Holz sauber verbrennen

Biomasseheizungen stoßen immer weniger Feinstaub aus. Die Hersteller statten sie dazu entweder mit Partikelfiltern aus, optimieren die Feuerungstechnik oder bauen Katalysatoren ein. Die IKZ-HAUSTECHNIK stellt einige Beispiele vor.

Biomassefeuerungen erzeugen CO_2-neutrale Wärme. Dabei stoßen sie allerdings Staubpartikel aus. Vor allem alte Holzkessel und Kaminöfen sehen schlecht aus, wenn es um Feinstaubemissionen geht. Dass Biomasseheizungen gegenüber Gas- und Ölkesseln nicht gut abschneiden, muss nicht sein. Mit Filtern zum Beispiel lässt sich der Staub abfangen, bevor er über den Schornstein das Haus verlässt. Die angebotenen Elektroabscheider arbeiten alle nach dem gleichen Prinzip: Sie erzeugen ein starkes elektrisches Feld, sodass sich freie Ladungsträger bilden; sie heften sich an die Staubpartikel. Eine Elektrode zieht die geladenen Teilchen samt Staubpartikel an. So werden sie festgehalten bzw. abgeschieden und können nicht ins Freie gelangen.

Gut durchmischte Gase verbrennen besser
Biomasseheizanlagen stoßen sowohl Flugaschen aus, sogenannten Grobstaub mit Partikeln größer 1 µm (Mikrometer, 1/1000 mm), als auch Feinstaub, dessen Partikel kleiner als 1 µm sind. Zur Grob­asche gehören Asche-, Brennstoff- und Holzkohlenpartikel, die vom Feuerrost aufwirbeln und mit dem Rauchgas in die Umwelt gelangen.
Den Großteil der Emissionen machen organische und anorganische Feinstäube aus, sogenannte Aerosole. Organische Aerosole bilden sich, wenn das bei der Holzverbrennung entstehende Gasgemisch nicht vollständig ausbrennt. Besonders stark treten sie auf, wenn der Kessel seinen Heizbetrieb startet und wenn er auf Lastwechsel reagieren muss. Organische Aerosole bestehen aus Rußpartikeln und kondensierten, nicht verbrannten Kohlenwasserstoffverbindungen.
Verhindern lassen sie sich durch eine entsprechende Konstruktion der Ausbrand- bzw. Sekundärverbrennungszone. Sie muss unter anderem dafür sorgen,

• dass sich die Verbrennungsluft mit den Abgasen gut durchmischt,
• dass hohe Feuerraumtemperaturen von über 800 °C erreicht werden
• und dass die Abgase im heißen Feuerraum genügend lang verbleiben.

Anorganische Feinstäube entstehen aus leicht flüchtigen Aschebildern wie Chlor, Schwefel und vor allem Kalium. Sie verdampfen aufgrund der hohen Temperaturen teilweise, reagieren anschließend im Rauchgas und formen dabei Minipartikel. Im Gegensatz zu groben Flugaschen und organischen Aerosolen lassen sich die Emissionen an anorganischen Aerosolen praktisch nicht vermeiden, sondern nur minimieren. Dazu gilt es die Brennstoffbetttemperatur so zu regeln, dass sich möglichst wenig Kalium freisetzt.

Elektrofilter als Zubehör
Bei den Frühjahrsmessen – der Energiesparmesse in Wels (Österreich) und der ISH in Frankfurt – präsentierten einige Holzkesselhersteller neue Geräte mit integrierten Feinstaubfiltern, unter ihnen die Firma Hargassner. Ihr „eCleaner“ genannter Abscheider kann sofort mit dem Kessel bestellt, aber auch jederzeit nachgerüstet werden. Bei ihm lagern sich die elektrostatisch aufgeladenen Staubpartikel an den Wänden des Geräts ab und fallen durch eine automatische Putzeinrichtung nach unten. Eine Schnecke transportiert sie in eine Aschebox.
Bei seinem neuen Pellet-Brennwertkessel „PE1c Pellet“ kombiniert Fröling die Abgaskondensation mit einem integrierbaren Elektrofilter – beides kompakt im Heizkessel verbaut. Auch bei Fröling lässt sich der Partikelabscheider nachträglich einbauen. Die elektrostatische Aufladung der Partikel findet im Edelstahl-Wärmeübertrager statt, wodurch die Wärme­übertragerfläche und die Wirbulatoren gleichzeitig als Abscheidefläche dienen. Eine integrierte Spüleinrichtung reinigt die Flächen automatisch. Ebenfalls einen Elektrofilter bietet Fröling für seinen neuen Hackschnitzelkessel „T4e“ als Zubehörteil an.
Holzbeschickte Feuerungsanlagen über 50 kW Leistung lassen sich beim Unternehmen Herz Energietechnik künftig mit einem E-Filter ausstatten. Er benötigt keinen separaten Aschesammelbehälter, da eine Austragung den abgeschiedenen Feinstaub automatisch mit der Flugasche in einen gemeinsamen Behälter führt. Herz montiert Filterrohre hinter dem zweiten Wärmeübertragerzug. Anzahl und Durchmesser unterscheiden sich je nach Anlagengröße. In den Rohren befindet sich die Elektrode und ein Korb, der sich automatisch auf und ab bewegt, um Filterohr und Elektrode zu reinigen. Durch die Anordnung bleibt der Zugang zum ersten Wärmeübertragerzug unberührt, wodurch er für Wartungsarbeiten zugänglich bleibt.

Mehr Luft für verbesserte Verbrennung
Hersteller von Holzkesseln haben ihre Verbrennungstechnik verbessert, um die Emissionen zu senken. Ein Beispiel: Der „Purowin“ von Windhager, der mit Hackschnitzeln oder Pellets heizt. Laut Daten aus einem Prüfbericht des TÜV Süd stößt der Kessel mit seinem Abgas weniger als 1 Milligramm Staub pro 1 Megajoule aus. Bei Bestandsanlagen, die mit Hackschnitzeln oder Pellets heizen, rechnet man mit Werten von 33 mg/MJ. Die bislang besten Geräte erreichen 9 mg/MJ. Auch bei den Kohlenmonoxidemissionen möchte der neue Kessel überzeugen: Sie liegen bei 3 mg/MJ. Im Vergleich: Bestandsanlagen emittieren rund 233 mg/MJ in die Luft, die bisherigen Top-Modelle etwa 29 mg/MJ.
Die niedrigen Emissionswerte erreicht der „Purowin“, weil er durch drei Zuführungen gezielt Luft für die verschiedenen Verbrennungsphasen zuführt. Dadurch kann er im Brennstoffbett mit einer niedrigeren Temperatur arbeiten, wodurch weniger anorganische Aerosole frei werden. Laut Windhager lassen sich auch die Stickoxidemissionen durch die mehrfache Luftstufung reduzieren.
Im „Purowin“ hilft zusätzlich das Prinzip der Gegenstromvergasung, den Anteil des Feinstaubs im Abgas zu reduzieren. Dazu macht er sich die filternde Wirkung des Brennstoffes zunutze. Fährt der Kessel an, füllt er zuerst seinen Brennraum mit Hackschnitzel oder Pellets. Im untersten Teil entsteht nach der Zündung ein Glutbett. Durch die Hitze verkohlt das darüber liegende Holz. Die Schicht wirkt wie ein Aktivkohlefilter. Aus dem Glutbett steigt das Holzgas auf und wandert durch die Kohle sowie das noch nicht verbrannte Holz, wobei der Feinstaub zurückgehalten wird. Das Holzgas verbrennt danach oberhalb des Brennguts.

Problematische Betriebsphasen verkürzen
Für Stückholzkessel hat der bayerische Hersteller „HDG Bavaria“ zusammen mit dem Fraunhofer Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) ein neues Verbrennungskonzept entwickelt. Mit ihm kann der Kessel ohne Sekundärmaßnahmen, also ohne nachgeschaltete Systeme zur Abgasbehandlung, die emissionstechnischen Anforderungen der 1. Bundesimmissionsschutzverordnung sowie der Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG einhalten. Das sogenannte Low-Emission-Verbrennungssystem (LEVS) mindert nicht nur staub- und gasförmige Emissionen, sondern erhöht auch die Verbrennungseffizienz. Derzeit testet es HDG Bavaria bei Pilotkunden. Die dabei erworbenen Betriebserfahrungen und Forschungsergebnisse vom Prüfstand sollen nach einer Bewertung in die Entwicklung eines Serienprodukts einfließen.
Drei Komponenten machen das „LEVS“ aus:

• erstens regelt es die Zufuhr der Verbrennungsluft und die Abfuhr des Abgases getrennt,
• zweitens agiert eine Zyklonbrennkammer zugleich als Brennkammer und als Feinstaubabscheider,
• drittens haben die Partner ein spezielles thermisches Nachverbrennungsverfahren entwickelt, die sogenannte Einbautentechnik. Sie speichert die Aktivierungsenergie während der Verbrennung und kann sie dann automatisch für die thermische Oxidation in ungünstigen Betriebsphasen bereitstellen. Die Technik verkürzt problematische Betriebsphasen wie das Starten eines Kessels. Während der Anfahrbetrieb bei marktüblichen Geräten laut HDG Bavaria bis zu einem Drittel der Brandzeit betragen kann, senkt das „LEVS“ die Zeit auf 1 bis 2 %. Im Ergebnis würden unabhängig vom eingesetzten Brennstoff minimale Konzentrationen an Schadstoffen entstehen.

Schadstoffe verheizen
Um den Schadstoffausstoß aus Raumholzöfen wie Kaminöfen zu mindern, haben Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) spezielle Einbaumodule entwickelt. Die Ringkörper vermischen durch ihre Geometrie die Rauchgase besser mit der Verbrennungsluft. Außerdem vermindern sie den Ausstoß von Feinstaub (also Partikel kleiner als 1 µm) laut der Forschungseinrichtung um bis zu 86 %.
Die Einbaumodule speichern Wärme, die für eine thermische Oxidation von Schadstoffen genutzt werden kann, auch wenn die Rauchgastemperaturen sinken. Selbst in den für Emissionen ungünstigen Betriebsphasen von Heizkaminen und Kaminöfen, etwa beim Nachlegen von Holz, oxidieren die heißen Einbaumodule nicht verbrannte Abgasbestandteile. Dadurch stabilisieren sie die Verbrennung. Geringere Verluste im Abgas steigern gleichzeitig die Effizienz. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Verbrennung durch die Einbaumodule mit einem deutlich geringeren Luftüberschuss betrieben werden kann und damit die Wirkungsgrade der Verbrennung merklich steigen.
Wegen ihrer modularen Bauweise lassen sich die Ringkörper ohne großen technischen Aufwand in verschiedenen Einzelraumfeuerungsanlagen einbauen. Sie müssen über dem Feuerraum platziert und vom Abgas in vertikaler Richtung durchströmt werden können. Erste Hersteller haben die Potenziale dieser Technik erkannt und entwickeln zusammen mit dem IBP emissionsarme Feuerstätten. So setzen unter anderem die Firmen Ambio, Camina Schmid, CTM und Wodtke die neue Technik ein.

Doppelt filtern
Um den oxidativen katalytischen Abbau von Feinstaub zu steigern, hat das Unternehmen Blue Fire ein zweistufiges System entwickelt. Zwei Katalysatoren sind in der Feuerung so angeordnet, dass zuerst die staubförmigen Emissionen reduziert und anschließend die gasförmigen Anteile der Emissionen oxidiert werden. In der ersten Stufe werden also die stark rußhaltigen Partikel zunächst zurückgehalten. Zudem wird hier (in der ersten Stufe) ein Teil der kohlenstoffhaltigen Bestandteile oxidiert und mit der Strömung ausgetragen. Hierdurch wird eine Verblockung der Stufe 1 verhindert. In der zweiten Katalysatorstufe werden die gasförmigen Schadstoffe Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe gemindert.
Mit dem zweistufigen Katalysatormodul konnte Blue Fire die Schadstoffe Kohlenstoffmonoxid (CO) um mehr als 80 %, Kohlenwasserstoffe um bis zu 70 % und Staub um mehr als 50 % mindern, wie Versuche am Deutschen Biomasseforschungszentrum zeigten. Die Ofenfirma LEDA hat bereits einen Kaminofen mit kleiner Leis­tung entwickelt und am Markt etabliert, in dem sie die Technik einsetzt.

Fazit
Bei Biomassekesseln hat sich in den vergangenen zwei Jahrzehnten technologisch einiges getan – sowohl was die Bedienbarkeit, die Effizienz oder die Sauberkeit anbelangt. Die Beispiele zeigen, dass weitere Verbesserungen möglich und bereits umgesetzt sind. Ob mit Katalysatoren, Partikelfiltern oder optimierter Feuerungstechnik ausgestattet – Biomasseheizungen stoßen immer weniger Feinstaub aus.

Autor: Joachim Berner, freier Journalist