Feinstaub Stand der Technik

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1 A N C H E N E R G H I E A B L T I I O M A S S E G E W I R T P Ca Mg K A S C H E S C H A F T BIOENERGIESYSTEME GmbH Inffeldgasse 21b, A-81 Graz Feinstaub Stand der Technik Thomas Brunner, Ingwald Obernberger 16. Österreichischer Biomasse-Tag

2 Inhalt Allgemeines zur Feinstaubproblematik in Österreich Feinstaubbildung in Biomasse-Kleinfeuerungen Überblick Feinstaubemissionen aus Biomasse-Kleinfeuerungen derzeitiger Stand der Technik Eingesetzte Primärmaßnahmen zur Minderung der Feinstaubemissionen Schlussfolgerungen und Empfehlungen 2

3 Allgemeines zur Feinstaubproblematik in Österreich Die Luftgütequalität hinsichtlich Feinstaub war und ist in Österreich Gegenstand ständiger öffentlicher Diskussionen Immissionsschutzgesetz-Luft (IG-L): Grenzwert für Feinstaub (PM 1 ): 5 µg/m³ (Tagesmittelwert) 4 µg/m³ (Jahresmittelwert) Der Tagesmittelwert darf an einer Messstelle nicht öfter als 25 mal pro Jahr überschritten werden Diese Vorgabe bezüglich der maximal zulässigen Anzahl der jährlichen Überschreitungen des Grenzwertes für den Tagesmittelwert kann an vielen Messstellen nicht eingehalten werden 3

4 Anzahl der Tage im Jahr 29 mit Tagesmittelwerten an PM 1 > 5 µg/m³ 4

5 Feinstaubquellen in Österreich (Stand 28) PM 1 -Emissionen PM 2,5 -Emissionen Sonstige 2% Energieversorgung 4% Verkehr 23% Verkehr 25% Industrie 27% Sonstige 2% Energieversorgung 5% Industrie 17% Hausbrand 29% Landwirtschaft 15% Hausbrand 45% Landwirtschaft 6% 5

6 Feinstaubquellen in Österreich (II) Beim Hausbrand dominieren die Emissionen von Holzfeuerungen (9% der PM 1 -Emissionen) Dies liegt vor allem daran, dass der Anlagenbestand in Österreich von Altanlagen (2 Jahre alt und älter) dominiert wird Diese weisen um den Faktor 1 bis 1 höhere Feinstaubemissionen auf als moderne Biomasse- Kleinfeuerungen 6

7 Feinstaubbildung bei der Biomasseverbrennung in Kleinfeuerungen (I) Es bestehen drei Bildungspfade aus denen chemisch unterschiedlich zusammengesetzte Partikel entstehen Anorganische Feinstäube Partikel aus kondensierten Kohlenwasserstoffen Russpartikel 7

8 Feinstaubbildung bei der Biomasseverbrennung in Kleinfeuerungen (II) Anorganische Feinstäube Freisetzung von aschebildenden Komponenten, hauptsächlich Kalium (K), sowie in geringeren Mengen Natrium (Na), Zink (Zn) und Blei (Pb) sowie Schwefel (S) und Chlor (Cl) aus dem Brennstoff in die Gasphase Bildung von Alkalimetall-Sulfaten, -Chloriden und -Karbonaten sowie Schwermetalloxiden Bei Abkühlung des Rauchgases Partikelbildung durch Nukleation und nachfolgendes Partikelwachstum durch Oberflächenkondensation und Agglomeration Emissionen hängen bei der Verbrennung chemisch unbehandelter Holzbrennstoffe in erster Linie von der Freisetzung von K aus dem Brennstoff in die Gasphase ab Anorganischen Salzen (z.b.: KCl, K 2 SO 4, K 2 CO 3 ) wird eine deutlich geringe gesundheitliche Relevanz als organischen Aerosolen und Russ zugesprochen 8

9 Feinstaubbildung bei der Biomasseverbrennung in Kleinfeuerungen (III) Partikel aus kondensierten Kohlenwasserstoffen Während der Pyrolyse-/Vergasungsphase werden flüchtige brennbare Komponenten aus dem Brennstoff in die Gasphase freigesetzt Idealerweise Verbrennung zu CO 2 und H 2 O Real: teilweise unvollständige Verbrennung. Während der Abkühlung des Rauchgases können sich durch Kondensation von gasförmigen Kohlenstoff- und Kohlenwasserstoffverbindungen Feinstaubpartikel bilden Bildung kann durch optimierte Verbrennungsbedingungen minimiert werden Partikel aus kondensierten Kohlenwasserstoffen sind von hoher gesundheitlicher Relevanz 9

10 Feinstaubbildung bei der Biomasseverbrennung in Kleinfeuerungen (IV) Russpartikel Russpartikel werden im sauerstoffarmen Bereich der Flamme aus gasförmigen organischen Verbindungen gebildet und dann in sauerstoffreichen Bereichen der Flamme oxidiert Erfolgt diese Oxidation nicht vollständig so entstehen Russemissionen Bildung kann durch optimierte Verbrennungsbedingungen minimiert werden Russpartikel sind von hoher gesundheitlicher Relevanz 1

11 Feinstaubemissionen aus Biomasse-Kleinfeuerungen derzeitiger Stand der Technik (I) - Pelletkessel Lewistung [kw] CO [mg/nm³] PM1/TSP [mg/nm³] Temperatur [ C] Leistung [kw] Vorlauftemp. [ C] CO [mg/nm³] org.c [mg/nm³] ELPI BLPI TSP T Feuerraum [ C] O2 [Vol.%] 8:3 9:3 1:3 11:3 12:3 13:3 14:3 15:3 16:3 17:3 18: Vorlauftemp. [ C] org.c [mg/nm³] O2 [Vol. %] Erläuterungen: Messungen über einen typischen Tageslastverlauf (inkl. Anfahren, Abfahren, Lastwechsel, Nennlast, Teillast) Tagesmittelwert PM 1 : 6, mg/mj Emissionen bezogen auf trockenes Rauchgas und 13 Vol% O 2 TSP Gesamtstaub ELPI elektrischer Impaktor BLPI Berner-Typ Kaskadenimpaktor 11

12 Feinstaubemissionen aus Biomasse-Kleinfeuerungen derzeitiger Stand der Technik (II) - Scheitholzkessel Leistung [kw] CO [mg/nm³] PM1/TSP [mg/nm³] Temperatur [ C] Leistung [kw] Vorlauftemp. [ C] CO [mg/nm³] org.c [mg/nm³] ELPI BLPI TSP T Feuerraum [ C] O2 [Vol.%] 8: 9: 1: 11: 12: 13: 14: 15: 16: 17: 18: 19: 2: Vorlauftemp. [ C] org.c [mg/nm³] O2 [Vol. %] Erläuterungen: Messungen über einen typischen Tageslastverlauf Tagesmittelwert PM 1 : 14, mg/mj Emissionen bezogen auf trockenes Rauchgas und 13 Vol% O 2 TSP Gesamtstaub ELPI elektrischer Impaktor BLPI Berner-Typ Kaskadenimpaktor unterbrochene Linie um 13:2 Uhr: Nachfülle von Brennstoff 12

13 Feinstaubemissionen aus Biomasse-Kleinfeuerungen derzeitiger Stand der Technik (III) PM1 [mg/mj] EC KOK andere Oxide SM-Oxide Alkalimetall-Karbonate Alkalimetall-Chloride Alkalimetall-Sulfate Pelletkessel Hackgutkessel moderner Scheitholzkessel alter Scheitholzkessel Erläuterungen: Analysen von Feinstaubpartikelproben, die über einen gesamten Tageslastverlauf gezogen wurden EC Elementarer Kohlenstoff (=Russ) KOK kondensierte Kohlenwasserstoffverbindungen 13

14 Feinstaubemissionen aus Biomasse-Kleinfeuerungen derzeitiger Stand der Technik (IV) Erhebliche technologische Verbesserungen bei Biomasse- Zentralheizungen haben zu einer deutlichen Reduktion der Staubund Feinstaubemissionen geführt Über den gesamten Tageslastverlauf gemittelt wurden bei Testläufen von BIOENERGY22+ folgende Emissionen festgestellt: Pelletkessel: <1 mg/mj Hackgutkessel: <15 mg/mj Scheitholzkessel: <2 mg/mj Moderne Biomassekessel emittierten kaum organische Aerosole und Russpartikel, die als besonders gesundheitsrelevant eingestuft werden (<1 Gew% bei Pellet- und Scheitholzkesseln und <2 Gew% beim Hackgutkessel) Alte Scheitholzkessel hingegen weisen bei Feinstaubemissionen von rund 1 mg/mj mehr als 9 Gew% an organischen Feinstäuben und Russ auf 14

15 Eingesetzte Primärmaßnahmen zur Minderung der Feinstaubemissionen (I) Müssen generell für anorganische Aerosole sowie organische Aerosole und Russ getrennt diskutiert werden. Anorganische Aerosole Bildung hängt vorwiegend von der Zusammensetzung des eingesetzten Brennstoffes ab (K-Gehalt) K-Freisetzung sinkt mit abnehmenden Brennstoffbetttemperaturen è nur eingeschränkte Beeinflussung in modernen Biomasse- Kleinfeuerungskonzepten lt. Stand der Technik möglich Organische Aerosole und Russ Produkte eines unvollständigen Ausbrandes Emissionen konnten durch Verbesserung der Feuerungstechnik deutlich gesenkt werden Minderung der CO- und org.c-emissionen führt auch zu einer Minderung der Feinstaubemissionen 15

16 Eingesetzte Primärmaßnahmen zur Minderung der Feinstaubemissionen (II) Prinzip der Luftstufung die Basis für einen emissionsarmen Feuerungsbetrieb Verbrennungsluft wird in zwei Strömen aufgegeben Primärluft durchströmt das Brennstoffbett Pyrolyse- und Vergasungsreaktionen Freisetzung brennbarer flüchtiger Brennstoffkomponenten Holzkohlenausbrand Oberhalb des Brennstoffbettes wird Sekundärverbrennungsluft aufgegeben annähernd vollständiger Ausbrand è niedrige Emissionen an CO, org.c und organischen Feinstäuben Umsetzung: Feuerungen mit zwei baulich getrennten Verbrennungszonen (Primär- und Sekundärverbrennungszone), die über einen Strömungskanal miteinander verbunden sind 16

17 Eingesetzte Primärmaßnahmen zur Minderung der Feinstaubemissionen (III) Luftstufung; O 2 - und CO-Konzentrationsverläufe (Beispiel, CFD Simulation einer Pelletfeuerung) > Sekundärverbrennungszone Sekundärluft Primärverbrennungszone Brennstoffbett Primärluft Isoflächen der O 2 -Konzentrationen [m 3 O 2 / m 3 RGf] im vertikalen Schnitt durch die Feuerungsachse Isoflächen der CO-Konzentrationen [ppmv] im vertikalen Schnitt durch die Feuerung 17

18 Eingesetzte Primärmaßnahmen zur Minderung der Feinstaubemissionen (IV) Primärluftverhältnis (λ prim ) sollte prinzipiell so niedrig wie möglich gehalten werden, auf jedem Fall aber <1 sein da mit sinkendem λ prim die Temperaturen im Brennstoffbett sinken è verringerte Verschlackungsneigung è Reduktion der K-Freisetzung è reduzierte Emissionen an anorganischen Feinstäuben Bei gleichbleibendem Gesamtverbrennungsluftverhältnis die eingebrachte Sekundärluftmenge steigt è höherer Eintrittsimpuls der Sekundärluft in den Feuerraum è verbesserte Durchmischung der Sekundärluft mit den Rauchgasen è besserer Gasphasenausbrand und somit niedrige Emissionen an CO, org.c sowie an organischen Aerosolen und Russ 18

19 Eingesetzte Primärmaßnahmen zur Minderung der Feinstaubemissionen (V) Feuerraumkühlung zu schnelle Abkühlung der Flamme è Oxidation von Russpartikeln kann nicht vollständig ablaufen è erhöhte Russemissionen sind die Folge Stand der Technik: Russbildung tritt nicht im stationären Nennlastbetrieb aber teilweise im Teillastbetrieb auf. 1% 8% 6% 4% 2% Russ + KOK Oxide Alkalimetall-Karbonate Alkalimetall-Chloride Alkalimetall-Sulfate % Nennlast Teillast Nennlast Teillast Nennlast Teillast Pellets Hackgut Stückholz 19

20 Eingesetzte Primärmaßnahmen zur Minderung der Feinstaubemissionen (VI) Anlagenregelung Das volle Potential der Luftstufung für niedrige Emissionen kann auch in, dem Stand der Technik entsprechenden, Feuerungen nicht genutzt werden. Die Regelungskonzepte sind nicht in der Lage, Sollwertvorgaben für die Luftstufung einzustellen und über einen längeren Zeitraum gesichert einzuhalten. gute Ergebnisse im stationären Prüfstandsbetrieb höhere Emissionen im Lastwechsel- und Teillastbetrieb oft auftretender Stop-and-Go Betrieb anstatt von kontinuierlichem Teillastbetrieb (besonders wichtiger Faktor im Feldbetrieb) speziell betreffend Feinstaub, vermeidbare Emissionen an Russ und organischen Partikeln 2

21 Schlussfolgerungen und Empfehlungen (I) Anlagen, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen, verfügen prinzipiell über alle baulichen und feuerungstechnischen Voraussetzungen für einen emissionsarmen Betrieb, speziell was Feinstaubemissionen betrifft è die bei kontinuierlichem Prüfstandsbetrieb gemessenen Emissionen bestätigen dies. Im realen Feldbetrieb zeigen sich jedoch noch Schwächen beim Lastwechsel und Teillastbetrieb, die zu erhöhten Emissionen an Russ und organischen Emissionen während dieser Phasen führen. Durch entsprechende Weiterentwicklung der Regelungstechnik in Richtung einer optimierten Fahrweise bei Teillast und einer verbesserten Teillastfähigkeit sollte es möglich sein, über einen ganzen Betriebstag gesehen, die ohnehin im Vergleich zu Altanlagen bereits sehr niedrigen Feinstaubemissionen, um weitere ca. 5% abzusenken. 21

22 Schlussfolgerungen und Empfehlungen (II) Wie bei Dieselmotoren konnte auch bei Biomasse-Kleinfeuerungen in den vergangenen 2 Jahren ein sehr großer Technologiesprung hinsichtlich verminderter Feinstaubemissionen erzielt werden. Diese Verbesserungen bei diesen beiden Hauptemissionsquellen für PM 1 und PM 2,5 können sich nur dann auf die Immissionssituation positiv auswirken, wenn alte Technologien, die nach wie vor den Bestand in Österreich dominieren, gezielt und möglichst bald durch neue ersetzt werden. Für Biomassezentralheizungen heißt dies, dass alte Scheitholzkessel (in der Regel Naturzugkessel) durch Neuanlagen substituiert werden (dies sollte durch öffentliche Förderungen unterstützt werden). Eine Nachrüstung dieser Altanlagen mit Filtern ist ebenfalls eine Option. Entsprechende Filter befinden sich derzeit in der Entwicklungs- bzw. Testphase. Ihre Tauglichkeit für einen Langzeiteinsatz an Altanlagen ist noch zu prüfen. 22

23 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Dr. Thomas Brunner Inffeldgasse 21b, A-81 Graz, Austria Tel.: +43 (316) Fax: +43 (316) Homepage: bioenergy22.eu