Ab Ende des Jahres müssen Besitzer älterer Holzöfen unter Umständen Feinstaub-abscheider nachrüsten. Dr. Hans Hartmann und Peter Turowski vom Technologie- undFörderzentrum (TFZ) stellen die aktuellen Trends bei den Staubabscheidern vor.
Kamine setzen gefährlichen Feinstaub frei.“ Mit Schreckensmeldungen wie diesen sind kleine Holzheizungen in der jüngsten Vergangenheit immer wieder in die Kritik geraten. Der Gesetzgeber will mit der Verschärfung von Grenzwerten die Minderung der Feinstaubemissionen erzwingen. Einzelne Kommunen diskutieren sogar Verbrennungsverbote oder -beschränkungen für bestimmte Holzfeuerungen.
Neue Vorschriften:
Für Einzelraumfeuerungen (d.h. Öfen und Herde) und für Holz-Zentralheizungsanlagen gelten in Deutschland seit März 2010 neue Schadstoffgrenzwerte (die aktuellen Grenzwerte haben wir für Sie unter www.topagrar.com in einem Leserservice zusammengestellt). Bei Holz-Zentralheizungsanlagen ist es heute aber noch unklar, mit welchen Technologien es ab 2015 (bzw. für Scheitholzkessel ab 2017) gelingen soll, die für neu errichtete Anlagen geforderten Grenzwerte der Stufe 2 auch in der Praxis einzuhalten. Die Verwendung von nachgeschalteten oder integrierten Staubabscheidern könnte erforderlich werden. Hierbei sind vor allem Hackschnitzelheizungen betroffen.Die Nachrüstung von älteren Feuerungen ist dagegen nur bedingt erforderlich, denn für sie behalten die jeweiligen Grenzwerte meist noch einige Zeit Gültigkeit. Zum Beispiel gelten die alten Anforderungen bei Anlagen, die zwischen 1995 und 2004 errichtet wurden, noch bis 2019 weiter.
Staubfilter contra Stilllegung:
Die Stilllegung von Kesseln kann vermieden werden, wenn der Nachweis über die Einhaltung der Grenzwerte durch Vorlage einer Prüfbescheinigung des Herstellers erbracht wird, oder wenn eine einmalige Messung des Schornsteinfegers vor Ort den Nachweis erbringt, oder wenn der Ofen mit einem Staubabscheider nachgerüstet wird.Aus diesem Grund arbeitet die Industrie intensiv an technischen Lösungen zur Vermeidung von Feinstaub-emissionen. Das können zum einen Verbesserungen der Kesselkonstruktion, der Verbrennungsregelung oder der Einsatz geeigneter Brennstoffe sein. Zum anderen gibt es als Sekundärmaßnahmen die Staubabscheider, z. B. in Form von Filtern oder anderen Technologien.
Verschiedene Techniken:
Die Staubabscheider wirken auf verschiedene Weise, die jeweils Vor- und Nachteile haben (Übersicht 1). Nicht alle dargestellten Abscheideprinzipien sind auch bei Kleinfeuerungen im Einsatz. Beispielsweise werden Rauchgaswäscher nur bei Anlagen mit größerer Leistung verwendet. Hierbei wird eine Waschflüssigkeit vernebelt. Die im Abgasstrom schwebenden Partikel haften an den Tröpfchen an, die etwa um den Faktor 100 bis 1 000 größer sind als die abzuscheidenden Staubteilchen. Allerdings müssen sie anschließend wieder aufwendig vom Abgasstrom abgetrennt werden.Nasse Abgase können auch entstehen, wenn anstelle eines üblichen Wäschers eine Abgaskondensation vorgenommen wird (Übers. 2). Sie ist als „Brennwertnutzung“ von den Öl- und Gas-Zentralheizungskesseln her bekannt. Hierfür wird aber ein Heizungsrücklauf mit ausreichend niedriger Temperatur, wie z.B. eine Fußbodenheizung mit 30 °C Rücklauf, benötigt. Damit kann das Abgas unter den Taupunkt abgekühlt werden. Die Staubpartikel fließen mit dem Kondensat ab. Die Staubkonzentration im Abgas lässt sich damit um ca. 20 bis 35 % vermindern, was nicht sehr hoch ist. Der eigentliche Nutzen der Abgaskondensation ist schließlich nicht die Staubminderung, sondern die Steigerung des Wirkungsgrades um ca. 10 bis 15 Prozentpunkte.
Brennwertfeuerungen für Holz sind erst seit Kurzem auf dem Markt. Sie werden über das Marktanreizprogramm für erneuerbare Energien gefördert. Wer seine Heizung austauscht, erhält neben dem Bundeszuschuss für die eigentliche Pellet- oder Hackschnitzelfeuerung einen zusätzlichen Innovationsbonus in Höhe von 750 € (in Altgebäuden) bzw. 850 € (in Neubauten). In gleicher Höhe werden auch Staubabscheider gefördert.
Eine weitere Technik sind Fliehkraftabscheider (Zyklone). Sie sind vor allem dann sinnvoll, wenn grobe Aschepartikel durch Bewegung im Glutbett (z. B. Vorschubrost) in das Abgas gelangen. Hierbei wird das Abgas in eine Rotationsbewegung versetzt, sodass die Teilchen zur Außenwand des Zyklons geschleudert werden. Von hier aus sinken sie in den darunter liegenden Staubabscheideraum. Es können aber – je nach Körnung und Staubart – nur Partikel ab etwa zwei Mikrometern Durchmesser abgetrennt werden. Daher ist ein solcher Abscheider bei den feinen Stäuben eines Pellet- oder Scheitholzkessels mit maximal ein Mikrometer kaum wirksam. Zyklone kommen daher fast nur bei größeren, automatisch beschickten Biomasseanlagen zum Einsatz.
Elektrostatische Abscheider:
Das elektrostatische Abscheiderprinzip ist für kleine Holzfeuerungen wegen seiner relativ kostengünstigen Herstellung und des geringen Druckverlustes besonders interessant. Die Abscheidung basiert auf der elektrischen negativen Aufladung von Staubteilchen oder Nebeltröpfchen. Dafür sorgt ein starkes elektrisches Feld, das zwischen der emittierenden negativen Sprüh-elektrode mit einer Hochspannung von 14 000 bis über 30 000 Volt und der geerdeten Niederschlagselektrode gebildet wird. Die negativ aufgeladenen Teilchen werden dann zu der positiv geladenen Niederschlagselektrode transportiert. Das kann beispielsweise die Rohrwand sein. Hier lagern sich die Teilchen an und werden damit aus dem Abgasstrom abgeschieden.Für die Anordnung der Elektroden eines elektrostatischen Abscheiders haben sich zwei grundsätzliche Bauarten bewährt: Rohrabscheider und Plattenabscheider. Bei kleineren Holzheizungen werden meist Rohrabscheider eingesetzt (Übersicht 3).
Diese Staubabscheider lassen sich auf drei verschiedene Weisen anbauen:
- Als Aufsatz auf den Schornstein,
- am Abgasstutzen des Heizkessels,
- im Abgasrohr.
Derzeit gibt es verschiedene elektrostatische Abscheider auf dem Markt. Wir haben einige Produkte in der Übersicht 4 (S. 36) aufgeführt.
Zwei Hersteller bieten Abscheider als Schornsteinaufsatz an. Einer davon besitzt eine aktive Abreinigung des an der Niederschlagselektrode gesammelten Staubes. Aufgrund der Abkühlung der Abgase im Schornstein werden mit diesen Abscheidern zum Teil auch Partikel erfasst, die erst durch Kondensation entstanden sind. Prüfstandsversuche haben nicht immer nur gute Abscheideleistungen nachgewiesen. Dennoch kann man mit Durchschnittswerten zwischen 50 und 80 % Staubabscheidung rechnen.
Bei Zentralheizungskesseln lassen sich einige der Abscheider direkt an einen Abgasstutzen anbauen. Diese Abscheider verfügen durchweg über eine eigene Abreinigung. Das bedeutet: Mithilfe von Vibration, Wassereindüsung oder rotierenden Bürsten werden die Staubpartikel von der Niederschlagselektrode abgereinigt. Prüfstandsversuche zeigten meist gute Abscheideleistungen von teilweise mehr als 80 %, je nach Staubkonzentration und Staubzusammensetzung.
Ebenfalls gebräuchlich sind Elektroabscheider, die in das Rauchrohr eingebaut werden. Hier ersetzt der Abscheider einen Teil des Rauchrohres direkt hinter der Feuerung (vor allem bei Einzelraumfeuerungen). Nachteilig ist, dass der Betreiber oder der Schornsteinfeger den abgeschiedenen Staub von Zeit zu Zeit von Hand mithilfe eines Staubsaugers entfernen muss.
Filternde Abscheider:
Bei den filternden Abscheidern wird zwischen Tiefen- und Oberflächenfiltern unterschieden. Bei sehr kleinen Feuerungsleistungen (für Kamin- und Kachelöfen) kommen als Tiefenfilter im Feuerraum eingebaute Schaumkeramikfilter zum Einsatz. Die Reinigung erfolgt thermisch durch Ausbrennen oder durch Ausbau und manuelles Reinigen.Herkömmliche Gewebefilter (Oberflächenfilter) sind dagegen wegen möglicher Taupunktunterschreitung und dem Anfall kondensierter organischer Partikel in häuslichen Holzfeuerungen problematisch. Denn hier besteht die Gefahr der Verklebung. Mit Metallgewebefiltern mit einer internen elektrischen Beheizung der Filterpatrone können die Probleme gemindert werden. Oder die Filter werden während der Kaltstartphase einer Feuerung erst noch im Bypass betrieben, das heißt, sie werden erst dann durchströmt, wenn die Abgase bereits ausreichend warm und trocken sind.
Die Abreinigung erfolgt hier mittels Druckluftstößen. Wegen des relativ hohen Druckabfalls über den Filter ist aber eine deutlich höhere Leistung des Saugzuggebläses erforderlich. Derartige Filter kommen daher bislang erst ab einer Leistung von ca. 100 kW und meist in automatisch beschickten Holzfeuerungen zum Einsatz. Sie erfordern Mehrinvestitionen von ca. 20 000 €.
Katalysatoren mindern Staub:
Katalysatoren können – ebenso wie Abgaskondensationseinrichtungen – nicht als Staubabscheider im engeren Sinn bezeichnet werden. Sie sollen stattdessen hauptsächlich das im Abgas vorhandene Kohlenmonoxid und verschiedene Kohlenwasserstoffe zu unschädlichen Substanzen wie Kohlendioxid und Wasser weiter aufoxidieren, damit diese nicht als Schadstoff freigesetzt werden.Dies geschieht wie bei den Katalysatoren der Fahrzeuge an mit speziellen Edelmetallen beschichteten Oberflächen. Das kann z.B. Platin sein. Um möglichst große Oberflächen erzeugen zu können, werden verschiedene metallische oder keramische Trägerstrukturen eingesetzt. Dennoch können auch sie die Staubemissionen mindern. Das liegt daran, dass gasförmige organische Stoffe wie Kohlenwasserstoffe teilweise eliminiert werden und so bei der anschließenden Abkühlung im Schornstein nicht mehr kondensieren und als Teer-Partikel freigesetzt werden können. Die Staubminderung hängt somit unter anderem von der Ausbrandgüte der Abgase ab. Weil hierbei vor allem die kleinen Scheitholz-öfen problematisch sind, liegt hier auch der Haupteinsatzbereich der Katalysatoren. Bei deren Entwicklung wird mit Metallspänen oder mit platinveredelter Schüttgutkeramik gearbeitet.
Kosten für Abscheider:
Bis heute wurden in Deutschland für Kleinanlagen zwei nachrüstbare Elektroabscheider zugelassen. Einer dieser Abscheider ist für den Schornsteinaufbau konzipiert. Hier ist mit Anschaffungskosten in Höhe von mindestens 1 900 € zu rechnen, zuzüglich ca. 300 € für Einbau und Elektroanschluss. Damit lassen sich Kessel bis ca. 25 kW nachrüsten.Der zweite zugelassene Abscheider ist für den Rauchrohreinbau konzipiert, er kommt auf ähnliche Anschaffungskosten. Bei allen Abscheidern ist außerdem mit Kosten für Reinigung, Wartung und den elektrischen Strom zu rechnen. Letzterer fällt bei Öfen jedoch mit ca. 10 bis 25 €/Jahr kaum ins Gewicht.
Die Anschaffungskosten für einen als Kesselanbautyp zugelassenen Elektroabscheider liegen zurzeit bei mindestens 9 300 € (z. B. für Feuerungsleistung von maximal 50 kW). Hinzu kommen weitere Kosten für den Einbau sowie ggf. den Wasser- und Abwasser-anschluss für die Spülung sowie den Stromanschluss.
Integrierte Systeme werden nur zusammen mit dem Ofen angeboten. Die Mehrkosten liegen bei wenigen hundert Euro. Hinzu kommen die Kosten für regelmäßig auszutauschende Teile, beispielsweise wird die Schüttschichtkassette des Katalysators alle zwei Jahre gewechselt (maximal 100 €).
Markt entwickelt sich:
Noch steht die breite Anwendung von Staubabscheidern für kleine Holzfeuerungen nicht bevor. Verschiedene Hersteller und Entwickler arbeiten aber an entsprechenden Produkten. Es ist ungewiss, welche dieser Systeme in nennenswertem Umfang eingesetzt werden. Weder die technische Lebensdauer noch die Langzeitwirkung und die Wartungs- und Betriebskosten lassen sich zurzeit sicher abschätzen. Außerdem sind die ermittelten Messergebnisse zur Abscheideleistung sehr widersprüchlich, sodass eine Einschätzung zur Alltagstauglichkeit noch schwierig ist. Zudem gibt es noch keine einheitliche Prüfvorschrift für die Bestimmung der Abscheideleistung, hier wird noch an einer Norm gearbeitet. Auch bei der Entsorgung bzw. Einleitung von eventuell anfallendem Waschwasser oder Kondensat gibt es noch Unsicherheit.Die Vielfalt der hier gezeigten technologischen Entwicklungen zeigt aber, dass sich Feuerungshersteller nicht allein auf primäre Verbesserungen der eigentlichen Verbrennungstechniken verlassen müssen, um die anspruchsvollen zukünftigen Emissionsanforderungen einzuhalten. In jedem Fall ist aber bei neu errichteten Anlagen zukünftig mit Mehrkosten für die Einhaltung der Abgasgrenzwerte zu rechnen. Bei alten Anlagen ist die Notwendigkeit der Nachrüstung derzeit nur in Ausnahmefällen gegeben.
