Holzfeuerung
Holz ist der nachhaltigste Werkstoff - besonders im Hinblick auf seine energetische Nutzung. Von einer nachhaltigen Nutzung kann so lange gesprochen werden, wie nicht mehr verbraucht wird, als im gleichen Zeitraum neu entsteht.Der wesentliche Vorteil der Holzverbrennung gegenüber allen anderen fossilen Brennstoffen liegt in seiner Klimaneutralität. Zwar wird ebenso wie bei der Verbrennung von Öl, Gas oder Kohle Kohlendioxid in die Atmosphäre abgegeben. Durch das Baumwachstum wird dieses aber im Rahmen eines klimaneutralen Kreislaufs wieder gebunden.
Bild: Kohlendioxid-Kreislauf
Emissionen von Holzfeuerungen
Neben Kohlendioxid entstehen bei der Verbrennung von Holz und anderen Energieträgern weitere Umwelt wie Gesundheit belastende Schadstoffe. Der folgende Vergleich zeigt die Schadstoffemissionen der unterschiedlichen Brennstoffe bezogen auf die Erzeugung der gleichen Energiemenge:
Tabelle: Vergleich der Emissionen verschiedener Brennstoffe
*Weil das Kohlendioxid bei Holz auch anfallen würde, wenn es im Wald verrottet, kann für den Emissionsvergleich der Wert Null eingesetzt werden.
Quelle: Bundesamt für Konjunkturfragen, Betrieb von automatischen Holzfeuerungen, 1990, S. 54
Der Vergleich lässt folgende Rückschlüsse zu:
- Holz ist ähnlich wie Gas praktisch ohne Schwefel, so dass Schwefeldioxide im Gegensatz zur Verbrennung von Öl und Kohle keine Rolle spielen.
- Bei den Stickoxiden verhält sich die Holzfeuerung ähnlich wie bei der Kohleverbrennung und ist tendenziell etwas schlechter als bei Öl und Gas. Die Emission von Stickoxiden ist abhängig vom Brennstoff und von den Verbrennungsbedingungen im Kessel.
- In Bezug auf Kohlenwasserstoff und Teer verhält sich die Holzfeuerung ähnlich wie die mit Öl und Gas: Es entstehen deutlich höhere Emissionen. Allerdings ist die Bildung von Kohlenwasserstoffen stark von der Regelungstechnik abhängig, mit der die Verbrennung gesteuert wird.
- Die Holzfeuerung tendiert zu höheren Staubemissionen als Öl oder Gas und verhält sich ähnlich wie Kohlefeuerungen.
- Da die Verbrennungsbedingungen für Holz deutlich schwieriger zu steuern sind als bei anderen Brennstoffen, entstehen tendenziell höhere Emissionen an Kohlenmonoxid.
Insgesamt kann gesagt werden, dass Holzfeuerungen mit einer modernen Regelungstechnik den Vergleich mit Öl- oder Gasfeuerungen nicht zu scheuen brauchen und insbesondere hinsichtlich Schwefeloxid und Kohlendioxid Pluspunkte aufweisen.
Verbrennungsablauf
Die Verbrennung von Holz ist ungleich komplexer als die anderer fossiler Brennstoffe, da der Heizwert des Holzes deutlich stärker schwankt. Ursache dafür sind Unterschiede in
- Holzfeuchte
- Stückgrößen (Stückholz, Späne, Staub...)
- Dichte (Laubholz, Nadelholz, Äste, Briketts...)
- Zusatzstoffe (Leime, Lackstoffe, Kunststoffbestandteile...)
Holz ist somit ein recht ungleichmäßiger (inhomogener) Brennstoff. Je gleichmäßiger seine Brennstoffqualitäten gehalten werden können (z.B. durch Brikettierung), desto optimaler kann die Verbrennung erfolgen.
Die Verbrennung des Holzes erfolgt in drei Stufen:
- Trocknung
Verdampfung des Wassers im Holz im Temperaturbereich bis 150 °C - Vergasung (Pyrolyse)
Thermische Zersetzung des Holzes in gasförmige Verbindungen. Als Rückstand der Entgasung entsteht Holzkohle, Temperaturbereich 150 - 600 °C - Verbrennung (Oxidation)
Reaktion der bei der Pyrolyse entstandenen brennbaren Gase und der Holzkohle mit Sauerstoff aus der Verbrennungsluft und dem Holz. Die Oxidation im Temperaturbereich von 400 - 1 000 °C ist der eigentliche Verbrennungsschritt, bei dem Wärme frei wird.
Die folgende Abbildung verdeutlicht den Verbrennungsablauf und die dabei entstehenden Zwischenprodukte:
Bild: Ablaufbeschreibung der Verbrennung von Holz
Quelle: Bundesamt für Konjunkturfragen, Betrieb von automatischen Holzfeuerungen, 1990, S. 29
CO, CO2, NOx, HC
Für eine optimale Verbrennung ist es wesentlich, dem Holz bei der richtigen Temperatur die optimale Luftmenge zuzuführen. Die Luftmenge wird mit dem Wert Lambda (l) beschrieben. Er kennzeichnet das Verhältnis der eingebrachten Verbrennungsluft zu der für eine vollständige Verbrennung chemisch notwendigen Mindestmenge. Die folgende Grafik verdeutlicht den Zusammenhang zwischen dem Lambda-Wert und den dabei entstehenden Kohlendioxid-Emissionen:
Grafik: Zusammenhang zwischen der Verbrennungsluft und den Kohlenmonoxid-Emissionen
Quelle: Bundesamt für Konjunkturfragen, Betrieb von automatischen Holzfeuerungen, 1990, S. 32
Bei einem Luftüberschuss von ca. 1,5 wird eine annähernd vollständige Verbrennung erreicht. Liegt der Wert darunter verschwelt das Holz und Rußpartikel werden deutlicher im Rauch sichtbar. Bei zuviel Luft kühlt die Verbrennungstemperatur zu stark ab.
Der Messwert von Kohlenmonoxid ist ein wichtiger Indikator für die Vollständigkeit der Verbrennung und für die Emissionen sonstiger Schadstoffe.
Anforderungen an Holzfeuerungen
Technologisch und konstruktiv können deshalb folgende Anforderungen an eine qualitativ hochwertige Holzfeuerung abgeleitet werden:
- Holz braucht einen großen Brennraum, da es mit großer Flamme verbrennt.
- Die Verbrennungsluft muss getrennt zugeführt werden: zum einen im Bereich der Glut als Primärluft, zum anderen oberhalb im Bereich der Verbrennungsgase als Sekundärluft . Regelungstechnisch muss ein optimaler Luftüberschuss von ca. 1,5 sichergestellt werden.
- Der Brennraum muss gut isoliert sein und darf durch wasserführende Flächen nicht zu stark abgekühlt werden.
- Die Verweildauer der Brenngase im Brennraum sollte rund 2 Sekunden betragen. Dazu bedarf es besonderer Einrichtungen, welche die Verbrennungsgase gut mit der zugeführten Verbrennungsluft mischen und möglichst lange im Brennraum verwirbeln.
- Auch mit guter Regelungstechnik ist die Holzfeuerung immer eine trägere Feuerung als Öl- oder Gasbrenner. Sie ist dann besonders emissionsarm, wenn sie über lange Phasen gleichmäßig betrieben werden kann.
- Je gleichförmiger der Brennstoff der Feuerung zugeführt werden kann, desto besser können die Verbrennungsbedingungen geregelt werden. Der Wechsel von Staub, Spänen und Stückholz führt zu starken Schwankungen der Brennstoffeigenschaften.
- Je trockener das Holz, desto größer ist die nutzbare Wärmemenge. Hölzer mit Holzfeuchten über 15 % sollten nicht in normalen Holzfeuerungen verbrannt werden. Sie benötigen eine zu lange Zeit für die Trocknungsphase und stören den Verbrennungsablauf erheblich.
- Große Wärmetauscherflächen verbessern die Wärmeausbeute.
- Weitere Störstoffe wie Metalle, Kunststoffe oder Papier verschlechtern die Verbrennung erheblich und erhöhen die Schadstoffemissionen deutlich.
Für die Planung einer Holzfeuerungsanlage sollte man den Rat des Fachverbandes hinzuziehen. Die Beschaffenheit und der Betrieb von nicht genehmigungspflichtigen Feuerungsanlagen, dazu zählen beispielsweise Feuerungsanlagen für Holz und Kohle unter 1 MW Feuerungswärmeleistung, wird in der 1. BImSchV geregelt. Ausführungen dazu finden Sie auf der Seite Rechtsgrundlagen > Immissionsschutz > Nicht genehmigungspflichtige Anlagen. Seit März 2010 gibt es Neuregelungen, die vor allem zum Ziel haben, die durch Holzfeuerungsanlagen verursachte Luftbelastung nicht noch weiter steigen zu lassen. - Falls andere Feuerungsarten in Frage kommen, finden Sie weitere Informationen unter Wichtig für alle Branchen > Energieeffizienz > Einsparmöglichkeiten > Energieerzeugung.
Glossar
1. BImSchVErste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen – 1. BImSchV).
Den Verordnungstext finden Sie hier.
CO2
Kohlenstoffdioxid (im normalen Sprachgebrauch auch Kohlendioxid) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Die chemische Summenformel lautet CO2. Es ist ein farb- und geruchloses Gas mit einer Konzentration von ca. 0,04 % (im Jahr 2008 385 ppm, jährliche Zunahme ca. 2 ppm) ein natürlicher Bestandteil der Luft. Es entsteht sowohl bei der vollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen unter ausreichendem Sauerstoff als auch im Organismus von Lebewesen als Kuppelprodukt der Zellatmung. CO2 absorbiert einen Teil der Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), während kurzwelligere Strahlung, d. h. der größte Teil der Sonnenstrahlung, passieren kann. Diese Eigenschaft macht CO2 zu einem Treibhausgas. Allgemein ist in der Wissenschaft anerkannt, dass es einen statistisch signifikanten anthropogenen Einfluss auf das Klima gibt und dass eine der Ursachen der Anstieg der Konzentration an Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre ist.
HC (Kohlenwasserstoffe)
Unter HC versteht man Verbindungen, die aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Sie sind die Stammkörper aller organischen Verbindungen; die niederen Glieder sind geruchlose brennbare Gase, die mittleren meist benzin- und petroleumartige Flüssigkeiten, die höheren feste Stoffe; man unterscheidet aliphatische, alicyclische und aromatische Verbindungen. Kohlenwasserstoffe sind u. a. als Kraftstoffe oder Brennstoffe bedeutend (Erdgas, Propan, Benzin, Heizöl usw.).
Bei der Verbrennung werden damit unvollständig verbrannte Holzbestandteile bezeichnet, die nicht vollständig zu Kohlendioxid weiteroxidiert sind. Sie haben einen teerartigen Eigengeruf und sind sehr giftig.
Kohlenmonoxid
Kohlenmonoxid, chemisch CO, entsteht aus der unvollständigen Verbrennung von organischen Materialien wie Holz, Öl, Gas, Pflanzen usw. Bei einer vollständigen Verbrennung entsteht Kohlendioxid. CO ist damit ein guter Indikator für die Güte der Verbrennung. Kohlenmonoxid selbst ist ein geruchloses Gas, das sehr giftig ist.
Stickoxide
Die Gase Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) werden unter dem Begriff NOx (Stickoxide) zusammengefasst. Bei allen Verbrennungsvorgängen entstehen Stickoxide (NOx) als Verbindung zwischen dem Stickstoff der Luft und dem Sauerstoff, aber auch durch Oxidation von stickstoffhaltigen Verbindungen, die im Brennstoff enthalten sind.
Stickstoffmonoxid (NO) ist ein farbloses Gas, das an Luft sofort zu NO2 oxidiert wird. Je höher die Verbrennungstemperatur ist, desto höher ist die Stickoxid-Bildung. Bei allen Verbrennungsvorgängen wird NO abgegeben, das in der Luft weiter zu dem gesundheitsschädlicheren NO2 reagiert. Aus NO2 kann sich Salpetersäure bilden, die etwa zu einem Drittel an der Bildung des sauren Regens (Waldsterben) beteiligt ist.
