Emissionen kritischer anorganischer Elemente bei der Verbrennung von Holz und Stroh

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1 Emissionen kritischer anorganischer Elemente bei der Verbrennung von Holz und Stroh Fachtagung Chancen und Risiken der Bioenergie im Kontext einer nachhaltigen Entwicklung, Universität Göttingen, 24./ T. Seidel, H. Ruppert, J. Orasche, J. Schnelle-Kreis, H. Hartmann Interdisziplinäres Zentrum für Nachhaltige Entwicklung, Universität Göttingen Abteilung Sedimentologie/Umwelt, Geowissenschaftliches Zentrum Kaminofen Buderus Blueline, 8 kw am Versuchsstand der TFZ

2 Probenahme 1. Feuerungsanlage 2. Filter (150mm ø) 3. Elektrostatische Abscheider Wie sauber ist die Verbrennung von Festbiomassen? 1. Elementgehalte im Brennstoff und in den Aschen 2. Schadelementbilanzen 3. Wiederfindungsraten 4. Beispielrechnungen zur Emission Partikelgrößenverteilung Zusammenfassung Ausblick

3 Holzhackschnitzelkessel Guntamatic Powerchip 30 kw

4 Am Verdünnungstunnel angebrachter 150 mm Filterhalter 150 mm Filterhalter aus Teflon Beladener Quarzfilter (Segment für organische Analyse entnommen)

5 E-Filter der Firma Spanner E-Filter der Firma K & W

6 Elementgehalte im Fichtenhackschnitzel und Winterweizenstrohpellet (µg/g) Cadmium Chrom Zinn Blei Thallium Zink Nickel Kupfer Antimon 1 0,24 1,47 0,022 0,37 0,025 15,2 0,91 1,49 0, ,04 12,1 0,059 0,56 0,005 6,0 9,34 1,81 0, ,12 7,61 0,087 0,97 0,030 23,6 4,82 2,25 0,0435 Ref. 0,27 0,8 0, ,2 1: Fichtenhackschnitzel (Hackschnitzelkessel Guntamatic Powerchip, 30 kw) 2: Winterweizenstrohpellets (Hackschnitzelkessel Guntamatic Powerchip, 30 kw) 3: Fichtenhackschnitzel (Großfeuerungsanlage Müller TMV 15H, 650 kw) Ref.: Referenzmaterial Buche (NJV 94-5)

7 Konzentrationen ausgewählter Elemente in Rostaschen von Fichtenhackschnitzeln und Winterweizenstrohpellets (µg/g) Cadmium Chrom Zinn Blei Thallium Zink Nickel Kupfer Antimon 1 0,25 47,6 0,88 1,59 0, ,35 2 0,02 63,2 0,48 0,64 0, ,4 0,35 3 0,11 36,8 1,05 5,51 0, ,7 0,55 KlärschlammV 10 (5*) (2000*) DüMV 1 (BioAbfV 2 ) 1,5 (1,5) (100) (150) 1,0 (400) 80 (50) (100) - *Bei Böden mit Tongehalten <5% und ph-werten 5-6) 1 DüMV = Grenzwerte der Düngemittelverordnung; 2 BioAbfV = Grenzwerte der Bioabfallverordnung 1: Hackschnitzelkessel Guntamatic Powerchip, 30 kw, Fichtenhackschnitzel 2: Hackschnitzelkessel Guntamatic Powerchip, 30 kw, Winterweizenstrohpellets 3: Großfeuerungsanlage Müller TMV 15H, 650kW, Fichtenhackschnitzel

8 Elementgehalte im Filterstaub aus der Verbrennung von Fichtenhackschnitzeln und Weizenstrohpellets (µg/g) Cadmium Chrom Zinn Blei Thallium Zink Nickel Kupfer Antimon 1a 54,4 64,3 6, , , ,86 1b 59, , , ,15 2a 20, , , ,8 0,31 2b 13, , , ,7 1, , ,6 KlärschlammV 10 (5*) DüMV 1 1,5 (BioAbfV 2 (1,5) (100) (150) 2500 (2000*) 1,0 (400) (50) (100) - *Bei Böden mit Tongehalten <5% und ph-werten 5-6) 1 DüMV = Grenzwerte der Düngemittelverordnung; 2 BioAbfV = Grenzwerte der Bioabfallverordnung 1a: Hackschnitzelkessel Guntamatic Powerchip, 30 kw, Fichtenhackschnitzel, ohne E-Filter 1b: Hackschnitzelkessel Guntamatic Powerchip, 30 kw, Fichtenhackschnitzel, mit E-Filter 2a: Hackschnitzelkessel Guntamatic Powerchip, 30 kw, Winterweizenstrohpellets, ohne Kondensationswärmetauscher 2b: Hackschnitzelkessel Guntamatic Powerchip, 30 kw, Winterweizenstrohpellets, mit Kondensationswärmetauscher 3: Großfeuerungsanlage Müller TMV 15H, 650kW, Fichtenhackschnitzel

9 Konzentrationen ausgewählter Elemente in E-Filter bzw. Zyklonaschen von Fichtenhackschnitzeln und Winterweizenstrohpellets (µg/g) Cadmium Chrom Zinn Blei Thallium Zink Nickel Kupfer Antimon 1 49,7 51 5, , , ,4 2 3,9 65 7,7 9 0, ,5 39,3 1,5 3 21, , , , ,9 KlärschlammV 10 (5*) (2000*) DüMV 1 (BioAbfV 2 ) 1,5 (1,5) (100) (150) 1,0 (400) 80 (50) (100) - *Bei Böden mit Tongehalten <5% und ph-werten 5-6)i 1 DüMV = Grenzwerte der Düngemittelverordnung; 2 BioAbfV = Grenzwerte der Bioabfallverordnung 1: Hackschnitzelkessel Guntamatic Powecrhip, 30 kw, Fichtenhackschnitzel, 2: Hackschnitzelkessel Guntamatic Powerchip, 30 kw, Winterweizenstrohpellets 3: Großfeuerungsanlage Müller TMV 15H, 650kW, Fichtenhackschnitzel

10 Bilanzierung Bilanzmethode zur Erfassung der Emissionen: Elementmenge (absolut) im verbrannten Holz - Elementmenge in der Rostasche - Elementmenge in der Wärmetauscherasche - Elementmenge in der Asche am elektrostatischen Abscheider Zwecks Vergleichbarkeit mit Emissionen bei der Kohle- oder Öl- Verbrennung werden die Werte auf Energieeinheiten (MJ) normiert.

11 [mg/mj] Elementbilanzen ausgewählter Elemente in mg/mj Guntamatic Powerchip, 30 kw, Fichtenholzhackschnitzel mit E-Filter ohne E-Filter mit E-Filter ohne E-Filter 0,025 0,02 0,015 Losses Filterasche mit E-Filter Filterasche ohne E-Filter Asche int. WT Asche E-Filter Rostasche 0,01 0,005 0 Pb Cd

12 mit E-Filter ohne E-Filter mit E-Filter ohne E-Filter mit E-Filter ohne E-Filter [mg/mj] Elementbilanzen ausgewählter Elemente in mg/mj Guntamatic Powerchip, 30 kw, Fichtenholzhackschnitzel 0,0015 0,001 Losses Filterasche mit E-Filter Filterasche ohne E-Filter Asche int. WT Asche E-Filter Rostasche 0, Sn Tl Sb

13 [mg/mj] Elementbilanzen ausgewählter Elemente in mg/mj Guntamatic Powerchip, 30 kw, Fichtenholzhackschnitzel mit E-Filter ohne E-Filter mit E-Filter ohne E-Filter mit E-Filter ohne E-Filter mit E-Filter ohne E-Filter 1 0,9 0,8 0,7 0,6 Losses Filterasche mit E-Filter Filterasche ohne E-Filter Asche int. WT Asche E-Filter Rostasche 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Cu Zn Ni Cr

14 [mg/mj] Elementbilanzen ausgewählter Elemente in mg/mj Guntamatic Powerchip, 30 kw, Winterweizenstrohpellets; [SWT Sekundärwärmetauscher] ohne SWT Pb mit SWT ohne SWT Cd mit SWT 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 Losses Filter mit SWT Filter ohne SWT Asche VT Asche int. WT Kondensat Asche E-Filter Rostasche 0,01 0,005 0

15 [mg/mj] Elementbilanzen ausgewählter Elemente in mg/mj Guntamatic Powerchip, 30 kw, Winterweizenstrohpellets ohne SWT mit SWT ohne SWT Sn Tl Sb mit SWT ohne SWT mit SWT 0,005 0,0045 0,004 0,0035 0,003 0,0025 0,002 0,0015 0,001 0,0005 Losses Filter mit SWT Filter ohne SWT Asche VT Asche int. WT Kondensat Asche E-Filter Rostasche 0

16 [mg/mj] Elementbilanzen ausgewählter Elemente in mg/mj Guntamatic Powerchip, 30 kw, Winterweizenstrohpellets ohne SWT mit SWT ohne SWT mit SWT Cu Zn Ni Cr ohne SWT mit SWT ohne SWT mit SWT 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Losses Filter mit SWT Filter ohne SWT Asche VT Asche int. WT Kondensat Asche E-Filter Rostasche 0,2 0,1 0

17 Wiederfindung Wiederfindungsrate [%] Wiederfindung [%] [%] Wiederfindungsraten ausgewählter Elemente Mit E-Filter Ohne E-Filter Berechnung der Wiederfindungsrate (in %): La Ca Al U 200 Ti 150 Mn Mg P Na Summe der Elementmengen in den Aschen Sb K (inkl. Filteraschen) * Elementmenge im Brennstoff Cd Cr Sn Pb Tl Zn Rb Ni Cu Cs Ba S Sr 50 Mit E-Filter Al U Ti 2000 Ohne E-Filter Guntamatic Powerchip 30 kw, Fichtenhackschnitzel mit Kondensationswärmetauscher La Ca ohne Kondensationswärmetauscher Mn Mg P Na Sr K Cs Ba U La Ti Al Fe Mn Mg Ca P 120 Cu Sb K Tl Sn Pb Tl Zn Rb Ni Cu Cs Ba S Sr Zn Sb Rb Pb Cd Cr Cr Cd 30 Ni S Guntamatic Powerchip, 30 kw, Fichtenholzhackschnitzel Guntamatic Powerchip 30 kw, Winterweizenstrohpellet Na Fe Fe

18 Emissionen [mg/nm 3 ] im Abgas bei der Verbrennung von Fichtenhackschnitzeln und Weizenstrohpellets (berechnet aus Abgaswerten nach der Subtraktionsmethode) Cadmium Chrom Zinn Blei Thallium Zink Nickel Kupfer Antimon 1a 0,031 0,151 0,0021 0,047 0,0032 1,82 0,05 0,082 0,0003 1b 0,029 0,153 0,0019 0,037 0,0024 1,42 0,05 0,077 0,0002 2a 0,008 1,436 0,0060 0,105 0,0008 0,84 1,29 0,013 0,0027 2b 0,006 1,196 0,0055 0,083 0,0006 0,57 1,13 0,002 0, ,009 0,104 0,0009 0,141 0,004 2,07 0,03 0,025 0,001 TA-Luft 0, ,5 0,05-0, a: Hackschnitzelkessel Guntamatic Powerchip, 30 kw, Fichtenhackschnitzel, ohne E-Filter 1b: Hackschnitzelkessel Guntamatic Powerchip, 30 kw, Fichtenhackschnitzel, mit E-Filter 2a: Hackschnitzelkessel Guntamatic Powerchip, 30 kw, Winterweizenstrohpellets, ohne Kondensationswärmetauscher 2b: Hackschnitzelkessel Guntamatic Powerchip, 30 kw, Winterweizenstrohpellets, mit Kondensationswärmetauscher 3: Großfeuerungsanlage Müller TMV 15H, 650kW, Fichtenhackschnitzel

19 Beispiel: Berechnung der Deposition aus der Holzverbrennung nach Differenzmethode Guntamatic Powerchip 30 kw, Fichtenholzhackschnitzel, ohne E-Filter: Blei: 0,0196 mg/mj Cadmium: 0,0129 mg/mj Jährlicher Energiebedarf eines Einfamilienhauses (Baujahr vor 2002, Wohnfläche 120m 2, 4 Personen-Haushalt, keine neuen Fenster, Baujahr Heizung vor 2005): 2870 Liter Heizöl MJ 8265 kg Holz (mit Wassergehalt von ~30%) Jährliche Deposition durch Emissionen aus Schornstein: Bleideposition: 0,0196 mg/mj * MJ = 2,0 g/haus Cadmiumdeposition: 0,0129 mg/mj * MJ = 1,33 g/haus Jährliche Deposition von 4 Häusern pro ha (entspricht 2500 m 2 Grund pro Haus): Bleideposition: 2,0 g/haus * 4 Häuser = 8 g/(ha*a) Cadmiumdeposition: 1,33 g/haus * 4 Häuser = 5,32 g/(ha * a) Zum Vergleich: Gemessene mittlere Deposition in Niedersachsen (Niedersächsisches Ministerium für Umwelt und Klimaschutz, 2011) Bleideposition: ca. 20 g/(ha*a) Cadmiumdeposition: 0,7 g/(ha*a) Ca. 15 Mio. Einfamilienhäuser (Deutschland 2009, Stat. Bundesamt ) würden ~ g = 20 t Cd pro Jahr emittieren. Gesamtemission Bundesrepublik: 7-17 t (geschätzt aus Deposition, UBA).

20 Korngrößenverteilung der Partikel Messungen mit einem ELPI (electrical low pressure impactor). Verteilung der Partikelanzahl N in Abhängigkeit vom Durchmesser (µm) während eines Verbrennungsexperimentes. Hackschnitzelkessel, 30kW; Fichtenhackschnitzel; ohne E-Filter Kaminofen, 8kW; Fichtenscheitholz; ohne E-Filter Ergebnis: 90 % der Partikel liegen zwischen µm; konstantes Maximum bei 0.15 µm

21 Zusammenfassung Schadelemente wie Cd, Cr, Sn, Pb, Tl, Zn, Ni, Cu und Sb können deutlich bis sehr stark zu den bereits existierenden Schadelementgehalten in unserer Atmosphäre und deren Depositionen beitragen - Erfassung über Bilanzrechnungen. Es ist bisher nicht klar, ob eventuell Elemente an Kühlzonen im Abgasbereich deponiert wurden oder mit Schamottsteinen der Ofenauskleidung reagiert haben, was zu den Minderbefunden führen würde und erhöhte Emissionswerte vortäuscht. Der größte Partikelanteil besteht aus gut lungengängige Aerosolen, die für einen kritischen Transfer von Schadelementen in den Organismen sorgen können.

22 Ausblick Durchführung von toxikologischen Untersuchungen an Stäuben (Zelltests). Systematische Suche nach eventuellen Elementsenken in Öfen. Untersuchung der Emissionen bei der Verbrennung von schnellwachsenden Hölzern von belasteten und unbelasteten Standorten. Zusammenarbeit mit Ofenherstellern: a) Emissionsmindernde Maßnahmen sind nicht nur für Staub und Gase sondern auch für den Rückhalt kritischer Elemente zu konzipieren. Überprüfung dieser Maßnahmen durch Stoffflussbilanzen. b) Die Vollständigkeit der Verbrennung muss verbessert werden, nicht nur um die bisherigen Immissionsgrenzwerte deutlicher zu unterschreiten, sondern die Emissionen organischer Substanzen durch optimale Verbrennung zu minimieren. Für den Gesetzgeber müssen auch für Kleinfeuerungsanlagen Grundlagen für die einzuhaltende Güte der Brennstoffe (Feuchtigkeit, Schmutzbelastung etc.) und erweiterte Emissionsgrenzwerte erarbeitet werden.

23 Hartmann (2006)