Grundlagen und Emissionsfaktoren!

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1 " TITEL-FOLIE BAFU-Fachtagung Holzverbrennung und Feinstaub, Bern #Vollzug Grundlagen und Emissionsfaktoren Prof. Dr. Thomas Nussbaumer" " Hochschule Luzern Technik & Architektur" Fachgruppe Bioenergie" Verenum, Ingenieurbüro" Zürich

2 1.$ Grundlagen der Holzverbrennung 2.$ Primäre Aerosole (PIA und POA) 3.$ Kohlenstoff-Konversion und SOA 4.$ Emissionsfaktoren 5.$ Messung und Vollzug 6.$ Schlussfolgerungen

3 1-stufige Verbrennung CO 2, H 2 O, O 2, N 2 CO, C x H y + Luft mit > 1 O 2 + N 2 " Holz: C H O

4 1-stufige Verbrennung CO 2, H 2 O, O 2, N 2 CO, C x H y + Luft mit > 1 O 2 + N 2 " Holz: C H O

5 Russbilung in der Flamme mit Nachweis durch Quenchen

6 Holzofen mit 1-stufiger Verbrennung Luft

7

8 Diffusions- " Flamme Flammentypen Vormisch-" Flamme Kerze mit und ohne Russ" Gasfeuerzeug" Kerze in Glas: Wandtafel mit Molekülen: Neue Stoffe entstehen, Beweis: Kerze mit schwarzem Russ

9 Holzkessel mit 2-stufiger Verbrennung Holz: C Hoval H O + Luft mit < 1 O 2 + N 2 " CO, H 2, C x H y " CO 2, N 2 + Luft mit > 1 O 2 + N 2 " CO 2, H 2 O, N 2

10 Holzkessel mit 2-stufiger Verbrennung Fröling S4 Turbo 28 kw, Foto: R. Mettler 2008

11 Holzkessel mit 2-stufiger Verbrennung Hoval Fröling

12 Holzkessel mit 2-stufiger Verbrennung Schmid AG

13 CO, T(Lambda) [mg/nm3] (11% O 2 ) CO b a a) einfacher Ofen mit PL b) handb. Feuerung mit PL/SL c) autom. Feuerung c d) autom. Feuerung ab 1995 gute Pelletfeuerung [ ] 5

14 Startphase Kumulierte Fracht [%] Anteil Start: Relevanz der Startphase (bei gutem Start) Stationäre Phase h Holz <5% CO % VOC % NOx <10% Ausbrand PM % [Good & Nussbaumer, 11. Holzenergie-Symposium, Zürich 2010] 20

15 Korrelationen in Startphase VOC [mg/m n 3 ] bei 13%O2 y = x R% = CO [mg/m n3 ] bei 13%O 2 22 [Good & Nussbaumer, 11. Holzenergie-Symposium, Zürich 2010]

16 10000 Korrelationen in Startphase VOC [mg/m 3 COC [mg/m n ] bei 3 13%O2 n ] bei 13%O y = x y = x R% = R = VOC CO [mg/m [mg/m n3 ] bei n3 ] 13%O bei 13%O 2 2 [Good & Nussbaumer, 11. Holzenergie-Symposium, Zürich 2010]

17 Startverhalten Guter Start $ Schlechter Start CO [mg/m n 3 ] bei 13% O min [Good & Nussbaumer, 11. Holzenergie-Symposium, Zürich 2010] 24

18 Holzpellets: homogen & förderfähig Hoval [Pellets Nr , 1]

19 Pelletofen Tiba

20 Pelletkessel mit automatischer Zündung Hargassner

21 Automatische Holzfeuerungen w & 10% 55%, a < 50% Schmid P1 P2 P3 200 kw MW

22 Automatische Holzfeuerungen Müller Schmid

23 Strömungsoptimierung mit numerischen Methoden " (Computational Fluid Dynamics, CFD)

24 Strömungsoptimierung mit experimentellen Methoden " Particle Image Velocimetry (PIV)

25 Staubabscheideverfahren Vorabscheider > 5#µm Feinstaubabscheider ab 0,01#µm Zyklon Elektroabscheider Gewebefilter + + Aerob-Beth Scheuch Rohgas Reingas

27 Partikelarten und Flammen-Verbrennung Pyrolyse -eigenschaften T hoch (> 800 C) O 2 = 0 Mix T hoch (> 800 C) O 2 ideal T tief viel oder wenig O 2 (11% O 2 ) CO [mg/nm3] [mg/m CO n3 O C A B 2 [A. Lauber & T. Nussbaumer, ETH Conf. 2009; T. Nussbaumer, Energy & Fuels 2003, 17] 3 4 [ ] Luftüberschuss " 5

29 V e r b r e n n u n g Pyrolyse Vergasung Koks C x H y O z K Ca Cl S Biomasse 550 C CO,#H 2 VOC O 2# =#0 >#800 C Flamme COC prim Teer >#700 C COC sek Teer # kurz >#800 C PAK tert Teer Kamin t 0 A t m o s p h ä r e CO VOC COC Russ &" 0.3" (-0.4) (0.6-) 0.7 NMVOC % =$0.24" ( ) (0.5-) 0.66 ' " 0.34 (-0.5) CH 4 / CO NCNMVOC 0 COC 0 $ " NCNMVOC ' SOA POA t ' CO VOC # C colour- less C brown BC H 2 Salze Salze KCl CaCO 3 K 2 SO 4... PM 10 m(soa) = f $ m(ncnmvoc 0 ), f = für Holzrauch [Nussbaumer 2010] [Turpin, B.; Lim, J., Aerosol S. and Techn. 35: (2001)]

30 Messungen zur Bestimmung der Konversionskoeffizienten T=160 C CO VOC COC &" 0.3" (-0.4) (0.6-) 0.7 NMVOC % =$0.24" ( ) CH 4 / CO (0.5-) 0.66 ' " 0.34 (-0.5) NCNMVOC 0 COC 0 EPA 5H + TC/OC/EC/CC-Analyse Russ Salze m(soa) = f $ m(ncnmvoc 0 ), f = für Holzrauch [Nussbaumer 2010] [Turpin, B.; Lim, J., Aerosol S. and Techn. 35: (2001)]

31 PM [mg/mj] based on LHV DT/SP SPC/SP Gravimetrischer Feststoff heiss (TSP)" DT = Feststoff im Verdünnungstunnel Stove 1 Stove 2 DT SP Tech. SWE " COC $ 6.1 Text 1.1 Verenum SWI

32 Beitrag zu Black Carbon BC und Brown carbon C brown vollständige Verbrennung: COC = 0 unvollständige Verbrennung: COC = (1 10) Feststoff [Johansson et al., World Bioenergy 2008]

34 " Emissionsfaktoren von Holzfeuerungen" TITEL-FOLIE Trend I II " " " " " Feinstaub aus Holz wurde lange unterschätzt [1]" Gründe: 1. Betriebseinfluss" 2. Kondensierb. org. Verbindungen (COC) 3. Sekundäre organische Aerosole (SOA) [2] > NMVOC als Vorläufer Künftig tiefere Emissionen v.a. für autom. Feuerungen " Grund: Luftreinhalte-Verordnung ab , , [1] z.b. PSI, Drei- bis viermal mehr Russ aus Holz als aus Verkehr im wint. Misox [2] z.b. [Robinson et al. Science, 2007], [Baltensperger et al. Faraday D. 2005]

35 " " TITEL-FOLIE Emissionsfaktoren von Holzfeuerungen" " Daten [1] Vock, W. et al.: Emissionsbilanzen, AWEL Zürich 2006 [2] Hochschule Luzern: Emissionsmessungen " J. Good & T. Nussbaumer, 11. Holzenergie-Symp [3] Frischknecht et al.: Umweltetikette Holz, BAFU 2010 [4] Literatur [5] Firmen" Publikationen Nussbaumer, T.; Boogen, N.:" Aktualisierung des Arbeitsblatts Emissionsfaktoren, " im Auftrag Bundesamt für Umwelt, Verenum 2010 Nussbaumer, T.: 11. Holzenergie-Symposium 2010

36 Emissionsfaktoren BAFU mg/mj = 1,5 mg/m O 2 = 1,9 mg/m O 2 Kategorien nach Holzenergie-Statistik nach unten korrigiert V e r h ä l t n i s k o r r i g i e r t 2008 nach oben korrigiert 2035 nach unten korrigiert [BAFU 2005] VOC und (blau, kursiv): berechnet

37 Emissionsfaktoren und 2035 [Nussbaumer & Boogen 2010] > > < > < > < < < < < < < < < <

38 Emissionsfaktoren und 2035 [Nussbaumer & Boogen 2010] > > < > < > < < < < < < < < < <

39 Emissionsfaktoren und 2035 [Nussbaumer & Boogen 2010]

40 Emissionsfaktoren und 2035 [Nussbaumer & Boogen 2010]

42 Feinstaub-Messung: 1. Masse VOC NMVOC TEOM für PM 10 oder PM 2.5 (Tapered Element Oscillating Micro-balance) Gravimetrie nach Verdünnung, ab 10 s-intervall 3D 5D Solid Particles SP bzw. TSP " (Feststoff) COC Condensable Organic Compounds (Teer)

43 Feinstaub-Messung: 3. Masse- bzw. Anzahl-Verteilung Messgrösse M a s s e A n z a h l k o n z e n t r a t i o n Gerät Low Pressure Kaskaden- Impaktor TEOM 1 " Tapered Element Oscillating " Micro-balance SMPS" Scanning Mobility Particle Sizer DiSC" Diffusion Size Classifier OAS (OPC)" Optical Aerosol Sensor/Particle Counter ELPI" " Electric Low Pressure Impactor LAS Messgrösse Trägheit" Aerodyn. Optisch Brechung, Oberfl. Aerodn. + elektrisch Gravimetrisch Elektrostatisch Elektrostatisch Laseroptisch Verdünnung keine ja" (& 100) ja" (& 100) ja keine" (100) ja" (& 100) (000 Korngrösse " von... bis 2 > 30 nm" <10/20 µm PM 10 " PM 2.5 > 4 nm" #< 0.8 µm > 3 nm" #< 0.3 µm " " " > 0.2 µm > 0.09 µm > 0.09 µm < 20 µm <2.5/10#µm < 7.5 µm Mess-Intervall > 15 Min 10#s > 30 s > 1 s 0.01 s 1 s 1 s 1.$ TEOM ohne Grössenverteilung 2.$ Messungen > µm nur sofern Probenahme ohne Umlenkung/Abscheidung

44 Feinstaub-Messung: Vergleichsmöglichkeiten $ Jedes Messprinzip ist abhängig von zahlreichen Eigenschaften von Partikel und Gasphase, nebst der unspezifischen Grösse x P oder D einer Ersatz-Kugel (Anordnung für x)y)z nicht erfasst): -$ aerodynamische (c W ) -$ elektrische -$ spektrale (Brechungsindex, Oberflächenform) -$ Kondensation/Verdampfung sowie Adsorption/Desorption -$ für Masse: Form und Dichte, u.v.m. $ $ Folge: Messungen sind untereinander nicht direkt vergleichbar Probenahme mit Verdünnung kann grobe Partikel (und Masse) nicht erfassen $ Nur TEOM weist ein Prinzip mit Filter und Gravimetrie auf, " - da T < 100 C verursachen aber Kondensation/Abdampfung Fehler, " - zudem werden grobe Partikel wegen Probenahme nicht erfasst $ Kein Verfahren bildet die gravimetrische Messung auf heissem Filter ab

45 Messung von Klein-Elektroabscheidern PM rein PM rein PM rein 3D PM rein PM rein 5D? PM roh? PM roh PM roh 3 Rohgas = vor Abscheider Reingas = nach Abscheider

46 ? PM rein? PM rein DC PM rein PM roh PM roh 0 4 5

47 Messung wie?? PM rein PM roh 5

48 Abscheidewirkung des Kamins?? PM rein? PM rein PM roh = PM rein? PM roh 0* 5

49 Überwachung automatischer Anlagen mit Abscheidern P1 P2 P3 [Good & Nussbaumer, 10. Holzenergie-Symposium, Zürich 2008]

50 Betriebsart Stationärer Betrieb mit T > T min Betrieb mit T < T min M M GF GF EA EA staubbeladen entstaubt [Good & Nussbaumer, 10. Holzenergie-Symposium, Zürich 2008]

51 Vorschlag: Ersatz LRV Art. 15:" Ermittlung der Jahresfracht aus Betriebsdaten Stundenmittelwert: mal 1h Art.15 Ziff. 4b 97% (1h) < 1,2*GW Art.15 Ziff. 4c 100% (1h) < 2*GW Tagesmittelwert: 365 mal 24h Art.15 Ziff. 4a 100% (24h) < GW [Good & Nussbaumer, 10. Holzenergie-Symposium, Zürich 2008]

52 Modell zur Abschätzung der Staubemissionen Was brauchts dazu? $ Periodische Staubmessung bei Voll- und Teillast $ ABER: auch Rohgaswert bei Voll- und Teillast $ Kont. Erfassung diverser Betriebsstundenzähler $ Annahmen/Abschätzungen (Anfahren/Abfahren, Standby) $ Berechnungen Berechnung 1.$ Berechnung der Staubfracht g/h in allen Betriebszuständen 2.$ Aufsummieren > Staub-Jahresfracht kg/a 3.$ Dividieren durch aufsummiertes Abgasvolumen in m n3 /a 4.$ > Gewichteter Staub-Jahresmittelwert in mg/ m n3 5.$ > Vergleich mit Grenzwert [Good & Nussbaumer, 10. Holzenergie-Symposium, Zürich 2008]

53 1.$ Grundlagen der Holzverbrennung 2.$ Primäre Aerosole (PIA und POA) 3.$ Kohlenstoff-Konversion und SOA 4.$ Emissionsfaktoren 5.$ Messung und Vollzug 6.$ Schlussfolgerungen" 6.1 Emissionsfaktoren" 6.2 Vollzug

54 " " 1.$ Holzfeuerungen verursachen:" a) Primäre Aerosole 1. Salz 2. Russ 3. COC" b) Primäre VOC und > SOA Messung Staub Kond. VOC Staub verd. 2. Russ, COC und SOA haben hohe Gesundheits-Relevanz 3. Reduktion COC/VOC sowie Russ hat erste Priorität" Zwar kein Zielkonflikt, da aus 'unvollständiger Verbrennung', aber: " die Bedingungen zur Reduktion sind unterschiedlich " mehr als eine Messung nötig, z.b. Staub nach LRV und (NM)VOC" Reduktion von Salz hat zweite Priorität (Zielkonflikt zu anderen) 3. Russ beschleunigt das Abschmelzen und verursacht direkte Klimaerwärmung, Salz und organische Stoffe kühlen, alle führen zu kühlender Wolkenbildung 4. Emissionsfaktoren: NO X tiefer, Feststoff höher, NMVOC-Anteil höher

55 1.$ Grundlagen der Holzverbrennung 2.$ Primäre Aerosole (PIA und POA) 3.$ Kohlenstoff-Konversion und SOA 4.$ Emissionsfaktoren 5.$ Messung und Vollzug 6.$ Schlussfolgerungen" 6.1 Emissionen" 6.2 Vollzug

56 g 1.$ Russ, COC und VOC (als SOA-Precursor) sind als " Products of Incomplete Combustion (PIC) besonders umweltrelevant 2.$ Für PIC ist der Anlagenbetrieb entscheidend 3.$ Heutige Typenprüfung bildet nicht den realen Praxisbetrieb ab 4.$ Eine Zertifizierung von Feuerung und Abscheider genügt deshalb nicht 5.$ Kontrollen mit Staubmessung oder Staub-Indikatoren sind notwendig. 6.$ Dazu ist eine Messung gemäss Grenzwerten in mg/m 3 nötig. Alternativen sollten " einfach(er), reproduzierbar sowie in Prüflabor und Praxis anwendbar sein und" nur als europäischer Standard eingeführt werden. Dabei ist zu beachten: " - Zählende Verfahren allein erfassen TSP und (Massen-)Abscheidegrad nicht" - Partikelmessung in verdünntem Teilstrom erfasst Grobpartikel nicht 7.$ Zusätzlich zum Staub sind Indikator(en) für COC und SOA sinnvoll " VOC- oder NMVOC-Messung erfasst Summe von COC und SOA" Staubmessung in Verdünnungstunnel erfasst COC ohne VOC/SOA 8.$ Für Anlagen mit Abscheider:" #> 70 kw: Überwachung des Praxisbetriebs ohne Staubmessung" < 70 kw: Überwachungsmöglichkeiten eingeschränkt, prüfen 9.$ Für Kleinanlagen: CO als Indikator für Startphase (einfach, billig) 10.$ Sehr einfache Kontrollen sind nicht absehbar

57 VERDANKUNG Verdankung" Bundesamt für Umwelt" Bundesamt für Energie"