit zweistufiger Verbrennung ein. Er erreicht im günstigsten Fall sehr tiefe Emissionen von etwa 10 mg/m 3. Bei nicht optimalem Brennstoff, also Holz mit höherer Feuchte bis zu w = 30%, lagen die Emissionen noch immer zuverlässig unter 100 mg/m 3, mit typischen Emissionen von mg/m 3 praktisch unabhängig von Betriebszustand und Holzart. Das Designkonzept für diesen Cheminéeofen ist ähnlich wie bei automatischen Feuerungen. Die im unten liegenden Glutbett erzeugten brennbaren Gase werden in einer räumlich getrennten Zone durch Zuführung von Sekundärluft nachverbrannt. Auf diese Weise entsteht eine nahezu vollständige Verbrennung mit minimaler Russbildung. Durch die Holzzuführung über einen Füllschacht ist zudem ein Überfüllen ausgeschlossen. 26

27 Die tiefsten Partikelemissionen bei diesem Ofentyp entstehen nach der Anfeuerphase. Bei zunehmender Aufwärmung auf volle Betriebstemperatur steigen die Emissionen leicht an von 10 mg/m 3 auf 30 mg/m 3 (Bild 7). Parallel gesammelte Staubproben sind zu Beginn schwarz; bei höheren Emissionen entsteht ein hellgrauer Belag (Bild 8). Die zusätzlich gebildeten Partikel bei hoher Betriebstemperatur sind daher mit hoher Wahrscheinlichkeit anorganische Salze, wie bei automatischen Feuerungen. Bei guter Ausgasung aus dem Glutbett entsteht entsteht bei diesem Ofen zeitweise eine blaue Famme, ähnlich wie bei einem Gasbrenner mit Vormischung (Bild 9). 8.0E+7 dn/dlogd [cm -3 ] 7.0E+7 6.0E+7 5.0E+7 4.0E+7 3.0E+7 11:43-12:44 12:47-15:17 15:20-16:30 16:35-18:51 13 mg/m 3 11 mg/m 3 28 mg/m 3 7 mg/m 3 2.0E+7 1.0E+7 0.0E D/µm Bild 7 Zeitlich gemittelte Messungen bei Ofen 3 mit trockenem Buchenholz (w=12%) und Ergebnis der parallel durchgeführten gravimetrischen Filtermessungen. Die zeitlich erste Kurve zeigt die Anfeuerphase, die letzte Kurve die Ausbrandphase. Beim dazwischenliegenden stabilen Betrieb lagen die Emissionen bei 11 bis 28 mg/m 3 bei 13 Vol.-% O 2. Bild 8 Filterproben von Ofentyp 3, links: Messung während der Anfeuerphase, rechts: Messung während konstantem Betrieb mit hohen Verbrennungstemperaturen. Bild 9 Flammenbilder Ofen 3. Links nach der Anfeuerphase, rechts bei Betriebstemperatur. 27

28 4.3 Einfluss der Verbrennungsphasen Ein Hauptziel für die Konstruktion und den Betrieb von Holzfeuerungen ist die Erreichung einer annähernd vollständigen Verbrennung während der stationären Verbrennungsphase. Während des Anfahrvorgangs sind erhöhte Emissionen dagegen unvermeidbar. Als weiteres Ziel ist aber anzustreben, dass der Anfahrvorgang möglichst kurz und die stationäre Verbrennungsphase im Verhältnis zur Anfahrphase möglichst lang ist. Eine lange stationäre Abbrandphase kann in Stückholzfeuerungen mit unterem Abbrand oder wie bei Ofen 3 mit umgelenktem Unterabbrand dadurch erreicht werden, dass während des Abbrands kontinuierlich Holz aus dem Füllschacht in die Verbrennungszone nachrutscht. In der vorliegenden Untersuchung wurde der Einfluss des Anfahrvorgangs auf die Gesamtemissionen an Kohlenmonoxid und an Feinstaub bestimmt, indem die Partikelemissionen mittels SMPS und OPC quasi-kontinuierlich erfasst und auf Massenkonzentrationen umgerechnet wurden, welche mittels gravimetrischer Staubmessung validiert wurden. Durch Messung des Abgasvolumenstroms wurde daraus der Massenstrom der Emissionen ermittelt und über die gesamte Abbranddauer aufsummiert. Damit kann der zeitliche Verlauf des Anteils des während eines Abbrands gesamthaft emittierten Feinstaubs ermittelt und die Relevanz des Kaltstarts und weiterer Phasen mit erhöhten Emissionen quantitativ beurteilt werden. Bild 10 zeigt dazu die Auswertung der Kohlenonmonoxid- und Partikelemissionen während eines Abbrands im Holzofen mit zweistufiger Verbrennung, welcher inklusive Startphase mittlere Staubemissionen über den gesamten Abbrand von unter 20 mg/m 3 (bei 13 Vol.-% O 2 ) erzielt. Die Emissionsdaten sind dabei in Frachten in g/h bzw. mg/h ausgewiesen. Daraus geht der typische Anfahrpeak an Kohlenmonoxid und Partikelemissionen hervor. Im Weiteren geht hervor, dass im Ausbrand hohe Kohlenmonoxidemissionen auftreten, während die Partikelemissionen nicht ansteigen, da im Ausbrand nur noch Kohlenstoff unter Bildung von Kohlenmonoxid vergast, jedoch keine organischen Substanzen als Brennstoff mehr zur Verfügung stehen und damit auch nur geringe Mengen an Kohlenwasserstoffen und organischen Partikel freigesetzt werden. Bild 11 zeigt den zeitlichen Verlauf des Anteils an Kohlenmonoxid und Partikeln über den Abbrand. Daraus geht hervor, dass nach rund 10% der Abbranddauer bereits rund 50% der und nach 50% des Abbrands über 90% der gesamten Partikelmenge emittiert wurde. Im Gegensatz dazu wurden nach 10% Abbranddauer weniger als 10% des gesamten Kohlenmonoxids und nach 50% der Abbranddauer weniger als 50% des Kohlenmonoxids emittiert. Dies zeigt, dass zur Erfassung der Partikelemissionen die erste Abbrandhälfte und dabei insbesondere der Anfahrvorgang entscheidend ist, während der Ausbrand für die Partikelemissionen nur von untergeordneter Bedeutung ist. Gleichzeitig zeigen diese Resultate auch auf, dass alleinig anhand des Kohlenmonoxidgehalts nicht nicht sicher die Höhe der Feinstaubemissionen geschlossen werden kann, da Staub und Kohlenmonoxid ein unterschiedliches Verhalten während der verschiedenen Abbrandbedingungen aufweisen. 28

29 [mg/m3] bei 13 % O2 [-] :45 12:15 12:45 13:15 13:45 14:15 14:45 15:15 15:45 16:15 16:45 17:15 17:45 18:15 Luftüberschusszahl Lambda :45 12:15 12:45 13:15 13:45 14:15 14:45 15:15 15:45 16:15 16:45 17:15 17:45 18:15 Kohlenmonoxid CO 150 Feinstaub [mg/m3] :45 12:15 12:45 13:15 13:45 14:15 14:45 15:15 Zeit 15:45 16:15 16:45 17:15 17:45 18:15 Bild 10 Zeitlicher Verlauf von Luftüberschuss, Kohlenmonoxid und Partikelemissionen während eines Abbrands im Holzofen mit zweistufiger Verbrennung [%] :45 12:15 12:45 13:15 13:45 14:15 14:45 15:15 15:45 16:15 16:45 17:15 17:45 18:15 CO-Fracht [%] :45 12:15 12:45 13:15 13:45 14:15 14:45 15:15 15:45 16:15 16:45 17:15 17:45 18:15 Partikelfracht Summe SMPS + Streulicht Bild 11 Zeitlicher Verlauf des prozentualen Anteils an den Gesamtemissionen an Kohlenmonoxid und Partikelemissionen während des gleichen Abbrands wie in Bild

30 5 Emissionen eines Pelletofens Als Vergleich zu den Stückholzöfen wurde das Emissionsverhalten eines Pelletofens (8 kw Nennleistung) gemessen. Da der Betrieb eines solchen Ofens automatisiert ist, ist der Einfluss des Betreibers gering. Die Emissionen konnten daher bei normalen Betriebseinstellungen des Ofens charakterisiert werden. Der Pelletofen ist für den Betrieb mit Holzpellets ausgelegt. Testweise wurde auch der Betrieb mit Getreidepellets gemessen, um den Einfluss auf die Emissionen zu beurteilen. Die Emissionen mit Holzpellets betragen bei diesem Ofentyp stabil rund 15 bis 17 mg/m 3 bei effektivem O 2 -Gehalt im Abgas, allerdings bei einem mittleren Luftüberschuss von 4, so dass die Staubemissionen 24 bis 26 mg/m 3 bei 13% Vol.-% O 2 betragen. Mit Getreidepellets steigen die unnormierten Staubemissionen auf doppelt so hohe Werte wie bei Holzpellets, allerdings bei gleichzeitig erhöhtem Luftüberschuss von 8, so dass die Staubemissionen rund 165 mg/m 3 bei 13% bei 13% Vol.-% O 2 betragen. Gleichzeitig erhöhten sich auch die NO X -Emissionen von 200 mg/m 3 auf 800 mg/m 3 bei 13% Vol.-% O 2. Der Hauptteil der Partikelemissionen liegt in beiden Fällen im Feinstbereich unter 1 µm. Bild 12 zeigt das Korngrössenspektrum mittels SMPS bis 1 µm. Ergänzende Messungen der grösseren Partikel mit OPC ergaben keinen wesentlichen Zusatzbeitrag zu den Gesamtemissionen. 9.0E+7 dn/dlog D [cm -3 ] 8.0E+7 7.0E+7 6.0E+7 5.0E+7 4.0E+7 3.0E+7 Holzpellets 26 mg/m 3 13% O 2 17 mg/m 3 (λ = 4) Getreidepellets 165 mg/m 3 13% O 2 54 mg/m 3 (λ = 8) 2.0E+7 1.0E+7 0.0E D/µm Bild 12 Anzahlgrössenverteilung der Partikel im Abgas des Pelletofens mit Holzpellets und Getreidepellets. 30