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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Eine Hochspannungselektrode lädt den Feinstaub im Rauchgas elektrisch auf. Die geladenen Partikel können dann elektrostatisch abgeschieden werden.
© CCA – Carola Clean Air GmbH
Feinstaub elektrostatisch abscheiden
Projektinfo 06/2016

Staubgehalt im Abgas bei wiederkehrenden Schornsteinfegermessungen an 94 Hackschnitzelkesseln
© HDG Bavaria

Aufbau der Rauchgasreinigung
© CCA – Carola Clean Air GmbH
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Sauber heizen mit Holz

Trotz großer Fortschritte der Verbrennungstechnik entstehen bei der Holzverbrennung gesundheitsschädliche Feinstäube. Elektrostatische Feinstaubabscheider filtern bis zu 90 Prozent der Partikel-Emissionen von Biomassekessel. Holzfeuerungen können dadurch ein breiteres Brennstoff-sortiment nutzen und dennoch die verschärften Anforderungen der 1. Bundesimmissionsschutzverordnung erfüllen. Der große Vorteil: Sowohl neue Heizungen als auch Altanlagen können vom neuen System profitieren.

Heizen mit Scheitholz, Holzbriketts, Holzhackschnitzel oder Pellets wird immer beliebter. Beweggründe der Nutzer sind neben den Brennstoffkosten vor allem Umweltaspekte: Wenn der Brennstoff aus nachhaltiger Holzwirtschaft stammt und ohne lange Transportwege verfügbar ist, verursacht er in der Bilanz nur einen Bruchteil der Kohlendioxid-Emissionen vergleichbarer Gas- oder Ölfeuerungen.

Gleichzeitig sind Holzheizungen aber auch Emissionsquellen für gesundheitsschädliche Feinstäube. In der Winterzeit übertreffen ihre Partikel-Emissionen oftmals die des Autoverkehrs. Deshalb legt die 1. Bundesimmissionsschutzverordnung (1. BImSchV) seit 2015 strengere Grenzwerte für die Emissionen von Partikeln und Kohlenmonoxid aus biomassegefeuerten Kesselanlagen fest. In einem Forschungsprojekt haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gemeinsam mit der HDG-Bavaria GmbH und der CCA-Carola-Clean Air einen elektro­statischen Filter entwickelt, der die Staub-Emission sicher unter die neuen Grenzwerte senkt.

„Wir hatten exemplarisch bei 94 Holzhackschnitzel-Feuerungen die Messprotokolle der Schornsteinfeger ausgewertet.“ erläutert Dr. Hanns-Rudolf Paur, der Leiter des Forschungsprojektes, die Ausgangslage. „Fast alle Anlagen unterschritten die damals erlaubten Grenzwerte. Aber nur 10 Prozent der Anlagen hätten die heute gültigen Anforderungen erfüllt.“ Je nach Baujahr sieht die zweite Stufe der 1. BImSchV für biomassegefeuerte Kesselanlagen mit Leistungen zwischen 4 bis 1.000 kW unterschiedliche Übergangsfristen vor. Schon jetzt besteht ein großer Bedarf für die Rauchgasreinigung. Derzeit werden nach Angaben der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe in Deutschland etwa 850.000 holzbefeuerte Kesselanlagen betrieben. Im Prinzip können Partikel-Emissionen bei der Holzverbrennung durch Optimierung der Feuerung, der Brennstoffqualität und durch Nachverbrennung kohlenstoffhaltiger Stäube minimiert werden. In der Praxis begrenzen wechselnde Brennstoffzusammensetzungen den Erfolg dieser Maßnahmen. Für viele Hackschnitzel- und Scheitholzkessel wird der Einbau von Partikel-Abscheidern erforderlich, die Abscheidegrade von 70 bis 90 Prozent aufweisen. Moderne Filtertechnologie ermöglicht es, ein breiteres Brennstoffsortiment zu nutzen. Sie wird eine erhebliche Rolle spielen, wenn mit der Energiewende auch die thermische Biomassenutzung an Bedeutung gewinnt.

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Partikel elektrisch laden und abscheiden

Der Abscheider wird direkt zwischen Heizkessel und Schornstein in den Rauchgasweg installiert. Er besteht aus einer Ionisationskammer und einer Abscheidekammer, die das Rauchgas nacheinander durchströmt. In der Ionisationskammer sorgt eine Korona-Entladung an einer Hochspannungselektrode  dafür, dass die Partikel im Rauchgas elektrisch aufgeladen werden. Anschließend gelangt das Rauchgas in die rohrförmige Abscheidekammer und strömt entlang einer spiralförmigen, geerdeten Stahlbürste. Die Teilchen entladen sich an den Borsten und scheiden darauf ab. Das derart gereinigte Rauchgas strömt weiter in den Kamin.

Die Stahlbürste rotiert in periodischen Abständen über eine Abstreifkante und reinigt dabei die Wände der Kollektorkammer sowie ihre Borsten. Der Staub fällt in einen Aschekasten. Die Leerung des Aschekastens ist nahezu die einzige Wartungsarbeit. In der trockenen Reinigung sieht Paur besondere Vorteile: „Damit haben wir einen geringeren Installationsaufwand und es fallen nur trockene Stäube an. Wir benötigen keine behördliche Genehmigung, um rußhaltiges Reinigungswasser zu entsorgen.“ Dank der regelmäßigen Reinigung der Elek­troden bleibt die Effizienz auch unter schwierigen Verbrennungsbedingungen erhalten.

Der Filter kann bei entsprechender Kaminauslegung ohne Gebläse betrieben werden. Das Konstruktionsprinzip erlaubt es, den Abscheider dem Kessel nachzuschalten oder direkt in den Kessel zu integrieren. Da keine zusätzlichen Öffnungen im Abscheider erforderlich sind, ist der Austritt von giftigen Abgasen in das Gebäude konstruktiv bedingt unmöglich.

Der Stromverbrauch für die Korona-Entladung und den Antrieb der automatischen Bürstenreinigung beträgt abhängig von der Baugröße zwischen 40 und 100 Watt.

Auf dem Prüfstand

Der elektrostatische Feinstpartikel-Abscheider wurde an Prüfständen und in Feldversuchen über einen Zeitraum von über 30.000 Stunden betrieben. Für die Standzeit-Untersuchungen und zur Qualitätskontrolle betreiben die Forscher auf dem Gelände des KIT einen Teststand mit einem 100-kW-Hackschnitzelkessel. Er liefert bei Volllast ein Rauchgasvolumen von 350 m³ pro Stunde. Es wird mit einer Temperatur von 150 bis 200 °C in die, nach der Richtlinie VDI2066 ausgelegte, Messstrecke eingespeist. Dort können bis zu drei Abscheider parallel getestet werden. Partikel- und Gasmessgeräte sowie Temperatur- und Druckfühler liefern Messwerte aus dem Rauchgasstrom vor und hinter dem Abscheider.

„Durch die Kombination der optimalen Verbrennungstechnologie unserer Kessel mit dem Abscheider werden die Grenzwerte der 1. Bundesimmissionsschutzverordnung auch bei wechselnden Brennstoffqualitäten sicher eingehalten“ betont Martin Ecker, Geschäftsführer der HDG Bavaria GmbH.

In zahlreichen Auslegungsversuchen optimierten die Forscher die mechanischen und elektrischen Schnittstellen, um den Abscheider mit konstruktiven Anpassungen vor allem kosteneffizient mit dem Kessel zu verbinden. Die optimale Bauweise wurde anhand mehrerer Prototypen von verschiedenen Kessel-Abscheider-Kombinationen identifiziert.

Merkzettel

Adressen

Projektleitung
KIT-ITC

Biomassekesselhersteller
HDG Bavaria GmbH

Entwicklung der Partikelabscheider
CCA GmbH

Service

BINE-Projektinfo 06/2016
(PDF, 4 Seiten, 779 kB)

Infotipps

Aluminiumfolie entfetten mit Koronabehandlung
BINE-Projektinfo 04/2013

Links

Projektsteckbrief
Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ)

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.