Begonnen hat die Forschungsarbeit des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP, mittlerweile wohl eine Projektreihe, mit der Entwicklung von sogenannten Einbauten als Alternative zu Katalysatoren im Jahr 2013, um Emissionen aus Holzöfen zu senken. Einbauten sind Bauteile aus Keramik, Metall oder Kunststoff (s. Bild), die heutzutage in der Verfahrenstechnik meist zur Verbesserung von Strömungsverhältnissen eingesetzt werden. Zum ersten Mal in Kleinfeuerungsanlagen eingesetzt wurden sie beim IBP, das untersucht hat, wie die Einbauten dafür ausgelegt sein müssen.
Basisprojekt beschäftigte sich mit Einbauten
Im Basisprojekt hat das IBP die Einbauten modulweise über der Flamme im Feuerraum zusammengesetzt, wo die Feuerungsgase sie durchströmen. Die Module wurden in den beiden typischen Ofenformen getestet: in einer Feuerungsanlage mit schneller Wärmeabgabe in den Aufstellraum, wie es für freistehende Raumheizer, Kamineinsätze und offene Kamine typisch ist, die in kurzen Zeitabständen immer wieder mit Holz beschickt werden müssen. Der zweite Anwendungsfall war eine Feuerungsanlage mit langsamer Wärmeabgabe in den Aufstellraum, was für Grundöfen und Speicheröfen typisch ist.
Zwei Dinge bewirken die Einbauten: Das Holzgas wird besser mit der Verbrennungsluft durchmischt, und das Modul speichert beim Durchströmen Wärme. Sinkt die Abgastemperatur während der Verbrennung unter die Modultemperatur, geben die Einbauten die gespeicherte Wärme wieder ab. Die Folge ist, dass die Einbauten also zum einen die Verbrennung in ungünstigen Betriebsphasen stabilisieren, zum Beispiel wenn Holz nachgelegt wird. Zum anderen verbessern sie die Effizienz der Verbrennung generell. Der dritte Effekt ist, dass Staub aus dem Brenngas abgeschieden wird. Die Partikel bleiben an den Einbauten haften, die Abscheidung basiert auf Adhäsion infolge des Ladungszustands der Partikel. Beim Einbautenprojekt wurde Kohlenmonoxid im Mittel um bis zu 78 % reduziert, die Gesamtkohlenwasserstoffe im Abgas sogar um bis zu 95 %. Feinstäube ließen sich, laut Projektleitung, problemlos um bis zu 86 % mindern.
Folgeprojekt hat Kessel zum Ziel
Im Folgeprojekt hatte sich das IBP zum Ziel gesetzt, auch die Emissionen von handbeschickten Holzvergaserkesseln zu vermindern. Dieses Projekt ist komplexer aufgebaut als das Einbautenprojekt, denn die Einbauten werden zwar auch hier eingesetzt, doch sie sind nur Teil eines neu entwickelten Systems, das aus drei Systemkomponenten besteht: einer Zyklonbrennkammer, einem Drei-Gebläse-System und der Einbautentechnik. Die Forscher nennen diese Gesamtkonstruktion Low-Emission-Verbrennungssystem (LEVS). Auch die beiden Systemkomponenten Zyklonbrennkammer und Gebläsekonstruktion sind im Kontext von Kleinfeuerungsanlagen neu. Die Kombination aller neuen Komponenten zu einem in sich stimmigen Gesamtsystem benötigt zum Funktionieren außerdem eine Regelung, sodass die Entwicklung einer Grundlage für die Regelung des LEVS ein weiterer Bestandteil der Forschungsarbeit war.
Zyklonbrennkammer scheidet mehr Stäube ab
Die Forscher fanden heraus, dass eine Zyklonbrennkammer mehr Stäube abscheidet als die am Markt befindlichen Brennkammern, was zum Beispiel den Wärmetauscher länger frei hält. Dadurch verlängern sich die Reinigungsintervalle und der Wirkungsgrad steigt. Die Zyklonbrennkammer bewirkt nicht nur die Abscheidung grober Partikel, sondern auch die von Feinstaubpartikeln im Mikro- und im Nanobereich. Die Forscher untersuchten die abgeschiedenen Feinstäube hinsichtlich der Korngrößenverteilung. Es zeigte sich, dass die Zyklonbrennkammer Feinstäube im Nanometerbereich zwischen 75 und 350 nm sehr gut abscheiden kann. Außerdem sind die Konzentrationen der Feinstäube (Partikel/cm3) höher als die, die herkömmlich im Abgas ermittelt werden – sie machen 40 bis 60 % der Konzentrationen aus. Die Zyklonbrennkammer begünstigt außerdem die Agglomeration, also das Zusammenballen, der Feinstäube und sorgt damit für einen hohen Abscheidegrad. Im LEVS agiert der Zyklon folglich sowohl als Brennkammer als auch als hocheffizienter Feinstaubabscheider. Der praktische Vorteil ist, dass die Zyklonbrennkammer in vorhandenen Kesseldesigns umgesetzt werden kann.
Dreistufiges Gebläse verbessert die Verbrennung
Das neu entwickelte Gebläsesystem besteht aus drei Teilen: Ein Primärluftgebläse fördert den Vergasungsprozess. Ein Sekundärluftgebläse führt Sauerstoff zu dem Ziel vollständiger Verbrennung. Ein Saugzuggebläse befördert das Abgas und sorgt für einen günstigen Unterdruck im gesamten Heizkessel.
Für die Steuerung des LEVS entwickelte das IBP eine intelligente, universal einsetzbare Regelung. Universal heißt, dass – unabhängig von der Konstruktion des LEVS – Folgendes eingehalten wird: zum einen die betrieblichen und sicherheitstechnischen Anforderungen gemäß DIN EN 303-5 bzw. Maschinenrichtlinie 2006/42/EG. Zum anderen ein stabiler Betrieb in der Praxis mit effizienter Verbrennung gemäß den Vorgaben der 1. Bundesimmissionsschutzverordnung (1. BImSchV). Intelligent heißt, dass der Regler komplexe Zusammenhänge erkennt. Dadurch sorgt er für eine stabile Verbrennung unterschiedlicher Brennstoffe und gleicht deren variable Eigenschaften beim Verbrennen sowie unterschiedliche Rahmen- und Betriebsbedingungen aus.
LEVS für Automaten
Die LEVS-Technik lässt sich auch auf Holzpelletfeuerungen übertragen. Das IBP hat beim Bundesforschungsministerium (BMBF) die Förderung eines Projekts zur Übertragung der bisherigen LEVS-Ergebnisse auf automatisch beschickte Anlagen beantragt. Das Projekt soll 2018 beginnen mit einer Laufzeit von zwei Jahren. Mit Ergebnissen ist nicht vor 2019 zu rechnen. Allerdings gibt es vonseiten des IBP durch Vorversuche schon das klare Signal, dass sich LEVS problemlos auf Pelletsfeuerungen übertragen lassen.
Einbauten sind bereits am Markt
Es gibt bereits den ersten Verwender der Einbauten am Markt, die Firma Wodtke. Die HiClean-Filter des Unternehmens in den Kaminöfen Stage F9, Stage FS14, New Look FS14, Holiday und Tio air+ basieren auf der gemeinsamen Entwicklung mit dem IBP im Projekt Einbauten. Der Hersteller war Industriepartner im Einbauten-Projekt. Die konkrete Ausgestaltung und das Design erforderten zusätzliche Arbeit, sodass das Unternehmen für sich zu Recht die HiClean-Filter als Eigenkreation reklamieren kann.
Projektpartner vonseiten der Industrie im LEVS-Projekt war die Firma HDG Bavaria. Das Unternehmen will die erzielten Ergebnisse verwerten und vermarkten. Laut Abschlussbericht des LEVS-Projekts ist folgender vorläufiger Umsetzungsplan vorgesehen: 2016 bis 2017 Umsetzung der Einbautentechnik, 2016 bis 2018 Umsetzung der Einbautentechnik mit der Zyklonbrennkammer, 2017 bis 2019 Umsetzung des kompletten LEVS: Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem, Zyklonbrennkammer und Einbautentechnik. HDG wird voraussichtlich auch Projektpartner im Folgeprojekt 2018, das die Übertragung von LEVS auf automatisch beschickte Feuerungen untersucht und dieses dort implementiert.
Das Interesse vonseiten der Industrie an den IBP-Entwicklungen ist laut Institut groß. Klug, dass man sich anfangs entschied, sich nicht privat von einem oder mehreren Industriepartnern finanzieren zu lassen, sondern mit öffentlichem Geld, obwohl die Option auf beides bestand. Förderpartner ist das Bundeswirtschaftsministerium (BMWi). Wäre das anders gewesen, hätte ein einziger Marktteilnehmer die Entwicklung für sich unter Verschluss halten und reklamieren können, das Fraunhofer IBP wäre darin wohl nur als Fußnote erschienen. Nun ist es umgekehrt: Das IBP steht mit seiner Arbeit im Mittelpunkt, und trotzdem gibt es Unternehmen, die mitwirken und als Erste die Ergebnisse in die Praxis umsetzen können. Die zugrunde liegende Technik ist aber über die gewählte Projektfinanzierung eine Open-Source-Technik für alle. Es sprechen zentrale Punkte dafür, dass die Einbauten ein großes Potenzial haben, zum Standard in Holzfeuerungen zu werden. Gleiches könnte mit der LEVS-Technologie geschehen, ab etwa 2019.
Info
Einbauten: Keine Verstopfungsgefahr
Die Ablagerung von Staub an den Einbauten wirft die Frage auf, ob diese mit der Zeit verstopfen könnten. In Tests bildete sich nach 400 Scheit-Auflagen – das entspricht 50 Betriebstagen – ein Belag von knapp 0,5 mm Dicke. Das könnte bedrohlich wirken, wenn nicht die Ansammlung kontinuierlich immer abfiele, denn die Partikel verbacken nicht und die Ansammlung haftet ab einer gewissen Größe nicht mehr. Das geschieht ab etwa 0,5 mm Dicke. Die Gefahr, dass die Einbauten irgendwann verstopfen, besteht somit nicht, zumal der Abgasdurchmesser eines Einbauteils mit 5 cm ein Vielfaches mehr beträgt als die sich bildende Schicht.
Die keramischen Einbauten schnitten durchschnittlich immer besser ab als die metallischen. Hinsichtlich des Wirkungsgrads wurden beim freistehenden Raumheizer durch Einsatz der Einbautentechnik Verbesserungen zwischen 5 und 8 % erzielt. Bei der eingesetzten Speicherfeuerstätte waren im Mittel Wirkungsgradsteigerungen zwischen 2 und 6 % möglich, je nach Material der Einbauten. Auch hier schnitt Keramik besser ab als Metall.
Autor
Dittmar Koop ist Dipl.-Ing. der Raum- und Stadtplanung (TU). Seit 2004 arbeitet er als freiberuflicher Fachjournalist für erneuerbare Energien. Seine Schwerpunkte sind Bioenergie, Photovoltaik und die Solarthermie. E-Mail: info@dittmar-koop.de
Erster auf dem Weg der Open-Source-Technologie ist Wodtke. Das Unternehmen hat die Einbauten nach weiterer, eigener Entwicklungsarbeit als HiClean-Filter im Programm. Hier ein Blick in den Ofen Stage.
Einbauten oder Füllkörper sind Bauteile aus Keramik, Metall oder Kunststoff. Zu den klassischen Anwendungsfeldern gehört zum Beispiel der Einsatz in der biologischen Abwasseraufbereitung. Neu ist, sie in Kleinfeuerungsanlagen einzusetzen.
Die Einbauten werden modulartig zusammengesetzt und über der Flamme im Feuerraum installiert, wo die Feuerungsgase sie durchströmen. Diese spezielle Architektur vermischt die Bestandteile des Abgases intensiv mit der Verbrennungsluft.
Bei Vergrößerung wirkt der Staubbelag auf den Einbauten wuchtig. Es ist zu sehen, dass die Staubabscheidung die Funktion nicht beeinträchtigt. Da die Staubpartikel nicht „verbacken“, fallen sie nach unten ab.
Das Bild zeigt den Aufbau beziehungsweise einen Querschnitt im Heizkessel mit den drei Bestandteilen des LEVS: Rechts unten zu sehen ist die Zyklonbrennkammer, darüber die Einbauten. Darum gruppiert sich das Drei-Gebläse-System, links Primär- und Sekundärluftgebläse, rechts davon das Saugzuggebläse.
