Forschung im Fokus

Feuer unterm Dach – wie Kleinfeuerungsanlagen künftig klimaneutraler und energieeffizienter verbrennen könnten

Holz ist ein Brennstoff für die Ewigkeit und die am häufigsten eingesetzte Biomasse zur Bereitstellung von Wärme und Warmwasser im Haushaltbereich«, sagt Dr.-Ing. Mohammad Aleysa, Leiter der Gruppe Verbrennungssysteme am Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP. »Jede Anstrengung, die zu einer Weiterentwicklung geeigneter und verbesserter Verbrennungstechnik führt, ist lohnenswert, denn tendenziell kommt Holz aufgrund derzeit steigender Preise für fossile Energieträger und vor allem wegen der Energiewende in Deutschland zunehmend als Brennstoff zum Einsatz«. Im Gegensatz zu fossilen Energieträgern gibt Holz nur jene Menge an Kohlendioxid frei, die es zuvor beim Wachsen eingelagert hat und ist zwar damit theoretisch CO2-neutral«, wie Aleysa betont, »doch erst der Einsatz hoch entwickelter moderner Anlagentechnik bringt die ökologischen Vorteile im Verbrennungsbereich zum Tragen«.

Trotz Klimaneutralität hat die energetische Nutzung von Biomasse ihre Schattenseiten. Nach Erkenntnissen des Umweltbundesamts sind häusliche Kleinfeuerungsanlagen eine der Quellen für partikuläre und zahlreiche gasförmige Schadstoffemissionen wie Kohlenmonoxid (CO), flüchtige organische Komponenten (VOCs) und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs), die mit gesundheitsschädlichen Auswirkungen in Zusammenhang gebracht werden. Rund 24 000 Tonnen Staubemissionen sind im vergangenen Jahr aus privaten Kamin- und Ofenrohren sowie Heizkesseln in die Atmosphäre entwichen.

»Drei entscheidende Einflussfaktoren«, so Aleysa, »bestimmen über Effizienz und Schadstoffausstoß von Feuerungsanlagen: die Verbrennungstechnik, der Brennstoff und der Nutzer«. Die Anforderungen an die Verbrennungstechnik als erste Einflussgröße sind definiert und in den jeweiligen Prüfnormen festgelegt. Hier tüfteln die Ingenieure an Verbesserungen und weiter ausgefeilten Methoden. Auch welche Parameter die eingesetzten Brennstoffe aufzuweisen haben, regelt die Bundesimmissionsschutzverordnung (1.BImSchV). Lediglich das Nutzerverhalten unterlag bisher keiner Regelung oder Kontrolle. Aleysa und seine Wissenschaftler stellten in ihren Untersuchungen jedoch fest, dass trotz hoch entwickelter Verbrennungstechnik und Brennstoffe mit perfekten verbrennungstechnischen Eigenschaften ein sachgemäßer Betrieb von Feuerungsanlagen nur bedingt zu erreichen war. Im Klartext heißt das: Es gibt Potenziale für weitere Schadstoffreduzierungen und zwar beim Nutzer. Neben veralteter Technik gehen Staubemissionen aus unvollständiger Verbrennung in den meisten Fällen auf fehlerhafte Bedienung zurück. Der Nutzer hat es in der Hand, ob er beispielsweise gut getrocknetes Holz verwendet, auf ausreichend hohe Temperatur im Feuerraum und genügend Sauerstoffzufuhr achtet, um damit Schadstoffemissionen so gering wie möglich zu halten.
Aleysa agiert einen Schritt voraus. In einer konsequenten, permanenten Überwachung von Kleinfeuerungsanlagen sieht er Chancen, maßgeblich zu einer effizienten und umweltverträglichen Energiebereitstellung durch Biomasse beizutragen. Eine ausgeklügelte Verbrennungstechnik mit entsprechend intelligenten Systemen soll dafür sorgen, dass die Anlagen möglichst fehlerfrei arbeiten und den Einfluss des Nutzers so gering wie möglich halten. Fehlbedienung ist dann Fehlanzeige – Betriebsoptimierung und Schadstoffminimierung das Ziel. Ein vom Fraunhofer IBP konzipiertes Vorhaben nimmt diese Idee auf und forscht an diesem bislang einzigartigen innovativen System. Das Prinzip dieses sogenannten Betriebsüberwachungs- und Emissionsbewertungssystems für Biomasseheizkessel (iÜBS) beruht auf dem Einsatz einer neuen Gas-Sensorik, die mit der Regelung der Feuerungsanlage kombiniert wird. Dabei geht es nicht nur um Kontrolle der Verbrennungsqualität und des Schadstoffausstoßes, vielmehr wird auch auf die Betriebsweise besonderes Augenmerk gelegt. So erfolgt eine Bewertung beispielsweise was Anlagenbedienungs- und Brennstoffqualität betrifft oder welcher Wirkungsgrad erzielt wurde. Die Anlage registriert anhand der Schadstoffe etwa auch Umweltsünden wie das Verbrennen von nassem Holz oder gar Abfällen in häuslichen Kleinfeuerungsanlagen. Funktioniert die Verbrennung nicht optimal, kann mit Sofortmaßnahmen gegengesteuert werden. Diese ökologische und ökonomische Vorgehensweise kann jedoch nur umgesetzt werden, wenn es gelingt, den Nutzer von den Vorteilen zu überzeugen und ihn mitzunehmen. Die Technik soll ihn entlasten und unterstützen. Er soll ruhigen Gewissens weiter nichts tun zu müssen als dem Feuer zuzuschauen und es genießen.
Im Rahmen von weiteren Forschungsaktivitäten der Gruppe Verbrennungssysteme wurden zwei innovative Verbrennungskonzepte erstellt, die sich sowohl für biomassebetriebene Einzelraumfeuerungsanlagen als auch für zentrale Heizkessel wie beispielsweise Vergaserkessel und Hackschnitzelverbrennungsanlagen eignen. Diese Verbrennungskonzepte sollen das Verbrennungs- und Emissionsverhalten so entwickeln, dass die heutigen sowie die zukünftigen emissionstechnischen Anforderungen der 1. BImSchV ohne weitere Sekundärmaßnahmen eingehalten werden. Die am Fraunhofer IBP durchgeführten Tests verliefen höchst erfolgsversprechend. Für die beschriebenen Forschungsvorhaben, die noch in der Planungsphase sind, werden sowohl industrielle als auch wissenschaftliche Partner gesucht.
Nicht nur auf die Entwicklung emissionsarmer Verbrennungstechnologien, sondern auch auf die Verwertung von Abgasprodukten konzentrieren sich die Forscher der Gruppe Verbrennungssysteme. In einem aktuellen Forschungsvorhaben wird die parallele Versorgung von Gewächshäusern mit Wärme und CO 2 untersucht. Das Kohlendioxid dient dabei als Düngemittel. Es lässt neben Licht, Wasser- und Nährstoffversorgung Pflanzen optimal wachsen. Dabei kommt eine innovative hochmodulierbare Technologie zur Anwendung, bei der die Verbrennung flammenlos mit Zero-Emission, also fast schadstofffrei, erfolgt. Und hier schließt sich der Kreis für eine nachhaltige, optimale Energieversorgung mit Biomasse.
(schw)

FORSCHUNG IM FOKUS

Forschung im Fokus
Die monatliche Internetrubrik gibt Einblicke in die Forschungsarbeit des Fraunhofer IBP.