Heizen mit Holz Stand der Technik und Perspektiven

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1 Aktionstag Energetische Sanierung Landratsam Traunstein, 02. April 2011 Heizen mit Holz Stand der Technik und Perspektiven Dr. Stefan Hinterreiter Hinterreiter 11 B Hi 022 Folie 1

2 (TFZ) Forschung, Förderung und Info- Transfer für Nachwachsende Rohstoffe 11 B Hi 023 Folie 2

3 Gliederung 1. Der Energieinhalt von Holz 2. Feuerungssysteme für biogene Festbrennstoffe Scheitholzfeuerungen Hackschnitzelfeuerungen Holzpellets-Feuerungen Stroh- / Getreide-Feuerungen 3. Feuerungstechnische Wirkungsgrade und Schadstoffemissionen 4. Zusammenfassung 11 B Hi 024 Folie 3

4 Energieinhalt von Holz Heizöl lufttrockenes Holz 2,5 kg = 10 kwh 1,0 1 Liter 0,5 = 10 kwh Heizwert von Holz in Abhängigkeit vom Wassergehalt Heizwert, H u(w) 20 MJ/kg lufttrockenes Holz waldfrisches Holz % 100 Wassergehalt w % Brennstoff-Feuchte u 11 B Hi 025 Folie 4

5 Das richtige Heizen mit (handbeschickten) Holzfeuerungen Bei allen Anlagen: Nur naturbelassenes Holz verbrennen (kein behandeltes, beschichtetes oder lackiertes Holz!) Nur trockenes Holz verwenden (mind. 1 Jahr luftig gelagert, lufttrocken ) Bei handbeschickten Feuerungen: Richtig Anheizen durch Verwendung von dünn gespaltenem trockenem Holz oder Reisig möglichst schnell hohe Feuerraumtemperaturen erreichen Verbrennungsluftzufuhr beim Anheizen wie vom Hersteller angegeben (z.b. Anheizklappe öffnen), Türen immer fest verschlossen halten, Tagesvorrat an Brennstoff möglichst in beheizten Räumen bevorraten. 11 B Hi 038 Folie 5

6 Scheitholzlagerung Scheitholz muss bei der Verbrennung trocken sein, d.h. der Wassergehalt sollte bei maximal 20 % liegen. An einem luftigen (windigen) und ggf. sonnigen Platz trocknen, Mit Regenschutz (z.b. Plane, Wellblech) abdecken, Mindestens 9 Monate lang lagern (bis zum Spätsommer), Gespaltenes Holz trocknet ca. 2 Monate früher! Wald oder z.b. Garage ist als Lagerort für noch nicht trockenes Holz ungeeignet. 11 B Hi 031 Folie 6

7 Ablauf der Verbrennung von pflanzlicher Biomasse Ablauf der Verbrennung (vereinfacht dargestellt) bis etwa 150 C Erwärmung und Trocknung des Brennst offs, ab ca. 150 C pyrolytische Zersetzung und ab ca C Vergasung des wasserfreien Brennstoffs (Austritt der flüchtigen Bestandteile), ab ca. 500 C Vergasung des festen Kohlenstoffs (Ho lzkohle), ab ca. 700 C bis ca C Oxidation (Verbrennung) der Gase. Der Energieinhalt von Holz Gewinn der meisten Energie aus freigesetzten Gasen (flüchtige Bestandteile) Die Gasfreisetzung erfolgt durch Erhitzung Holz besteht durchschnittlich zu 82 % aus flüchtigen Bestandteilen Ca. 65 % der Energie steckt in den flüchtigen Bestandteilen, die restlichen 35 % der Energie sind im Restkohlenstoff enthalten (Holzkohle). 11 B Hi 028 Folie 7

8 Ablauf der Verbrennung von pflanzlicher Biomasse Durchbrand 20 % 16 Kaminofen (Durchbrand) CO 2 CO 20 g/m³ 16 CO 2 -Gehalt CO-Gehalt 4 4 Brennstoffauflage Unterer Abbrand 0 20 % min 240 Betriebszeit Scheitholzkessel (Unterbrand) CO 2 CO 0 10 g/m³ 8 CO 2 -Gehalt CO-Gehalt 4 0 Brennstoffauflage min 240 Brenndauer, Betriebszeit B Hi 029 Folie 8

9 Kaminöfen als Vertreter der Durchbrandfeuerungen Merkmale moderner Kaminöfen: schamottierte, richtig dimensionierte Brennräume (hohe Temperaturen, ausreichend lange Gasverweilzeit), Umlenkeinbauten für gute Verwirbelung und Durchmischung der Brenngase mit der Verbrennungsluft, getrennte Primär- und Sekundärluftzufuhr, Einhebelmechanik für Veränderung des Verhältnisses Primär- zu Sekundärluft, System: Wodtke Emissionen nach DIN Plus - Gütesiegel*: (CO 1500 mg/nm³; NO x 200 mg/nm³; C n H m 120 mg/nm³; Staub 75 mg/nm³; Wirkungsgrad 75 %; *bei 13 % O 2 ). 11 B Hi 030 Folie 9

10 Richtiges Anheizen Anzündmodul 4 Hölzchen, ca. 3x3x20 cm mit Anzünder Kreuzweises Stapeln, Anzünder in der Mitte Anzündmodul auf Startauflage Ziel des Anheizens ist es, möglichst schnell hohe Temperaturen im Feuerraum zu erzeugen Zum Anheizen spezielle Anzünder oder kleine Anzündhölzer verwenden Feuerraum nicht mit Brennmaterial überfüllen Brennmaterial nicht zu nahe an die Scheibe platzieren ( Rußablagerung) Luftzufuhr gemäß Betriebsanweisung regeln Quelle: Merkblatt Schweiz: Richtig Anfeuern 11 B Hi 037 Folie 10

11 Scheitholzkessel mit unteren Abbrand Merkmale moderner Scheitholzkessel: Leistungsregelung und abgasgeführte Verbrennungsregelung, einfache Wärmetauscherreinigung (gut zugängliche Wärmetauscher bzw. Einhebelmechanik für Turbulatoren), Lastvariabilität von ca. 50 bis 100 %, einfache Entaschung ca. alle 2 bis 4 Wochen, Wirkungsgrad 90 %, niedrige Emissionen (Typenprüfungen): - CO 250 mg/nm³ bei 13 % O2; - Staub 50 mg/nm³ bei 13 % O2. System: HDG - Navora Unverzichtbarer Systembaustein: Pufferspeicher: mind. 55 l/kw (besser 100!) 11 B Hi 039 Folie 11

12 Verbrennungsprinzipien bei Hackschnitzelfeuerungen (1) Unterschubfeuerung Vorteile: Langsames Nachschieben der Hackschnitzel stört Glutbett nur wenig. Oft einfache, robust aufgebaute Anlagen zuverlässig, wartungsarm. Geringe Masse der Kesselkonstruktion wenig Trägheit, wenig Nachwärme, kurze Aufheizzeiten. Asche wird durch nachschiebende Hackschnitzel in die Aschelade geschoben einfache Entaschung, keine mechanischen Entaschungseinrichtungen im heißen Glutbett. 11 B Hi 041 Folie 12

13 Verbrennungsprinzipien bei Hackschnitzelfeuerungen (2) Quereinschubfeuerung Vorteile: Kompakter Aufbau der Feuerungsanlage möglich. Brennstoffaufgabe mit geringem Kraftaufwand geringe Brennstoffverdichtung. Einfache Füllstandsmessung möglich (z.b. über Niveaufühler). Hochtemperatur-Brennkammer mit Querschnittsverengung hohe Temperaturen und Wirkungsgrade bei niedrigen Emissionen. 11 B Hi 042 Folie 13

14 Hackgut- Quereinschub-Rostfeuerung mit Kipprost Merkmale moderner Hackgutkessel: System: ETA HACK Leistungsregelung und abgasgeführte Verbrennungsregelung, vollautomatische Reinigung der Wärmetauscher mittels Turbulatoren, Lastvariabilität von ca. 30 bis 100 % (unterhalb 30 % Ein-Aus-Betrieb mit automatischer Zündung), vollautomatische Reinigung des Verbrennungsrostes und automatischer Ascheaustrag, Wirkungsgrad 90 %, niedrige Emissionen (Typenprüfungen): - CO 250 mg/nm³ bei 13 % O2; - Staub 50 mg/nm³ bei 13 % O2. 11 B Hi 042 Folie 14

15 Verbrennungsprinzipien bei Pelletfeuerungen Neben Unterschub- und Quereinschubfeuerungen, wie bei den Hackschnitzelfeuerungen vorgestellt, werden auch Abwurffeuerungen eingesetzt. Abwurffeuerung Vorteile: Abwurfschacht dient als einfache Rückbrandsicherung Pellets stehen nicht direkt in Verbindung mit der Glutzone schnelles und emissionsarmes Abstellen der Anlage möglich kleines Glutbett Verbrennung gut regelbar 11 B Hi 043 Folie 15

16 Pellet- Unterschubfeuerung System: KWB Easyfire Merkmale moderner Pelletkessel: Komfort ähnlich Öl- oder Gasfeuerung, Leistungsregelung und abgasgeführte Verbrennungsregelung, vollautomatische Reinigung der Wärmetauscher mittels Turbulatoren, Lastvariabilität von ca. 30 bis 100 % (unterhalb 30 % Ein-Aus-Betrieb mit automatischer Zündung, vollautomatische Reinigung des Verbrennungsrostes und automatischer Ascheaustrag, Wirkungsgrad 90 %, niedrige Emissionen (Typenprüfungen): - CO 250 mg/nm³ bei 13 % O 2 ; - Staub 50 mg/nm³ bei 13 % O B Hi 044 Folie 16

17 Stroh, Miscanthus oder Getreide als Brennstoff? 11 B Hi 045 Folie 17

18 Besonderheiten von Agrarbrennstoffen Heizwert kritische Inhaltsstoffe Ascheerweichung MJ/kg TM C 11 B Hi 046 Folie 18

19 Schlacke bei Körnerverbrennung 11 B Hi 047 Folie 19

20 Technik der Energienutzung: Konzepte 1. Anpassung des Brennstoffs an die Feuerung Verwendung von Zuschlagsstoffen (z.b. Branntkalk, Kaolin) Herstellung definierter Brennstoffmischungen (z.b. Hackschnitzel-Körner-Gemisch) 2. Anpassung der Feuerung an den Brennstoff Begrenzung der Verbrennungstemperaturen im Glutbett kontinuierliches In-Bewegung-Halten von Brennstoff und Asche 11 B Hi 048 Folie 20

21 Gliederung 1. Der Energieinhalt von Holz 2. Feuerungssysteme für biogene Festbrennstoffe Scheitholzfeuerungen Hackschnitzelfeuerungen Holzpellets-Feuerungen Stroh- / Getreide-Feuerungen 3. Feuerungstechnische Wirkungsgrade und Schadstoffemissionen 4. Zusammenfassung 11 B Hi 024 Folie 21

22 Emissionen moderner Holzfeuerungen bei praxisorientierten Messungen (Auswahl der Feuerungen) Pelletkessel, 25 kw KWB Easyfire USP 25 Hackschnitzelkessel, 50 kw HDG Compact 50 Scheitholzkessel, 30 kw Fröling FHG Turbo 3000 Kachelofenheizeinsatz, 10 kw, Brunner HKD 5.1 Kaminofen, 7 kw Wodtke Moon 11 B Hi 049 Folie 22

23 Feinstaubemissionen mit Buchenscheiten (Kaminofen, 8 kw) Wassergehalt 11 B Hi 034 Folie 23

24 Gasförmige Schadstoffe mit Buchenscheiten (Kaminofen 8kW) Wassergehalt 11 B Hi 035 Folie 24

25 Emissionen moderner Holzfeuerungen: Kohlenmonoxid (CO) Aktueller Grenzwert (nach 1.BImSchV) Grenzwert für Neuanlagen ab 1. Januar 2015 Praxismessung Praxismessung Prüfstandsmessung Prüfstandsmessung 11 B Hi 050 Folie 25

26 Emissionen moderner Holzfeuerungen: Gesamtstaub Aktueller Grenzwert (nach 1.BImSchV) Grenzwert für Neuanlagen ab 1. Januar 2015 Praxismessung Prüfstandsmessung Prüfstandsmessung Praxismessung 11 B Hi 051 Folie 26

27 Lastverlauf während der Messung (25 kw-kessel) 11 B Hi 052 Folie 27

28 Wirkungs- bzw. Nutzungsgrade moderner Holzfeuerungen 11 B Hi 053 Folie 28 Wirkungsgrad Verhältnis Nutzenergie zu eingesetzter Brennstoffenergie unter stationären Bedingungen Bestimmung unter Volllast- und unter Der Teillastbetrieb Nutzungsgradauf dem Prüfstand Verhältnis Nutzenergie zu eingesetzter Brennstoffenergie unter Betriebsbedingungen Unter Berücksichtigung der Verluste durch Lastwechsel, Bereitschafts- und Stillstand-zustände, Verluste beim Anund Abschalten und den Elektroenergieeinsatz

29 Elektrostatische Abscheider Vorteile: gute Abscheideleistung geringer Druckverlust Temperaturbeständigkeit Nachteile: hohe Kosten verursacht zusätzliche Betriebskosten Rohgas Isolator Abscheidergehäuse Entladungselektrode Niederschlagswand Reingas Hochspannung Gewicht Quelle: Prof. Dr. Lohrengel, FH Heilbronn abgeschiedener Staub 11 B Hi 053 Folie 29

30 Elektrostatische Abscheider für Holzfeuerungen System Spanner Re² zunächst für Kessel (<20 / <50 kw) Spannung: 15 kv Druckverlust: 40 Pa Staubemission: <10 mg/nm³ Reinigung: automatisch (Vibration) Zielpreis: ab 1500,- 4 Abscheiderohre mit Elektrodenhalterung Nachrüsteinheit System Rüegg und Kutzner&Weber zunächst für Einzelfeuerstätten benötigt min. 2 m metallisches Abgasrohr Spannung: 20 kv Reinigung: Manuell Preis: ca. 1300,- Elektrode, Partikelabscheidung in Abgasrohr 11 B Hi 054 Folie 30

31 Wirkung eines elektrostatischen Abscheiders Messungen an einem Kessel Fröling FHG 3000 Turbo mit elektrostatischem Abscheider Fa. Spanner 11 B HI 055 Folie 31

32 Zusammenfassung Moderne Kesselanlagen für Holz haben bereits einen hohen Entwicklungsstand erreicht. Zukünftig werden die Verbesserungen in kleineren Schritten erfolgen. Aufgrund ihrer großen Bedeutung im Anlagenbestand und des noch bestehenden Optimierungspotenzials sind insbesondere die weiteren Entwicklungen bei Einzelfeuerstätten interessant. Bei den sekundären Einrichtungen zur Minderung der Staubemissionen zeichnen sich die elektrostatischen Abscheider als bevorzugtes Verfahren ab. Bei Kesselanlagen sollte zukünftig die Optimierung des Nutzungsgrades anstelle des Wirkungsgrades (bei Nennleistung) im Vordergrund stehen. 11 B Hi 056 Folie 32

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Folie 33