Publikationen / Ergebnisse
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Aus zahlreichen Arbeiten ist bekannt, dass Holzfeuerungen überproportional zur Belastung an Feinstaub (PM10) beitragen und dass die Schadstoffemissionen von handbeschickten Holzfeuerungen stark von der Betriebsweise abhängig sind.
Ziel der vorliegenden Untersuchung ist, den Einfluss der Betriebsparameter wie Brennstoffmenge, Scheitgrösse, Holzfeuchtigkeit, Luftzufuhr und Kaminzug auf die Emissionen handbeschickter Holzfeuerungen und einzelner Pelletfeuerungen zu erfassen. Weiter soll aufgezeigt werden, welche Emissionen zusätzlich zum Feststoff zu PM10 beitragen können, mit welchen Emissionsfaktoren bei unterschiedlicher Betriebsweise zu rechnen ist und wie praxisgerecht die Typenprüfung das Emissionsverhalten wiedergibt. Dabei ist der Einfluss der einzelnen Abbrandphasen zu beachten und der Unterschied zwischen den ganzen Abbrand erfassenden Emissionsfaktoren und Schadstoffkonzentrationen während der stationären Phase aufzuzeigen. Da bei Praxiskontrollen laut LRV nur ein Kohlenmonoxid- Emissionsgrenzwert einzuhalten ist, soll im Weiteren aufgezeigt werden, welche Korrelationen zwischen CO und den umweltrelevanteren Schadstoffen bestehen und wie aussagekräftig eine alleinige CO-Messung ist. Die Resultate sollen zusätzlich als Entscheidungshilfe für die Festlegung künftiger Prüfverfahren und der zu erfassenden Messgrössen dienen. Diesbezüglich wird in den Schlussfolgerungen auf die Fragen eingegangen, wie die Feuerung während der Messung betrieben und was gemessen werden soll.
Der vorliegende Zwischenbericht beschreibt die Projektphase 1, in der Messungen an drei handbeschickten Stückholzöfen und an einem Pelletofen durchgeführt wurden. Die Resultate zeigen, dass die Startphase in der Regel zu erhöhten Emissionen führt, weshalb sie für eine praxisgerechte Beurteilung berücksichtigt werden sollte. Da der übliche Betrieb von Holzöfen ein häufiges Anfeuern des kalten Ofens beinhaltet, wurde die Kaltstartphase ab dem Anfeuern erfasst und dem Nachlegen auf Grundglut gegenübergestellt. Zur Erfassung der Kaltstartphase muss eine Anfeuerart festgelegt werden. Da für Holzöfen ein Anfeuern von oben empfohlen wird, wurde dies als Referenz gewählt und ein Anfeuern von unten als Variante untersucht. Bei einem konventionellen Holzofen konnte mit zusätzlicher Variation des Füllgrads gezeigt werden, dass ein starkes Befüllen des Ofens mit Anfeuern von unten zu sehr hohen Emissionen führt. Anfeuern von oben führt stets zu geringeren Emissionen als Anfeuern von unten, der Vorteil ist jedoch bei stark befülltem Ofen besonders ausgeprägt.
Die über den ganzen Abbrandzyklus erfassten Emissionsfaktoren zeigen, dass die heute vom BAFU verwendeten Werte in der Grössenordnung plausibel sind. So wurde der heute angenommene Emissionsfaktor von 100 mg/MJ für Feststoffe bei Betrieb gemäss Bedienungsanleitung unter- und bei schlechtem Betrieb überschritten. Allerdings ist zu beachten, dass neben Feststoffen zusätzlich kondensierbare Substanzen und flüchtige organische Verbindungen emittiert werden, die zu primären beziehungsweise sekundären organischen Aerosolen in der Umgebungsluft beitragen. Die Masse dieser Verbindungen kann jene der Feststoffe um ein mehrfaches übersteigen. Aus diesem Grund wird empfohlen, diese Verbindungen künftig zu berücksichtigen, wozu im Falle der bisherigen Messmethodik am ehesten eine zusätzliche Bestimmung der Kohlenwasserstoffe in Frage kommt.
Die Auswertung der Korrelationen zwischen den einzelnen Schadstoffkomponenten zeigt, dass Kohlenmonoxid bei einheitlichen Betriebsbedingungen während einzelner Abbrandphase teilweise sehr eng mit den Feststoffemissionen korreliert. Gleichzeitig zeigt sich, dass die Korrelation nicht allgemeingültig, sondern von der Abbrandphase und den Betriebsparametern abhängig ist und deshalb nicht sicher von Kohlenmonoxid auf andere Schadstoffkomponenten geschlossen werden kann.
Neben den nach heutiger Norm erfassten Schadstoffkomponenten sind im Bericht die Resultate der online Messungen von Partikelanzahl und Korngrösse beschrieben, welche zusätzliche Informationen liefern, ohne die bisherigen Messungen direkt zu ersetzen.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik und Architektur
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Doberer,Anna
Good,Jürgen
Nussbaumer,Thomas
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Da Holzfeuerungen zum Feinstaub (PM10) in der Umgebungsluft beitragen und die Schadstoffemissionen stark von der Betriebsweise abhängen, wird in der vorliegenden Arbeit der Einfluss der Betriebsweise auf die Emissionen von Holzfeuerungen untersucht. In einem ersten Teil wurden handbeschickte Holzöfen untersucht und die Resultate in einem Schlussbericht von [Doberer et al. 2009] dokumentiert. Im vorliegenden zweiten Teil wurden vier handbeschickte Stückholzkessel und zwei Pelletkessel untersucht. Ein alter Stückholzkessel diente dazu, anhand eines Beispiels den Unterschied des Abbrandverhaltens zwischen neuen Kesseln und einem nicht mehr dem Stand der Technik entsprechenden Kessel zu zeigen. Alle anderen Kessel verfügen über das Qualitätssiegel von Holzenergie Schweiz und entsprechen dem Stand der Technik.
Die Resultate zeigen, dass die Startphase wie bei Holzöfen auch für Stückholz- und Pelletkessel zu erhöhten Emissionen führen und erheblich zur Gesamtfracht an den gesundheitsrelevanten organischen Verbindungen beiträgt. Der Staubgehalt ist dabei zwar auch erhöht, die Gesamtfracht an Staub wird aber durch die Startphase weit weniger stark beeinflusst. Im weiteren wird gezeigt, dass ungeeignetes Holz mit erhöhtem Wassergehalt oder Rundholz mit anhaftender Rinde bei modernen Stückholzkesseln zu einer Verlängerung der Startphase und zu höheren Emissionen führt. Da jedoch nach der Startphase ein Glutbett ausgebildet werden konnte, wirkten sich die Brennstoffeigenschaften nur noch untergeordnet auf die stationäre Phase aus. Daneben zeigte sich allerdings, dass bei jeweils identischem und korrektem Anfeuern gemäss Bedienungsanleitung und den Merkblättern „Richtig anfeuern“ von Holzenergie Schweiz aus kaltem Zustand unerwartet oft – nämlich in mehr als einem Drittel der Fälle – ein schlechter Start mit lange anhaltenden, hohen Emissionen Kohlenmonoxid (CO) und insbesondere auch an organischen Verbindungen (flüchtige organische Verbindung (VOC) inklusive bei Umgebungstemperatur kondensierbare organische Verbindungen (COC)) auftraten. Die Berücksichtigung solcher schlechter Starts führt zu deutlich höheren Emissionsfaktoren an CO und VOC und zu geringfügig höheren Staubwerten. Die Emissionsfaktoren für CO und VOC hängen deshalb in erheblichem Mass vom Anteil an schlechten Starts ab. Im Vergleich zu den modernen Kesseln zeigte sich beim alten Stückholzkessel, dass die Emissionen nach der Startphase nicht absanken, sondern im Gegenteil anstiegen. Der alte Stückholzkessel weist damit insgesamt deutlich höhere und weit über den Grenzwerten liegende Emissionen auf als die modernen Kessel, welche die heutigen Grenzwerte nicht nur während des stationären Betriebs, sondern grossteils auch bei Berücksichtigung eines ganzen Abbrands inklusive Startphase einhalten. Während bei den modernen Stückholzkesseln eine Berücksichtigung der Startphase für die Gesamtemissionen notwendig ist, entfällt diese Forderung beim alten Kessel, da die Emissionen permanent hoch sind.
Da auch bei den Pelletkesseln die Startphase deutlich erhöhte Emissionen an CO und VOC verursacht, sind die Emissionsfaktoren im Heizbetrieb vor allem von der Länge der Taktzyklen abhängig. Kurze Taktzyklen mit lediglich 15 Minuten stationärem Betrieb nach dem Start, wobei im Gegensatz zu den Stückholzkesseln nicht von einem Kaltstart, sondern von einem Start des betriebswarmen Kessels ausgegangen wird, führen zu knapp viermal höheren Emissionsfaktoren an CO und VOC als lange Taktzyklen von 120 Minuten Dauer.
Die über den ganzen Abbrandzyklus erfassten Emissionsfaktoren bestätigen die Grössenordnung der vom BAFU im Jahr 2005 verwendeten Werte für CO und VOC, während für die Stickoxidemissionen um rund einen Faktor 2 tiefere Emissionsfaktoren gefunden wurden. Insbesondere im Fall der Holzpellets ist allerdings zu beachten, dass die tiefen Stickoxidemissionen nur für Holzpellets mit geringem Stickstoffgehalt gelten. Bei den Staubemissionen wurden in der vorliegenden Untersuchung Werte ermittelt, die zwischen den Emissionsfaktoren des BAFU von 2001 und den vom BAFU per 2005 reduzierten Werten liegen. Gegenüber den in [Nussbaumer 2010] für das BAFU kürzlich aktualisierten Vorschlägen wurden bei den vorliegenden Messungen tendenziell höhere Werte für NOX, CO und VOC bei gleichzeitig tieferen Werten für Staub gefunden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich in der vorliegenden Untersuchung zeigte, dass bei Stückholzkesseln die schlechten Starts und bei Pelletkesseln die kurzen Taktintervalle zu einer deutlichen Erhöhung an VOC und weniger ausgeprägt an CO führen, jedoch nur geringfügig höhere Staubemissionen in Form von direkt im Abgas vorhandenen Feststoffen verursachen. Bei der Bewertung der vorliegend ermittelten Emissionsfaktoren ist allerdings zu beachten, dass sie sich auf moderne und mit dem Qualitätssiegel ausgestattete Kessel beziehen und keinen Fehlbetrieb berücksichtigen und dass auch die Staubfaktoren nur für Holzbrennstoffe mit geringem Aschegehalt gelten.
Die Auswertung der Schadstoffkomponenten zeigt, dass während der Startphase eine hohe Korrelation zwischen VOC und CO besteht und CO somit während der Startphase als Indikator für VOC dienen kann. Da während der Startphase nur ein moderater Anstieg der Staubemissionen beobachtet wird, kann zwar auch zwischen CO und Staub ein Zusammenhang gefunden werden. Dieser ist jedoch weniger ausgeprägt. Ausserdem zeigt die deutliche Erhöhung der organischen Emissionen während des Starts, dass die organischen Verbindungen für die Startphase besonders relevant sind und durch Bildung von primären organischen Aerosolen via Kondensation und von sekundären organischen Aerosolen via fotochemischen Reaktionen einen mengenmässig und von der Wirkung her bedeutenderen Beitrag zum Feinstaub verursachen als der im heissen Abgas ermittelte Feststoff.
Neben den nach heutiger Norm erfassten Schadstoffkomponenten sind im Bericht Messungen von Partikelanzahl und -grösse beschrieben, die zusätzliche Informationen liefern, ohne die bisherigen Messungen direkt zu ersetzen.
Zudem wird die optische Erscheinung der Partikel bei verschiedenen Betriebszuständen aufgezeigt und in Zusammenhang mit der Identifikation an organischen Schadstoffen in flüchtiger und kondensierter Form diskutiert. Dazu werden die Planfilter der gravimetrischen Feststoffmessung und die nach der Kondensatstufe nachgeschalteten Backup-Filter beschrieben. So weist bei allen Feuerungen eine starke Schwärzung der gravimetrischen Filter während des Starts auf eine relevante Russbildung hin, die jedoch bei den guten Feuerungen während des stationären Betriebs zu einem erheblichen Teil durch weisse, auf Salze hinweisende Partikel ersetzt wird. Während des Starts weist eine bräunliche Färbung der Backup-Filter auf organische Kondensate hin, die im Ausbrand auch auf den gravimetrischen Filtern erkennbar werden, wo sie während der Startphase vermutlich durch Russ überdeckt werden.
Im weiteren wird die Partitionierung der Kohlenwasserstoffe in Methan und NMKW beschrieben und aufgezeigt, dass sowohl für Stückholz- als auch für Pelletkessel im Mittel ein Drittel der Kohlenwasserstoffe als Methan und zwei Drittel als NMKW vorliegen. Von den NMKW wiederum liegen rund die Hälfte als kondensierbare Verbindungen vor.
Die vorliegenden Untersuchungen ergänzen Resultate, die in anderen Arbeiten erhoben oder zum Teil als Einzelwerte vor dem Vorliegen der Gesamtauswertung bereits verwendet wurden. Dies betrifft insbesondere die Arbeiten [Doberer et al. 2009, Nussbaumer 2010 und Good & Nussbaumer 2010]. Obwohl zwischen den verschiedenen Arbeiten keine grundlegenden Widersprüche bestehen, weichen die vorliegend dokumentierten Zahlenwerte in einigen Fällen aufgrund der bei experimentellen Erhebungen üblichen Bandbreite der Resultate von den bereits publizierten Resultaten ab.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik und Architektur
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Good,Jürgen
Nussbaumer,Thomas
Zugehörige Dokumente
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