Pellet-Hackschnitzel-Kessel

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Techniküberblick

Grundsätzlich besteht ein moderner Holzkessel aus einem Primärbrennraum mit Vergasungszone, Ausbrandzone für die Gase sowie dem Wärmetauscher, welche auf die besonderen Anforderung der Holzverbrennung abgestimmt sind. Dazu kommen Peripheriekomponenten wie Gebläse, Aschesammler, Steuerungselektronik, etc.. Bei Hackschnitzelkesseln kommt meist die Unterschubfeuerung zum Einsatz, bei Pelletkesseln im kleinen Leistungbereich bis 60 kW die Abwurffeuerung.[1] Pelletkesselkönnte man auch als eine Form spezialisierter Hackschnitzelkessel ansehen, da sie auf die spezifischen Brennstoffeigenschaften von Pellets genau abgestimmt sind.[2] Beide Kesseltypen benötigen je nach Feuerungsvariante im Unterschied zur Scheitholzheizung weitere Peripheriekomponenten, wie Fördertechnik und Brandschutz. Wie auch bei der Scheitholzheizung ist ein ausreichend groß dimensionierter Pufferspeicher sinnvoll, um die Zahl der An- und Abfahrvorgänge vor allem in der Übergangszeit zu reduzieren. Für die Sommermonate mit geringem Wärmebedarf empfiehlt sich die Kombination mit einer solarthermischen Anlage, damit der Holzkessel vollständig ausgeschaltet bleiben kann.

Hackschnitzelkessel müssen dagegen mit einer größeren Breite von Hackschnitzel- bzw. Holzqualitäten (Stückigkeit, Wasser- und Aschegehalt) zurechtkommen. Dies erfordert nicht nur eine robuster ausgelegte Fördertechnik, sondern auch eine leistungsfähigere Entaschung und Wärmeabfuhr aus dem Rostbereich, damit es nicht durch größere Aschemengen bzw. Ascheerweichung (Schlackenbildung) zu Betriebsstörungen oder Schäden kommt.

Herausforderung Emissionen

Hinsichtlich der Staubemissionen weisen Pelletkessel durch den sehr aschearmen Brennstoff und darauf hin optimierte Verbrennungsablauf Vorteile auf, weil zum Teil ohne nachträgliche und damit teure Abgasreinigung die sehr strengen Staubgrenzwerte der 1. BimSchV für Neuinbetriebnahmen ab dem 1.1.2015 eingehalten werden können. Bereits heute muss dieser Wert eingehalten werden, wenn der Holzheizkessel oder -ofen mit dem Blauen Engel zertifiziert werden soll.

Im Gegensatz zur problematischen Verbrennungs- und Abgasqualität bei den einfachen Durchbrandholzheizungen (sehr hoher Anteil im Bestand, z.B. Kaminöfen) konnten bei Pelletheizungen sehr geringe Emissionswerte erreicht werden, so dass eine Reihe von Kesseln das Umweltzeichen „Blauer Engel“ tragen, da sie bereits die ab 2015 gültigen Emissionsgrenzwerte von 20 mg/m³ Abgas unterschreiten.

Vergleiche mit Öl- und Erdgasheizungen zeigen dennoch im Vergleich höhere Staub- und Gaskonzentrationen, vor allem bei intermittierendem Betrieb.[3]

Dennoch verursachen vor allem alte einfachen Holzheizungen und "Baumarkt"-Kaminöfen das Staubemissionsproblem, da diese einen hohen Bestand aufweisen und oft unter schlechten Verbrennungsbedingungen betrieben werden. Die Staubemissionen liegen um den Faktor 100 höhere als bei modernen Holzheizungen, was praktisch deren Stilllegung nach einer Messung erforderlich machen würde, aber in der Praxis nicht umgesetzt wird. Ab 2013 werden Holzheizkessel nach BImSchV vor Ort vermessen, wobei auch der Staubanteil gemessen wird. Die Typprüfung beim Hersteller allein reicht nicht mehr aus. Diese Feldmessungen werden Probleme sowohl bei Betreibern als auch Herstellern offenbaren.

Holz-Blockheizkraftwerk

Neben dem reinen Heizkessel verfolgten einige Hersteller Ansätze, um mit Holzheizungen zusätzlich auch Strom erzeugen zu können und die Holzheizung zu einem Blockheizkraftwerk aufzurüsten. Dabei wird der Heizkessel mit einem Stirlingmotor gekoppelt. Der Stirling-Motor ist ein sogenannter Heißgasmotor (in der Regel Hubkolbenmotor), bei dem in einem nach außen abgeschlossenem Volumen ein Arbeitsgas (Luft, Helium oder Wasserstoff) durch äußere Wärmezufuhr in einem Bereich erhitzt und im anderen Bereich gekühlt wird und sich dadurch ausdehnt und zusammenzieht. Dadurch kann mechanische Arbeit verrichtet werden, die z.B. einen Generator antreibt, der Strom erzeugt. Die Wärmezufuhr kann über jede beliebige äußere Wärmequelle erfolgen. Funktionsvideo

Der fester Brennstoff Holz(pellets) ist jedoch sehr anspruchsvoll und bereitete diverse Probleme in Bereich der Zuführung sowie auch in Form der Ascherückstände. Sunmachine als einziger deutscher Hersteller hatte zwar rund 400 seiner „Sunmachine Pellet“ verkaufen können, die jedoch in der Praxis an den mit dem Brennstoff Holz verbundenen Herausforderungen und viele technischer Probleme scheiterten.[4] Im Jahr 2010 ging Sunmachine in Konkurs. Ebenfalls im Jahr 2010 hat KWB hat seine Entwicklungen an dem Kombigerät gestoppt. Lediglich ÖkoFen ist noch am Ball. Im Jahr 2011 hat das Gerät "Pellematic Smart_e" die Marktzulassung erhalten und wird seit Ende 2012 im Feldversuch bei bis zu 40 ausgewählten Anwendern in Österreich getestet, bevor es in den allgemeinen Verkauf kommen soll.[5]

Eine zweite Variante eines Holz-BHKW bot der österreichische Hersteller Button Energy Energiesysteme seit 2011 mit dem „Bison Powerblock“ an. Mit Hackschnitzel oder Pellets wurde 350 bis 400 Grad heißer Wasserdampf erzeugt, der eine 2-Zylinder-Dampfmaschine mit Doppelfreikolben und max. 2 kW elektrischer Leistung antrieb. Doch auch dieses Konzept scheiterte an einer Vielzahl von Problemen und das Unternehmen ging im Juni 2013 in Konkurs.[6]

Fördertechnik

Weil Scheitholz für eine automatische Zuführung weniger gut geeignet ist, suchte man nach förderfähigem Holzformen. Diese standen in Form von Hackschnitzeln, Spänen oder Pellets zur Verfügung. Um diese nun kontinuierlich einer Verbrennung zuführen zu können, war eine geeignete Fördertechnik im verkleinerten Maßstab zu entwickeln.

Diese bestand in der Übertragung und Anpassung der von Kohleheizkesseln bekannten Schneckenförderer. Damit war eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung von automatisch beschickten Holzkesseln im unteren Leistungsbereich geschaffen worden. Schneckenförderer bilden heute die Basis jeder Brennstoffzufuhr bei Hackschnitzel- wie auch Pelletheizungen (Funktionsvideo).

Ein zweiter Entwicklungsschritt wurde mit der Entwicklung von preisgünstig zu realisierenden Rührwerken mit Gelenk- oder Federarmen getan, der die Austragung der Hackschnitzel oder Pellets aus einem größeren Vorratsbunker zur Schnecke ermöglichte, wenn baulich bedingt keine einfache Zuführung von oben über einen Trichter mit Fallschacht realisierbar ist (Funktionsvideo).

In größeren Holz-Heiz(kraft)werken werden auch Schubböden eingesetzt (Funktionsvideo), die jedoch wesentlich aufwendiger und teurer in der Installation sind. Bei Pellets ermöglicht die gute Rieselfähigkeit auch den einfachen Schrägboden im Vorratsraum (Funktionsvideo) als Zuführung zur Transportschnecke.

Brandschutzeinrichtungen

Die Besonderheit der kontinuierlichen Brennstoffzuführung vom Vorratsraum zur Heizung bedarf auch eines wirksamen Schutzes gegen Rückbrand, da es eine direkte Verbindung vom Holz im Feuerraum über die Zuführungsstrecke zum Brennstofflager gibt. Beim Rückbrand kommt es zu Brennen des Holzes auf der Förderstrecke ausgehend vom Kessel. Dies kann letztlich auf den Vorratsraum übergreifen und dort zu einem Großbrand führen. Bei Pelletkesseln trifft dies nur auf die teilweise verwendeten Unterschubfeuerungen zu. Bei der üblichen Saugaustragung und Fallzufuhr gibt es dort keine direkte Verbindung zwischen Brennstoffstrecke und Feuerung, so dass diese Pelletkessel auf die im folgenden dargestellten Einrichtungen verzichten können.

Durch Sicherheitseinrichtungen, wie Absperrschieber oder –klappen oder Zellradschleusen oder Löscheinrichtungen wird ein Rückbrand verhindert. Sobald ein Temperatursensor eine Überschreitung des Temperaturlimits in der Förderstrecke signalisiert, wird die Absperrklappe oder Absperrschieber geschlossen und verhindert so einen Rückbrand. Allerdings reagiert dieses Sicherheitssystem bei einem Rückbrand unterhalb des eingestellten Temperaturlimits nicht. Zudem schließt bei schlechter Wartung die Absperr-Vorrichtung meist nicht mehr richtig, was beides die Sicherheit beeinträchtigt. Zellenradschleusen bieten eine gesteigerte Sicherheit, denn sie haben eine Schleusenfunktion und lassen Hackschnitzel durch, bilden aber eine Sperre für das Feuer. Fremdkörper können die Zellenradschleuse allerdings auch blockieren. Die Schleusenfunktion durch einzelne Zellen (Funktionsvideo) trennt einzelne Portionen Hackschnitzel räumlich voneinander und verhindert so den Durchbrand.

Schließlich kann zusätzlich über Löschwassersysteme im Notfall Wasser in das Fördersystem laufen, wenn wiederum Temperaturfühler eine Überschreitung gewisser Temperaturen in der Förderstrecke signalisieren. Das System reagiert ebenso wie die Absperrklappe nicht bei Rückbränden, deren Temperatur unterhalb des Temperaturlimits bleibt.



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Quellen und weiterführende Hinweise

  1. Umfassende Erläuterungen zum Aufbau und Funktion von Holzheizung finden sich im Handbuch Bioenergie Kleinanlagen sowie zur Anlagenauslegung im Leitfaden Bioenergie der Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe
  2. Funktionsvideo (Werbefilm der Firma KWB)
  3. Struschka et al. 2010: Feinstaubemissionen moderner Heizkessel. Der DEPV kritisierte das Studiendesign, das von der üblichen Betriebsweise von Öl- bzw. Gaskesseln ausgeht und bezogen auf Pelletkesseln mit Pufferspeichern realitätsfern wäre, da hier oftmals weniger als 1.000 statt 4.000 Starts üblich wären. (Stellungnahme DEPV)
  4. http://www.bhkw-prinz.de/sunmachine-pellet-bhkw-mit-stirlingmotor/141
  5. http://www.okofen-e.com/de/okofen-e/oekofen_e-pelletsheizung.html
  6. http://www.bhkw-prinz.de/button-energy-bison-powerblock-holzpellets-bhkw/2771
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