Verenum

TitelfolieNeue Entwicklungen bei denHolzheizungen

PD Dr. Thomas NussbaumerVerenum Zürich

Forschung & Entwicklung – Auslegung – Konzepte – BeratungMessungen – Qualitätssicherung – Holzenergie – Biomasse

Verenum

Titelfolie

Einleitung: Wieso Holzenergie ?Wieso Holzheizungen ?

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Weltenergieverbrauch

[Kugeler&Phlippen]

Heute:12‘000 GW= 2000 W p. P.

Verdopplung in 15 a = + 5%/a

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GAU

Verenum

Treibhausgase

Verenum

C-Kreislauf

Verenum

Energieholz-Potenzial Schweiz

7%5%2.5%Anteil GEV

752.4Total

0.70.2Altholz

1.11.1Restholz

3.21.1Waldholz

Pot. theor.Mio m3

PotenzialMio m3

1998Mio m3

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Energie-Erntefaktor =

Holz: [Nussbaumer 2004] Oel, Gas: BUWAL 315, 2000

1.5Rapsmethylester als Dieselersatz in der Schweiz

2.1Ethanol aus Zuckerrüben in D

0.7Heizölkessel, Erdgasheizung

14Stückholzkessel

13Holzschnitzel ohne Fernwärme

9.0Holzschnitzel mit Fernwärme mit 1.5 MWh a–1m–1

8.3Holzpellets mit Holzenergie getrocknet

3.3Holzpellets mit Heizöl getrocknet

[TJ/TJ]

EFNE

NutzenergieNichterneuerbare Primärenergie

Verenum

Nachteile / Aufbau Referat

+––

• Auslegung• Kostenwahrheit• Förderung / Reduktion CO2

Kosten7

+++

• Holzpellets• Nahwärme• Minergie-Bauweise

EnergiedichtePlatzbedarfBedienung

6

–+–

• Illegale Verbrennung• Information• Kontrollen, Sanktionen

Giftstoffe(Metalle, Salzsäure, Dioxine)

5

++

F&EF&E

• Low-particle Prinzip• Partikelfilter gross (Nahwärme)• Partikelfilter für Kleinanlagen• Holzvergasung

Partikelemissionen(anorganisch)

4

F&EF&E

+

• Luft- und Brennstoffstufung• Holzvergasung• Denox

NOX3

+++

• Zweistufige Verbrennung• Systemintegration• Brennstoff und Betrieb

Unvollständige Verbrennung:CO, KW, Russ

2

++++

• Verbrennungsregelung• Systemintegration• Betrieb und Unterhalt• Qualitätssicherung

Wirkungsgrad1

StandMassnahmen undVerbesserungsansätzeNachteil

Verenum

Titelfolie

Grundlagen: Wie verbrennt Holz

Verenum

Thermische Zersetzung von Holz

Verenum

Holzverbrennung mit Luft

Holz + LuftCH1.4O0.7 + (O2 + 3.76 N2)

CO2 + 0.7 H2O + ( –1) O2 + 3.87 N2

+ Heizwert Hu = 18.3 MJ/kg

= Luftüberschuss = Luft / Luftmin = O2 / O2 min

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Verbrennungsvorgang

(CHxOyNz) + (H2O)Feuchte Biomasse

Koks C

Trocknung

T > 100°C

Biomasse-Vergasung

+ O2 ( 1)

+ O2 ( tot)

CO, CmHn, H2

H2O, N2,

O2 0

NO

CO2

O2

CO2, H2O, O2

Verdampfung heterogene Reaktionen homogene Reaktionen

1 < 1 tot > 1

C + CO2 <–> 2 COKohlenstoff-Vergasung

C + H2O <–> CO + H2C + 0,5 O2 <–> CO

H2O, N2,

HCN, NHi, ...

Gasphasen-oxidation

Abgas

Luft Luft

(CHxOyNz) + (H2O)Feuchte Biomasse

Koks C

Trocknung

T > 100°C

Biomasse-Vergasung

+ O2 ( 1)

+ O2 ( tot)

CO, CmHn, H2

H2O, N2,

O2 0

NO

CO2

O2

CO2, H2O, O2

Verdampfung heterogene Reaktionen homogene Reaktionen

1 < 1 tot > 1

C + CO2 <–> 2 COKohlenstoff-Vergasung

C + H2O <–> CO + H2C + 0,5 O2 <–> CO

H2O, N2,

HCN, NHi, ...

Gasphasen-oxidation

Abgas

Luft Luft

KCl, K2SO4 ,CaCO3, …

K, Ca, Na, Cl, S..

CO, KW

NOX

Verenum

Asche, SalzeVerunreinigungen

Kohlenstoff,Teer, Russ

Partikel

AbscheidungAusbrandMassnahme

CO2, H2ONOX (NO/NO2)

CO, CXHY, H2

HCN, NH3, N2OGase

VollständigeVerbrennung

UnvollständigeVerbrennung

von C, H, O, N

Ursache oderGruppe

Art

Schadstoffe

Asche, SalzeVerunreinigungen

Kohlenstoff,Teer, Russ

Partikel

AbscheidungAusbrandMassnahme

CO2, H2ONOX (NO/NO2)

CO, CXHY, H2

HCN, NH3, N2OGase

VollständigeVerbrennung

UnvollständigeVerbrennung

von C, H, O, N

Ursache oderGruppe

Art

Asche, SalzeVerunreinigungen

Kohlenstoff,Teer, Russ

Partikel

AbscheidungAusbrandMassnahme

CO2, H2ONOX (NO/NO2)

CO, CXHY, H2

HCN, NH3, N2OGase

VollständigeVerbrennung

UnvollständigeVerbrennung

von C, H, O, N

Ursache oderGruppe

Art

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Mischung – Temperatur – Zeit

Anforderungen für vollständigen Ausbrand

Holz trocken

< 2

> 850°C

2-stufige Verbr.Sekundärluftmit Ventilatorund Mischzone

grosse, heisseBrennkammer

> 0,5 s

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T ( ) Einfluss von Lambda auf Temperatur

Verschlackung –> Kühlung

Luftüberschuss Lambda

T ( )

T zu tief–> CO, ..

trockenes Holz

Verenum

Titelfolie

Anwendung 1: Stückholz

Verenum

1-stufige Verbrennung: Oberabbrand

Luft

Verenum

Einfluss von Lambda auf CO CO ( )

Stückholzfeuerung1-stufige Verbrennung

Verenum

2-stufige Verbrennung: Sturzbrand

Hoval

Vormischflamme

Verenum

Verbrennungs-Regelung

Einfluss von Lambda auf CO CO ( )

Stückholzfeuerung1-stufige Verbrennung

Stückholzfeuerung2-stufige Verbrennung

Unterabbrand empfindlich auf Brücken- und Kanalbildung–> weder sehr feiner Brennstoff noch Riesenscheiter !

Verenum

2-stufige Verbrennung: Sturzbrand + Ventilator

Hoval

Fröhling

Verenum

2-stufige Verbrennung: Unterabbrand mit Rost

Schmid

Verenum

Ofen mit Sturzbrand ohne Ventilator

Hoval

Specht

Specht TwinFire Xeoos http://www.specht-ofen.de

Betrieb mit natürlichem Kaminzug:Eta > 80%, 9 kW bei dp = 12 Pa, Teillast 2,4 kW bei dp = 8 Pa

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Titelfolie

Anwendung 2: Holzpellets

Verenum

Potenzial Schweiz

= 3,2 PJ/a= 0,37% des GEV

= 45‘000 EFH mit 4 t/a (2000 l Öl/a)= 45‘000 bis 90‘000 Pelletfeuerungen

180 000 t/a Sägemehl und Hobelspäne

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Pelletherstellung

Abgas

Schlagmühle

Presse

BettkühlerAbsack- anlage

Big bag- Station

Siebanlage

Zyklon

Abluft

Gewebefilter

FörderschneckeTrockner

Sägemehl

Luft

Öl

Zyklon

Pellets

Silo

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Holzpellets

Säcke à 15 bis 20 kg (A/CH) für Öfen im Wohnraum

Lose Pelletsfür Kessel mit Silo

Papier: Feuchtigkeitsaufnahme !PE: Wasserdampfsperre

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(–)MWh/m3

1010Heizöl

3 – 43,2Holzpellets

21,5 – 2Stückholz

10,7 – 1Holzschnitzel

LagervolumenEnergiedichteEnergiedichte und Lagervolumen

Lagervolumen

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Zündung

Zündstab

Hager

Heissluft

Oekofen

Verenum

Pelletofen mit Tagessilo

Tiba

Verenum

FischerPelletino

Pelletfeuerungen mit Fallrohr

Verenum

Hargassner

mit Zwischensilo

Pelletfeuerungen mit Schnecke von oben

Verenum

Austragung

Schnecke

Luft

Schnecke & Luft

Hager

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Typische Emissionen und Wirkungsgrade

75–8580–90100–12020–50200–2000KesselStückholz

–< 50–9080–15030–150...500–4000Öfen

[%][%][mg/Nm3] bei 13 Vol.-% O2

Schnitzel

Pellet

Brennstoff

80–8585–90100–20050–150100–2000Kessel

–80–90100–12020–75200–2000Öfen

80–8585–90100–15020–75100–1000Kessel

KFNOXStaubCOFeuerung

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Brennstoffpreise

Pellets in Säckenbis 2 t

um 0,5 Fr./kg (5 kWh/kg)

= 10 Rp./kWh

Lose Pellets2 bis 20 t

(0,2)...0,3 – 0,4 Fr./kg

= (4).. 6 – 8 Rp./kWh

Heizöl je nach Menge1‘000 bis 10‘000 l

um 0,6 – 0,45 Fr./l (10 kWh/l)

= 4,5 – 6 Rp./kWh

Verenum

Ringmatrize Flachmatrize

1 – 3 t/h1 – 3 t/h

Verenum

Titelfolie

Anwendung 3: Holzschnitzel

Verenum

Holzschnitzel

Verenum

Unterschubfeuerung 1990

Verenum

Pyros / USF 2000

Verenum

Verbrennungs-Regelung

Einfluss von Lambda auf CO CO ( )

Stückholzfeuerung1-stufige Verbrennung

Stückholzfeuerung2-stufige Verbrennung

Schnitzelfeuerung 2000Pelletfeuerung

Schnitzelfeuerung 1990

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Unterschubfeuerung Rostfeuerungw 10% – 50%, a < 5% w 10% – 55%, a < 50%

20 kW ... 2000 kW 200 kW ... 10 MW

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Rostfeuerungw 10% – 55%, a < 50%

200 kW ... 10 MWSchmid

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Heizzentrale 6.4 MW

Schmid AG, Wilderswil bei Interlaken

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Nahwärmenetz bzw. Fernwärmenetz

Crissier, 2,9 Km

Verenum

Titelfolie

F&E 1: Verbrennungsoptimierung

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Combustion Modeling

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[Bruch & Nussbaumer, 1998]

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Titelfolie

F&E 2: Stickoxide

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Luft- und Brennstoffstufung

= 0.7

NO+NH2N2+H2O

[Keller & Nussbaumer, 1994]

[Salzmann & Nussbaumer, 2001]

Luft- stufung

Brennstoff- stufung

ZweistufigeVerbrennung

Verenum

Resultate mit Luftstufung

[Keller & Nussbaumer, 1994]

N = 2.0%

N = 0.15%

Primärluftzahl

Verenum

Vyncke Brennstoffstufung

[Keller & Nussbaumer, 1994]

Luft- stufung

1

3

2

5

4

[Fastenaekels & Nussbaumer, 2002]

1.5 MW Pilotanlage Vyncke

Verenum

Titelfolie

F&E 3: Partikel

Verenum

Flugasche: Massenverteilung (Anderson)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

>12.217.595.133.472.211.070.640.41<0.41

[Oser et al. 2000]

Aerodynamischer Partikeldurchmesser [µm]

[mg/

Nm

3] (

13%

O2)

[Kaufmann/Nussbaumer 1998]

K, Ca, Na, Cl, S..

KCl, K2SO4, CaCO3

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Partikel in Funktion des Glutbett-Luftüberschusses

0

25

50

75

100

125

150

175

200

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Glutbett-Luftüberschuss [–]

Part

ikel-K

onzentr

ati

on im

Abgas

[mg/N

m^

3]

(13

%O

2)

Std: Buche TL

Glutbetthöhe

PL

SLf SLs

TL

B

Glutbett-Luftüberschuss

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Partikelabscheidung: Elektrofilter

[Jirkowsky et al. 2002] Scheuch GmbH

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Elektrofilter für Kleinfeuerungen im Kamin (F&E)

[Schmatloch & Brenn] EMPA 2004

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Titelfolie

F&E 4: Holzvergasung

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Xylowatt Anlage Bulle 50 kWe/120 kWt

Xylowatt.ch

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Emissionen Vergaser / Feuerung

1212Staub

22053NOX

50 – 500246CO

automatischeHolzfeuerungen

Motor nach Vergaserund Gasreinigung

[mg/mn3]

bei 11% O2

1. Abscheidung Partikel + NH3, Gasvolumen 3–5 x kleiner2. Motorbetrieb bei tiefer Temperatur („Mager“motor)

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Nachteile / Aufbau Referat

+––

• Auslegung• Kostenwahrheit• Förderung / Reduktion CO2

Kosten7

+++

• Holzpellets• Nahwärme• Minergie-Bauweise

EnergiedichtePlatzbedarfBedienung

6

–+–

• Illegale Verbrennung• Information• Kontrollen, Sanktionen

Giftstoffe(Metalle, Salzsäure, Dioxine)

5

++

F&EF&E

• Low-particle Prinzip• Partikelfilter gross (Nahwärme)• Partikelfilter für Kleinanlagen• Holzvergasung

Partikelemissionen(anorganisch)

4

F&EF&E

+

• Luft- und Brennstoffstufung• Holzvergasung• Denox

NOX3

+++

• Zweistufige Verbrennung• Systemintegration• Brennstoff und Betrieb

Unvollständige Verbrennung:CO, KW, Russ

2

++++

• Verbrennungsregelung• Systemintegration• Betrieb und Unterhalt• Qualitätssicherung

Wirkungsgrad1

StandMassnahmen undVerbesserungsansätzeNachteil

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5 SchlussfolgerungenSchlussfolgerungen1. Holzenergie ist sinnvoll da CO2-neutral

2. Emissionen an CO, KW, PAK tief, wenn

a) Feuerung gut (2-stufige Verbrennung u.a.)

b) Brennstoff i.O. (trocken für Öfen, kein Abfall)

c) Betrieb gut (Brennstoff/Luftverh. optimal)

3. Minderung von NOX und anorganischen

PM 10 erfordert weitere Massnahmen

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Vorankündigungen und weitere Infos

4. Kolloquium Klein-Holzfeuerungen26. März 2004, FHBB Muttenz

Anmeldung: Holzenergie Schweiz

www.holzenergie.ch

8. Holzenergie-Symposium15. Oktober 2004, ETH Zürich

Anmeldung: ENET

www.energieforschung.ch

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PD Dr. Thomas NussbaumerVerenumForschung, Entwicklung, BeratungLangmauerstrasse 109CH – 8006 Zürichverenum@smile.ch