Erster Südwestfälischer Energietag Meschede 3 April 2003 Fachhochschule Südwestfalen. Referat : Heizen mit Holz im gewerblichen und kommunalen Bereich

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1 Erster Südwestfälischer Energietag Meschede 3 April 2003 Fachhochschule Südwestfalen Referat : Heizen mit Holz im gewerblichen und kommunalen Bereich Dipl. Ing. Jörg Wendenburg WVT Wirtschaftliche Verbrennungs-Technik GmbH Overath-Untereschbach 40 Jahre Umwelttechnik aus dem Hause WVT Einleitend möchte ich erwähnen, daß die WVT GmbH mit Sitz in NRW sich nunmehr seit über 40 Jahren mit der Entwicklung, der Produktion und dem Vertrieb von Umwelttechnik im Speziellen von Holzfeuerungsanlagen beschäftigt. Weltweit wurden bis heute ca Anlagen im Leistungsbereich von 15 bis kw geliefert. Dabei spielte der Brennstoff Holz die Hauptrolle, aber auch Feuerungsanlagen für andere Biomasse wie z.b. Rapsschrot, Maisspindeln, Oliven- oder Pfirsichkerne wurden entwickelt und installiert. Bis Ende der 80-iger Jahre schien in Deutschland der Markt für Holzfeuerungsanlagen lediglich im Bereich der Verwertungs- und Entsorgungslinie eine Bestätigung zuzulassen. Schreinerein, Möbelbetriebe und Sägewerke, die ihren Verschnitt teuer entsorgen lassen mußten, hatten gleichzeitig stets einen hohen Bedarf an Heiz- und Prozesswärme. Während wir in Österreich und der Schweiz auch in dieser Zeit schon etwa 20 sogenannte Grünschnitzelheizwerke installieren konnten, entstand erst in den letzten 10 Jahren auch in Deutschland ein Markt für Holzheizwerke bei Energieversorgungsunternehmen und Kommunen. Die fehlende Lobby für Holzenergie in Verbindung mit Vorurteilen hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Umweltbelastung (Staub) sowie äußerst starke Interessenverbände der Gas- und Heizölversorger dämpften bis dato den Elan für die Errichtung von Holzheizwerken in Deutschland. Heute erkennt man auch hierzulande die Potentiale und energiepolitische Bedeutung nachwachsender Biomasse. Holz-Ein Brennstoff mit Tradition Holz ist als Rohstoff und Energieträger so alt wie die Menschheit selbst. Nachdem im Laufe der Zeit andere Werkstoffe und Energieträger dem Holz den Rang abliefen besinnt man sich heute wieder verstärkt der umweltrelevanten Bedeutung des CO2-neutralen und nachhaltig verfügbaren Brennstoffes. In Deutschland beträgt der Anteil erneuerbarer Energien am jährlichen Primärenergieverbrauch derzeit ca.2%. Im Vergleich in der europäischen Union bei ca.5%. ( Quelle: Bundesministerium für Landwirtschaft, Ernährung, Forsten ) Das gesamte Energieholzpotential in Deutschland wird auf jährlich 20 Mio. t geschätzt, davon: 8 Mio. t Waldrestholz 6 Mio. t Industrierestholz 6 Mio. t Altholz ( Recyclingholz ) Bei Ausschöpfung dieses Gesamtpotentials könnten 2% fossile Energieträger ersetzt werden und der inländische CO2-Ausstoß um 2 % reduziert werden. ( Beschluß der Bundesregierung: Verringerung der CO2 Emission bis 2005 um 30% ) 1

2 Anforderungen an den Brennstoff Die Vielfalt der zur Verfügung stehenden Brennstoffe bedingt eine entsprechende Auslegung der Anlagentechnik. Auch wenn es vielfach behauptet wird, den sogenannten Allesfresser gibt es nicht! Dem angestrebten billigen Brennstoff auf der einen stehen die Investitions- bzw. Betriebskosten auf der anderen Seite gegenüber. Grundsätzlich kann auf 4 Brennstoffgruppen zugegriffen werden: 1. Waldholz 2. Industrie- bzw. Sägewerksrestholz 3. Recycling- bzw. Altholz 4. Landschaftspflegeholz Waldholz: Diese Gruppe stellt infolge der relativ aufwendigen Gestehung ( meistens über Lohnunternehmen ) den teuersten Brennstoff dar. Bei entsprechender Logistik sind die Hackschnitzel in homogener Fraktion im besten Sinne naturbelassen lieferbar. Viele Forstämter können jedoch lediglich auf Bezugsquellen verweisen, da eine Eigenproduktion bzw. Vermarktung selten besteht. Industrie- bzw. Sägewerksrestholz : Dieser Brennstoff steht in der größten Dichte zur Verfügung, da holzverarbeitende Betriebe ( wenn keine eigene energetische Verwertung erfolgt ) dieses Material als Reststoff entsorgen müssen oder aber nur gegen einen geringen Erlös vermarkten können. Aus Gründen der Transportlogistik bleibt jedoch in naturbelassene Resthölzer ( z.b. Sägewerkshackschnitzel ) und behandelte Resthölzer ( z.b. Spanplattenspäne ) zu unterscheiden. Während beide in Feuerungsanlagen genutzt werden dürfen, eignen sich staubförmige Spanplattenspäne nur bedingt zum Weitertransport. Recycling- bzw. Altholz Das in einer breiten Vielfalt klassifizierte Altholz stellt zunächst für Feuerungsbetreiber infolge des niedrigen Preises die verlockendste Alternative dar. Dies verwundert nicht, handelt es sich doch in der Regel um ein Entsorgungsgut im Sinne von Müll. Dementsprechend inhomogen ist dieser Brennstoff anzutreffen. Verunreinigungen in Form von Mineralien führen zu starker Schlackebildung, Reststoffe wie Metalle und Nichteisenmetalle ( Alu ) führen zu Störungen im Transportsystem. Verunreinigungen in Form von Chemikalien schließen eine energetische Nutzung in Holzfeuerungsanlagen genehmigungsrechtlich aus. Eine entsprechende Aufbereitung bzw. Vorsortierung beim Entsorger ist für Ihn oft nicht interessant, weil der Aufwand nicht wirtschaftlich sinnvoll erscheint. Landschaftspflegeholz Diese Brennstoffgruppe wird häufig noch am Rande betrachtet und oft der ersten Gruppe Waldrestholz oder aber auch dem Altholz zugeordnet. Dies liegt sicher an der mangelnden Definition. Während z.b. der Verschnitt an Autobahnen oder Straßenrändern sowie die Baumpflege einen hohen Massivholzanteil aufweist, handelt es sich beim Siebüberlauf von Kompostanlagen oder öffentlichen Annahmestellen nicht selten um reine Blumenerde, welche mit Holzhackschnitzeln noch so viel zu tun hat wie Orchideen mit Gurken. Es bleibt also im Einzelfall abzuwägen was unter diesem Oberbegriff für ein Brennstoff angeboten wird. Unabhängig von der Brennstoffzusammensetzung gibt es natürlich spezielle Anforderungen hinsichtlich Feuchtigkeit, Korngröße oder Aschegehalt. Mangels einer deutschen Norm zur Brennstoffklassifizierung greift man zunehmend auf eine österreichische Norm ( Ö-Norm )zurück. Um den Brennstofflieferanten in die Verantwortung zu nehmen empfiehlt sich in jedem Falle ein Liefervertrag mit vereinbarten Preisen, Mengen und Qualität. 2

3 Anforderungen und gesetzliche Auflagen Für die Errichtung von Holzfeuerungsanlagen in Deutschland gelten die 1. und 4. Bundes- Immissionsvorschrift ( BImSchV ). In diesen Vorschriften sind sowohl die Qualität des einzusetzenden Holzes als auch die Emissionsgrenzwerte festgelegt. Auszug aus dem Bundes-Immissionsschutz-Gesetz Emissionsanforderung an nicht genehmigungsbedürftige Holzfeuerungen nach der 1. BImSchV Sämtliche Holzbrennstoffe der Gruppe 1 (siehe Abschnitt 2), und zwar Brennstoff Brennstoff-Nr nach 1.BimschV [1] $ 3 Abs. 1 naturbelassenes stükkiges Holz einschl. anhaftender Rinde, beispielsweise in Form von Scheitholz, Hackschnitzeln, sowie Reisig und Zapfen naturbelassenes nicht stückiges Holz, beispielsweise in Form von Sägemehl, Spähnen, Schleifstaub oder Rinde gestrichenes, lackiertes oder beschichtetes Holz sowie daraus anfallende Reste, soweit keine Holzschutzmittel aufgetragen oder enthalten sind und Beschichtungen nicht aus halogenorganischen Verbindungen bestehen. Sperrholz, Spanplatten, Faserplatten oder sonst verleimtes Holz sowie daraus anfallende Reste, soweit keine Holzschutzmittel aufgetragen oder enthalten sind und Beschichtungen nicht aus halogenorganischen Verbindungen bestehen Wärmeleistung > 15 kw < 1 MW > 50 kw < 1 MW Bezugswert 13 % O 2 13 % O 2 Staubgrenzwert 0,15 g/m³ 0,15 g/ m³ Kohlenmonoxid- Grenzwert ( CO ) Nennwärmeleistung in kw bis 50 über 50 bis 150 über 150 bis 500 über 500 Massenkonzentration an Kohlenmonoxid in g je m³ ,5 Nennwärmeleistung in kw bis 100 über 100 bis 500 über 500 Massenkonzentration an Kohlenmonoxid in g je m³ 0,8 0,5 0,3 U. S. W.... Die wiederkehrende Kontrolle obliegt bei Anlagen bis kw Feuerungswärmeleistung dem örtlichen Schornsteinfegermeister, über kw dem TÜV bzw. einem anderen anerkannten Institut. Unabhängig von der Brennstoffzusammensetzung gibt es natürlich spezielle Anforderungen hinsichtlich Feuchtigkeit, Korngröße oder Aschegehalt. Eine Vielzahl verschiedener Feuerungsanlagen stehen dafür zur Verfügung. Für die Errichtung von Holzfeuerungsanlagen existieren bundesweit Förderprogramme, welche Planung und Investition nach unterschiedlichen Kriterien begünstigen. 3

4 Emissionsanforderungen nach der TA-Luft für genehmigungsbedürftige Anlagen nach der 4. BImSchV Alte Fassung 1986 Neue Fassung 2002 naturbelassenes Holz naturbelassenes Holz Holzwerkstoffe Feuerungs- 1 MW bis 50 MW 1 MW bis 50 MW 1 MW bis 50 MW wärmeleistung Bezugswert 11% O2 11% O2 11% O2 Gesamtstaub > 5 MW: 50 mg/m3 < 5 MW: 150 mg/m3 > 5 MW: 20 mg/m3 2,5 5 MW: 50 mg/m3 > 5 MW: 20 mg/m3 < 5 MW: 50 mg/m3 < 2,5 MW: 100 mg/m3 Kohlenmonoxid C 0,25 g/m3 < 2,5 MW nur bei Nennlast 0,15 g/m3 < 2,5 MW nur bei Nennlast 0,15 g/m3 < 2,5 MW nur bei Nennlast Stickstoffoxide 0,50 g/m3 0,25 g/m3 0,40 g/m3 NOx Organische Stoffe ( Gesamt-C ) 50 mg/m3 10 mg/m3 10 mg/m3 Kontinuierliche Messungen Altanlagen 5 25 MW Abgastrübung > 25 MW Staub, CO >2,5 MW CO kontinuierlich 5-25 MW Staub qualitativ kontinuierlich >25 MW Staub kontinuierlich Staub, CO nach 8 Jahren <2,5 MW CO: 0,25 g/m3 >2,5 MW CO kontinuierlich 5-25 MW Staub qualitativ kontinuierlich > 25 MW Staub kontinuierlich Staub, CO nach 8 Jahren <2,5 MW CO: 0,25 g/m3 NOx: 0,5 g/m3 Aufbau einer Feuerungsanlage Wie ist nun eine Feuerungsanlage aufgebaut? 1) Handbeschickte Anlagen 2) Automatisch beschickte Anlagen Handbeschickte Feuerungen Vorteile: - relativ geringe Investitionskosten - keine aufwendige Holzaufbereitung - einfache Montage - geringer Platzbedarf Nachteile: - hoher Bedienaufwand - nur trockenes Holz - Pufferspeicher notwendig - gute Emissionswerte nur mit hohem Aufwand Vorteile: - vollautomatischer Betrieb - Einsatz feuchteren Holzes möglich - sehr gute Emissionswerte möglich - Brennstoffbevorratung über längeren Zeitraum möglich - Teillast regelbar Automat. beschickte Feuerungen Nachteile: - Relativ hohe Investitionskosten - Holzaufbereitung nötig 4

5 Der Stückholzkessel Neben Pelletsfeuerungen, welche in Deutschland zunehmendes Interesse wecken, infolge der noch recht geringen Dichte an Brennstofflogistik jedoch noch auf ihre flächendeckende Verbreitung warten, stellen die Scheitholzkessel bereits heute eine weitverbreitete Kesselbauart dar. Insbesondere ist dies in ländlichen bzw. waldreichen Regionen der Fall. Diese Kessel arbeiten in den meisten Fällen nach dem Prinzip des unteren Abbrandes. Über eine Fülltüre werden die Holzscheite in entsprechenden Intervallen in den Kessel gefüllt. Dabei sind die Abmessungen abhängig von der Kesselleistung und liegen in der Regel bei 0,5 m Scheitlänge. Die Verbrennungsluft wird in 2 Phasen leistungsabhängig zugeführt, ein Abgasgebläse sorgt für den erforderlichen Unterdruck. Die Luftmengen werden über eine Lambda-Sonde, welche den Sauerstoffgehalt im Abgas erfaßt geregelt. Dies ist Indiz für eine saubere Verbrennung. Der Betrieb eines solchen Stückholzkessels erfordert immer einen Puffer-Wärmespeicher. Das Volumen sollte ca. 30 bis 50 Liter pro kw Kesselleistung betragen. 5

6 Automatisch beschickte Anlagen - Lagerung und Austragung des Brennstoffes - Brennstofftransport und Dosierung - Feuerung und Kessel - Rauchgasentstaubung - Schornstein Lagerung und Austragung des Brennstoffes Siloaustragungen sind heute in den unterschiedlichsten Bauformen im Einsatz. Während im holzverarbeitenden Gewerbe der Brennstoff vorwiegend in Spänelagerräumen und Stahloder Betonsilos erfolgt, nutzt man in Sägewerken und Heizwerken oft hydraulische Schubbodensysteme. Die Dimensionierung der einzelnen Systeme richtet sich in erster Linie nach den Abmessungen des Silos, der gewünschten Austragemenge sowie Beschaffenheit des Austragegutes ( Feuchte, Schüttgewicht ). Der Weitertransport zur Heizungsanlage kann mechanisch ( Schnecken, Kratzkettenförderer, Hydraulikschieber ) oder pneumatisch ( Fördergebläse ) erfolgen. In Abhängigkeit vom Brennstoff liegt im Transportsystem der Schlüssel zu einem störungsfreien Betrieb. Während der Transport mit Schnecken am verbreitetsten ist, weil am günstigsten von den Investitionskosten und am geeignetsten für eine genaue Dosierbarkeit des Brennstoffes, bedingt dies jedoch eine homogene Brennstoffgröße. Während in Betrieben wo der Brennstoff selbst zerkleinert wird häufig diese Schnecken anzutreffen sind, wird bei zugekauftem preisgünstigen Material und größeren Anlagenleistungen oft der Einsatz des teureren aber robusteren Kratzkettenförderes oder Hydraulikschiebers favorisiert. 6

7 Bauformen von Siloaustragungen GELENKARM - AUSTRAGUNG SCHRÄGSCHNECKEN - AUSTRAGUNG KEHRSCHNECKEN - AUSTRAGUNG SCHUBBODEN - AUSTRAGUNG 7

8 Feuerung und Kessel Herzstück einer jeden Anlage sind Feuerung und Kessel. Nicht zuletzt der zuverlässige und wirtschaftliche Betrieb und vor allem die Unterschreitung der gesetzlichen Emissionsgrenzwerte sind im wesentlichen von diesen Komponenten abhängig. Gegenüber den im Holzbearbeitungssektor verbreiteten Unterschubfeuerungen erlauben Vorschubrostfeuerungen die größere Flexibilität hinsichtlich Brennstoff und Verbrennungsqualität. Bei den Kesselbauformen gilt es auf Wirkungsgrad und Reinigungsintervalle zu achten. Während bei waagerechten Zügen häufig der konstruktionsbedingte Reinigungsaufwand mittels energie- und geräuschintensiver pneumatischer Abreinigung wettgemacht werden soll, reicht oft schon die senkrechte Anordnung der Züge aus, um die Intervalle zu verdoppeln. Feuerungsarten: 1. Unterschubfeuerung 2. Rostfeuerung 3. Einblasfeuerung Verschiedene Formen der Wärmetauscher bzw. Kessel: Natürlich sind auch an den Wärmetauscher, welcher einer Feuerung nachgeschaltet wird, besondere Ansprüche zu stellen, wenn man eine möglichst perfekte Feuerung haben will. Grundsätzlich unterscheidet man. 1. Dreizugkessel 2. Vielzugkessel 3. Wasserrohrkessel 4. Thermalölkessel 5. Dampfkessel 8

9 Diverse Kesseltypen Unterschubfeuerungen Vorschubrostfeuerungen 9

10 Vorofenfeuerungen Die verschiedenen Bauformen von Staubabscheidern Gemäß den Anforderungen der Emissionsvorschriften für Holzfeuerungsanlagen sind Grenzwerte des Staubauswurf vorgeschrieben. Diese betragen bei Leistungen zwischen 15 kw und 1 MW max. 150 mg je Nm3. Von 1 bis 2,5 MW sind nach der neuen TA-Luft Staubwerte < 100 mg, ab 2,5 MW <50 mg einzuhalten. Zur Einhaltung dieser Grenzwerte stehen verschiedene Staubabscheider zur Verfügung. - mechanische Abscheider - Gewebefilter - elektrostatische Filter - Naßabscheider Der wichtigste Vertreter der mechanischen Abscheider ist der Multizyklon, der heute das sicherlich am Häufigsten gebrauchte Staubabscheidegerät bei Holzfeuerungsanlagen darstellt. Er verfügt über eine der zu reinigenden Gasmenge angepaßte Anzahl von parallel geschalteten Zyklonen, entweder in Axial-Bauweise mit einer Gasdurchströmung von oben nach unten oder aber mit tangentialer Gaseinführung. 10

11 Im Falle des Axial-Zyklons - wie er von der WVT bevorzugt wird - wird das in den Zyklon eintretende staubbeladene Gas durch einen Schaufelkranz in schnelle Rotation versetzt, die Staubpartikel werden dabei an den Innenrand des Mantelrohres eines jeden Zyklons gedrängt und sinken dort - der Schwerkraft folgend nach unten in einen Staubsammeltrichter ab, während das gereinigte Gas um 180 im Zentrum umgelenkt und nach oben durch ein Reingasrohr in Richtung Schornstein abgeführt wird. Vorteile des Multizyklons: - niedrige Investitionskosten - geringer Wartungsaufwand - lange Lebensdauer Nachteile des Multizyklons: - begrenzte Fähigkeit, ein massearmes Staubkorn abzuscheiden Wenn der Staubanteil im Brennstoff höher ist, wie das z.b. bei der Spanplattenbearbeitung der Fall ist, bzw. strengere Emissions-Anforderungen gestellt werden, muß ein höherwertiger Abscheider eingesetzt werden. Ein hochwirksames System, wenn auch von der Investition her teueres Verfahren der Abgasreinigung ist das elektrostatische Filter. Für diese Elektrofilter werden in der Regel Rest-Staubkonzentrationen von weniger als 50 mg/nm3 garantiert. Je nach Auslegung sind durchaus auch Werte unter 20 mg erreichbar. Bei Holzfeuerungsanlagen >1 MW ist dieses Verfahren trotz hoher Investitionskosten nach der neuen TA-Luft zwingend erforderlich. Ihr Stromverbrauch entspricht etwa dem eines Multizyklons für die gleiche Feuerungsleistung. 11

12 Gewebefilter Diese filternden Abscheider haben Wirkungsgrade, die sehr dicht unter der 100% - Grenze liegen. In der Regel können Werte unter 20 mg/nm3 garantiert werden. Nachteile: - Temperaturempfindlichkeit nach oben und unten ( Ausbrand oder Verschmieren ) - Hoher Verbrauch an elektrischer Energie infolge des Filterwiderstandes - Verbrauch von Druckluft zur Reinigung des Filters - Begrenzte Standzeit Das Haus WVT setzt als Alternative zu Textilgeweben z.b. Edelstahlmetall-Vlies Filter mit einer Temperaturbeständigkeit bis etwa 350 C ein. Naßabscheider b.z.w. Rauchgaswäscher Als viertes System sei der Vollständigkeit wegen der Rauchgaswäscher erwähnt, der aufgrund der Tatsache, daß es sich bei ihm um eine Problem-Verlagerung von der Luft in das Wasser handelt, bei der Holzfeuerung nur eine Außenseiterrolle spielt. Er ist für die Reduzierung von Chloriden und soweit vorhandenen Sulfaten anwendbar. Darüber hinaus sind Rauchgaswaschanlagen stets sehr teuer und haben einen großen Stromverbrauch. 12

13 Steuer-und Regeltechnik Der Regeltechnik einer automatischen Feuerungsanlage kommt heute zentrale Bedeutung zu. Technische Innovationen vollziehen sich größtenteils auf diesem Gebiet der Anlagentechnik. Während in der Vergangenheit konventionelle Regeltechnik fest vorgegebene Betriebsparameter für ein homogenes Brennstoffgemisch in Zeittakten regelte, finden heute verstärkt auch bei kleineren Anlagen freiprogrammierbare Steuerungen Anwendung. Dabei wird auf den jeweiligen Betriebszustand in Abhängigkeit von Leistung, Heizwert, Schüttgewicht, Emissionswerten usw. direkter Einfluss auf die Regelung von Verbrennungsluft und Brennmaterialmenge genommen. Um die Qualität der Steuerung beurteilen zu können ist im Einzelnen zu prüfen, welche Parameter über Sensorik erfasst werden und welche Parameter wie geregelt werden. Das Schlagwort der Lambda-Sonde allein sagt über die Regelphilosophie nur wenig aus. Das Konzept muß stimmen Vor der Errichtung einer Holzfeuerungsanlage gilt es das richtige Energiekonzept zu finden. Eine belastbare Wärmebedarfsrechnung stellt viele klassische Heizungsbauer nicht selten vor Probleme. Hier lohnt sich immer die Konsultation von seriösen Fachplanern oder Sachverständigen. Der Holzkessel sollte der Abdeckung des Grundlastbereiches dienen, wobei die Spitzen- und Notlast nach wie vor über Öl oder Gas gedeckt werden. Nicht nur der Preis pro m3 ist beim Vergleich der Brennstoffangebote relevant. Hier lohnt es in jedem Fall auch auf Heizwert, Reinheit und nachhaltige Verfügbarkeit zu achten. Dies insbesondere auch in Verbindung mit der Wahl der geeigneten Fördertechnik, damit der gesparte Euro nicht bei den Wartungskosten doppelt wieder ausgegeben werden muß. Schließlich bleibt bei der Auswahl des geeigneten Kesselfabrikates die Qual der Wahl. Wie bei allen Investitionen schützt auch hier der Vergleich von Marktpräsens, Servicenetz, vergleichbaren Referenzen, Unterstützung bei der Bauplanung sowie seriösem und kompetentem Auftreten vor unliebsamen Überraschungen. Wesentlich ist auch die rechtzeitige und vollständige Beantragung der Fördermittel, welche durch den Betreiber selbst eingereicht werden muß, wobei jedoch gewöhnlich die Kesselanbieter behilflich sind. Werden all diese Punkte beachtet, ist die neue Holzhackschnitzelheizung kein Experiment sondern in der Regel eine wirtschaftlich einträgliche und werbewirksame Entscheidung. 13

14 Beispiele aus der Praxis Holzheizwerk Bad Arolsen ( 400 und kw ) Beheizung eines Freizeitbades sowie diverser kommunaler Wärmeabnehmer über Fernwärmenetz. PLANER Schulzentrum Flecken Steyerberg ( 350 kw ) Wärmeversorgung einer Schule und eines Waldbades PLANER 14

15 Landeswohlfahrtverband Hessen ( kw ) ZSP Mittlere Lahn Marburg Wärmeversorgung in einer Landeseinrichtung Holzheizwerk Lieberhausen ( 900 kw ) Wärmeversorgung eines Dorfes über Fernwärme durch eine Genossenschaft 15