Dr.-Ing. Mohammad Aleysa

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1 Staub- und NOx-Belastungen aus Biomasseheizkesseln Probleme, Eckdaten und Lösungen in der Praxis
Dr.-Ing. Mohammad Aleysa Fachgebiet Verbrennungs- und Umweltschutztechnik „Raumluft-Hygiene und Feinstaubimmissionen aus Heizungsanlagen“ Pressegespräch,18. September 2017 .

2 Inhalt Kleinfeuerungsanlagen gemäß der 1. BImSchV
Emissionsanforderungen gemäß der 1. BImSchV und der Ökodesignrichtlinie 2009/125/EG betriebliche Besonderheit und Einflussfaktoren auf die Bildung von Schadstoffemissionen bei der Verbrennung von Biomasse Feinstaub- und NOX Bildung bei der Verbrennung von Biomassen Minderungs- und Behandlungsmaßnahmen Innovative Technologien Ergebnisse aktueller Forschungsprojekte Fazit

3 Abteilung Umwelt, Hygiene und Sensorik, Fachgebiet Verbrennungs- und Umweltschutztechnik
Bauaufsichtlich und europäisch anerkanntes Prüflabor Feuerstätten Abgasanlagen Abgasbehandlungssystemen nachgeschaltete Wärmetauscher Angewandte Forschung Verbrennung Abluft- und Abgasbehandlung Kraft-Wärmekopplung Mess-, Regel- und Monitoring Technik Energieversorgungskonzepten/ Integration von Heizkesseln in Gebäuden Brennstoffe Analytik und angewandte Sensorik Verbrennungs- und Umweltschutztechnik Umwelt, Hygiene und Sensorik Ökologische Chemie und Mikrobiologie Automotive Umwelt, Hygiene und Sensorik Bau Verbrennungs-systeme Verkehr OE 281: Analytik und angewandte Sensorik OE 282: Ökologische Chemie und Mikrobiologie OE 183: Verbrennungs- und Umweltschutz-technik OE 284: Automotive Innenraumluftchemie Einfluss gebauter Strukturen auf die Umwelt Steuerung und Regelung Gesamtfahrzeug-emissionen Materialemissionen Einfluss der Umwelt auf bebaute Strukturen Dez. Abfallentsorgung und Energieerzeugung Emissionen in den Fahrzeuginnenraum Sensorentwicklung Mikrobiologie Genetic Barcoding Software und Sensoren Material- und Bauteil-emissionen Digitalisierung Wassernutzung, Ver- und Entsorgung Simulation Verdunstungsemissio-nen Antriebsstrang Validierung von Modellen Biologische Testver-fahren / Ökotests / Wirkungsanalytik Technologien für Schwellen- und Entwicklungsländer Brückentechnologien hin zur Mobilität von morgen Material-/ Schadenfallanalytik Abgas-/Abluft-behandlung

4 Stand des Wissens, Biomassefeuerungsanlagen
geregelt durch die 1. BImSchV thermische Leistung bis kW, (1 kW  10 m2 bis 60 m2) Brennstoffe im §3 der 1. BImSchV Einzelraumfeuerungsanlagen (DIN EN 13240, DIN EN 13229, DIN EN 15250, DIN EN 12815 und DIN EN 14785) Typprüfung, keine wiederkehrende Überwachung > 13 Mio. Analgen Brennstoff: Scheitholz/Pellets Installation im Wohnraum (dezentral) mit und ohne wasserführende Bauteile (Kesselfunktion) Einfluss der Nutzer auf die Verbrennungsqualität ist sehr groß Heizkessel (DIN EN bzw. Maschinenrichtlinie 2006/42/EG) Typprüfung + wiederkehrende Überwachung automatisch und handbeschickt bis 1,2 Mio. Heizkessel Brennstoff: Hoch- und niederqualitative. Brennstoffeignung  Hersteller Einfluss der Nutzer auf die Verbrennungsqualität ist gering Zentral einzusetzende Feuerungsanlagen (Heizkessel: Pellet-, Hackschnitzel- und Holzvergaserkessel): Diese werden vor dem Inverkehrbringen gemäß der DIN EN sowie der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG geprüft sowie gemäß der 1. BImSchV wiederkehrend einmal in jedem zweiten Kalenderjahr überwacht. Die wiederkehrende Überwachung soll hier nur für Heizkessel mit einer thermischen Nennwärmeleistung größer als 4 Kilowatt durch den zuständigen Schornsteinfeger gemäß dem Abschnitt 4 der 1. BImSchV durchgeführt werden. Dezentral im Wohnraum einzusetzende Feuerungsanlagen bzw. Einzelraumfeuerungsanlagen: Diese Feuerungsanlagen machen über 90 % der gesamten Biomassefeuerungen der 1. BImSchV aus und werden für die Bereitstellung der Wärme sowie Warmwasser eingesetzt. Vor dem Inverkehrbringen müssen die Einzelraum-feuerungsanlagen nach bestimmten Normen (Raumheizer: DIN EN 13240, Kamineinsätze und Kachelöfen: DIN EN 13229 und Speicherfeuerstätten: DIN EN 15250, DIN EN usw.) von einer unabhängigen Prüfstelle wie z. B. die Prüfstelle Feuerstätten und Abgasanlagen des Fraunhofer-Institutes für Bauphysik IBP (D-PL ) geprüft werden. Einzelraumfeuerungsanlagen unterliegen keiner wiederkehrenden Emissionsüberwachung durch den Schornsteinfeger unabhängig von ihrer thermischen Leistung und dem eingesetzten Brennstoff. Sie müssen lediglich bei der Typprüfung sowohl bestimmte Emissionsgrenzwerte als auch Mindestwirkungs-grade einhalten (Tabelle 1).

5 Emissionsanforderungen an Heizkessel, 1. BImSchV
Brennstoffe NWL Staub CO [kW] [mg/Vm³]* Naturbelassenes stückiges Holz, Presslinge aus naturbelassenem Holz in Form von Holzbriketts und Holzpellets ≥ 4 20 400 Mit Schadstoffen unbelastete bzw. unbehandelte Holzwerkstoffe und ihre Reste, wie z. B. Sperrholz, Spanplatten, Faserplatten ≥ 30 ≤ 500 > 500 300 Stroh und ähnliche pflanzliche Stoffe und sonstige nachwachsende Rohstoffe ≥ 4 < 100 250 Thermische Nennwärmeleistung PCDD/PCDF (**) NOx(**) CO Staub [kW] [ng/Vm3] (*) [mg/Vm3] (*) 100 kW> NWL ≥ 4 kW 0,1 500 400 20 (*): Abgas im Vergleichszustand (trocken, Normzustand, Bezugssauerstoff 13 Vol.-%). (**): Typprüfung für die Zulassung von Brennstoffen (Nummer 8 und 13, § 3 Abs.1) gemäß der 1. BImSchV.

6 Emissionsanforderungen an Heizkessel, Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG
Biomasseheizkessel unterteilt in zwei Leistungsbereiche (≤ 20 kW und > 20 kW) sowie in manuell und automatisch betriebene Heizkessel. Ökodesignrichtlinie 2009/125/EG ab dem Raumheizungs-Jahres-Emissionen ES Raumheizungs- Jahresnutzungs grad hson CO NOx OGC Staub [mg/Vm³]* [%] Heizkessel mit einer Nennwärmeleistung von 20 kW oder weniger manuell 700 200 30 60 75 automatisch 500 20 40 Heizkessel mit einer Nennwärmeleistung von mehr als 20 kW 77 *) Es = 0,85*Es,p + 0,15*Es,n **) Die Emissionen von Staub, gasförmigen organischen Verbindungen OGC, Kohlenstoffmonoxid CO und Stickstoffoxiden NOx werden in standardisierter Form bezogen auf trockenes Abgas mit einem Sauerstoffgehalt von 10 Vol.-% und unter Normbedingungen bei einer Temperatur von 0 °C und einem Druck von 1013 Millibar angegeben. Diese Anforderungen gelten für alle Brennstoffe, die für den Festbrennstoffkessel geeignet sind. Gemäß der Verordnung (EU) 2015/1189 der Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG bezeichnen die Raumheizungs-Jahres-Emissionen: bei automatisch befeuerten Festbrennstoffkesseln einen gewichteten Durchschnitt der Emissionen bei Nennwärmeleistung sowie der Emissionen bei 30 % der Nennwärmeleistung in mg/m3; bei manuell befeuerten Festbrennstoffkesseln, die dauerhaft bei 50 % der Nennwärmeleistung betrieben werden können, einen gewichteten Durchschnitt der Emissionen bei Nennwärmeleistung sowie der Emissionen bei 50 % der Nennwärmeleistung in mg/m3; bei manuell befeuerten Festbrennstoffkesseln, die nicht dauerhaft bei 50 % oder weniger der Nennwärmeleistung betrieben werden können, die Emissionen bei Nennwärmeleistung in mg/m3; Die Raumheizungs-Jahres-Emissionen Es von Staub, gasförmigen organischen Verbindungen, Kohlenstoffmonoxid und Stickstoffoxiden werden bei manuell befeuerten Festbrennstoffkesseln, die dauerhaft bei 50 % der Nennwärmeleistung betrieben werden können, sowie bei automatisch befeuerten Festbrennstoffkesseln wie folgt berechnet: Es = 0,85*Es,p + 0,15*Es,n wobei: Es,p die jeweils bei 30 % oder 50 % der Nennwärmeleistung gemessenen Emissionen von Staub, gasförmigen organischen Verbindungen, Kohlenstoffmonoxid und Stickstoffoxiden sind; und Es,n die bei Nennwärmeleistung gemessenen Emissionen. Die Staubemissionen sind mithilfe einer gravimetrischen Methode zu ermitteln, bei der keine Partikel berücksichtigt werden, die durch gasförmige organische Verbindungen gebildet werden, wenn sich Rauchgas mit Umgebungsluft vermischt. Die Stickstoffoxidemissionen werden als Summe von Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid berechnet und als Stickstoffdioxid angegeben. Der Raumheizungs-Jahresnutzungsgrad im Betriebszustand hson bezeichnet: bei automatisch befeuerten Festbrennstoffkesseln einen gewichteten Durchschnitt des Brennstoff-Wirkungsgrades bei Nennwärmeleistung sowie des Brennstoff-Wirkungsgrades bei 30 % der Nennwärmeleistung, angegeben in %; bei manuell befeuerten Festbrennstoffkesseln, die dauerhaft bei 50 % der Nennwärmeleistung betrieben werden können, einen gewichteten Durchschnitt des Brennstoff-Wirkungsgrades bei Nennwärmeleistung sowie des Brennstoff-Wirkungsgrades bei 50 % der Nennwärmeleistung, angegeben in %; bei manuell befeuerten Festbrennstoffkesseln, die nicht dauerhaft bei 50 % oder weniger der Nennwärmeleistung betrieben werden können, den Brennstoff-Wirkungsgrad bei Nennwärmeleistung, angegeben in %; Der Brennstoff-Wirkungsgrad h bezeichnet das Verhältnis der nutzbaren Wärmeleistung zur Gesamtenergiezufuhr eines Festbrennstoffkessels in %, wobei die Gesamtenergiezufuhr als Brennwert oder als Endenergie, multipliziert mit 2,5, angegeben wird. Ein direkter Vergleich zwischen den Grenzwerten zwischen der 1. BImSchV und der Ökodesign-Richtlinie lässt sich aufgrund der unterschiedlichen Ermittlungszustände und Definitionen nicht ziehen.

7 Einflussfaktoren auf den Betrieb von Kleinfeuerungen
Bedienung Wartung und Pflege technisches Wissen technisches Bewusstsein …. Betreiber Beschickung Brennstoff (Art, Qualität, Lagerung, Vorgaben usw.) … Einflussfaktoren auf den Betrieb von KFA (DIN EN Normen u. a. Richtlinien) (§3 der 1. BImSchV) Verbrennungstechnik Verbrennungskonzept bzw. -prinzip technische Konstruktion Verbrennungsluftzufuhr Wärmeabgabesystem Regelung bzw. Steuerung Überwachung (Controlling) … Brennstoff Verb. tech. Kenndaten (w, a, b) elementare Zusammensetzung Heizwert (Verbrennungs-T) Zündwilligkeit bzw. Flammenbildung Beschaffenheit (Konsistenz) Form bzw. Stückigkeit …

8 Einflussfaktoren für die Schadstoffbildung
Schadstoffe Einflussfaktoren Verbrennungs-technik Brennstoff Betreiber Staub org. - - - anorg. Kohlenstoff- monoxid CO Kohlenwasser-stoffe CnHm Stickstoffoxide NOx Schwefeldioxid SO2 Chlorwasserstoff HCl Dioxine/ Furane PCDD/ PCDF - - großer Einfluss - moderater Einfluss 0 kaum Einfluss

9 Feinstäube aus der Verbrennung von Festbrennstoffen
anorganische Partikel (0,1 µm – 1 µm) organische Partikel (nm bis mehrere mm) Metalloxide: CaO + SiO2 + 3Al2O3, CuO, ZnO, CdO, PbO, As2O3 usw. Ionische und metallische Dämpfe: K+, SO4+2, NO3- und Cu, Zn, Cd, Pb usw. Salze: K2SO4, KCl, HgCl2, CdCl2, PbCl2, CuCl2 usw. Feste Feinstäube: Ruß (Kohlenstoffketten) Brennstoffteile Aerosole: PAKs: Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoff VOCs: flüchtige organsiche Kohlenstoffverbindungen Sonstige organische Verbindungen bzw. Dämpfe CnHm Ruß und Teer – Diese Schadstoffe entstehen beispielsweise bei unvollständiger Verbrennung, bei falschem Anfeuern, bei Verwendung von nassem Holz und beim übertriebenen Nachlegen von Holz auf die Feuerstelle. Schwermetalle und Giftstoffe – Werden beispielsweise Abfallhölzer (lackierte Holzdielen usw.) verbrannt oder sogar die Holzfeuerung zur Abfallvernichtung missbraucht, können hochgiftige Dämpfe und Gase entstehen. Die Verbrennung solcher Produkte ist absolut zu vermeiden! Salze – Diese entstehen bei einer vollständigen Holz-Verbrennung aus der Asche. Besonders bei automatischen Holzfeuerungen ist wegen der kompletten Verbrennung des Holzes die Konzentration meist höher!

10 Maßnahmen zur Feinstaubminderung und Behandlung
Aschegehalt [ma.-%] a < 1,5 1,5 > a < 5,5 5,5 < a Wassergehalt [ma.-%] w< 12 (manu.) w< 25 (auto.) w< 16 (manu.) w< 38 (auto.) w < 18 (manu.) w< 45 (auto.) Elektroabscheider Abreinigungs- und Speicherfilter Abgaswäscher Kombinationsverfahren (Zyklojekt) Sekundärmaßnahmen (nachgeschaltet) Flieh- und Trägheitsabscheider (Zyklonbrennkammer) Einbautentechnik Katalysatoren usw. Intergierte Maßnahmen Anschaffungs- und Betriebskosten Wirtschaftlicher Bereich Konzeptionelle Maßnahmen (zweistufige Verbrennung, Abgasrückführung usw.) Konstruktive Maßnahmen (Gestaltung der Verbrennungsluftzufuhr, des Feuerraums mit der Nachbrennkammer) Regelungstechnische Maßnahme Primär-maßnahmen Verfahrenstechnische Komplexität

11 Bewertung gemäß der Anforderungen der 1. BImSchV
Brennstoff a [ma.%] Bewertung 1 2 3 Fichtenholz 0,6 √ Buchenholz 0,5 Pappelholz 1,8 Weidenholz 2,0 Brennstoff a [ma.%] Bewertung 1 2 3 Roggenstroh 4,8 √ Weizenstroh 5,7 Triticalestroh 5,9 Gerstenstroh Rapsstroh 6,2 Maisstroh 6,7 Sonnenblumenstroh 12,2 Hanfstroh Roggenganzpflanzen 4,2 Weizenganzpflanzen 4,1 Triticaleganzpflanzen 4,4 Roggenkörner 2,0 Weizenkörner 2,7 Triticalekörner 2,1 Rapskörner 4,6 Miscanthus 3,9 Landschaftspflegeheu Rohrschwingel 8,5 Weidelgras 8,8 Straßengrasschnitt 23,1 1: Primärmaßnahmen 2: integrierte Maßnahmen 3: Sekundärmaßnahen

12 Primäre und integrierte Abgasreinigungsmaßnahmen
LEVS: Low-Emissions-Verbrennungssystem für hand- und automatisch beschickte Biomasseheizkessel Innovationen Verbrennungsluftzufuhrsystem Zyklonbrennkammer Einbautentechnik Erforscht für handbeschickte Heizkessel (Holzvergaser) in Kooperation mit HDG Bavaria Erforschung für automatisch beschickte Biomasseheizkessel in Kooperation mit HDG Bavaria Einbauten-technik Zyklonbrennkammer LEVS: Low-Emission-Verbrennungssystem

13 Low-Emission-Verbrennungssystem (LEVS)

14 Feinstaubminderung durch primäre und integrierte Abgasreinigung, LEVS-Projekt
Messungen Staub [mg/m3] im Vergleichszustand TESTO-Online Gravimetrisch Ohne integrierte Abgasreinigung Min. 17 56 Max. 27 37 Mittel 23 42 Mit Zyklonbrennkammer < 5 7 11 14 < 8 Mit Einbautentechnik + Zyklonbrennkammer 3 4 91% 73%

15 Sekundärmaßnahme, ENF-System, Zyklojekt der K & W
Kombination aus Agglomerationsverfahren, Fliehkraft- und Nassabscheider Hohe Abscheideleistung im Praxisbetrieb Hohe Flexibilität gegenüber der Änderung der Staubbeladung und Abgaseigenschaften Zuverlässige Funktion im Praxisbetrieb technisch sehr robust Geringerer Platzbedarf mit hohem Bedienungskomfort usw.

16 ENF-System, Versuchsanlage im Fraunhofer IBP

17 Abscheideeffizienz für Feinstäube
Reingas Rohgas

18 Bildung von Stickstoffoxiden NOx
Brennstoff-NOx thermisches NOx, promptes NOx

19 Bewertung gemäß den Anforderungen der 1. BImSchV
Grenzwert gemäß der 1. BImSchV

20 Bewertung gemäß den Anforderungen der Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG
Grenzwert gemäß der Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG

21 Bewertung der Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG
Brennstoff N [ma.%] Bewertung A B C Fichtenholz 0,13 √ Buchenholz 0,22 Pappelholz 0,42 Weidenholz 0,54 Brennstoff N [ma.%] Bewertung A B C Roggenstroh 0,55 √ Weizenstroh 0,48 Triticalestroh 0,42 Gerstenstroh 0,46 Rapsstroh 0,84 Maisstroh 0,65 Sonnenblumenstroh 1,11 Hanfstroh 0,74 Roggenganzpflanzen 1,14 Weizenganzpflanzen 1,41 Sekundärmaßnahmen Triticaleganzpflanzen 1,08 Roggenkörner 1,91 Weizenkörner 2,28 Triticalekörner 1,68 Rapskörner 3,94 Miscanthus 0,73 Landschaftspflegeheu Rohrschwingel 0,87 Weidelgras 1,34 Straßengrasschnitt 1,49 A: direkte Verbrennung B: zweistufige Verbrennung C: zweistufige Verbrennung mit Abgasrückführung

22 NOx-Emissionen bei der Verbrennung unterschiedlicher Hölzer, zweistufige Verbrennung in Vergaserkessel Grenzwert gemäß der Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG

23 NOx-Emissionen bei der Verbrennung von biogenen Brennstoffen im Vergleich mit Holzpellets
Gärrestpellets Grenzwert gemäß der Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG Strohpellets Holzpellets

24 Maßnahmen zur Minderung von Stickstoffoxiden NOx
N [ma.-%] N < 1,8 N > 1,8 T [°C] < 1.200 Trockenverfahren: SCR: Selektive katalytische Reduktion Aktivkohle, Aktivkoks (BF-Uhde, Petersen, Krantz) CUO (Shell-FGT) Elektronenstrahl (ESV) Nassverfahren: NH3-Wäsche (Walther) Fe-EDTA (SHL) Schwefel-,Salpetersäure (Ciba-Geigy) Sekundärmaßnahmen Trockenverfahren, bei dem die Reduktion katalytisch unter Zugabe von Ammoniak oder Harnstoff erfolgt. Nassverfahren, bei dem das NOx durch die Oxidation zu Nitrit/Nitrat in ein verkaufsfähiges Produkt (Düngemittel) umgewandelt wird. Anschaffungs- und Betriebskosten (SNCR -Verfahren), bei dem Stickstoffoxide unter hohen Temperaturen (> 800 °C) sowie Zugabe von Ammoniak (NH3) oder Harnstoff (CO(NH2)2) zu Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) bzw. Kohlendioxid (CO2) umgewandelt werden. intergierte Maßnahmen Wirtschaftlicher Bereich Abreicherung vom Sauerstoff im Glutbettbereich Vermeidung hoher Temperaturen im Glutbett- und Flammenbereich Zugabe von Additiven zur Bindung elementarem Brennstoffstickstoff in der Asche Primär- maßnahmen Verfahrenstechnische Komplexität

25 Primäre Maßnahmen, GVAGR-Konzept

26 GVAGR-Konzept, NOx-Minderung

27 Integrierte Maßnahme, NOx-Out-System
Integrierbare Regelung Abgasgebläse Einbauten-technik NOx- und Temperatursignale NOx-Sensor SPS-Kesselregler Signal des Temperatur-Sensors Regelungssignal zu feinen Dosierung des Reduktionsmittel Regelbares Dosierungs- System Zylon-Brennkammer NH3 Reduktionsmittel-Dosierungssystem

28 Integrierte Maßnahmen, NOx-Out-System
Zugabe von NH3

29 Integrierte Maßnahmen, NOx-Out-System
NH3-Zugabe: an NH3-Zugabe: aus NH3-Zugabe: aus

30 Fazit Die Bildung von Feinstaub und Stickstoffoxiden hängt nicht nur von der Verbrennungstechnik sondern auch maßgeblich vom Brennstoff ab Aufgrund der kommenden Ökodesignrichtlinie 2009/125/EG werden viele Brennstoffe in Biomasseheizkesseln mit herkömmlichen Verbrennugskonzepte nicht eingesetzt werden. Eine Weiterentwicklung der vorhandenen Verbrennungstechnologien ist notwendig Bei vielen biogenen und Restbrennstoffen ist der Einsatz von Sekundärmaßnahmen zur Feinstaub- und NOx-Minderung nicht vermeidbar Integrierte Technologien zeigen ein hohes Potential für eine gleichzeitige Minderung von staub- und gasförmigen Emissionen Sekundärmaßnahmen zur Abgasentsticklung sind forschungsbedürftig Staubabscheider sollten weiterentwickelt und im Praxisbetrieb dauererprobt werden Aufgrund hoher Kosten der Sekundärmaßnahen ist eine staatliche Fördern notwendig

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit