Heizungen für Scheitholz, Hackschnitzel oder Pellets unterscheiden sich in Komfort und Emissionen. Den Stand der Technik und die Perspektiven erklären Peter Turowski und Dr. Hans Hartmann vom Technologie- und Förderzentrum in Straubing.
Wer sich heute für eine Holzheizung interessiert, kann zwischen Systemen für Scheitholz, Hackschnitzel oder Holzpellets wählen. Die beliebteste Form beim Brennstoff Holz ist das Scheitholz. Über 80 % des Holzes, das heute in Kleinfeuerungsanlagen verbrannt wird, macht Scheitholz aus dem Wald, dem Garten und aus der Landschaftspflege aus, zeigt die Erhebung „Energieholzverwendung in Privathaushalten“ der Universität Hamburg. Scheitholz ist in Kaminen oder Zimmeröfen genauso im Einsatz wie in Holzzentralheizungskesseln.
Weitere knapp 3 % bilden Holzbriketts, die aus Sägerestmaterial gepresst werden und nahezu ausschließlich in Einzelfeuerstätten eingesetzt werden. Hackschnitzel und Holzpellets dagegen haben erst einen Anteil von jeweils rund 1 %.
Die einzelnen Brennstoffe haben unterschiedliche Vorteile. Während Landwirte Scheitholz mit verhältnismäßig geringem technischen Aufwand selbst herstellen können, lassen sich Hackschnitzel und Holzpellets automatisch in den Brennraum befördern. Daher liegt der bei Nennwärmeleistung gemessene Wirkungsgrad dieser Heizsysteme durchweg bei über 90 %, während Typenprüfungen bei gängigen Scheitholzkesseln derzeit noch mittlere Wirkungsgrade von 88 % ergeben.
Scheitholzkessel sind am günstigsten
Allerdings sind auch die Investitionskosten bei Heizsystemen mit automatischer Brennstoffzufuhr höher. Ein Beispiel: Bei einer Hackschnitzelheizung mit 35 kW muss man einschließlich Regelung, Pufferspeicher, Brennstoffzuführung und sonstiger Peripherie knapp 26 000 € rechnen, bei einem gleichgroßen Pelletkessel 25 300 €. Eine vergleichbare Scheitholzkessel-Anlage mit 35 kW dagegen kostet nur 16 800 €.
Unterschiede bei dem Heizsystem ergeben sich aber auch bei den Emissionen. Um die Ausbrandqualitäten einer Feuerung bewerten zu können, gibt der Kohlenmonoxidgehalt (CO) im Abgas Auskunft. Je höher der CO-Gehalt, desto unvollständiger ist die Verbrennung. Das Technologie- und Förderzentrum in Straubing hat dazu verschiedene Holzfeuerungen praxisgerecht unter die Lupe genommen. Die geringsten CO-Emissionen zeigte mit 23 mg pro m3 Abgas ein Pelletkessel. Ein Hackgutkessel kam auf 133 mg, ein Scheitholzkessel auf 297 mg und ein Kachelofeneinsatz auf 1 638 mg. Ein Kaminofen lag mit 2 815 mg/m3 an der Spitze der Kohlenmonoxid-Emissionen.
Die Ergebnisse zeigen: Gerade die Kessel mit automatischer Brennstoffzufuhr (Hackschnitzel und Pellets) schneiden hier besonders gut ab. Denn die kontinuierliche Betriebsweise sowie eine optimale Luftzugabe ermöglichen einen sehr guten Ausbrand. Aber auch moderne Scheitholzkessel stoßen nur wenig unverbrannte Bestandteile mit dem Abgas aus. Grund dafür ist auch hier die automatische Verbrennungsluftregelung.
Bei den Öfen führen die geringe Brennraumgröße und damit die geringen Verweilzeiten der Brenngase dazu, dass der Abbrand unvollständig ist. Auch können die großen Sichtscheiben eine geringere Brennraumtemperatur und damit einen unvollständigen Abbrand bewirken.
Zwar haben alle Feuerungen die derzeit geltenden Werte der 1. Bundes-Immissionsschutzverordnung (1. BImSchV) unterschritten, die bei 4 000 mg/m3 liegen.
Da die 1. BImSchV zur Zeit novelliert wird, sind künftig strengere Grenzwerte zu erwarten. Gerade die Hersteller von Öfen müssen ihre Feuerungstechnik in punkto Ausbrand optimieren.
Auch bei den Staubemissionen schneidet der Pelletkessel mit nur 20 mg pro m3 Abgas am besten ab, gefolgt von dem Scheitholzkessel (26 mg) und dem Hackgutkessel (34 mg). Doch auch der Kachelofenheizeinsatz (58 mg) und der Kaminofen (72 mg) bleiben deutlich unter dem derzeitigen Grenzwert von 150 mg/m3, den die derzeit noch gültige 1. BImSchV vorgibt – ein Zeichen für das inzwischen erreichte hohe Niveau der Holzheizungen in Deutschland. Allerdings sind auch für die Staubwerte künftig in der neuen 1. BImSchV schärfere Grenzwerte vorgesehen.
Durchbrand ist uneffektiv
Bei Scheitholzfeuerungen sind die technischen Verbesserungen insbesondere auf folgende Entwicklungen zurückzuführen:
Einführung des Verbrennungsprinzips mit unterem Abbrand,
Vermeidung von Wärmeverlusten im Brennraum,
Entwicklung mikroelektronisch geregelter Verbrennungsluftzuführung bei gleichzeitigem Gebläseeinsatz.
Das bei Kaminen, Kaminöfen oder Küchenherden am häufigsten vorzufindende Feuerungssystem ist der „Durchbrand“. Bei diesem Prinzip wird die Verbrennungsluft von unten durch den Brennrost und damit durch die gesamte Brennstoffschicht geführt. Das Glutbett befindet sich also unterhalb des restlichen Brennstoffvorrats (siehe Übersicht 1).
Der Nachteil: Der gesamte Brennstoff wird zugleich erhitzt, da die Flamme von unten durch die Holzscheite wandert. Auch kann die Menge der zugegebenen Verbrennungsluft nur schlecht an die Menge des entstehenden Brenngases angepasst werden. Die Luftzufuhr wird hierbei nur über die Lufteinlassöffnungen und die Kaminzugklappen geregelt, ein Gebläse gibt es nicht. Eine variable Luftzuführung ist jedoch wichtig, um die Verbrennung in Gang zu halten und den Kessel in der Leistung steuern zu können.
Für eine gleichmäßige Verbrennung müsste das Holz bei Durchbrandkesseln wie bei Kaminöfen häufig in kleinen Mengen nachgelegt werden, was aus praktischen Gründen meist unterbleibt.
In modernen Zentralheizungskesseln
sollte das Durchbrandprinzip wegen seiner ungünstigen Verbrennungseigenschaften nicht mehr eingesetzt werden.
Ebenfalls bei vielen Öfen und Kaminen ist das Prinzip des „oberen Abbrands“ anzutreffen. Hierbei wird die erste Brennstoffcharge zum Anheizen von oben angezündet. Die Verbrennungsluft gelangt – anders als beim Durchbrand – seitlich zum Glutbett. Der Brennstoffvorrat brennt von oben nach unten durch, Flammen und Brenngase können ungehindert nach oben steigen.
Zwar ähnelt der Abbrand nach dem Nachlegen von neuem Holz wieder dem Durchbrand, da das neue Holz auf das Glutbett gelegt wird. So wirken sich auch beim oberen Abbrand kurze Nachlegeintervalle positiv auf die Verbrennung aus. Dennoch verbrennt das Holz gleichmäßiger, da die Ver-brennungsluft über und nicht durch das Glutbett geleitet wird.
Bei Kesseln mit „unterem Abbrand“ brennt die Flamme nicht nach oben durch die Brennstoffschicht, sondern seitlich (seitlicher unterer Abbrand) oder nach unten (vertikaler unterer Abbrand) in eine separate Brennkammer hinein. Für diese Lenkung der Brenngase sorgt ein Gebläsezug. In der separaten Brennkammer findet unter Luftzugabe die Nachverbrennung der Brenngase statt. Der Vorteil dieses Prinzips: Nur das Holz, das direkt über dem Glutbett liegt, kommt mit der Flamme in Berührung. Dadurch ist der Ausbrand gleichmäßiger und leichter regelbar als bei anderen Verbrennungsarten. Denn die Verbrennungsluftmenge lässt sich gut an die Menge der entstehenden Brenngase anpassen.
Außerdem muss hierbei nicht ständig Holz nachgelegt werden, da sich die Füllmenge nicht auf die Verbrennungsqualität auswirkt. Das Nachlegeintervall kann bis zu fünf Stunden betragen. Diese Vorteile haben dazu geführt, dass moderne Scheitholz-Zentralheizungen heute überwiegend nach dem Prinzip des unteren Abbrands arbeiten.
Hackschnitzel: Einschub von unten oder seitlich
Bei Hackschnitzelheizungen haben sich die Unterschubfeuerung und die Einschubfeuerung durchgesetzt. Unterschubfeuerungen eignen sich für asche-arme Brennstoffe und werden zunehmend auch bei Holzpellets eingesetzt.
Bei diesem Prinzip wird der Brennstoff von unten mit Hilfe einer Förderschnecke in eine Feuerungsmulde eingeschoben, in die auch ein Teil der Verbrennungsluft zugegeben wird. Während Hackschnitzel oder Pellets oben verbrennen, schiebt von unten neuer Brennstoff nach und sorgt gleichzeitig für den Austrag der Asche. Die brennbaren Gase werden unter Zugabe von Sekundärluft in der Nachbrennkammer verbrannt, wo die Wärme über Wärmetauscher an das Heißwassersystem abgegeben wird.
Diese Technik kommt in Öfen und Kesseln ab 10 Kilowatt (kW) Leistung zum Einsatz. Vorteile: Das Glutbett wird relativ wenig bewegt. Dadurch ist die Verbrennung gleichmäßig und die Feinstaubemissionen geringer. Auch sind die so konstruierten Anlagen robust und wartungsarm.
Diese Anlagen können Hackschnitzel mit einem Wassergehalt von fünf bis maximal 50 % verbrennen. Allerdings müssen Feuerraum und Nachbrennkammer an die Brennstoffqualität angepasst sein, um technische Störungen zu vermeiden. So kann eine Anlage zur Verbrennung von waldfrischen Hackschnitzel (50 % Wassergehalt) beim Einsatz von trockenem Holz eine zu hohe Feuerraumtemperatur erreichen. Die Folge wären Materialschäden an dem Kessel oder Schlackebildung durch Schmelzen der Asche.
Bei der Einschubfeuerung wird der Brennstoff von der Seite über eine Schnecke schräg von unten oder waagerecht in den Feuerraum eingebracht. Grobes, ungleichmäßiges Material lässt sich dagegen mit einem Kolben beschicken.
Sie kommt bei Feuerungen ab 15 kW Leistung zum Einsatz. Bei diesem Prinzip gibt es Modelle mit und ohne Rost. Eine Variante dieser Feuerung ist der Kipprost, bei der der Rost etwa einmal am Tag komplett nach unten geschwenkt und die Asche in den Aschebehälter gekippt wird. Vor allem bei größeren Anlagen ab 80 kW setzen einige Hersteller auch einen bewegten Rost ein. Bei diesem Vorschubrost wandert der Brennstoff durch Vor- und Rückwärtsbewegung der einzelnen Rostelemente auf dem Schrägrost nach unten.
Bei so genannten Biomasse-Heizkesseln, die neben Holzpellets auch schwierige Brennstoffe mit niedrigerem Ascheschmelzpunkt wie Strohpellets verheizen können, kann statt einem Rost eine wassergekühlte Brennmulde vorhanden sein.
Die Zugabe der Primärluft erfolgt bei der Einschubfeuerung von unten durch den Rost. Die Vorteile: Die Anlagen sind in der Regel sehr kompakt. Auch ist der Kraftaufwand für die Brennstoffzuführung etwas geringer als bei der Unterschubfeuerung, da der Brennstoff nicht von unten gegen das Glutbett gefördert wird, sondern über einen geringen Anstieg oder einen waagerechten Einschub in den Kessel gelangt.
Als Feuerungsprinzip bei Pelletheizungen hat sich neben der Unterschubfeuerung die Abwurffeuerung durchgesetzt. Dabei fallen die Pellets über ein Rohr oder einen Schacht von oben auf das Glutbett. Dieses befindet sich entweder in einer herausnehmbaren Brennschale, auf einem Kipprost oder in einem Tunnel.
Neue Entwicklungen reduzieren Schadstoffe
Die Hersteller von Holzheizungen arbeiten derzeit an einer Minderung der Schadstoffemissionen, aber auch an der Verbesserung des Bedienkomforts. Bei den Einzelfeuerstätten (Öfen) werden Konzepte für den unteren Abbrand entwickelt. Ebenfalls optimieren die Hersteller die Regelungssysteme, um auch bei Öfen die Verbrennungsluft entsprechend der jeweiligen Abbrandphase zuführen zu können. Auch bei Zentralheizungen sollen Emissionen zukünftig mit Hilfe optimierter Regelungskonzepte minimiert werden.
Scheitholzkesseln werden inzwischen mit Systemen zur automatischen Brennstoffzufuhr angeboten. Diese Einrichtung ermöglicht einen Brennstoffvorrat von 650 Litern, mit dem die Anlage ohne Unterbrechung 30 bis 40 Stunden laufen kann.
Hoffnungen ruhen auch auf der Entwicklung von kostengünstigen Abgasnachbehandlungssystemen wie Filtern oder Wäschern, um die Staubemissionen weiter zu reduzieren. Das wird vor allem im Zusammenhang mit der neuen Bundes-Immissionsschutzverordnung interessant, die deutlich verschärfte Staubgrenzwerte vorgibt (siehe top agrar-Energiemagazin 3/2009).
