Beitrag der Holzfeuerungen zur Feinstaubbelastung Arten von Feinstaub, gesundheitliche Aspekte, Hochrechnungen und Minderungspotenzial

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1 TITEL-FOLIE Zur Anzeige wird der QuickTime Dekompressor TIFF (LZW) benötigt. Beitrag der Holzfeuerungen zur Feinstaubbelastung Arten von Feinstaub, gesundheitliche Aspekte, Hochrechnungen und Minderungspotenzial Thomas Nussbaumer Hochschule für Technik + Architektur HTA Luzern, Ingenieurbüro, Zürich, 11 th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles Zürich, 15. August 2007

2 INHALT Kapitel 1 Zur Anzeige wird der QuickTime Dekompressor TIFF (LZW) benötigt. 1. Arten Feinstaub aus Holzfeuerungen 2. Reduktion von Russ und organischem Feinstaub 3. Feinstaubabscheidung 4. Hochrechnung Schweiz 5. Minderungspotenzial und Schlussfolgerungen

3 Holz als Brennstoff CH 1.44 O O 2 CO H 2 O CO, C X H Y, C org, C el (Russ) N NO X K, Ca, Na, Cl, S.. KCl, K 2 SO 4,CaCO 3... Feinstaub

4 K, Ca, Na, Cl, S... KCl, K 2 SO 4,CaCO 3 [Kaufmann & Nussbaumer 1998] Russ & organische Partikel [Kägi & Schmatloch 2002] Zur Anzeige wird der QuickTime Dekompressor TIFF (LZW) benötigt. 100 Low-Particle K < Zur Anzeige wird der QuickTime Dekompressor TIFF (LZW) benötigt Ca >12.21 Aerodynamischer Durchmesser [µm] Staub [mg/m n 3 ] (13% O2 )

5 Holzofen 1-stufig 1.0E+9 1.0E+8 50 mg/m 3 (13% O 2 ) = 0,6 g/kg = 0,06% Idealbetrieb 1.0E+7 dn/dlog D [cm -3 ] 1.0E+6 1.0E+5 1.0E+4 1.0E+3 1.0E+2 1.0E D/µm [Klippel und Nussbaumer 2006]

6 Holzofen 1-stufig 1.0E+9 1.0E+8 50 mg/m 3 (13% O 2 ) = 0,6 g/kg = 0,06% Idealbetrieb 1.0E+7 dn/dlog D [cm -3 ] 1.0E+6 1.0E+5 1.0E+4 1.0E+3 Autom. Holzf. 100 mg/m 3 95% Salze 1.0E+2 1.0E D/µm [Klippel und Nussbaumer 2006]

7 Holzofen 1-stufig 1.0E+9 1.0E+8 50 mg/m 3 (13% O 2 ) = 0,6 g/kg = 0,06% Idealbetrieb 1.0E+7 dn/dlog D [cm -3 ] 1.0E+6 1.0E+5 1.0E+4 1.0E+3 1.0E+2 1.0E Autom. Holzf. 100 mg/m 3 95% Salze Diesel 100% Russ D/µm [Oser et al. 2004] mit EMPA Dübendorf [Klippel und Nussbaumer 2006]

8 Holzofen 1-stufig 1.0E+9 1.0E+8 50 mg/m 3 (13% O 2 ) = 0,6 g/kg = 0,06% Idealbetrieb 1.0E+7 dn/dlog D [cm -3 ] 1.0E+6 1.0E+5 1.0E+4 1.0E+3 1.0E+2 1.0E D/µm [Klippel und Nussbaumer 2006]

9 Holzofen 1-stufig 1.0E+9 50 mg/m 3 (13% O 2 ) = 0,6 g/kg = 0,06% Ofen normal befüllt mg/m g/kg = 0,3% 0,6% Idealbetrieb Ofen befüllt 1.0E+8 1.0E+7 Start 1000 mg/m 3 > 1% dn/dlog D [cm -3 ] 1.0E+6 1.0E+5 1.0E+4 1.0E+3 1.0E+2 1.0E D/µm [Klippel und Nussbaumer 2006]

10 Holzofen 1-stufig 1.0E+8 Luftzufuhr geschlossen mg/m 3 = 80 g/kg = 8% Masse = 10% - 20% Hu SMPS/OPC Number Size Distribution Wood stove operated under very bad conditions 16. Nov 05 dn/dlog D [cm -3 ] 1.0E+7 1.0E+6 1.0E+5 1.0E+4 10E7 at 1.5µm! Total mass emission > 5 g/m 3 Idealbetrieb 20 mg/m 3 1.0E+3 1.0E+2 1.0E D/µm [Klippel und Nussbaumer 2006]

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13 Holzofen mit Luftklappen zu PM mit Russ, Teer & Kondensat Ist aller Feinstaub gleich?..10 x..10 = 100 Diesel PW Euro 3 ohne DPF PM10 Toxizität Dieselruss 1 x 1 = 1 Automatische Holzfeuerung PM aus Holz, v.a. Salze x <0.2 = <

14 Zytotoxizitätstests mit Feinstaub Zellüberlebensrate [%] Feinstaub aus sehr schlechter Holzverbrennung Dieselruss Filter 2 vom Filter 4 vom Feinstaub aus automatischer Holzfeuerung Filter 2 vom Filter 4 vom Filter 3 vom Dieselruss Partikelkonzentration in Zellnährlösung [µg/ml] [Klippel und Nussbaumer 2006]

16 1-stufige Verbrennung CO 2, H 2 O, O 2, N 2 CO, C x H y + Luft O 2 + N 2 mit λ > 1 Holz: C H O

17 Grenzen der 1-stufigen Verbrennung Problem 7: Brennstoff + Betrieb Feuchte, Abfall Anfeuern, Teillast, Nachrutschen Problem 6: Flammenkühlung Problem 5: Wärmeabfuhr aus der Verbrennungszone Problem 4: Gas Undichtheit Problem 3: Luft Undichtheit Problem 2: Mischung Gas und Luft Problem 1: Luftverteilung

18 2-stufige Verbrennung CO 2, H 2 O, N 2 + Luft mit λ > 1 Holz: C H O + Luft mit λ < 1 O 2 + N 2 O 2 + N 2 CO, H 2,C x H y CO 2, N 2 + Luft mit λ < 1 CO, H 2,C x H y CO 2, N 2 + Luft mit λ > 1 O 2 + N 2 O 2 + N 2 Holz: C H O CO 2, H 2 O, N 2

19 2-stufige Verbrennung: Beispiel Sturzbrand Holz: C Hoval H O + Luft mit λ < 1 O 2 + N 2 CO, H 2,C x H y CO 2, N 2 + Luft mit λ > 1 O 2 + N 2 CO 2, H 2 O, N 2

20 2-stufige Verbrennung: Beispiel Sturzbrand Hoval Vormischflamme

21 Pelletfeuerungen mit 2-stufiger Verbrennung Hargassner

22 Unterschubfeuerung w 10% 50%, a < 5% 4 20 kw kw

23 Unterschubfeuerung Rostfeuerung w 10% 50%, a < 5% w 10% 55%, a < 50% 4 20 kw kw 200 kw MW P1 P2 P3

25 Staubabscheideverfahren Vorabscheider > 5 µm Feinstaubabscheider bis < 0,01 µm Zyklon Elektroabscheider Gewebefilter + + Rohgas Reingas

26 Staubabscheideverfahren Vorabscheider > 5 µm Feinstaubabscheider bis < 0,01 µm Zyklon Elektroabscheider Gewebefilter + Zur Anzeige wird der QuickTime Dekompressor TIFF (LZW) benötigt. + Aerob-Beth Scheuch Scheuch Rohgas Reingas

27 Wärmegestehungskosten 50 mg/m 3 Holz: 3 Ct./kWh Heizöl: 6 Ct./kWh ( 60 pro 100 l) Kapital: 5% p.a.. Betrieb: 2000 h/a 20 mg/m 3 LRV: 20 mg/m 3

28 Elektroabscheider für häusliche Holzfeuerungen Hoval Kamin Ionisationselektrode Isolator Lüfter Ofen Steuergerät 230V [Schmatloch 2004] [Berntsen 2006]

29 Fraktions-Abscheidegrad des Rohr-Elektroabscheiders Hoval Verweilzeit E [kv/cm ] = 2.67 j [µa/m 2 ] = 920 Durchmesser D = 150 mm, Spannung U = 20 kv Stromdichte j 920µA/m 2 = Coronastrom 130 µa an Drahtlänge von 300 mm. SCA [s/m] : Verbesserung der Abscheidung: Verweilzeit verlängern (Grösse) Spannung erhöhen Gassenbreite (Rohrdurchmesser) verringern nach [N. Klippel, 8 th Int. Conf. on ESP, USA 2001 ]

30 Holzkraftwerk mit Abgasreinigung auf < 5 mg/m 3 > Nass-Elektroabscheider (Beispiel Kufstein mit 60 MW t / 7 MW e ) > oder Gewebefilter (Beispiel Tegra in Ems) [Unsinn 2007] nach [Seeger]

31 Holzgas-Kombikraftwerk mit Wirbelschicht- Druck-Vergasung und Gas- und Dampfturbine Zur Anzeige wird der QuickTime Dekompressor TIFF (LZW) benötigt. Foster Wheeler (Bioflow/Sydkraft) Värnamö (S) 6 MW e (4 + 2 MW e ) 9 MW t Eta e = 33 37%

33 PM10-Emissionsfaktoren Betrieb (Feuerung) Holzöfen in [mg/mj end ] gut typisch schlecht Schweiz - BAFU 100 Schweiz - Bsp. TN < > 2000 Deutschland 94 Österreich 148 Schweden Norwegen 1931 Dänemark 1000 [Nussbaumer et al. 2007] in prep. for IEA

34 BAFU 55% 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 100% = 1'821 t PM10 pro Holzherde Cheminées Holzöfen + Kachelöfen Stückholzkessel Pelletfeuerungen Autom. HF ohne Abscheider TN 40% 35% 30% 25% 100% = 4'512 t PM10 pro Jahr 20% 15% 10% 5% 0% Holzherde Cheminées Holzöfen + Kachelöfen Stückholzkessel Pelletfeuerungen Aut. HF < 2MW ohne Filter Aut. HF > 2 MW

35 PM10 aus Holzfeuerungen BAFU TN 10% 9% 7% 6% 8% 1% 100 mg/mj 1800 t/a 18% 300 mg/mj 56% Nichtverbrennung 4500 t/a 50% 17% Benzin Diesel 1% 1% Heizöl und Erdgas Holzbrennstoffe Offene Verbrennung & Forst 15% 1% Übrige aus Verbrennung

37 55% 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 100% = 1'821 t PM10 pro BAFU 1. LRV für autom. Holzfeurungen > bis 900 t/a = 10% bis 25% Holzherde Cheminées Holzöfen + Kachelöfen 100% = 4'512 t PM10 pro Jahr TN Holzherde Cheminées Holzöfen + Kachelöfen Stückholzkessel Stückholzkessel Pelletfeuerungen Pelletfeuerungen Autom. HF ohne Abscheider Aut. HF < 2MW ohne Filter Aut. HF > 2 MW 2. Problem: Handbeschickte HF: Heutige Typenprüfung reicht nicht Betrieb entscheidend Keine Reduktion zu erwarten > Bessere Feuerungen & Regelung > Praxisgerechtere Typenprüfung > Ersatz bestehender Öfen > Strikter Vollzug in Praxis > Option kleiner Abscheider 3. Pelletfeuerungen statt Stückholz 4. In Kleinfeuerungen nur Holz, keine anderen Biomasse-Brennstoffe 5. Grossanlagen statt Stückholz

38 TITEL-FOLIE Zur Anzeige wird der QuickTime Dekompressor TIFF (LZW) benötigt. Verdankung Bundesamt für Umwelt Bundesamt für Energie Direktion für Entwicklung und Zusam. (DEZA) Internationale Energie Agentur Bio Task 32 EMPA Dübendorf, Abt. Verbrennungsmotoren Müller AG, Tiba AG, Schmid AG, Liebi AG,... N. Klippel, C. Czasch, J. Good, M. Baillifard,... R. Bühler, A. Jenni,...

39 Weitere Informationen Thomas Nussbaumer

40 PM10 aus Holzfeuerungen nach BAFU 2006 BAFU 2006 TN 2007 ca.-werte vereinfacht Endenergie PM10 Endenergie PM10 Kategorie TJ/a mg/mj end t PM10/a % TJ/a mg/mj end t PM10/a % Zusatz TN Holzherde 1' % 3' ' % inkl. Z-Herde ma- Cheminées 1' % 1' % nu- Holzöfen + Kachelöfen 4' % 5' ' % ell Stückholzkessel 3' % % ohne Venti 5' % mit Venti Pelletfeuerungen % % Öfen auto % Kessel ma- Autom. HF ohne Abscheider 10' % 10' % < 2 MW tisch % 2 10 MW ma 2' % > 10 MW ma Total 21' % 30'342 4' % Basis Holzenergie-Statistik 2004 Holzenergie-Statistik 2005 Emissionsfaktoren BAFU 2005 Emissionsfaktoren TN 2007 (Schätzung Praxiswerte)

41 PM10 aus Holzfeuerungen nach BAFU % 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 100% = 1'821 t PM10 pro Holzherde Cheminées Holzöfen + Kachelöfen Stückholzkessel Pelletfeuerungen Autom. HF ohne Abscheider

42 PM10 aus Holzfeuerungen BAFU 2006 TN 2007 Endenergie PM10 Endenergie PM10 Kategorie TJ/a mg/mj end t PM10/a % TJ/a mg/mj end t PM10/a % Zusatz TN Holzherde 1' % 3' ' % inkl. Z-Herde ma- Cheminées 1' % 1' % nu- Holzöfen + Kachelöfen 4' % 5' ' % ell Stückholzkessel 3' % % ohne Venti 5' % mit Venti Pelletfeuerungen % % Öfen auto % Kessel ma- Autom. HF ohne Abscheider 10' % 10' % < 2 MW tisch % 2 10 MW ma 2' % > 10 MW ma Total 21' % 30'342 4' % Basis Holzenergie-Statistik 2004 Holzenergie-Statistik 2005 Emissionsfaktoren BAFU 2005 Emissionsfaktoren TN 2007 (Schätzung Praxiswerte)

43 PM10 aus Holzfeuerungen nach TN % 100% = 4'512 t PM10 pro Jahr 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Holzherde Cheminées Holzöfen + Kachelöfen Stückholzkessel Pelletfeuerungen Aut. HF < 2MW ohne Filter Aut. HF > 2 MW

44 PM10 aus Holzfeuerungen Ca.-Werte zusammengefasst B A F U T N Quelle t PM10/a % t PM10/a % Nichtverbrennung 12'600 56% 12'600 50% Benzin 225 1% 225 1% Diesel 3'825 17% 3'825 15% Heizöl und Erdgas 225 1% 225 1% Holzbrennstoffe 1'800 8% 4'500 18% Offene Verbrennung & Forst 1'575 7% 1'575 6% Übrige aus Verbrennung 2'250 10% 2'250 9% Total 22' % 25' %

45 Staubgrenzwerte und Emissionswerte Holzfeuerungen > 10 MW > 1 MW > 500 kw < 70 kw Prüfung LRV 1992 LRV 2007* TEGRA LRV 07/TEGRA LRV 92/TEGRA 50 mg/m 3 10 mg/m mg/m 3 ab 2007 ( 1.5 mg/m 3 ) 150 mg/m 3 > 70 kw 150 mg/m 3 50 mg/m 3 ab 2012 < 70 kw Praxis 150 mg/m 3 ( 3.2 mg/m 3 ) mg/m mg/m 3 ab mg/m 3 ab mg/m Sauerstoffbezug: 1 MW: 13%vol > 1MW: 11 %vol [Jansen, BAFU 2007]

46 Vergleich mit Holzöfen Emission von Holzheizkraftwerk = 1.5 mg/m 3 Emission von Holzofen/-kessel = 150 mg/m 3 > t Holz/a in Holzheizkraftwerk = t Holz/a in Holzöfen = Einwohner mit Verbrauch von 2,6 t Holz/a > Wenn der Grossraum Chur mit Holzöfen beheizt würde, wäre die Belastung mit der gleichen Holzmenge rund 100 mal grösser