Brennkammern für Holz-Feuerstätten mit geringen Partikelemissionen (Kurztitel: Optimale Brennkammern)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 217.08.07

Schlüsselwörter (Deutsch)

Brennkammern, Feinstaub, Partikelemissionen, Holzfeuerungen, LRV, ÖZL

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Holzfeuerungen tragen ca. 8% zum gesamten Feinstaub-Partikelaufkommen in der Schweiz bei. Insbesondere die Verbrennung von Holz in Phasen instationärer Bedingungen wie Anfeuern, Brennstoffaufgabe, Feuerunterhalt und gedrosselter Luftzuführung bei Teillast führt zu stark erhöhten Partikelemissionen. Klein-Holzfeuerungen tragen so regional markant zur Partikelbelastung der Umgebungsluft bei. Vor diesem Hintergrund legt das BAFU in den kommenden Jahren einen Schwerpunkt in der Minderung der Feinpartikel aus der Biomasse-Verbrennung. Mit der novellierten Luftreinhalte-Verordnung (LRV) vom 4.7.2007 gelten ab 1.1.2008 für kleinere Holzfeuerungen strenge Konformitäts-Anforderungen. Ab 1.1.2011 werden die Grenzwerteanforderungen verschärft. Auch die Anforderungen für das neue Schweizer Qualitätssiegel für Holzfeuerungen (HFQS-CH) werden zurzeit besonders im Hinblick auf die instationären Phasen des Betriebs verschärft.
Hersteller, Installateure und Erbauer von Holzfeuerungen im Wohnbereich suchen deshalb nach Lösungen, mit denen der Ausstoss von Feinstaub-Partikeln im Abgas von Klein-Holzfeuerungen reduziert und zukünftige Gesetzesvorgaben und Anforderungen des HFQS-CH mit Primärmassnahmen erfüllt werden können.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Analyse der Partikelbildung und -zusammensetzung in einem dem heutigen Stand der Technik entsprechenden Speicherofen und Cheminée/Cheminéeofen, unter besonderer Berücksichtigung der instationären Betriebszustände. (= Ist-Zustand)

2. Entwicklung von zwei Brennkammern, differenziert nach der Anwendung für Speicherofen und Cheminée/Cheminéeofen, mit minimaler Partikelbildung bei Nominal- und Teillast. Kenntnis der Sensitivität der einzelnen Parameter auf die Partikelbildung und -zusammensetzung und Kenntnis des Partikelauswurfs bei instationären Phasen des Betriebs. (Meilenstein 1) 

3.  Analyse der Partikelemissionen aus einem Ofen-Gesamtsystem mit integrierten neuen Brennkammern jeweils für Speicherofen und Cheminée/Cheminéeofen. Der Speicherofen soll einen Feinstaub-Emissionswert von höchstens 75 mg/mn3 bei einem O2-Gehalt von 13% im Abgas mit Kaltstart erreichen. Der Partikelausstoss der Cheminée/Cheminéeofen-Brennkammer soll im Nennlastbetrieb unter 40 mg/mn3 bei einem O2-Gehalt von 13% im Abgas liegen. Der Partikelauswurf von höchstens 75 mg/mn3 bei einem O2-Gehalt von 13% im Abgas soll in allen Abbrandphasen sowie unter Teillast erreicht werden. (Meilenstein 2) 

4. Wirkungsdaten von marktgängigen Abgas-Partikelfiltern auf die Reduktion der Partikel- und Feinpartikelemissionen der neuen Speicherofen- und Cheminée-/Cheminéeofen-Konstruktionen. In Kombination mit dem Filter sollen die Staubwerte unter 20 mg/mn3 bei einem O2-Gehalt von 13% im Abgas zu liegen kommen. (Meilenstein 3)

Projektziele (Deutsch)

Ziel des Projekts ist die Entwicklung von zwei Stückholz-Brennkammertypen, je für Wohnraumfeuerungen mit Speichermasse (Kachel- und Specksteinöfen sowie gemauerte Öfen) und ohne Speichermasse (Cheminées, Cheminéeöfen, etc.), die eine partikelarme Verbrennung in allen Phasen des Chargenabbrandes (Anfeuern, Abbrand, Nachlegen, Ausbrand) gewährleisten.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Gemeinsam mit dem Ökozentrum Langenbruck lancierte die Schweizer Holzfeuerungsbranche (VHP und SFIH) ein Forschungsprojekt zur Minderung der Partikelemissionen von Holzfeuerstätten. Der Schwerpunkt lag auf der Reduktion der Staubemissionen in den transienten Abbrandphasen (An­feuern und Brennstoffnachlegen). Das Projekt verfolgte die Entwicklung von zwei unterschiedlichen Brennkammern für Cheminéefeuerungen und Speicheröfen.

Der Stand der Technik wurde an marktgängigen Feuerungen eruiert. In Ergänzung zu den gravi­metrischen Staubmessungen analysierten das Labor für Atmosphärenchemie am Paul Scherrer Institut und die Fachhochschule Nordwestschweiz on-line die Grössenverteilung und die chemische Zusammensetzung der Partikel in den Feuerungsabgasen. Die im Verdünnungstunnel gemessenen Staubemissionen der Cheminéefeuerungen bewegten sich in den Nennlast-Abbrandzyklen mit Brennstoffnachlegen zwischen 96% und 245% über dem Projektzielwert. Beim Anfeuern (Kaltstart) unterschritten die Staubwerte des Cheminéeofens den Zielwert um 11%, das Cheminées überschritt ihn um 83%. Der Speicherofen, der ausschliesslich mit einem Kaltstart betrieben wird, lag um 48% unter dem Zielwert.

Die Auswertungen der Versuche an den optimierten Cheminée- und Speicherofen-Brennkammern zeigten, dass mit einer thermisch flink reagierenden Brennkammerauskleidung und der gezielten Verbrennungsluftführung die Staubemissionen beim Anfeuern deutlich gesenkt werden können. Die Speicherofen-Brennkammer erreichte mit konstruktiven Massnahmen und einer Verbrennungsluft­regelung Staubwerte von 20 mg/m_n³ (auf 13% O₂ bezogen) und unterbot damit die Staubemissions­vorgaben sowohl für den Kaltstart-Abbrandzyklus (75 mg/m_n³) wie auch für den Nachlege-Abbrand­zyklus (40 mg/m_n³). Die optimierte Brennkammer für Cheminées und Cheminéeöfen erreichte mit angepassten Werkstoffen und Luftführung Staubwerte von 30 mg/m_n³ im Kaltstart-Abbrandzyklus. Über einen Nachlege-Abbrandzyklus (Nennlast) wurde ein Staubauswurf von 62 mg/m_n³ gemessen, was über den Vorgaben liegt.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Für die Verbesserung der Verbrennung in den transienten Phasen des Abbrandes wie Kaltstart und Nachlegen wurde vor allem auf die Optimierung der Konstruktionswerkstoffe und der gezielten Ver­brennungsluftführung und -dosierung gesetzt. Dabei wurde in Rücksprache mit den Branchen­partnern darauf geachtet, dass sich die untersuchten Massnahmen auch in der Praxis umsetzen lassen. Die erarbeiteten Optimierungen an den zwei Brennkammertypen für Speicher- bzw. Cheminéeöfen ermöglichen eine Reduktion der Staubemissionen im Praxisbetrieb um ca. 50%. Die Massnahmen können mit vertretbarem Aufwand von Ofenbauern und Feuerungsherstellern realisiert werden. Die Verbesserungsmassnahmen sind eine sehr kosteneffiziente Methode für die Feinstaubminderung.

Die Messungen zum Stand der Technik zeigten, dass der Oberabbrand die optimale Anfeuer­methode für Stückholzfeuerungen im Wohnbereich ist. Die Konstruktion der neuen Brennkammern berücksichtigt diese Anfeuerungstechnik und gibt damit auch dem Betreiber die Möglichkeit, seine Feuerung schadstoffarm zu betreiben.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Der Schweizer Verband der Hafner- und Plattengeschäfte (VHP) wird die Ergebnisse in ihre Ofen­bauerausbildung, die Industriepartner in ihre zukünftigen Gerätekonstruktionen einfliessen lassen.

Die benutzerunabhängige Prozessführung muss weiter entwickelt werden. Die Kombination von neuen Technologien und klarer Benutzerführung erlaubt eine deutlich Reduktion des Staubaus­stosses von Holzfeuerungen im Praxisbetrieb.

Die umfangreichen Emissionsuntersuchungen in den transienten Phasen des Verbrennungspro­zesses zeigen deutlich höhere Staubemissionen gegenüber den stationären Phasen. Die heute üblichen Staubmessverfahren erfassen jedoch nur diese stationären Phasen. Dies wirft Fragen bezüglich der heute gängigen Messverfahren auf. Werden die transienten Phasen in der Staub­messung nicht erfasst, führt dies zu suboptimalen Ofenkonzepten. Ist die Ofenkonstruktion nicht auf die emissionsrelevanten Betriebspunkte ausgelegt, hat dies erhöhte Staubemissionen im Alltags­betrieb zur Folge. Im Rahmen der europäischen Normengebung wird über die zuständigen Gremien auf neue, praxisrelevante Staubmessnormen hin gearbeitet.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Artikel in Fachzeitschriften

· Holz-Zentralblatt, Deutschland, 2. Oktober 2008: Holzheizungen müssen noch sauberer werden. Schweizer Forscher messen Partikelemissionen in den instationären Verbrennungsphasen von Holzfeuerungen praxisnah.

· HP Das Fachmagazin für Hafner und Plattenleger, div. Artikel, Nr. 07/2008, 92. Jahrgang.

· Spektrum Gebäudetechnik, Feinstaub-Reduktion bei Holzfeuerungen, Nr. 2/2010

· HP Das Fachmagazin für Hafner und Plattenleger, Feinstaub-Forschungsprojekt, Nr. 01/2010,
94. Jahrgang

Vorträge und Publikationen an Fachkonferenzen

· 12th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles. Zurich, 23rd – 25th June 2008: Physical and Chemical on-line Characterization of Nanoparticles in Transient Burn Phases of Modern Wood Heat Appliances.

· 14. Internationale Fachtagung Energetische Nutzung nachwachsender Rohstoffe am 11. und 12. September 2008 in Freiberg, Deutschland: Physikalisch-Chemische on-line Charakterisierung von Feinstaubemissionen aus Holzfeuerungen.

· 15. Status-Seminar Energie- und Umweltforschung im Bauwesen, 11./12. September 2008, ETH Zürich: Partikelemissionen in den instationären Betriebsphasen von Holzfeuerungen.

· ISH 2009 Weltleitmesse Erlebniswelt Bad, Gebäude-, Energie-, Klimatechnik und Erneuerbare Energien. Frankfurt am Main 10. bis 14. März 2009: Partikelemissionen in den instationären Verbrennungsphasen von Holzfeuerungen – Brennkammern mit geringen Partikelemissionen für Kamineinsätze, Kachel- und Kaminöfen.

· 17th European Biomass Conference and Exhibition, Hamburg 2009: Physical and chemical on-line characterization of nanoparticles in transient phases of wood combustion.

Jahrestagung 2010 des VHP: Resultate und Erkenntnisse aus dem Feinstaubprojekt des VHP, Partikelemissionen in den instationären Verbrennungsphasen von Holzfeuerungen