"Wood Stoves 2020": Sauberere und effizientere kleine Kaminöfen

Vier wissenschaftliche Einrichtungen und vier Unternehmen aus Deutschland, Österreich, Schweden und Dänemark haben im Projekt "Wood Stoves 2020" zusammengearbeitet, um kleine holzverbrennende Öfen in punkto Abgas- und Feinstaubemissionen und Effizienz zu verbessern. Im Ergebnis soll nächstes Jahr u.a. ein hocheffizienter Low-Emission-Kaminofen mit integriertem Wärmespeicher auf den Markt kommen. Es zeigte sich außerdem, dass eine stärkere Automatisierung der bislang rein manuell bedienten Öfen der Schlüssel für weniger Emissionen und mehr Effizienz ist.

Kleine Holzfeuerungen wie Pellet-Wohnraumöfen oder mit Scheitholz beheizte Kaminöfen im Leistungsbereich bis 20 kW sind aktuell und in näherer Zukunft die am weitesten verbreitete erneuerbare Wärmequelle in Europa. Nahezu 1,85 Millionen dieser Öfen werden jedes Jahr verkauft und bescheren den Herstellern einen Umsatz von etwa 2,6 Milliarden Euro. Doch es mehrt sich auch die Kritik an zu hohen Emissionen und mangelnder Effizienz. So beschränkt sich bei den manuell bedienten Kaminöfen die Beeinflussung der Verbrennung - von der Brennstoffauswahl abgesehen -  auf das Öffnen und Schließen von Lüftungsklappen. Verantwortlich dafür ist der Nutzer. Erfahrungsgemäß kommt es an dieser Stelle zu vielen Bedienungsfehlern, die die Emissionen häufig stark erhöhen.

Diese Ansätze wurden im ERA-Net-Projekt untersucht:

• Zuluftklappen und Ofensteuerungen
  
  Stillstandsverluste durch geöffnete Luftzufuhr nach dem Heizen können erhebliche Wärmeverluste aus dem Aufstellraum bewirken. Schließt der Betreiber die Luftzufuhr während des Heizbetriebs hingegen zu früh, sind hohe Emissionen eine mögliche Folge. Das zeigen die Arbeiten am TFZ. Zusammen mit dem Partner Kutzner + Weber GmbH wird auch eine Lösung präsentiert: Selbstschließende Klappen im Zuluftkanal können jährlich bis zu einem halben Kubikmeter Holz sparen. Noch wirksamer ist es, wenn solche Luftklappen gleich auch die eigentliche Luftsteuerung übernehmen. Der Ofen-Hersteller RIKA und das Ingenieurbüro BIOS aus Österreich entwickelten deshalb im Projekt Wood Stoves 2020 eine vollautomatische Steuerung der Luftzufuhr, basierend auf einem Temperatursensor und elektronisch verstellbaren Luftverteilungsklappen. Im Ergebnis ließen sich damit vor allem gasförmige Schadstoffemissionen deutlich verringern und die Effizienz um 2 Prozentpunkte steigern.
  
   
• Wärmespeicher
  
  Eine noch sehr viel größere Effizienzsteigerung gelang RIKA und BIOS mit Hilfe eines neu entwickelten Wärmespeichers. Sie setzten dazu auf sog. Phasenwechselmaterialien, auch "phase change material" oder PCM genannt. PCM speichern mit der Änderung ihres Aggregatzustandes, z. B. von fest zu flüssig, große Mengen Wärmenergie und geben diese zeitverzögert wieder ab. Ihre Anwendung im Bereich der Einzelraumfeuerungen ist neu. RIKA und BIOS konnten im Projekt erfolgreich den Prototypen eines Low-Emission-Kaminofens mit integriertem PCM-Speicher bauen, dessen Herstellung 2018 in Serie gehen soll. Sein Wirkungsgrad liegt bei über 90%, während gute Anlagen derzeit im Schnitt nur 82% erreichen.
  
   
• Katalysatoren
  
  Weniger erfolgreich waren die Versuche der drei Forschungspartner TFZ, BIOS und RISE, Hochtemperaturkatalysatoren direkt in der Haupt- oder der Nachbrennkammer zu installieren. Im Ergebnis konnten zwar die Aggregate in der Hauptbrennkammer mit den katalytisch aktiven Metallen Platin und Palladium CO (Kohlenmonooxid) um bis zu 73% und organischen, gasförmigen Kohlenstoff um bis zu 38% reduzieren. Doch ihre Wirksamkeit ließ im Laufe der 100-stündigen Testphase teilweise deutlich nach. In einem Winter ist ein häufig genutzter Kaminofen jedoch mehrere 100 Stunden und länger in Betrieb. Für eine umfassende Bewertung der Katalysatoren wären zusätzliche Tests über eine gesamte Heizperiode erforderlich.
  
   
• Abgassensoren
  
  Die schwedische Forschungseinrichtung RISE und der Ofenhersteller NIBE untersuchten zusammen mit BIOS die Eignung verschiedener Abgassensoren zur Kontrolle des Verbrennungsprozesses. Im Ergebnis waren Lambda-Sonden, CO-Sensoren und kombinierte O₂/CO-Sensoren grundsätzlich gut für diese Aufgabe geeignet, die beiden letzteren sind aber für einen breiteren Einsatz bei kleinen Öfen derzeit oft noch zu teuer.
  
   
• Nachrüstbare Ofensteuerungen und Zugbegrenzer
  
  Die vom BMEL geförderten Partner TFZ und Kutzner + Weber GmbH testeten verschiedene auf dem Markt erhältliche, elektronisch gesteuerte (halbautomatische) Zuluftsteuerungen und rein mechanische Zugbegrenzer, die am Ofen bzw. am Schornstein eingebaut werden und auch nachrüstbar sind. Im Ergebnis zeigten die automatisierten Systeme bei der Emissionsminderung Vorteile, ausgenommen lediglich die Minderung von Partikelemissionen. Auch die Effizienz der Öfen ließ sich mit ihnen steigern. Die Projektpartner errechneten, dass sich die Anschaffung des kostengünstigsten, für rund 276 Euro erhältlichen Systems nach etwa sechs Jahren durch die Brennstoffeinsparung amortisieren könnte. Voraussetzung dafür ist jedoch eine Anpassung der Luftklappe: Aktuell verschließt sie das Abgasrohr zu maximal 92%, erforderlich wäre aber ein 100-prozentiger Verschluss.

Unterstützer und Förderung

Unterstützung erhielten die Institute und Unternehmen jeweils von ihren nationalen Förderern. Der deutsche Spezialist für Abgastechnik, die Kutzner + Weber GmbH, und das Technologie- und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe (TFZ) bekamen Mittel vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) aus dem ‚Förderprogramm Nachwachsende Rohstoffe‘.

Das Vorhaben Wood Stoves 2020 ist eines von drei Projekten, die im Rahmen des 7. Joint Calls des europäischen Forschungsnetzwerkes ERA-NET Bioenergy ausgewählt wurden (Informationen auf www.eranetbioenergy.net).