Projekt 27654/01

Entwicklung neuartiger Keramikwerkstoffe für die Feuerraumauskleidung und den Wärmespeicher bei Biomassefeuerungen als Beitrag zur Emissionsminderung und Wirkungsgradverbesserung

Projektträger

Wolfshöher Tonwerke GmbH & Co. KG
Wolfshöhe 2
91233 Neunkirchen
Telefon: 09153/9262-636

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Aufgrund der wachsenden Bedeutung von Biomassefeuerungen als alternativer Wärmeerzeuger neben den fossilen Energien wächst auch die Bedeutung der Wirkungsgrade und der Emissionen dieser Feuerstätten, deren Verbesserungspotential noch nicht zufrieden stellend ausgeschöpft ist.
Innerhalb dieses Vorhabens werden neuartige Keramikwerkstoffe entwickelt, die zum einen den mechanischen und Temperaturbelastungen einer Feuerung standhalten und zum anderen eine möglichst vollständige und emissionsarme Verbrennung begünstigen. Berücksichtigt werden sowohl maßgeschneiderte Eigenschaften für die Brennraumauskleidung als auch eine optimierte Wärmespeicherung.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Erreichung emissionsarmer Verbrennung und eines hohen Wirkungsgrades bei gleichmäßiger Temperaturabgabe erfordert Materialien mit zum Teil widersprüchlichen Eigenschaften. Deshalb liegt großes Augenmerk auf der Materialentwicklung, für die im Labormaßstab Testmischungen hergestellt, Prüfkörper gefertigt und charakterisiert und hinsichtlich Wärmedämmung, mechanischer Festigkeit und Wärmespeicherung optimiert werden. Angestrebt wird die Kombination der Eigenschaften in einem Material mit Sandwichstruktur. Die entwickelten Materialien werden in ersten Versuchen auf Ihre Eignung und Beständigkeit in der Feuerung geprüft, während Fertigungsversuche im größeren Maßstab unternommen werden. In Folge zur Prototypenherstellung werden die neu entwickelten Materialien in Praxistests auf Ihren tatsächlichen Effekt auf die Emissionen und den Wirkungsgrad von Biomassefeuerungen untersucht und die Ergebnisse mit denen herkömmlicher Werkstoffe verglichen. Weitere Untersuchungen beziehen sich auf das Handling und die Verarbeitbarkeit im handwerklichen Ofenbau. Neben der Wirksamkeitsprüfung liegt die Konzentration auf einer laufenden Machbarkeits- und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung hinsichtlich Rohstoffkosten, Produktionsmöglichkeiten und erzielbarem Marktpreis. Die entwickelten Materialien sollen in der Formgebung wirtschaftlich und flexibel sein, um einen breiten Einsatz in Feuerungen zu ermöglichen und damit auch den gewünschten Beitrag zur erheblichen Reduzierung von Emissionen und einer effizienteren Energienutzung von Biomasse leisten zu können.


Ergebnisse und Diskussion

Als Ergebnis des Projektes Entwicklung neuartiger Keramikwerkstoffe für die Feuerraumauskleidung und den Wärmespeicher bei Biomassefeuerungen als Beitrag zur Emissionsminderung und Wirkungsgradverbesserung können die nachfolgenden Aussagen getroffen werden.
Sowohl auf Basis Ton als auch auf Basis Feuerbeton lassen sich für die Anwendung in der Feuerung geeignete Werkstoffe gezielt mit unterschiedlichen Eigenschaften herstellen. Auf Basis Feuerbeton ist die Herstellung eines Sandwichbauteils ebenso möglich, wie ein Material mit Wabenstruktur. Die Materialien bestehen den Dauertest von 200 Betriebsstunden und lassen sich handwerklich bearbeiten.
Ein leichtes Schamotteerzeugnis lässt sich, im Technikumsversuch verifiziert, auf herkömmlichen Anlagen und im bekannten Prozess herstellen.
Das Erreichen repräsentativer und vergleichbarer Abbrände bei den Feuerungsversuchen erfordert großen Aufwand. Die Ergebnisse streuen erheblich und erfordern zur Auswertung statistische Methoden. Dadurch lassen sich Unterschiede zwischen den Materialien herausarbeiten. CO, OGC und der Wir-kungsgrad können ausgewertet werden. Für Staub kann innerhalb dieses Projektes leider keine Aussage getroffen werden.
In der Auswertung zeigt sich, dass mit neuen Materialien erhebliche Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Referenzmaterialien erreicht werden können. Dies gilt insbesondere für die Größen CO (bis zu 14 bzw. 18%) und OGC (bis zu 41 bzw. 63%). Auch der Wirkungsgrad (bis zu 3 bzw. 9%) ist positiv beeinflussbar.
Mit dem im Technikumsversuch hergestellten leichten Schamottematerial lassen sich gute Effekte erzielen. Die Herstellkosten entsprechen jenen einer Referenz-Schamotteplatte. Entwicklungsbedarf besteht bei diesem Material in der optischen Erscheinung, da der Trend bei möglichst hellen glatten Oberflächen liegt.
Die besten Ergebnisse hinsichtlich CO und OGC zeigen im Versuch Materialien aus Mullitbeton bzw. Mullit-Blähglas-Beton. Optisch bedienen diese Materialien die Nachfrage nach glatten weißen Oberflächen. Die Herstellkosten liegen abgeschätzt beim 15fachen einer Referenzplatte aus Schamotte. Hier besteht erheblicher Bedarf zur Reduzierung der Kosten, die insbesondere in den Rohstoffpreisen begründet liegen. Eine Marktakzeptanz dieses Preises für eine breite Anwendung kann ausgeschlossen werden.
Es wird davon ausgegangen, dass die Verbrennungstechnik, wie Feuerraumgeometrie und Luftführung, den weitaus größeren Einfluss auf die erreichbaren Emissionswerte hat. Der Wirkungsgrad wird erheblich durch die Gesamtkonzeption der Feuerung beeinflusst. Die in den Versuchen erzielten Ergebnisse zeigen jedoch, dass sich diese Werte mittels geeigneter Materialien weiter optimieren lassen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse sind sehr spezifisch und erklärungsbedürftig. Es ist geplant, im Forschungsnetzwerk des Industrieverbandes HKI zu berichten. Dort erreichen sie den größten Teil der industriellen Anwender der Materialien und die Ergebnisse können in verwandte laufende und geplante Forschungsprojekte zur Emissionsminderung von häuslichen Feuerstätten einfließen.
Weiterhin werden einige Aussagen in Marketing und Verkauf der WTW Verwendung finden. Es soll dargestellt werden, dass die Herstellung von spezifischen Materialien für die unterschiedlichen Anforderungen und Bereiche von Feuerstätten möglich sind und diese zur weiteren Optimierung von Verbrennungswerten beitragen können. Kann man die Feuerstättenhersteller zur Zusammenarbeit motivieren, kann so das Optimum für die Verbrennungswerte erzielt werden.


Fazit

Das in einer Biomassefeuerung verwendete Material hat einen Einfluss auf die Verbrennungsqualität. Es können nachweislich verschiedene Materialeigenschaften auf verschiedenen Rohstoffbasen erreicht werden. Die Optimierung und Verifizierung der Ergebnisse mit unterschiedlichen Feuerstätten sowie die Diskussion über einen Kompromiss aus Wirkung, Preis und Optik kann nur mit möglichst vielen Feuerstättenherstellern erfolgen. Angestrebt werden die Gesprächsaufnahme mit den Herstellern und die Koordination mit im Verband laufenden Forschungs- und Entwicklungsprojekten zur Emissionsminderung durch Primärmaßnahmen.