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Im Fraunhofer IBP finden die Tests des neuen LEVS-Kessels statt.
© Dr. M. Aleysa/Fraunhofer IBP
Holz schadstoffarm verbrennen
03.08.2017

Schema des Heizkessels mit Drei-Gebläse-System für Verbrennungsluftzuführung und Abgasförderung, Zyklonbrennkammer und Einbautechnik zur Nachbehandlung.
© Fraunhofer IBP

Neuer Heizkessel spart Abgasnachbehandlung

Ein neues Verbrennungssystem für Heizkessel ermöglicht eine effizientere Verbrennung und reduziert zugleich die staub- und gasförmige Emissionen. Dies reicht soweit, dass auch künftig geltende Grenzwerte ohne weitere Nachbehandlung eingehalten werden. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP entwickelten und erprobten den neuen Vergaserkessel gemeinsam mit dem Heizanlagenhersteller HDG Bavaria.

Das neu entwickelte Verbrennungssystem für Vergaserkessel ermöglicht es, kleinere Biomasse-Heizanlagen so optimal zu betreiben, dass Scheitholz, Pellets oder Holzhackschnitzel in allen Betriebsphasen stabil und emissionsarm verbrennen. Mit dem Low-Emission-Verbrennungssystem (LEVS) können nun – ohne nachgeschaltete Systeme zur Abgasbehandlung – die zukünftigen emissionstechnischen Anforderungen sowohl der 1. Bundesimmissionsschutzverordnung (1. BImSchV) als auch der künftigen Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG eingehalten werden. Ebenso steigt die Verbrennungseffizienz dieser Anlagen.

Emissionsarme, effizientere Verbrennung

Projektleiter Dr. Mohammad Aleysa vom Fraunhofer IBP beschreibt die Funktionsweise des neuen Systems: „Im Gegensatz zu den marktüblichen Kesseln arbeitet das LEVS mit intelligenten Reglern: Innerhalb von Millisekunden passen sich die Gebläse der Verbrennungsluftzufuhr an und gewährleisten eine gleichmäßige Verbrennung. Das bewirkt letztendlich die Emissionsminderung – und funktioniert ganz ohne Sekundärmaßnahmen.“

Für das LEVS kombinieren die Entwickler von Fraunhofer IBP und HDG Bavaria drei neue Komponenten, durch die es sich von herkömmlichen Vergaserkesseln unterscheidet:

  • Zufuhr der Verbrennungsluft sowie Abfuhr des Abgases werden durch ein Drei-Gebläse-System jeweils getrennt geregelt, anders als bei den herkömmlichen Geräten.
  • Die Zyklonbrennkammer dient zugleich als Feinstaubabscheider.
  • Als Nachbehandlungsstufe erzielt die sogenannte Einbautechnik durch ein thermisches Oxidationsverfahren hohe Abscheide- und Reduktionsleistungen.

Der Vergaserkessel mit dem Drei-Gebläse-System lässt sich mit den herkömmlichen Sensoren (Lambdasonde, Temperaturfühler und Druckmesssensor) regeln. Die Regelung kann außerdem mit der konventionellen Soft- und Hardwaretechnik programmiert und betrieben werden. Eine intelligente Regelung ermöglicht es, unterschiedliche Brennstoffe mit variablen verbrennungstechnischen Eigenschaften einzusetzen.

In allen Betriebsphasen emissionsarm

Das LEVS gewährleistet sowohl eine hohe Verbrennungseffizienz als auch eine stabile, emissionsarme Verbrennung in allen Betriebsphasen beim Einsatz unterschiedlicher Festbrennstoffe. Bei den Testläufen zeigte sich, dass mit dem Einsatz von integrierten und Primärmaßnahmen die Grenzwerte der 1. BImSchV im Dauerpraxisbetrieb eingehalten werden. Bei Feinstaub und Kohlenmonoxid liegen die Werte zum Teil sehr deutlich darunter.

Mit der LEVS-Technik lassen sich problematische Betriebsphasen, wie Anfahrbetrieb, stark verkürzen: Während diese Phase bei marktüblichen Kesseln ein Drittel der Abbrandzeit umfasst, reduziert sie sich hier konstant auf ein bis zwei Prozent. Im Ergebnis entstehen unabhängig vom eingesetzten Brennstoff minimale Konzentrationen an Kohlenstoffmonoxid von kleiner als 20 mg/Vm3, an Gesamtkohlenwasserstoffe (gemessen als Propan CnHm) von kleiner als 2 mg/Vm3 und an Staub von kleiner als 5 mg/Vm3 über einer Abbrandzeit von mehr als 95 Prozent.

Das Niedrig-Emissions-Heizsystem weiterentwickeln

Die Partner testeten den Vergaserkessel mit einem dreistufigen Verbrennungssystem. Dabei untersuchten sie die staub- und gasförmigen Schadstoffemissionen sowie die Stabilität und Effizienz der Verbrennung beim Einsatz verschiedener biogener Brennstoffe unter praxisnahen Betriebszuständen und unter Prüfbedingungen gemäß der Prüf-Norm DIN EN 303-5. Die HDG Bavaria GmbH plant, die neue Verbrennungstechnik sukzessive einzusetzen.

Die Entwickler beabsichtigen, die LEVS-Technik in einem Folgeprojekt weiter zu entwickeln und zu testen, zum Beispiel für automatisch beschickte Heizkessel für Holzhackschnitzel. Außerdem soll die Technik für die Verbrennung von problematischen Brennstoffen wie z. B. Agrar- und Restbrennstoffe oder Abfälle angepasst werden.

Das Projekt wurde im Programm „Energetische Biomassenutzung“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

Kleinfeuerungsanlagen und Feinstaub-Problematik

In Deutschland sind derzeit etwa 700.000 biomassebetriebene Heizkessel, meist mit Scheithölzern, Pellets oder Holzhackschnitzeln, in Betrieb. Da marktübliche Heizkessel unvollständig und ungleichmäßig verbrennen, emittieren häusliche Kleinfeuerungsanlagen (KFA), vor allem Einzelraumfeuerungsanlagen, beachtliche Mengen Feinstaub und Schadstoffe wie CO, VOCs und PAKs. Die Abgasbehandlung in KFA durch Sekundärmaßnahmen ist aufgrund unvollständiger Verbrennung immer schwierig sowie technisch und wirtschaftlich aufwendig. Deshalb erscheint es günstiger, Schadstoffemissionen durch Verbesserung der Feuerungstechnik bzw. durch Primärmaßnahmen zu senken.

(gh)

Merkzettel

Adressen

Projektleitung, Konstruktion Prototyp
Fraunhofer IBP

Prototyp Herstellung und Erprobung
HDG Bavaria GmbH

Links

Abschlussbericht
LEVS – Low-Emission-Verbrennungssystem für die Verbrennung von festen Brennstoffen in Vergaserkesseln

Energetische Biomassenutzung
Webseite des BMWi-Förderprogramms

Projektsteckbrief
Zusammenfassung des Projekts auf der Seite Energetische Biomassenutzung

Infotipps

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Forschungsförderung

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