Flammen brodeln, sie knacken und zischen, tanzen und zucken. Flammen leben. Ohne Flammen kein Feuer. Aber sie treiben auch den schädlichen Staub mit sich fort, den ein Holzfeuer erzeugt. Der österreichische Pelletkesselhersteller Ökofen hat dem Feuer nun all seine Romantik genommen. Mit seiner neuen Technik verbrennt er Spänepresslinge flammlos und erzielt damit bislang nicht erreichte niedrige Emissionswerte. 2 mg Staub pro m³ haben die Testerinnen und Tester des TÜV Austria bei einem 9-Stunden-Lastzyklusversuch gerade noch messen können. Zum Vergleich: Der in der Bundesimmissionsschutzverordnung festgeschriebene gesetzliche Grenzwert liegt bei 20 mg, die in der Bundesförderung für effiziente Gebäude formulierte Anforderung bei 15 mg.
Erreicht hat Ökofen die Verbrennungsoptimierung mit einer „ausgeklügelten Luftstromführung beziehungsweise -anreicherung in Kombination mit einer besonderen Brennkammerkonstruktion“, wie das Unternehmen in einer Mitteilung informiert. Geschäftsführer Stefan Ortner nennt außerdem die spezielle Zusammensetzung und die Materialien des Flammrohrs als technische Maßnahmen, damit eine flammlose Verbrennung funktioniert. Nähere Details will er nicht nennen. Drei Jahre habe das Forschungsteam an der Zero Flame-Technologie gearbeitet.
Ökofen will sie in der Modellreihe Pellematic Condens mit Leistungen zwischen 10 und 14 KW anbieten. Der Aufpreis soll bei 690 Euro liegen. „Vergleichbare Filtersysteme kosten mehr als das Doppelte“, sagt Ortner. Zudem profitieren die Käuferinnen und Käufer von einem Extra-Zuschuss der Bundesförderung für effiziente Gebäude. Sie sieht einen Innovationsbonus von 5 % der förderfähigen Kosten vor, wenn eine Biomasseanlage weniger als 2,5 g Feinstaub pro m³ ausstößt. Für die Installationsbetriebe soll sich dagegen nichts ändern. Die neuen Kesselmodelle mit Zero Flame-Technologie lassen sich laut
Ökofen genauso installieren und handhaben wie die vorherige Baureihe.
Mehr Luft verbessert Verbrennung
Ökofen ist nicht der erste Hersteller von Holzkesseln, der seine Verbrennungstechnik derart revolutioniert hat. 2016 brachte Windhager aus Seekirchen bei Salzburg mit dem Puro Win eine Hackgutheizung auf den Markt, die ebenfalls mit niedrigsten Emissionswerten beeindruckt. Laut einem Prüfbericht des TÜV Süd stößt das Heizgerät mit seinem Abgas weniger als 3,6 mg Staub pro kWh aus und damit weniger als ein Erdgaskessel. Dessen Staubemission liegt dem Deutschen Pelletinstitut zufolge durchschnittlich bei 6 mg.
Die niedrigen Emissionswerte erzielt der Puro Win, weil er an drei Stellen 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 senken.
Im Puro Win hilft zusätzlich das Prinzip der Gegenstromvergasung, den Anteil des Feinstaubs im Abgas zu reduzieren. Dazu macht er sich die filternde Wirkung der Hackschnitzel zunutze. Fährt der Kessel an, füllt er zuerst seinen Brennraum mit dem Brennstoff. 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.
Bild: Ökofen
Hersteller bauen Elektrofilter in ihre Holzkessel
Üblicherweise bringen die Hersteller ihre Geräte bislang aber mit Partikelfiltern aus der Raucherecke. Für ältere Modelle bieten sie entsprechende Nachrüstsets an, in die aktuellen Geräteserien integrieren sie die Staubfänger bereits teilweise. Die verwendeten Filter arbeiten meist nach dem gleichen Prinzip: Sie erzeugen ein starkes elektrisches Feld, sodass sich freie Ladungsträger bilden, die sich an die Staubpartikel heften. Eine Elektrode zieht die so geladenen Teilchen an, bevor sie über den Schornstein in die Umgebung gelangen können.
Beim Abscheider eCleaner von Hargassner aus dem oberösterreichischen Weng beispielsweise fallen die geladenen Staubpartikel von den Innenwänden des Geräts durch eine automatische Putzeinrichtung zum Kesselboden. Dort transportiert sie eine Schnecke in eine Aschebox. Der Hersteller liefert den Partikelfilter optional für seine Hackgutheizanlagen und die Eco-Modelle seiner Pelletkesselreihe mit Leistungen zwischen 70 und 220 KW.
Die Firma Fröling, die wie die meisten bedeutenden europäischen Biomassekesselhersteller ebenfalls aus dem östlichen Alpenstaat kommt, kombiniert bei ihrem Brennwertkessel PE1c Pellet einen Partikelfilter mit einer Abgaskondensation – beides kompakt im Heizkessel verbaut. 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. Für seinen Hackschnitzelkessel T4e bietet Fröling ebenfalls den Elektrofilter als Zubehörteil an. Die Partikelabscheider lassen sich nachträglich einbauen.
Verschiedene Untersuchungen zur Wirksamkeit von Partikelfiltern für Biomassefeuerungen zeigen eine große Bandbreite bei den Abscheidegraden. Sie reichen von 55 bis 95 %. Das liegt daran, dass eine Vielzahl von Parametern die Abscheidung beeinflussen. So wirken sich die Zusammensetzung des Brennstoffs und die Verbrennungsbedingungen in der Feuerung auf die Feinstaubbildung aus.
Die Abscheidung hängt aber unter anderem auch von der Staubart und -beladung, der Gaszusammensetzung oder der Rauchgastemperatur ab. Hinzu kommen konstruktive Anforderungen: Damit ein Abscheider optimal funktioniert, sollten ihn die Staubpartikel gleichmäßig und ausreichend lange durchströmen können.
Bild: Windhager
Sauberes Feuer im Holzofen genießen
Hersteller von Holzöfen bieten ihre Geräte ebenfalls mit integrierten oder nachrüstbaren Emissionsminderungsmaßnahmen in unterschiedlichen Varianten und Preisklassen an. Während in der günstigeren Preisklasse vorwiegend integrierte Maßnahmen wie Katalysatoren beziehungsweise Schaumkeramik zum Einsatz kommen, werden Partikelabscheider aufgrund ihres höheren Preises eher in den Premiummodellen verbaut.
Ob es sich lohnt, einen alten Ofen mit einem elektrostatischen Staubabscheider nachzurüsten, oder es besser ist, ein neues Gerät zu kaufen, gilt es im Einzelfall zu prüfen. „Aufgrund der bei Nachrüstungen erforderlichen Eingriffe in das sensible Strömungsverhalten von Feuerstätte und Schornstein sowie der zum Teil erheblichen Mehrkosten sollte insbesondere bei älteren Feuerstätten grundsätzlich abgewogen werden, ob ein Austausch gegen einen neuen, emissionsarmen Ofen nicht die günstigere Variante darstellt“, rät Daniel Jung vom HKI Industrieverband Haus-, Heiz- und Küchentechnik.
Er verweist darauf, dass die Hersteller durch neue Möglichkeiten der computergestützten Strömungsmodelle und eine entsprechende Brennraummodellierung die Emissionswerte ihrer Feuerstätten in den vergangenen Jahren erheblich verbessert hätten. Heutige Holzfeuerstätten würden um den Faktor zehn weniger Schadstoffe ausstoßen als ihre Vorgänger aus den 1980er und 1990er Jahren.
Als bedeutende technische Entwicklungen nennt Jung beispielsweise strömungstechnisch optimierte Feuerraumgeometrien, Nebenlufteinrichtungen oder verspiegelte Sichtscheiben. Hinzu kommen technische Lösungen, um das Abbrandverhalten zu verbessern. So verfügen die meisten Holzöfen heutzutage über zwei, häufig über drei Luftzuführungen.
Als besonders wirkungsvoll zur Emissionsminderung gelten automatische Verbrennungsluftsteuerungen. Sie stellen Brennstoffmenge, Feuerraumtemperatur und Luftzufuhr entsprechend der Abbrandphase optimal aufeinander ein. Weiter helfen technisch nachrüstbare Einrichtungen wie Zugbegrenzer oder Rauchsauger, die Emissionen vorhandener Feuerstätten zu senken, indem sie beispielsweise den Rauchgasabzug an die Verbrennung anpassen (siehe Kasten).
Bild: Hargassner
erung an der Wand an und fallen dann durch eine automatische Putzeinrichtung nach unten zur Ascheaustragung.
Dem Abgas den richtigen Dreh geben
Um den Schadstoffausstoß aus Holzöfen zu mindern, arbeiten Industrie und Wissenschaft an weiteren Lösungen. So 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. Sie mindern dadurch den Ausstoß von Feinstaub 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, zum Beispiel beim Nachlegen von Holz, sichern die heißen Einbaumodule, dass nicht verbrannte Abgasbestandteile oxidieren. 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. Die Hersteller haben die Potenziale dieser Technik erkannt und entwickeln zusammen mit dem Fraunhofer IBP emissionsarme Feuerstätten, zum Beispiel die Tübinger Firma Wodtke. Sechs Ofenmodelle hat sie mit der Hi Clean-Technik ausgestattet.
Schadstoffe verheizen
Eine andere Möglichkeit, die Feinstaubemissionen in Holzöfen zu senken, hat das Unternehmen Blue Fire aus dem niedersächsischen Saterland-Ramsloh entwickelt. Sie ordnet zwei Katalysatoren in der Feuerung so an, dass sie zuerst die staubförmigen Emissionen und anschließend die gasförmigen Schadstoffe Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe reduzieren. Die erste Stufe hält die stark rußhaltigen Partikel zurück. Im nächsten Schritt wird in der Stufe ein Teil der kohlenstoffhaltigen Bestandteile oxidiert und dann wieder durch die Strömung aus der Stufe eins ausgetragen. Dadurch verhindert Blue Fire eine Verblockung der Stufe eins.
Die Firma Leda aus Leer in Ostfriesland setzt die Technik in ihren Kaminöfen Corna und Peppa ein. „Der Katalysator in Verbindung mit der elektronischen Heizhilfe, die den Betreiber beim richtigen Heizen unterstützt, bewirken, dass ca. 40 % weniger Emissionen auftreten“, informiert Pressesprecherin Anja Steenweg. Diese und die anderen Entwicklungen zeigen, dass es mit modernen Geräten eine saubere Sache ist, mit Holz zu heizen. Feinstaubanteile gibt es kaum mehr zu messen.
Bild: Wodtke
Info
Holzverbrennung: Wo der Staub herkommt und wie er sich verringern lässt
Holzkessel stoßen sowohl große Flugaschen aus, so genannten Grobstaub, mit Partikeln größer einem Mikrometer, als auch Feinstaub mit kleineren Partikeln. 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 bestehen aus Rußpartikeln und kondensierten, nicht verbrannten Kohlenwasserstoffverbindungen. Sie bilden sich, wenn das bei der Holzverbrennung entstehende Gasgemisch nicht vollständig ausbrennt. Besonders stark treten sie auf, wenn der Kessel seinen Heizbetrieb startet oder wenn er auf Lastwechsel reagieren muss.
Verhindern lassen sie sich durch eine entsprechende Konstruktion der Ausbrand- beziehungsweise Sekundärverbrennungszone. Sie muss unter anderem dafür sorgen,
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.
Info
Druck und Zug regulieren: Kleine Helfer mit großer Wirkung
Eine saubere Verbrennung erfordert einen stabilen Förderdruck am Kesselstutzen. Einflüsse wie thermische Schwankungen durch wechselnde Außen- und Umgebungstemperaturen sowie sich verändernde Windströmungen an Gebäuden oder Schornsteinmündungen reduzieren den Wirkungsgrad einer Biomasseheizung. Drosselklappen erzeugen einen stabilen Förderdruck. Die Opti Pa von Schräder beispielsweise gleicht dazu permanent die aktuellen Druckverhältnisse in der Abgasanlage mit den Sollwerten des jeweiligen Kesseltyps ab. Die Drosselklappe mit motorischem Stellantrieb hält den Unterdruck im gesamten Abgassystem und in der Brennkammer konstant. Sie lässt mit einem Nachrüstsatz direkt in die vorhandene Verbindungsleitung montieren.
Kleine Klappe, große Wirkung: Nach diesem Motto sorgen Zugregler für optimale Zugverhältnisse im Schornstein und damit für einen höheren Wirkungsgrad. Optimal ist der Zug dann, wenn durch den herrschenden Unterdruck die richtige Menge an Verbrennungsluft in den Heizkessel gezogen und das Abgas sicher nach draußen geführt wird. Wird der Unterdruck zu hoch – beispielsweise bei Wind –, strömen die Rauchgase zu schnell durch den Kessel, sodass die Holzgase unvollständig verbrennen. In diesem Fall öffnet sich die Pendelklappe des Zugreglers, Luft kann aus dem Heizraum in den Schornstein strömen, der Zug im Heizkessel bleibt konstant auf einem optimalen Niveau.
Gerade in der kalten Jahreszeit kann es im Schornstein zu größeren Unterdrücken kommen. Die Folgen sind ein höherer Brennstoffverbrauch und ein Anstieg der Emissionen. Ein unruhiger Abbrand führt zu höheren Abgastemperaturen und kann mehr Rußablagerungen bewirken. Zugbegrenzer helfen, das zu vermeiden. Sie sichern den gleichmäßigen Abbrand in der Feuerstätte und regulieren den Unterdruck der Abgasanlage, ohne dem Aufstellraum die warme Luft und somit Energie zu entziehen. Ihr Einsatz empfiehlt sich besonders in modernen, dicht gebauten Häusern, da hier Kamin- oder Kachelöfen meist raumluftunabhängig beziehungsweise mit einer eigenen Zuluftleitung betrieben werden.
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Bild: W. Mierendorf
