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EUROPEAN INSTITUTE FOR ENERGY RESEARCH EUROPEAN INSTITUTE FOR ENERGY RESEARCH
EUROPÄISCHES INSTITUT FÜR ENERGIEFORSCHUNGINSTITUT EUROPEEN DE RECHERCHE SUR L'ENERGIEEUROPEAN INSTITUTE FOR ENERGY RESEARCH
Verbrennungstechnik in Biomasse- Feuerungen bis 50 kW
Workshop – Kurzumtrieb, Miscanthus
C. Schraube, LTZ Forchheim, 23.02.2010
2Europäisches Institut f. Energieforschung
EIFER: Deutsch – Französisches Forschungsinstitut am KIT
ThemenEnergie und UmweltökonomieRegionale nachhaltige EnergieversorgungEnergie im urbanen KontextDezentrale EnergieversorgungErneuerbare EnergienBrennstoffzellen & Wasserstoff
Arbeitsgruppe “Dezentrale Energieversorgung”Innovative HeizungstechnikBiomassefeuerungenKraft-Wärme-Kopplung / µBHKWFeldversucheLaborversuche auf eigenen Testständen
3Aktuelle Forschungsprojekte
Langzeitmessungen in 9 Pellet-Kesselanlagen in Privathäusern (Dauer 2 Jahre) in der Region Oberrhein
Monitoring von Feinstaubfiltern für kleine Biomassefeuerungen (mit DBFZ – Deutsches Biomasse Forschungszentrum in Leipzig)
Modellierung von Biomassefeuerungen
4Überblick
1. Brennstoffe
2. Grundlagen der Biomasseverbrennung
3. Feuerungstechnik
4. Brennstoffspezifische Betriebsprobleme
5. Emissionsproblematik
6. Brennstofflagerung
7. Einbindung in Heizsysteme
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HolzartigeScheitholzHolzbrikettsHolzhackschnitzelRindeHolzpellets
Reststoffe Industrierestholz
z.B. Sägespäne für HolzpelletsLandschaftspflegematerial
z.B. Grünschnitt, Straßenbegleitgrünhäufig als Zumischung zu Hackschnitzeln
Altholzverschiedene Klassen (A1-A4)
Brennstoffe - Klassifizierung
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Agrarbrennstoffe
Halmgutartige Reststoffe:z.B. Pellets oder –briketts aus Stroh
Halmgutartige Energiepflanzen:z.B. Pellets aus Miscanthus
Holzartige Energiepflanzen:z.B. Holzhackschnitzel ausKurzumtriebsplantagen
Getreidez.B. Mindergetreide
Sonstige Erntereststoffez.B. Trester, Olivenkerne…
Brennstoffe - Klassifizierung
7Brennstoffe- Eigenschaften
Verbrennungsrelevante EigenschaftenStückigkeit / Korngröße BrennstoffzufuhrWassergehalt / Heizwert BrennstoffbedarfEnergiedichte LagerkapazitätenAschegehalt EntaschungAscheschmelzverhalten Verschlackung / VersinterungChlorgehalt Korrosion
Normierung von BiobrennstoffenEN – Normenentwürfe bzw. Vornormen existieren seit 2005Endgültige Fassungen sind in Arbeit
Zertifizierung von BiobrennstoffenDIN-plus Zertifizierung (für Holzpellets) wird in naher Zukunft von EN-plus abgelöstEN-plus umfasst die gesamte Bereitstellungskette:Herstellung – Transport – Lagerung – Lieferung
8Brennstoffe - Preise
Typische Brennstoffpreise und Entwicklung
9Grundlagen der Biomasseverbrennung
VerbrennungsphasenTrocknungPyrolyseKohlenstoffausbrand
LuftstufungPrimärverbrennung(unterstöchiometrisch bei Luftmangel)Sekundärverbrennung(überstöchiometrisch bei Luftüberschuss)TTT – Regel:Turbulence Vermischung mit LuftTemperature > 800°CTime >1 Sekunde
10Vebrennungstechnik
Handbeschickte Feuerungen (Scheitholz & Briketts)Offener Kamin & Kamineinsatz 2 – 15 kW
Scheitholz Kamin- / Zimmeröfen 3 – 10 kWKachelöfen 5 – 15 kWKüchenherde 5 – 20 kWauch in Kombination mit einer Wassertasche / Zentralheizung
Scheitholz Zentralheizungskessel 10 – 100 kW
Automatisch beschickte FeuerungenPellet – Kaminöfen 3 – 10 kWauch in Kombination mit einer Wassertasche / ZentralheizungZentralheizungskessel 8 – 1000 kWfür Pellets, Hackschnitzel, Stroh, Getreide auch in Kombination mit Scheitholz
11Kesselbauformen - Größe
Leistungsklassen für Heizungskessel8 – 20 kW > Einfamilienhäuser20 – 150 kW > Mehrfamilienhäuser, Kleinbetriebe> 150 kW kleine Wärmenetze, Apartmenthäuser, öffentliche Gebäude, mittelgroße Betriebe
Kessel für automatische BeschickungBauform hängt ab von Brennstoff und LeistungBeziehung zwischen Kesselgröße und Brennstoff• Kleine Feuerung:
homogener, konstanter, hochwertiger Brennstoff• Große Feuerung:
toleranter gegenüber niedriger und schwankender BrennstoffqualitätBeziehung Wartungsaufwand und Brennstoff• homogener, konstanter, hochwertiger Brennstoff
niedriger Wartungsaufwand• Niedrige und schwankende Brennstoffqualitäten
hoher Wartungsaufwand
12Kesselbauformen - Brennraum
Quelle: www.tfz.bayern.de
AbwurffeuerungenPelletsöfen und –kesselGut dosierbar auch bei kleinen LeistungenGeringe RückbrandgefahrEinfache Konstruktion
13Kesselbauformen - Brennraum
UnterschubfeuerungGeeignet für:homogenen, feinkörnigen Brennstoff mit niedrigem Aschegehalt(Pellets, Späne, Hackgut von hoher Qualität)
Quelle: www.paradigma.de
14Kesselbauformen - Brennraum
QuereinschubfeuerungenFür verschiedene BrennstoffeSchubroste für aschereiche BrennstoffeGekühlte Schubböden für ProblembrennstoffeVerschiedene Bauformen je nach Wassergehalt des Brennstoffeszur Einstellung der optimalen Verbrennungstemperaturen
Quelle: www.tfz.bayern.de Quelle: www.reka.com
15Kesselbauformen - Regelung
Sicherheitsrelevante ÜberwachungenUnterdrucküberwachung im Brennraum verhindert den Austritt von RauchgasenTemperaturüberwachung im Kessel verhindert Überhitzung des HeizwassersTemperaturüberwachung in der Brennstoffzufuhr löst Rückbrandsicherung aus
Regelung der Leistung und BrennstoffzufuhrÜber KesseltemperaturÜber Feuerraumtemperatur
Regelung der LuftzufuhrÜber CO – SensorÜber Sauerstoff – Sensor (Lambda-Sonde)
16Brennstoffbezogene Betriebsprobleme
Brennstoffansammlungen im BrennraumInhomogenes BrennmaterialZu feines BrennmaterialZu feuchtes BrennmaterialZu hoher Aschegehalt
typisch für Grünschnitt, hohen RindenanteilSchlackebildung im Brennraum
Zu hohe Temperaturen über dem RostZu trockenes Brennmaterial
KesselversinterungZu niedriger Ascheschmelzpunkt des Brennstoffes
typisch für Strohfeuerungenfrüher ein häufiges Problem bei Pellets
Zu hohe Temperaturen in der SekundärverbrennungszoneZu trockenes Brennmaterial
KesselkorrosionHoher Chlorgehalt im Brennstoff
typisch für Strohfeuerungen
17Emissionsproblematik – Gesetzliche Regelungen
Neue 1. Bundes – Immissionsschutzverordnung (BImSchV)
Neuerungen (in Kraft ab 22.03.2010)• Messpflicht durch den Schornsteinfeger auch für Kessel und Öfen < 15 kW• Schärfere Grenzwerte für CO und Feinstaub – Emissionen
werden in 2 Stufen eingeführt (ab 2010 und 2015)• Übergangsregelungen für Altanlagen• Getreide als Regelbrennstoff (mit Einschränkungen)• Grenzwerte abhängig von Anlagengröße, Feuerungstyp und Brennstoff
Grenzwerte - Beispiel: Strohgefeuerte Kesselanlage 50 kW
Staub [mg/m³] CO [g/m³]
1. BImSchV alt 150 4
1. BImSchV neu – 1. Stufe 2010 100 1
1. BImSchV neu – 2. Stufe 2015 20 0,4
18Emissionsproblematik – Feinstaub
FeinstaubproblematikBiomassekleinfeuerungen haben relevante Feinstaubemissionenim Bereich sehr feiner Partikel (PM1: Partikelgröße < 1µm)Feinstaubgehalt des Rauchgases hängt vonFeuerung, Brennstoff und Betriebsweise abHalmgut weist besonders hohe Emissionen an Feinstaub aufFilteranlage zur Einhaltung der neuen Grenzwerte nötig
Messungen, durchgeführt am DBFZ – Leipzig in 2009im Rahmen des gemeinsamen Projektes Filtermonitoring3 Feuerungen, 5 BrennstoffeFeinstaubgehalt im ungefilterten Rauchgas:
Feuerung Brennstoff Durchschn. Staubemmission [mg/m³]
Pelletskessel 20 kW DIN-plus Holzpellets 19
Kaminofen (Qualitätsprodukt) Buchenscheite ohne Rinde 47
Multi-Fuel-Kessel 30 kW Getreide (Roggen) 141
Holz-Stroh Mischpellets 117
Strohpellets 378
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Verfügbarkeit von FilternFilteranlagen für größere Kessel > 250 kW sind am Markt erhältlichFilteranlagen für Kleinfeuerungen < 50 kW sind nicht verbreitetAngebot an Filtern für Kleinfeuerungen wird sich vergrößern
Filtertechniken für kleine Anlagen (< 50 kW)Elektrofilter
Keramische und katalytische Filter
Gewebefilter
Abgaswäscher und -kondensatoren
Emissionsproblematik – Feinstaubfilter
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Energiedichte / Heizwerte / LagervolumenGroßes ungedämmtes Einfamilienhaus, Altbau, Jahresenergiebedarf 50 MWhLagervolumen für 1 Jahr
Brennstofflager - Größe
Wassergehalt [% Frischsubstanz]
Heizwert [MWh/t]
Energiedichte [MWh/m³]
Lagervolumen[m³]
Holzpellets 10% 4,6 2,7 18
Hackschnitzel W30 30% 3,4 0,8 59
Hackschnitzel W50 50% 2,2 0,8 64
Strohballen gepresst 15% 4,0 0,5 103
Heizöl EL - 11,9 9,9 5
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PelletsTrocken, belüftet, Pellets werden eingeblasen
Brennstofflager - Bauformen
HackschnitzelUnter Dach, gut belüftet, gut zugänglich, Hackschnitzel werden meistens abgekippt
Quelle: Biotech (www.pelletsworld.com)
Quelle: www.hargassner.at
22Einbindung in Heizungssysteme
Zusätzliche KomponentenPumpen, Ventile, SicherheitseinrichtungenPufferspeicher, Warmwasserspeicher oder KombispeicherKombination mit Solarthermie
Hydraulische Einbindung
