Die Zukunft der Vergaserheizkessel: Schadstoffarm ohne Sekundärmaßnahmen

Aufgrund der kommenden Umsetzungsverordnungen zur Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG können viele Brennstoffe in Biomasse-Heizkesseln mit herkömmlichen Verbrennungskonzepten nicht mehr genutzt werden. Eine Weiterentwicklung der vorhandenen Verbrennungstechnologie ist deshalb unumgänglich, denn Sekundärmaßnahmen im Abgasrohr gelten als aufwendig und bei Geräten mit kleinen Leistungen als kaum wirtschaftlich. Komplett neue Verbrennungskonzepte sind angesagt.

Die Entwicklung des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik (IBP) zeigt: Durch eine integrierte Abgasreinigung, bestehend aus Zyklonbrennkammer und Einbautentechnik in Form von Füllkörpern aus Keramik oder Metall, könnte die Feinstaubemission gegenüber den heute marktüblichen Holz-Heizkesseln um bis zu 91 % vermindert werden. Voraussetzung ist die Kombination primärer Maßnahmen mit einer neuartigen Verbrennungsluftzufuhr und Abgasförderung mit drei SPS-gesteuerten Gebläsen. Dieser verfahrenstechnische Ansatz führt nach ersten Erfahrungen zu einer stabilen und vollständigen Verbrennung, unabhängig vom eingesetzten Brennstoff und den oft wechselnden Betriebs- und Einsatzbedingungen.

Im Laborbetrieb konnten damit sowohl die Emissionsanforderungen gemäß 1. BImSchV als auch der künftigen Ökodesign-Richtlinie ohne zusätzliche Sekundärmaßnahmen eingehalten werden. Dies geht aus dem Abschlussbericht „Low-Emission-Verbrennungssystem (LEVS) für die Verbrennung von festen Brennstoffen in Vergaserkesseln“ des IBP Stuttgart, hervor. Dr. Mohammad Aleysa, Projektleiter IBP, stellte das weitgehend aus öffentlichen Mitteln geförderte Projekt im Rahmen einer Presseveranstaltung im September 2017 bei Kutzner + Weber in Maisach vor.

Gegen Feinstaub und Stickstoffdioxid

Im Kampf der Städte gegen Feinstaub und Stickstoffdioxid geraten auch häusliche Feuerstätten stärker in den Fokus der Kontrolleure. Auch wenn deren Stellenwert in der Schadstoffbilanz aus Sicht der Schornsteinfeger im Vergleich zu Kraftfahrzeugen häufig überbewertet wird, sind sich die Wissenschaftler einig, dass die für das LEVS-Projekt relevanten Feuerstätten – rund 700 000 bestehende biomassebetriebene Heizkessel mit einer mittleren thermischen Leistung von 35 kW – eine nicht zu vernachlässigende Schadstoffquelle darstellen.

Dabei geht es neben Feinstaub auch um Schadstoffe wie Kohlenstoffmonoxid (CO), flüchtige organische Verbindungen (VOC) und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK). Als Brennstoffe kommen primär Scheithölzer, Holzpellets oder Holzhackschnitzel zum Einsatz. Folgende Maßnahmen zur Schadstoffminimierung bei Biomasse-Feuerungsanlagen sind heute üblich:

• Präventivmaßnahmen: Gesetzliche und rechtliche Maßnahmen, die durch Verordnungen, Normen- und Richtlinien geregelt sind. Dazu zählt künftig die permanente Betriebsüberwachung mittels Sensor- und Mikrocontrollertechnik, da diese technisch und auch wirtschaftlich einfach umgesetzt werden kann.
• Primärmaßnahmen: Verbesserung der Konzeption und der Konstruktion der Heizkessel sowie der Regelung des Verbrennungsprozesses. Um Kosten einzusparen, sollten integrierte Technologien umgesetzt werden, also funktionale Verbesserungen im Feuerraum, noch vor dem Wärmeaustauscher bzw. vor der Abkühlung des Abgases. Neben der Minderung der Schadstoffe werden mit dieser Maßnahme auch eine Erhöhung der Verbrennungseffizienz sowie ein wirtschaftlicher und sicherer Betrieb erreicht.
• Sekundärmaßnahmen: Darunter versteht man nachgeschaltete Systeme wie Staubabscheider, deren Betrieb jedoch meistens mit einem hohen technischen und wirtschaftlichen Aufwand verbunden ist.

Bei der Kategorie Kleinfeuerungsanlagen sprechen folgende Argumente gegen Sekundärmaßnahmen:

• hohe Anschaffungs-, Wartungs- und Reinigungskosten
• zusätzlicher Platzbedarf
• zusätzliche Kosten durch Sicherheitsmaßnahmen, z. B. wegen Hochspannung bei Elektroabscheidern
• Wartung, Reinigung und Pflege durch ausgebildete Fachkräfte und damit höhere Betriebskosten
• eingeschränkte Stabilität bei Dauerbetrieb, vor allem bei Staubabscheidern

In der Konsequenz bedeutet dies, dass zunächst alle Möglichkeiten an Primärmaßnahmen ausgeschöpft werden sollten, bevor Sekundärmaßnahmen ergriffen werden.

Von der Versuchsanlage zum Prototyp

Primäre und integrierte Maßnahmen zur Abgasreinigung haben den Vorteil einer stabilen, emissionsarmen Verbrennung in allen Betriebsphasen bei einer gleichzeitig deutlichen Reduzierung gas- und staubförmiger Emissionen und einer höheren Energieeffizienz.

Dazu wurde in der ersten Projektphase beim IBP eine Versuchsverbrennungsanlage mit einem dreistufigen Verbrennungssystem aufgebaut, das sich von den bekannten Holz-Vergaserheizkesseln durch das elektronisch gesteuerte Verbrennungsluftzuführsystem, die Zyklonbrennkammer und die Nachbehandlungsstufe unterscheidet.

In der zweiten Projektphase ging es darum, aus den Versuchsergebnissen in Kooperation mit HDG Bavaria, Massing, einen Prototyp zu entwickeln und über einen definierten Zeitraum gemeinsam mit dem IBP zu erproben. Über eine Betriebszeit von 16 Monaten wurden insgesamt 32 t Scheitholz und 4 t Hackschnitzel verfeuert. Dabei haben sich die Laborwerte im Praxisbetrieb weitgehend bestätigt und HDG Bavaria darin bestärkt, die innovative Verbrennungstechnik in einem dreistufigen Umsetzungsplan zur Marktreife zu führen.

Damit sollen wirtschaftliche Risiken, die aufgrund des geänderten Verbrennungsprozesses vorhanden sind, vermindert werden. Auch seien die Kosten für eine Zyklonbrennkammer nicht unerheblich, ebenso die Entwicklung einer marktgängigen Steuerung für die Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr, räumt Aleysa vom IBP ein. Da im LEVS-Holzvergaserheizkessel von HDG künftig neben konventionellen Scheithölzern auch andere biogene Brennstoffe zum Einsatz kommen sollen und der LEVS-Kessel mit diesen Brennstoffen noch erprobt werden muss, ist mit einer Markteinführung frühestens 2019 zu rechnen. Wie es heißt, besteht auch bei der Entwicklung der Steuerung noch Forschungsbedarf.

Von Vorteil für den stark unter Druck stehenden Holz-Heizkesselmarkt (wegen 1. BImSchV und Ökodesign-Richtlinie) ist, dass die 1. Projektstufe – also die Entwicklung der LEVS-Technik – mit öffentlichen Mitteln finanziert wurde und damit allen Kesselherstellen zur Verfügung steht. Nach Aussage von Aleysa haben bereits weitere Heizkesselhersteller großes Interesse an der Vermarktung der LEVS-Technik signalisiert.

Auszug aus dem IBP-Abschlussbericht: 

Bei dem Low-Emission-Verbrennungssystem (LEVS) handelt es sich um eine innovative Verbrennungstechnik mit einem neuartigen Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem sowie einer integrierten zweistufigen Abgasreinigung, welche aus einem Fliehkraftabscheider (Zyklonbrennkammer) mit einem nachgeschalteten thermischen Oxidationsverfahren (Einbautentechnik) besteht. Bei der Konzeptionierung und der technischen Umsetzung des LEVS wurde eine Kombination aus konstruktiven und regelungstechnischen Maßnahmen zur Schadstoffminderung und Effizienzerhöhung verwendet. Das Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem und somit der Vergaserheizkessel lassen sich mit den herkömmlichen Sensoren (Lambdasonde, Temperaturfühler und Druckmesssensor) regeln. Die Regelung kann außerdem mit der konventionellen Soft- und Hardwaretechnik programmiert und betrieben werden. Die Akteure des Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems ermöglichen den Einsatz einer intelligenten Regelung, welche die Verbrennung unterschiedlicher Brennstoffe mit variablen verbrennungstechnischen Eigenschaften ohne jegliche Einstellung durch den Nutzer gewährleistet. Die Besonderheit des LEVS liegt in der integrierten, natürlich funktionierenden Abgasreinigungs- und -behandlungstechnik, welche für ihren Betrieb weder motorische bzw. elektronische Antriebe noch eine Regelung oder direkte Stromversorgung benötigt. Diese integrierte Technik wird vor dem Wärmeübertrager eingebaut und verfügt über ein natürliches Wirkungsprinzip, das einen nachhaltigen Effekt zur Minderung der staub- und gasförmigen Schadstoffemissionen sowie eine bedeutsame Erhöhung der Verbrennungseffizienz vor allem im Praxisbetrieb gewährleistet.

Die Nachbehandlungsstufe besteht aus (preisgünstigen) keramischen oder metallischen Füllkörpern. Diese verbessern die Verbrennung (Effizienz, Oxidation), auch bei Teillast und in der Ausbrandphase. Auch staubförmige brennbare Bestandteile werden durch Verdampfen oder thermische Zersetzung in brennbare Gase umgewandelt. Vorteil: Die Füllkörper reinigen bzw. regenerieren sich eigenständig und müssen nicht gewartet werden.

Das Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem sowie die integrierte Abgasreinigungstechnik sollen sich mit den verfügbaren Kompetenzen und den üblichen maschinellen Einrichtungen der Heizkesselhersteller ohne erhöhte Kosten implementieren lassen. Ein höherer Aufwand bei der Typprüfung gemäß DIN EN 303-5 oder der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG aufgrund zusätzlicher Sicherheitsanforderungen, z. B. beim Einsatz von kombinierten oder integrierten Elektroabscheidern, ist nicht notwendig. Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass die benötigten Bestandteile (Gebläse, Sensoren, Einbauten, Zyklonbrennkammer) zur Herstellung des LEVS Standardprodukte sind und einfach auf dem deutschen und europäischen Markt zu erwerben sind. Die Lebensdauer dieser Bestandteile lässt sich mit der Lebensdauer der technischen Bestandteile vergleichen, die in herkömmlichen Vergaserheizkesseln verwendet werden. Die Einbauten sowie die Zyklonbrennkammer müssen aus temperaturbeständigen Materialien, z. B. hochtemperaturbeständiger Keramik bestehen, sodass eine minimale Lebensdauer von fünf Jahren für die Zyklonbrennkammer sowie von mindestens zwei Jahren für die Einbautentechnik gewährleistet werden können.

Ein besonderer Vorteil der integrierten Abgasreinigung liegt in dem konstanten Druckverhalten während der Nutzung. Dieses stabile Druckverlustverhalten führt zu einem sicheren Betrieb in der Praxis ohne Bedarf an zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen. Der in der Zyklonbrennkammer sowie in der Einbautentechnik erhöhte Strömungswiderstand lässt sich mit den Standardgebläsen der Vergaserheizkessel überwinden und führt zur Stabilisierung der Strömungsverhältnisse im Heizkessel während der Verbrennung und unabhängig vom Betriebszustand, wodurch nicht nur eine schadstoffarme, sondern auch eine effiziente Verbrennung stattfinden kann.

Durch die innovativen technischen Prozessstufen bzw. Bestandteile des LEVS werden sowohl die staub- als auch die gasförmigen Schadstoffemissionen vor allem in den kritischen Betriebsphasen (Anfahrbetriebsphase, Ausbrandbetriebsphase und Teillast) bzw. beim Einsatz von problematischen Brennstoffen massiv reduziert. Quelle: [1]

Der Autor

Wolfgang Schmid ist freier Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung, München, wsm@tele2.de

Literatur / Quellen

[1] Aleysa, M.; Leistner, P.: Low-Emission-Verbrennungssystem (LEVS) für die Verbrennung von festen Brennstoffen in Vergaserkesseln. Stuttgart: Abschlussbericht, Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP), Februar 2017, Download: www.bit.ly/tga1099

[2] Aleysa, M.: Vortrag auf der Pressekonferenz am 18.09.2017 bei Kutzner + Weber, Maisach

[3] HDG Bavaria, Massing, Unterlagen für die Fachpresse, September 2017