Typische Waldhackgut-Praxisprobe, die aus Rückständen der Waldbewirtschaftung und im Wesentlichen aus Weichholz erzeugt wurden.

© BLT & JR Wieselburg

HGηEm-Praxisversuch

Allgemeine Projektinformationen

Titel (deutsch)

Einfluss der Hackgutqualität auf die Emissionen und den Wirkungsgrad von automatisch beschickten Biomassekleinfeuerungen in praxisnahen Lastzyklusversuchen.

Titel (englisch)

Influence of wood chip quality on the emissions and the efficiency of automatically charged biomass small-scale boilers in practical load cycle tests.

Abstract (deutsch)

Zielsetzung des Projektes „HGηEm“ ist die Untersuchung der Auswirkung der Hackgutqualität auf die Entstehung von Emissionen und den Wirkungsgrad in modernen Hackgutfeuerungsanlagen mit einer Wärmeleistung von 40-50 kW.

Mit Hilfe des Projektes soll erhoben werden, welche Auswirkungen eine definierte Betriebsdauer unter bestimmten Betriebsbedingungen auf das Emissionsverhalten von automatisch beschickten Hackgutfeuerungsanlagen hat. Durch praxisnahe Dauerversuche mit Lastzyklus sollen die Unterschiede der Ergebnisse aus Typenprüfungen und Praxisbetrieb sowie der Einfluss der Brennstoffqualität erhoben werden. Durch umfassende physikalische und chemische Brennstoffanalysen (Standardparameter, Haupt- und Spurenelemente,…) sollen emissionsrelevante Elemente identifiziert und auch Aussagen über ihre kritische Konzentration ermöglicht werden.

Die Projektergebnisse sollen Aufschluss darüber geben:
• welche Anforderungen an Holzhackgut und deren Zusammensetzung gestellt werden müssen, um die aktuellen Emissionsgrenzwerte einzuhalten.
• Wie sich die Emissionen unter stationären Prüfstandbedingungen und praxisnahen Bedingungen mit Lastwechsel unterscheiden
• ob die zukünftigen Emissionsgrenzwerte mit aktueller Feuerungstechnik nicht nur unter Prüfstandsbedingungen, sondern auch unter praxisnahen Betriebsbedingungen eingehalten werden können,
• welche Wirkung Sekundärmaßnahmen zur Staubreduktion in Abhängigkeit der Brennstoffqualität zeigen und ob sie zur Einhaltung aktueller Grenzwerte im praxisnahem Betrieb nötig werden.
• welche Verbesserungspotentiale hinsichtlich Verbrennungsqualität und Emissionen möglich sind und eventuell neue Qualitätsanforderungen an Holzhackgut zu definieren.

„HGηEm-Praxisversuche“ ist ein komplementäres Projekt zu „HGηEm-Prüfstand“, das von der BLT durchgeführt wird.

Schlagwörter (deutsch)

Biomasseverbrennung, Staubemissionen, Biomasseheizkessel, Wiederkehrende Überprüfung, Emissionsreduktion, Holzhackgut,

Projektleitung

Lukas Sulzbacher

Forschungseinrichtung

Josephinum Research

Finanzierungspartner

Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft
ETA Heiztechnik GmbH
Hargassner GmbH
Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus
Bundesministerium für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus

Projektnummer

101216

Projektlaufzeit

-

Projektziele

Zielsetzung des Projektes „HGηEm“ ist die Untersuchung der Auswirkung der Hackgutqualität auf die Entstehung von Emissionen und den Wirkungsgrad in modernen Hackgutfeuerungsanlagen mit einer Wärmeleistung von 40-50 kW unter praxisnahen Bedingungen. In dem Vorgängerprojekt PrüfReal konnte gezeigt werden, dass selbst geringe Änderungen der Brennstoffqualität deutliche Auswirkungen auf die Emissionsentstehung und den Betriebszustand der Anlagen über längeren Zeitraum haben. Mit dem Projekt „HGηEm“ sollen die gewonnen Erkenntnisse auf den Brennstoff Holzhackgut ausgeweitet werden. Da Hackgut im Gegensatz zu Holzpellets dezentral aus sehr inhomogenen Rohstoffen produziert wird, resultiert eine größere Schwankungsbreite der Brennstoffqualitäten.
Im Zuge des Projektes werden mindestens 2 Hackgutfeuerungsanlagen (ev. mit Sekundärmaßnahmen zur Rauchgasaufbereitung) und mindestens 3 unterschiedliche Holzhackgut-Qualitäten in praxisnahen Dauerversuchen mit Lastzyklus betrieben und die Veränderung der Emissionen (in Abhängigkeit der Brennstoffqualität) sowie der Betriebszustand der Anlagen am Prüfstand messtechnisch ermittelt. Mit Hilfe der Projektergebnisse sollen signifikante Brennstoff-eigenschaften identifiziert und etwaiger Verbesserungsbedarf der bestehenden Brennstoffspezifikationen aufgezeigt werden. Zudem sollen die Ergebnisse dazu beitragen, den Einfluss der Brennstoffqualität auf die Betriebsbedingungen und die Emissionsentstehung besser zu verstehen. In weiterer Folge sollen die Ergebnisse dazu verwendet werden, Anlagenbetreiber und Brennstoffproduzenten auf entscheidende Qualitätskriterien zu sensibilisieren und somit in der Praxis durch Knowhow-Transfer und bessere Brennstoffqualität niedrigere Emissionen zu erzielen.
Eine weitere Zielsetzung des Projektes ist die Analyse der Unterschiede zwischen den Ergebnissen der Typenprüfung mit sehr hochwertigem Hackgut und einem praxisnahem Betrieb mit Lastwechsel. Die Erkenntnisse sollen dazu verwendet werden die zukünftigen Prüfverfahren für Heizkessel zu überarbeiten und der Forderung der Europäischen Kommission nach praxisnahen Prüfverfahren und Emissionsmessungen gerecht zu werden.
Zukünftige Verschärfungen der Emissionsgrenzwerte, insbesondere der Staub- und NOx-Emissionen, zwingen die Biomassekesselhersteller ihre Technologien in Richtung Emissionsreduktion weiter voran zu treiben. Jedoch sind auch von Seiten der Brennstoffe gewisse Grenzen gesetzt. Die Ergebnisse des Projektes „HGηEm-Praxisversuche“ sind daher von Bedeutung für die Entwicklung der gesamten Biomasseheizung, der Emissionsminderung und somit auch für die gesamte Gesellschaft. Die Ergebnisse sollen den aktuellen Stand der derzeit verfügbaren Verbrennungstechnik abbilden und als Grundlage für weitere Entwicklungen aber auch als Grundlage für zukünftige Emissionsgrenzwertdebatten dienen. Die Projektergebnisse sollen zeigen, ob die zukünftig geforderten Emissionsgrenzwerte mit modernster Feuerungstechnik nicht nur am Prüfstand, sondern auch im Praxisbetrieb eingehalten werden können, oder ob Sekundärmaßnahmen notwendig werden. Zudem soll geklärt werden, welche Anforderungen an Holzhackgut und deren Zusammensetzung gestellt werden müssen, um die Emissionsgrenzwerte einzuhalten. Die Projektergebnisse sollen Verbesserungspotentiale hinsichtlich Verbrennungsqualität und Emissionen aufzeigen und eventuell neue Qualitätsanforderungen an Holzbrennstoffe definieren.
Beim Projekt „HGηEm-Praxisversuche“ wird keine Produktentwicklung sondern grundlagenorientierte Forschungsarbeit geleistet. Die Ergebnisse sollen einen Beitrag dazu leisten, die Auswirkungen von unterschiedlichen Hackgutqualitäten und Betriebsbedingungen, d.h. die Unterschiede zwischen Prüfstandsmessungen und Messungen in der Praxis im Rahmen von wiederkehrenden Überprüfungen zu erklären. Darüber hinaus sollen die Ergebnisse als Grundlage für weitere feuerungstechnische Verbesserungen dienen und detaillierte Spezifikationen des Brennstoffes liefern.
Ein weiteres Ziel des Projektes „HGηEm-Praxisversuche“ ist neben der Identifizierung emissionsrelevanter Elemente, auch Aussagen über ihre kritische Konzentration zur Einhaltung der geforderten und kommenden Emissionsgrenzwerte zu tätigen. Die Ergebnisse der umfangreichen physikalischen und chemischen Brennstoffanalysen (insbesondere der aschebildenden Komponenten) sollen zur Bewertung von Brennstoffqualitäten und der Brennstoffnormen bezüglich der Freisetzung von Staubemissionen dienen.

Praxisrelevanz

Der Brennstoff Holz ist nach wie vor eine sehr bedeutende Quelle für die Wärmeversorgung österreichischer Haushalte. Durch die ständig steigenden Anforderungen an die Verbrennungstechnik besteht jedoch die Notwendigkeit, die Auswirkungen der Brennstoffqualität unter praxisnahen Bedingungen genau zu untersuchen. Land- und Forstwirte sind die mit Abstand wichtigsten Biomasseanbieter und nehmen somit eine Schlüsselposition bei der Realisierung einer verstärkten Nutzung biogener Energieträger ein. Die Herausforderung für die Produzenten von Biomassebrennstoffen im landwirtschaftlichen Bereich besteht darin, qualitativ hochwertiges Heizmaterial das ganze Jahr in den geforderten Mengen und Qualitäten zur Verfügung zu stellen. Die Projektergebnisse sollen einen wesentlichen Beitrag dazu leisten, die Auswirkungen der Brennstoffqualität zu verstehen, um der Land- und Forstwirtschaft in Zusammenarbeit mit den Herstellern von Feuerungstechnik auf die sich ändernden Qualitätsanforderungen frühzeitig zu reagieren. Das Projekt besitzt daher eine hohe Bedeutung für die Land- Forstwirtschaft, aber auch für die Betreiber von Biomasseanlagen, insbesondere Biomassefernheizwerke.

Die österreichischen Biomassekesselhersteller sind Marktführer im Bereich der automatisch beschickten Zentralheizgeräte. Die Branche weist eine durchschnittliche Exportquote von 70 % auf. Die wesentlichen Absatzmärkte neben Österreich sind vor allem Deutschland, Italien, Schweiz und Frankreich. In Summe wurden 2016 rund 80.000 Biomassekessel in Österreich produziert. Mit der Verschärfung der Emissionsgrenzwerte in den Hauptabsatzmärkten (Deutschland, BImSchV Stufe 2 ab 01.Jänner 2015) ging eine Welle der Verunsicherung bei den Kunden und damit Einbußen in den Verkaufszahlen einher. Zukünftige Verschärfungen der Emissionsgrenzwerte, insbesondere der Staub- und NOx-Emissionen, zwingen die Biomassekesselhersteller ihre Technologien in Richtung Emissionsreduktion weiter voran zu treiben. Jedoch sind auch von Seiten der Brennstoffe gewisse Grenzen gesetzt. Die Ergebnisse des Projektes sind daher von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung der Branche und sollen einen wichtigen Beitrag zur Stärkung und Erhaltung der internationalen Technologieführerschaft der österreichischen Kesselhersteller leisten.

Berichte

Abschlussbericht

Bei der energetischen Nutzung von biogenen Festbrennstoffen zur Wärmegewinnung werden neben den Hauptprodukten Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf auch immer unerwünschte luftgetragene Stoffe emittiert. Ein idealer Brennstoff würde nur aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen, der dann unter idealen Verbrennungsbedingungen mit reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf umgesetzt werden könnte. Dieser idealisierte Prozess wird jedoch bei der tatsächlichen Biomasseverbrennung durch die Inhaltsstoffe im Brennstoff, der Reaktionen im Brennraum mit den Luftbestandteilen sowie der eingesetzten Verbrennungstechnik beeinflusst. Obwohl diese gasförmigen und aerosolartigen Stoffe im Abgas nur in sehr geringen Konzentrationen auftreten, spielen sie auf Grund ihrer Wirkung auf die Umwelt eine entscheidende Rolle in Bezug auf die Luftreinhaltung. Bei der thermischen Umsetzung von biogenen Festbrennstoffen entstehen somit Emissionen, die auf Grund ihrer Herkunft aus vollständiger bzw. unvollständiger Verbrennung, unterteilt werden können. Im Wesentlichen gibt es zwei grundsätzliche Möglichkeiten, die gas- und aerosolartigen Emissionen bei der Verbrennung zu reduzieren. Zum einen durch Primärmaßnahmen, die konstruktive Maßnahmen wie Rost- und Feuerungsgeometrie oder die Ausführung der Luftstufung beinhalten können. Darüber hinaus kann durch regelungstechnische Möglichkeiten und adaptive Regelungskonzepte eine Emissionsreduktion vorangetrieben werden. Zum anderen durch Sekundärmaßnahmen wo beispielsweise durch den Einsatz von Elektrofiltern oder Katalysatoren eine Abgasreinigung erfolgt. D.h. die Abgasreinigung wird nach der eigentlichen Feuerung im Abgasvolumenstrom mit Hilfe von zusätzlicher technischer Ausrüstung realisiert. Prinzipiell sollten Sekundärmaßnahmen dann zum Einsatz kommen, wenn die gültigen Emissionsgrenzwerte durch Primärmaßnahmen allein nicht eingehalten werden können oder der Einsatz von Sekundärmaßnahmen wirtschaftliche Vorteile aufweist. Andernfalls sollten Primärmaßnahmen den Sekundärmaßnahmen vorgezogen werden. Ziel des vorliegenden Projektes war es den Einfluss der Brennstoffqualität auf die Entstehung von Emissionen zu untersuchen und eventuelle Handlungsempfehlungen abzuleiten. Hierzu wurden zwei handelsübliche automatisch beschickte Hackgutfeuerungsanlagen in einem Leistungsbereich von <45 kW ausgewählt. Die ausgewählten Anlagen wurden dann mit 6 unterschiedlichen Versuchsbrennstoffen in Nenn- und Teillastversuchen gemäß den Anforderungen der EN 303-5 auf die Entstehung der Emissionsmessgrößen Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx), organisch gebundener Kohlenstoff (OGC) und Staub untersucht. Ergänzend zu den Verbrennungsversuchen gemäß EN 303-5 wurden auch Versuche mit 4 unterschiedlich gestalteten Lastzyklen durchgeführt. Die Lastzyklusversuche sollen zum einen die Auswirkungen der Brennstoffqualität in Abhängigkeit des Lastzustandes der Anlagen und zum anderen die Unterschiede zwischen Prüfstandsergebnissen unter konstanten Verbrennungsbedingungen und praxisnahen Bedingungen mit Lastwechsel beleuchten. Neben Hartholzhackschnitzel wurden Hobelspäne, Hackschnitzel aus Waldrestholz mit unterschiedlichen Qualitäten und rindenfreies Industriehackgut eingesetzt. Die Versuchsbrennstoffe wurden umfangreichen physikalischen und chemischen Brennstoffanalysen unterzogen und wiesen neben der Variation des Wassergehaltes auch deutliche Unterschiede in der Schüttdichte auf. Zudem wurden signifikante Differenzierungen in der chemischen Zusammensetzung der Brennstoffe festgestellt. Insbesondere die Gehalte an aerosolbildenden Elementen, Kalium, Natrium, Schwefel, Blei und Zink zeigten sowohl unter konstanten Verbrennungsbedingungen als auch im Zuge der Lastzyklusversuche deutlichen Einfluss auf die Emissionsbildung. Neben der chemischen Zusammensetzung wurden die Aufbereitungsform und die brennstoffspezifische Struktur der Partikelzusammensetzung als maßgebliche Einflussfaktoren auf die Verbrennungsqualität und die Emissionsentstehung festgestellt. Am Beispiel der Hobelspäne wurde verdeutlicht, dass die geringe Schütt- und Partikeldichte in Abhängigkeit von der Brennraumgeometrie und des jeweiligen Lastzustandes die Verbrennungsgüte maßgeblich beeinflussen und die CO- aber auch Staubemissionen deutlich erhöhen. Auch in Bezug auf den Wassergehalt konnte ein deutlicher Einfluss auf die Entstehung der Emissionen festgestellt werden. Jedoch zeigten bereits geringfügige Änderungen der Anlageneinstellungen und Anpassungen an die geänderten Brennstoffeigenschaften positive Auswirkungen auf die Emissionsentstehung. Hinsichtlich der NOx-Emissionen zeigen die Ergebnisse einen starken Zusammenhang zwischen der Höhe der Konzentration im Abgas und dem Brennstoffstickstoff sowie der Wärmeleistung bzw. der Kesselauslastung. Im Vergleich zu CO oder Staub hat die Verbrennungstechnologie und die Anlageneinstellung deutlich weniger Einfluss auf die NOx-Emissionen. Aus diesem Grund waren die Unterschiede in den Ergebnissen der heiztechnischen Prüfung und der Versuche mit Werkseinstellung deutlich niedriger. Die Versuche mit Lastzyklen zeigten insbesondere bei den CO- und Staubemissionen Unterschiede im Vergleich zu den Nenn- und Teillastversuchen. Bei den Nenn- und Teillastversuchen werden die Verbrennungsbedingungen stabil und konstant über die gesamte Laufzeit gehalten und die Regelung der Anlagen kann sich somit auf eine möglichst vollständige und somit emissionsarme Verbrennung einstellen. Die mit den Lastzyklen einhergehenden Lastwechsel sorgen im Gegensatz dazu, dass sich die Verbrennungsbedingungen im Brennraum permanent ändern. Diese Änderungen führen zu einem Ungleichgewicht in der Verbrennungsreaktion und in weiterer Folge zu erhöhten Emissionen. Der Anstieg der CO- und Staubemissionen war insbesondere in Phasen mit sehr niedrigen Lastzuständen bzw. beim Start-Stopp-Betrieb während der Gluterhaltung festzustellen. Aber auch die Gestaltung der Lastzyklen, d.h. die Anzahl, Höhe und Abfolge der Lastwechsel hat maßgeblichen Einfluss gezeigt. Die Versuche mit moderaten Lastwechseln, die den Einsatz eines Lastausgleichspeichers simulierten, zeigten daher auch die niedrigsten Emissionen. Fazit: Aus den vorliegenden Ergebnissen lassen sich nun einige klare Handlungsempfehlungen für die Praxis ableiten. Hinsichtlich der Brennstoffqualität lässt sich hervorheben, dass prinzipiell immer die bestmögliche Qualität angestrebt und eingesetzt werden soll. Alle gemessenen Emissionsgrößen (CO, NOx und auch Staub) werden maßgeblich von einigen Brennstoffeigenschaften, wie beispielsweise dem Wassergehalt, der Aufbereitungsform (Feinanteil und Schüttdichte) und der chemischen Zusammensetzung spezifischer Elemente wie Stickstoff und den aerosolbildenden Bestandteilen beeinflusst. Sollten bestimmte Brennstoffeigenschaften wie zum Beispiel der Wassergehalt oder der Feinanteil nicht bereits in der Brennstoffherstellung und Aufbereitung optimiert werden können, so können die Emissionen durch geringfügige Änderungen der Anlageneinstellungen deutlich reduziert werden. D.h. auf eine bestmögliche Anpassung der Anlageneinstellungen an die Brennstoffeigenschaften sollte auch in der Praxis geachtet werden, da hier ein deutliches Emissionseinsparungspotential gegeben ist. Weiterführende Forschungsaktivitäten in Richtung Optimierung der Brennstoffqualität durch gezielte Aufbereitungsschritte wie zum Beispiel Siebung wären in diesem Zusammenhang sehr interessant, da festgestellt werden konnte, dass insbesondere die aerosolbildenden Elemente aber auch der Stickstoffgehalt maßgeblich durch einen hohen Rindenanteil und einem hohen Grad an Verunreinigung mit Nadeln, Blattmaterial oder anderen Störstoffen erhöht werden. Im Zuge der Lastzyklusversuche konnte festgestellt werden, dass ein adäquate Anlagenauslegung und Dimensionierung und der damit verbundener Anlagenbetrieb ebenso ein großes Potential zur Reduktion der Emissionen aus dem Hausbrand darstellt. Wie die Ergebnisse der Lastzyklusversuche zeigen, sollten in der Praxis Betriebszustände mit sehr niedriger Kesselauslastung (Start-Stopp-Betrieb) vermieden werden, da hier die höchsten Emissionen anfallen. Zur Vermeidung ist daher eine richtige Auslegung des Heizsystems sowie die Verwendung eines Lastausgleichsspeichers (Pufferspeicher) empfehlenswert. In Hinblick auf die Diskussion, wie die Prüfmethode praxisnaher gestaltet werden kann, stellt sich primär die Frage nach dem „richtigen“ Lastzyklus. Um der Forderung der Europäischen Kommission nach einer möglichst praxisnahen Prüfmethode gerecht zu werden muss erst ein Zyklusverfahren definiert werden, das auch eine vergleichbare Prüfung mit reproduzierbaren Ergebnissen ermöglicht. Hierfür sind weiterführende Forschungsaktivitäten notwendig, um praxisnahe Kriterien eines Prüfzyklus zu erarbeiten. Zudem wird es hier notwendig sein, Praxisdaten einzubeziehen die entweder erst generiert werden müssen, oder von Herstellern, sofern vorhanden, zur Verfügung gestellt werden müssen. Es hat sich gezeigt, dass bei der Gestaltung des Lastzyklus auf abrupte Lastwechsel verzichtet werden sollte und hingegen Rampen verwendet werden sollten. Zudem müssen die derzeit gültigen Grenzwerte neu evaluiert werden, da diese auf Basis von derzeit gültigen Prüfrichtlinien bestimmt wurden und dieses gegenwärtige Emissionsniveau von Nennlastversuchen im Rahmen von Typenprüfungen mit Lastzyklen nicht unmittelbar vergleichbar ist.

Anhänge

Dateiname

Abschlussbericht_HGnEM.pdf

Beschreibung

Abschlussbericht Hackgutqualität

Autor/innen

Mag.(FH) Dr. Lukas Sulzbacher, BEd; Ing. Harald Baumgartner; Dipl.-Ing. Dr. Josef Rathbauer