Projekt 32975/02

Entwicklung, Erprobung und Untersuchung eines innovativen Verfahrens zur Additivierung von Hackschnitzeln zwecks Reduzierung der Emissionen aus Holzfeuerungen

Projektdurchführung

Technische Universtität Hamburg Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft
Eißendorfer Str. 40
21073 Hamburg

Zielsetzung

Häusliche Holzheizungen etwa in Form kleiner Zentralheizungen für Holzhackschnitzel gelten als Verursacher von Partikelemissionen, die zur allgemeinen Feinstaubbelastung der Atmosphäre beitragen. Mit dem Inkrafttreten der 2. Stufe der 1. BImSchV Anfang 2015 sehen sich moderne Holzfeuerungen nun hohen umweltrechtlichen Anforderungen, insbesondere vor dem Hintergrund stark reduzierter Grenzwerte für Staub und Kohlenstoffmonoxid, gegenüber. Hinsichtlich des Emissionsverhaltens kommt dabei neben anlagenseitigen Faktoren insbesondere der Brennstoffqualität eine bedeutende Relevanz zu, sodass zukünftig eine gesteigerte Nachfrage nach Brennstoffen mit emissionsoptimierten Brennstoffeigenschaften erwartet wird. Ein vielversprechender Ansatz der emissionsbezogenen Brennstoffoptimierung bzw. der (primären) brennstoffseitigen Emissionsminderung ist die Brennstoffadditivierung, d. h. die Zugabe sogenannter Additive zu den einzusetzenden Brennstoffen. Um dem Problem der (anorganischen) (Gesamt-)Staubbildung zu begegnen, haben sich aluminiumsilikat-basierte Additive (z. B. Kaolin) als sehr zielführend erwiesen. Verglichen mit (Holz-)Pellets liegen für die Brennstoffadditivierung bei der Verbrennung von Holzhackschnitzeln in entsprechenden (Klein-)Feuerungsanlagen allerdings nur sehr begrenzte Erkenntnisse hinsichtlich der Emissionsminderung (z. B. Staub, Kohlenstoffmonoxid) vor. Vorrangiges Ziel des vorliegenden Vorhabens ist es daher, den Minderungseffekt des aluminiumsilikat-basierten Additivs Kaolin auf die (Gesamt-)Staubbildung in einer handelsüblichen Holzhackschnitzelfeuerungsanlage umzusetzen und messtechnisch zu erfassen. Ausgehend von diesen Untersuchungen sollen Aussagen abgeleitet werden, ob und unter welchen Bedingungen dies eine technisch, ökonomisch und ökologisch sinnvolle sowie im praktischen Betrieb umsetzbare Option zur (primären) brennstoffseitigen Staubreduktion darstellen kann, um die Grenzwerte der 1. BImSchV für Staub von 20 mg/Nm³13Vol%O2 bzw. für Kohlenstoffmonoxid von 400 mg/m³13Vol%O2 im Rauchgas einhalten zu können.

Arbeitsschritte

In einem ersten Arbeitsschritt, d. h. der technischen Planung für die Additiv- bzw. Kaolineinbringung, werden verschiedene Zuführungsoptionen für das aluminiumsilikat-basierte Kaolin identifiziert, analysiert und schließlich bewertet. Im Sinne eines wirtschaftlichen, ressourcenschonenden sowie wirksamen Einsatzes des Kaolins gilt es bei der Betrachtung der unterschiedlichen Konzepte auch auf eine möglichst homogene Vermischung von Holzhackschnitzeln und Additiv zu achten. Mittels entsprechender Bewertungsgrößen sind u. a. die konzeptionelle Ausgestaltung der verschiedenen Zuführungsoptionen und deren potenzielle konstruktive Umsetzung zu untersuchen, um letztlich eine Vorzugsvariante aus den unterschiedlichen Konzepten identifizieren zu können. Während eines zweiten Arbeitsschritts, der technischen Umsetzung der Additiv- bzw. Kaolineinbringung, soll dann die zuvor festgelegte Vorzugsvariante der Zuführungsoptionen in geeigneter Weise am Beispiel einer handelsüblichen Hackschnitzelfeuerungsanlage implementiert werden. Entsprechende Anforderungen an die Eigenschaften des eingesetzten Kaolins (z. B. Menge, Partikelgröße), die sich ggf. durch das gewählte Konzept ergeben, können dabei in verschiedenen Vorversuchen bzw. Tests untersucht werden. Diese im Vorfeld durchzuführenden Untersuchungen dienen darüber hinaus auch dazu, die Erhöhung der anfallenden Aschemenge als Folge der Brennstoffadditivierung abschätzen zu können, um die Notwendigkeit für eine konstruktive Anpassung der Feuerungsanlage beurteilen zu können. Für die ausgewählte Vorzugsvariante der Additiv- bzw. Kaolineinbringung werden in einem dritten Arbeitsschritt schließlich entsprechende Prüfstandmessungen bzw. Verbrennungsversuche an einer handelsüblichen Hackschnitzelfeuerungsanlage unter praktischen Bedingungen durchgeführt und die anfallenden Verbrennungsprodukte (z. B. Rauchgas, Staub, Asche) analysiert. Die Bestimmung der freigesetzten Staubemissionen erfolgt dabei in Anlehnung an die VDI-Richtlinie 2066 Blatt 1. Weiterhin soll untersucht werden, wie sich der Einsatz von Kaolin auf die Partikelgrößenverteilung der (Gesamt-)Staubemissionen im Rauchgas auswirkt. Während der Verbrennungsversuche werden sowohl unadditivierte Holzhackschnitzel als auch Holzhackschnitzel unter Zugabe des aluminiumsilikat-basierten Additivs Kaolin verbrannt. Dabei wird neben der Menge auch die mittlere Partikelgröße des Kaolins variiert, um die entsprechenden Einflüsse untersuchen zu können. Abschließend erfolgt in einem vierten Arbeitsschritt eine technische, ökologische und ökonomische Bewertung bzw. Analyse der gesammelten Forschungsergebnisse unter besonderer Beachtung der ggf. notwendigen Anpassungen handelsüblicher Hackschnitzelfeuerungen in Anbetracht der untersuchten Zuführungsoption des Kaolins. Zudem sollen Aussagen abgeleitet werden, die die (primäre) brennstoffseitige Emissionsminderungsmaßnahme der Brennstoffadditivierung unter Berücksichtigung der 2. Stufe der 1. BImSchV in Relation zu herkömmlichen Sekundärmaßnahmen, wie beispielsweise elektrostatischen Partikelabscheidern, beurteilen.

Ergebnisse

Als vielversprechendstes technisches Lösungskonzept für die Additiv- bzw. Kaolineinbringung wurde die Zuführung mit dem Brennstoffmassenstrom identifiziert. Ergebnisse zu entsprechenden Untersuchungen innerhalb des vorliegenden Forschungsvorhabens weisen darauf hin, dass es auch durch den Einfluss mechanischer Einwirkungen über einen längeren Zeitraum nicht zu einer relevanten Entmischung von Kaolin und Holzhackschnitzeln kommt, d. h. das Kaolin weist ein beständiges Anhaftverhalten an der Oberfläche der Holzhackschnitzel auf. Der aus der (Brennstoff-)Additivierung der Holzhackschnitzel resultierende erhöhte Aschegehalt stellte im vorliegenden Vorhaben anlagentechnisch kein Hemmnis dar, da die eingesetzte Feuerungsanlage über einen aktiven Austrag per Aschekette verfügt. Durch die Verwendung einer geeigneten Menge (z. B. 1 Ma% Additivgehalt) sowie Sorte (z. B. Kaolin FP) des aluminiumsilikat-basierten Additivs Kaolin konnten mittlere (Gesamt-)Staub- und Kohlenstoffmonoxidemissionen von lediglich 17 mg/Nm³13Vol%O2 bzw. 10 mg/Nm³13Vol%O2 erreicht werden, d. h. gegenüber der Verbrennung der Holzhackschnitzel ohne Additiv wurden die (Gesamt-)Staubemissionen um 55 % reduziert, während die Reduktion für die Kohlenstoffmonoxidemissionen sogar 87 % betrug. Dementsprechend konnten für beide betrachteten Luftschadstoffe, d. h. (Gesamt-)Staub und Kohlenstoffmonoxid, die limitierenden Grenzwerte von 20 mg/Nm³13Vol%O2 bzw. 400 mg/Nm³13Vol%O2 der 1. BImSchV eingehalten und sogar unterschritten werden. Im Vergleich zur untersuchten (Brennstoff-)Additivierung zeigte die Verwendung eines elektrostatischen Partikelabscheiders im Zuge der Prüfstandmessungen zwar ebenfalls eine deutliche Reduktion der (Gesamt-)Staubemissionen während der Verbrennung der Holzhackschnitzel, jedoch konnte durch den Partikelabscheider keine Abnahme der Kohlenstoffmonoxidemissionen erreicht werden. Allerdings konnte gezeigt werden, dass sowohl die aluminiumsilikat-basierte (Brennstoff-)Additivierung als auch die Nutzung eines elektrostatischen Partikelabscheiders zu einer reduzierten ultrafeinen Partikelfraktion (PM0,1) der Feinstaubemissionen bei der Verbrennung der Holzhackschnitzel führen kann, wodurch grundsätzlich die toxikologische Relevanz der entsprechenden Emissionen gemindert werden könnte.

Öffentlichkeitsarbeit

Die Ergebnisse der Voruntersuchungen zur technischen Umsetzung der Additiv- bzw. Kaolinbringung im Rahmen des Vorhabens wurden in Form eines wissenschaftlichen Zeitschriftenartikels veröffentlicht:

Gollmer, C., Höfer, I., Kaltschmitt, M.: Laboratory-scale additive content assessment for aluminium-silicate-based wood chip additivation, Renewable Energy, 164 (2021) S.1471-1484.

Zeitschriftenartikel

Fazit

Durch das Vorhaben konnte erfolgreich gezeigt werden, dass sich die aluminiumsilikat-basierte (Brennstoff-)Additivierung mittels Kaolin auch auf den Brennstoff Holzhackschnitzel übertragen lässt. Im Zuge der Zuführung des Kaolins mit dem Brennstoffmassenstrom sollte zukünftig auch die Option einer Bereitstellung von additivierten, emissionsoptimierten Brennstoffen bzw. Holzhackschnitzeln unmittelbar durch die Brennstofflieferanten weiterverfolgt werden, da somit, eine entsprechende Berücksichtigung derartiger Brennstoffe in den zugehörigen (Brennstoff-)Normen vorausgesetzt, keinerlei konstruktive Anpassungen an der Feuerungsanlagentechnik notwendig wären, wodurch die Störanfälligkeit auf ein Minimum begrenzt werden könnte und zudem kein zusätzlicher Aufwand, etwa in Form der Beschaffung und Vorhaltung des benötigten Additivs, beim Feuerungsanlagenbetreiber entstehen würde. Die durchgeführten Prüfstandmessungen an der verwendeten, handelsüblichen Feuerungsanlage konnten schließlich zeigen, dass die aluminiumsilikat-basierte (Brennstoff-)Additivierung von Holzhackschnitzeln mittels Kaolin unter realen, praxiskonformen Bedingungen zu einer deutlichen Reduktion sowohl der (Gesamt-)Staub- als auch der Kohlenstoffmonoxidemissionen gegenüber dem unadditivierten Referenzfall führt. Die Prüfstandmessungen lassen vermuten, dass den beiden betrachteten (Gesamt-)Staubminderungsmaßnahmen, d. h. (Brennstoff-)Additivierung und elektrostatischem Partikelabscheider, tendenziell unterschiedliche Wirkmechanismen zugrunde liegen, sodass sich für zukünftige Untersuchungen eine kombinierte Betrachtung bzw. Verwendung beider Maßnahmen als vielversprechend herausstellen könnte. Abschließend kann festgehalten werden, dass die aluminiumsilikat-basierte (Brennstoff-)Additivierung von Holzhackschnitzeln mittels Kaolin an einer handelsüblichen Feuerungsanlage technisch ohne Weiteres umsetzbar ist, sich aus dieser Umsetzung verschiedene ökologische Vorteile hinsichtlich der Emissionen aus der Verbrennung von Holzhackschnitzeln ergeben (z. B. Minderung der (Gesamt-)Staub-, Kohlenstoffmonoxid- sowie PM0,1-Emissionen) und die resultierenden Kosten aufgrund des verhältnismäßig geringen Additivbedarfs einen vertretbaren ökonomischen Aufwand im Vergleich zur sekundären Minderungsmaßnahme in Form eines elektrostatischen Partikelabscheiders darstellen.

Übersicht

Fördersumme

385.505,00 €

Förderzeitraum

01.09.2018 - 31.12.2021

Bundesland

Hamburg

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik