Der Hersteller Windhager zeigt mit seinem neuen Heizkessel Purowin, wie die Zukunft der Holzfeuerung aussehen könnte. Denn dieser Kessel verbrennt den Brennstoff so sauber, dass sich die Staubwerte nach Angaben der Firma nahezu nicht mehr nachweisen lassen. Und so funktioniert der neue Heizkessel von Windhager:
Üblicherweise müssen moderne Holzkessel zweimal „Luft holen“, damit das Brennmaterial ordentlich verbrennen kann. Der Hersteller Windhager verfolgt technisch gesehen jedoch einen anderen Weg. So besitzt der neue Purowin-Kessel eine dritte Luftzufuhr, wodurch eine noch sauberere Verbrennung des Holzes möglich wird. Das ist aber noch längst nicht die einzige Maßnahme, durch welche die Emissionen gesenkt werden. Beispielsweise werden die Feinstaubpartikel zusätzlich von einer Aktivkohleschicht gefiltert, die während des Verbrennungsvorgangs entsteht. Das hat zur Folge, dass die Feinstaubpartikel in der Asche zurückbleiben.
Diese Entwicklung bezeichnet der Hersteller als Zero-Emission-Technologie. An der Entwicklung für dieses patentierte Konzept mit seiner Gegenstromvergasung haben unter anderem Ingenieure der Forschungsfirma Bios Bioenergiesysteme aus Graz mitgewirkt.
Der Geschäftsführer Ingwald Obernberger, zugleich auch Leiter der Forschungsgruppe "Energetische Biomassenutzung" der Technischen Universität Graz, beschreibt die gestellte Aufgabe folgendermaßen: "Es geht darum, die Emissionen mit intelligenter Feuerungs- und Regelungstechnik direkt während der Verbrennung zu vermeiden." Sein Ziel besteht in der Entwicklung einer Null-Emissionen-Biomassefeuerung, sodass künftig auf kostenintensive Partikelfilter verzichtet werden kann.
Die zusätzliche Luftzufuhr macht den Unterschied
Dieses Ziel haben Forscher und Hersteller mit dem Heizkessel Purowin nahezu erreicht. Wie Daten aus einem Prüfbericht des TÜV Süd ergeben, beträgt der Ausstoß an Staub im Abgas unter 1 mg/MJ. Bei bestehenden Anlagen, die mit Pellets oder Hackschnitzeln befeuert werden, wird von Werten um 33 mg/MJ ausgegangen. Bislang haben die besten Geräte auf dem Markt allenfalls 9 mg/MJ erreicht. Der Purowin-Kessel punktet aber auch in Sachen Kohlenmonoxid-Emissionen, die bei lediglich 3 mg/MJ liegen. Bei bestehenden Anlagen liegt dieser Wert bei etwa 233 mg/MJ, die aktuell besten Top-Modelle erreichen einen Wert von 29 mg/MJ.
Wie können beim Purowin derartig niedrige Emissionswerte erreicht werden? Weil die Luft bei dieser Heizungsanlage über drei Zuführungen in die Brennkammer geleitet wird, kann jede Verbrennungsphase gezielt und unmittelbar mit Luft versorgt werden. Deshalb kann dieser Kessel mit einer niedrigeren Temperatur im Brennstoffbett betrieben werden. Dadurch wird weniger Kalium freigesetzt. Dieses Element gilt neben Schwefel und Chlor als wichtigster Aschebildner und zudem als Quelle von anorganischen Feinstäuben. Bei hohen Temperaturen verdampfen die genannten Elemente teilweise, woraufhin sie im Rauchgas reagieren und Minipartikel formen. Das bedeutet: Während der Verbrennung entstehen umso weniger anorganische Aerosole, je niedriger die Temperaturen im Brennstoffbett sind. Auch die Stickstoffemissionen lassen sich laut Obernberger durch eine Mehrfachluftstufung um nahezu 50 Prozent senken.
Die Abläufe der Verbrennung wurden am Computer simuliert
Sofern das bei der Holzverbrennung entstehende Gasgemisch nicht komplett ausbrennt, können organische Schwebeteilchen entstehen. Diese bestehen aus Rußpartikeln sowie Kohlenstoff-Verbindungen, die nicht verbrannt und stattdessen kondensiert sind. Deren Entstehen lässt sich aber verhindern, wenn die Verbrennungszonen entsprechend konstruiert werden. Beispielweise müssen die Konstrukteure darauf achten, dass sich Verbrennungsluft und Abgase gut durchmischen, eine Temperatur von mehr als 800 Grad im Feuerraum erreicht wird und die Abgase ausreichend lange dort verbleiben.
Wie wirksam in dieser Hinsicht die verschiedenen Ausführungen von Kesseln sind, hat Obernbergers Team durch verschiedene Strömungsmodelle über ein numerisches Verfahren am Computer simuliert. Diese CFD-Simulationen können den Konstrukteuren dabei helfen, die Verbrennungsabläufe sowohl im Brennstoffbett als auch in der Gasphase näher zu untersuchen. "Bei uns wird keine Neuentwicklung ohne derartige Simulationen mit numerischer Strömungsmechanik durchgeführt", erklärt der Forschungsleiter. Bewährt haben sich diese Simulationen bereits bei einer Kesselkonzeption für den Hersteller Viessmann und bei der Konstruktion des Mini-Brenners Variowin von Windhager.
Der Feinstaub wird durch den Brennstoff gefiltert
Der Feinstaub-Anteil im Abgas wird im Purowin zudem durch das Prinzip der Gegenstromvergasung reduziert. Hierbei wird die Tatsache genutzt, dass auch der Brennstoff an sich eine filternde Wirkung besitzt. Sobald der Kessel angefahren wird, wird zunächst der Brennraum mit Pellets oder Hackschnitzeln befüllt. Sobald die Zündung erfolgt ist, entsteht nun ein Glutbett im untersten Teil, wodurch das darüber liegende Holz verkohlt. Diese Schicht hat die Wirkung eines Aktivkohlefilters. Während das Holzgas also aufsteigt, wird der Feinstaub in der Kohle gefiltert, woraufhin das Holzgas über dem Brenngut verbrennt.
Die Reduktion von Feinstaub war übrigens nur ein Aspekt für die Konstruktion des Purowin. Auch der Stromverbrauch des Heizkessels während des Zündungsvorgangs sollte gesenkt werden. Deshalb wurde der Kessel absolut dicht gehalten, sodass das Glutbett bis zu vier Tage lang erhalten bleibt, selbst wenn keine Luft oder kein Brennstoff zugeführt wird. Innerhalb dieser Frist kann er sich selbst wieder anheizen, wodurch nahezu 90 Prozent der notwendigen Zündenergie eingespart wird.