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

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.