titelfolie einleitung: wieso holzenergie ? wieso ... · combustion modeling verenum [bruch &...
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Verenum
TitelfolieNeue Entwicklungen bei denHolzheizungen
PD Dr. Thomas NussbaumerVerenum Zürich
Forschung & Entwicklung – Auslegung – Konzepte – BeratungMessungen – Qualitätssicherung – Holzenergie – Biomasse
Verenum
Titelfolie
Einleitung: Wieso Holzenergie ?Wieso Holzheizungen ?
Verenum
Weltenergieverbrauch
[Kugeler&Phlippen]
Heute:12‘000 GW= 2000 W p. P.
Verdopplung in 15 a = + 5%/a
Verenum
GAU
Verenum
Treibhausgase
Verenum
C-Kreislauf
Verenum
Energieholz-Potenzial Schweiz
7%5%2.5%Anteil GEV
752.4Total
0.70.2Altholz
1.11.1Restholz
3.21.1Waldholz
Pot. theor.Mio m3
PotenzialMio m3
1998Mio m3
Verenum
Energie-Erntefaktor =
Holz: [Nussbaumer 2004] Oel, Gas: BUWAL 315, 2000
1.5Rapsmethylester als Dieselersatz in der Schweiz
2.1Ethanol aus Zuckerrüben in D
0.7Heizölkessel, Erdgasheizung
14Stückholzkessel
13Holzschnitzel ohne Fernwärme
9.0Holzschnitzel mit Fernwärme mit 1.5 MWh a–1m–1
8.3Holzpellets mit Holzenergie getrocknet
3.3Holzpellets mit Heizöl getrocknet
[TJ/TJ]
EFNE
NutzenergieNichterneuerbare Primärenergie
Verenum
Nachteile / Aufbau Referat
+––
• Auslegung• Kostenwahrheit• Förderung / Reduktion CO2
Kosten7
+++
• Holzpellets• Nahwärme• Minergie-Bauweise
EnergiedichtePlatzbedarfBedienung
6
–+–
• Illegale Verbrennung• Information• Kontrollen, Sanktionen
Giftstoffe(Metalle, Salzsäure, Dioxine)
5
++
F&EF&E
• Low-particle Prinzip• Partikelfilter gross (Nahwärme)• Partikelfilter für Kleinanlagen• Holzvergasung
Partikelemissionen(anorganisch)
4
F&EF&E
+
• Luft- und Brennstoffstufung• Holzvergasung• Denox
NOX3
+++
• Zweistufige Verbrennung• Systemintegration• Brennstoff und Betrieb
Unvollständige Verbrennung:CO, KW, Russ
2
++++
• Verbrennungsregelung• Systemintegration• Betrieb und Unterhalt• Qualitätssicherung
Wirkungsgrad1
StandMassnahmen undVerbesserungsansätzeNachteil
Verenum
Titelfolie
Grundlagen: Wie verbrennt Holz
Verenum
Thermische Zersetzung von Holz
Verenum
Holzverbrennung mit Luft
Holz + LuftCH1.4O0.7 + (O2 + 3.76 N2)
CO2 + 0.7 H2O + ( –1) O2 + 3.87 N2
+ Heizwert Hu = 18.3 MJ/kg
= Luftüberschuss = Luft / Luftmin = O2 / O2 min
Verenum
Verbrennungsvorgang
(CHxOyNz) + (H2O)Feuchte Biomasse
Koks C
Trocknung
T > 100°C
Biomasse-Vergasung
+ O2 ( 1)
+ O2 ( tot)
CO, CmHn, H2
H2O, N2,
O2 0
NO
CO2
O2
CO2, H2O, O2
Verdampfung heterogene Reaktionen homogene Reaktionen
1 < 1 tot > 1
C + CO2 <–> 2 COKohlenstoff-Vergasung
C + H2O <–> CO + H2C + 0,5 O2 <–> CO
H2O, N2,
HCN, NHi, ...
Gasphasen-oxidation
Abgas
Luft Luft
(CHxOyNz) + (H2O)Feuchte Biomasse
Koks C
Trocknung
T > 100°C
Biomasse-Vergasung
+ O2 ( 1)
+ O2 ( tot)
CO, CmHn, H2
H2O, N2,
O2 0
NO
CO2
O2
CO2, H2O, O2
Verdampfung heterogene Reaktionen homogene Reaktionen
1 < 1 tot > 1
C + CO2 <–> 2 COKohlenstoff-Vergasung
C + H2O <–> CO + H2C + 0,5 O2 <–> CO
H2O, N2,
HCN, NHi, ...
Gasphasen-oxidation
Abgas
Luft Luft
KCl, K2SO4 ,CaCO3, …
K, Ca, Na, Cl, S..
CO, KW
NOX
Verenum
Asche, SalzeVerunreinigungen
Kohlenstoff,Teer, Russ
Partikel
AbscheidungAusbrandMassnahme
CO2, H2ONOX (NO/NO2)
CO, CXHY, H2
HCN, NH3, N2OGase
VollständigeVerbrennung
UnvollständigeVerbrennung
von C, H, O, N
Ursache oderGruppe
Art
Schadstoffe
Asche, SalzeVerunreinigungen
Kohlenstoff,Teer, Russ
Partikel
AbscheidungAusbrandMassnahme
CO2, H2ONOX (NO/NO2)
CO, CXHY, H2
HCN, NH3, N2OGase
VollständigeVerbrennung
UnvollständigeVerbrennung
von C, H, O, N
Ursache oderGruppe
Art
Asche, SalzeVerunreinigungen
Kohlenstoff,Teer, Russ
Partikel
AbscheidungAusbrandMassnahme
CO2, H2ONOX (NO/NO2)
CO, CXHY, H2
HCN, NH3, N2OGase
VollständigeVerbrennung
UnvollständigeVerbrennung
von C, H, O, N
Ursache oderGruppe
Art
Verenum
Mischung – Temperatur – Zeit
Anforderungen für vollständigen Ausbrand
Holz trocken
< 2
> 850°C
2-stufige Verbr.Sekundärluftmit Ventilatorund Mischzone
grosse, heisseBrennkammer
> 0,5 s
Verenum
T ( ) Einfluss von Lambda auf Temperatur
Verschlackung –> Kühlung
Luftüberschuss Lambda
T ( )
T zu tief–> CO, ..
trockenes Holz
Verenum
Titelfolie
Anwendung 1: Stückholz
Verenum
1-stufige Verbrennung: Oberabbrand
Luft
Verenum
Einfluss von Lambda auf CO CO ( )
Stückholzfeuerung1-stufige Verbrennung
Verenum
2-stufige Verbrennung: Sturzbrand
Hoval
Vormischflamme
Verenum
Verbrennungs-Regelung
Einfluss von Lambda auf CO CO ( )
Stückholzfeuerung1-stufige Verbrennung
Stückholzfeuerung2-stufige Verbrennung
Unterabbrand empfindlich auf Brücken- und Kanalbildung–> weder sehr feiner Brennstoff noch Riesenscheiter !
Verenum
2-stufige Verbrennung: Sturzbrand + Ventilator
Hoval
Fröhling
Verenum
2-stufige Verbrennung: Unterabbrand mit Rost
Schmid
Verenum
Ofen mit Sturzbrand ohne Ventilator
Hoval
Specht
Specht TwinFire Xeoos http://www.specht-ofen.de
Betrieb mit natürlichem Kaminzug:Eta > 80%, 9 kW bei dp = 12 Pa, Teillast 2,4 kW bei dp = 8 Pa
Verenum
Titelfolie
Anwendung 2: Holzpellets
Verenum
Potenzial Schweiz
= 3,2 PJ/a= 0,37% des GEV
= 45‘000 EFH mit 4 t/a (2000 l Öl/a)= 45‘000 bis 90‘000 Pelletfeuerungen
180 000 t/a Sägemehl und Hobelspäne
Verenum
Pelletherstellung
Abgas
Schlagmühle
Presse
BettkühlerAbsack- anlage
Big bag- Station
Siebanlage
Zyklon
Abluft
Gewebefilter
FörderschneckeTrockner
Sägemehl
Luft
Öl
Zyklon
Pellets
Silo
Verenum
Holzpellets
Säcke à 15 bis 20 kg (A/CH) für Öfen im Wohnraum
Lose Pelletsfür Kessel mit Silo
Papier: Feuchtigkeitsaufnahme !PE: Wasserdampfsperre
Verenum
(–)MWh/m3
1010Heizöl
3 – 43,2Holzpellets
21,5 – 2Stückholz
10,7 – 1Holzschnitzel
LagervolumenEnergiedichteEnergiedichte und Lagervolumen
Lagervolumen
Verenum
Zündung
Zündstab
Hager
Heissluft
Oekofen
Verenum
Pelletofen mit Tagessilo
Tiba
Verenum
FischerPelletino
Pelletfeuerungen mit Fallrohr
Verenum
Hargassner
mit Zwischensilo
Pelletfeuerungen mit Schnecke von oben
Verenum
Austragung
Schnecke
Luft
Schnecke & Luft
Hager
Verenum
Typische Emissionen und Wirkungsgrade
75–8580–90100–12020–50200–2000KesselStückholz
–< 50–9080–15030–150...500–4000Öfen
[%][%][mg/Nm3] bei 13 Vol.-% O2
Schnitzel
Pellet
Brennstoff
80–8585–90100–20050–150100–2000Kessel
–80–90100–12020–75200–2000Öfen
80–8585–90100–15020–75100–1000Kessel
KFNOXStaubCOFeuerung
Verenum
Brennstoffpreise
Pellets in Säckenbis 2 t
um 0,5 Fr./kg (5 kWh/kg)
= 10 Rp./kWh
Lose Pellets2 bis 20 t
(0,2)...0,3 – 0,4 Fr./kg
= (4).. 6 – 8 Rp./kWh
Heizöl je nach Menge1‘000 bis 10‘000 l
um 0,6 – 0,45 Fr./l (10 kWh/l)
= 4,5 – 6 Rp./kWh
Verenum
Ringmatrize Flachmatrize
1 – 3 t/h1 – 3 t/h
Verenum
Titelfolie
Anwendung 3: Holzschnitzel
Verenum
Holzschnitzel
Verenum
Unterschubfeuerung 1990
Verenum
Pyros / USF 2000
Verenum
Verbrennungs-Regelung
Einfluss von Lambda auf CO CO ( )
Stückholzfeuerung1-stufige Verbrennung
Stückholzfeuerung2-stufige Verbrennung
Schnitzelfeuerung 2000Pelletfeuerung
Schnitzelfeuerung 1990
Verenum
Unterschubfeuerung Rostfeuerungw 10% – 50%, a < 5% w 10% – 55%, a < 50%
20 kW ... 2000 kW 200 kW ... 10 MW
Verenum
Rostfeuerungw 10% – 55%, a < 50%
200 kW ... 10 MWSchmid
Verenum
Heizzentrale 6.4 MW
Schmid AG, Wilderswil bei Interlaken
Verenum
Nahwärmenetz bzw. Fernwärmenetz
Crissier, 2,9 Km
Verenum
Titelfolie
F&E 1: Verbrennungsoptimierung
Verenum
Combustion Modeling
Verenum
[Bruch & Nussbaumer, 1998]
Verenum
Titelfolie
F&E 2: Stickoxide
Verenum
Luft- und Brennstoffstufung
= 0.7
NO+NH2N2+H2O
[Keller & Nussbaumer, 1994]
[Salzmann & Nussbaumer, 2001]
Luft- stufung
Brennstoff- stufung
ZweistufigeVerbrennung
Verenum
Resultate mit Luftstufung
[Keller & Nussbaumer, 1994]
N = 2.0%
N = 0.15%
Primärluftzahl
Verenum
Vyncke Brennstoffstufung
[Keller & Nussbaumer, 1994]
Luft- stufung
1
3
2
5
4
[Fastenaekels & Nussbaumer, 2002]
1.5 MW Pilotanlage Vyncke
Verenum
Titelfolie
F&E 3: Partikel
Verenum
Flugasche: Massenverteilung (Anderson)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
>12.217.595.133.472.211.070.640.41<0.41
[Oser et al. 2000]
Aerodynamischer Partikeldurchmesser [µm]
[mg/
Nm
3] (
13%
O2)
[Kaufmann/Nussbaumer 1998]
K, Ca, Na, Cl, S..
KCl, K2SO4, CaCO3
Verenum
Partikel in Funktion des Glutbett-Luftüberschusses
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
Glutbett-Luftüberschuss [–]
Part
ikel-K
onzentr
ati
on im
Abgas
[mg/N
m^
3]
(13
%O
2)
Std: Buche TL
Glutbetthöhe
PL
SLf SLs
TL
B
Glutbett-Luftüberschuss
Verenum
Partikelabscheidung: Elektrofilter
[Jirkowsky et al. 2002] Scheuch GmbH
Verenum
Elektrofilter für Kleinfeuerungen im Kamin (F&E)
[Schmatloch & Brenn] EMPA 2004
Verenum
Titelfolie
F&E 4: Holzvergasung
Verenum
Xylowatt Anlage Bulle 50 kWe/120 kWt
Xylowatt.ch
Verenum
Emissionen Vergaser / Feuerung
1212Staub
22053NOX
50 – 500246CO
automatischeHolzfeuerungen
Motor nach Vergaserund Gasreinigung
[mg/mn3]
bei 11% O2
1. Abscheidung Partikel + NH3, Gasvolumen 3–5 x kleiner2. Motorbetrieb bei tiefer Temperatur („Mager“motor)
Verenum
Nachteile / Aufbau Referat
+––
• Auslegung• Kostenwahrheit• Förderung / Reduktion CO2
Kosten7
+++
• Holzpellets• Nahwärme• Minergie-Bauweise
EnergiedichtePlatzbedarfBedienung
6
–+–
• Illegale Verbrennung• Information• Kontrollen, Sanktionen
Giftstoffe(Metalle, Salzsäure, Dioxine)
5
++
F&EF&E
• Low-particle Prinzip• Partikelfilter gross (Nahwärme)• Partikelfilter für Kleinanlagen• Holzvergasung
Partikelemissionen(anorganisch)
4
F&EF&E
+
• Luft- und Brennstoffstufung• Holzvergasung• Denox
NOX3
+++
• Zweistufige Verbrennung• Systemintegration• Brennstoff und Betrieb
Unvollständige Verbrennung:CO, KW, Russ
2
++++
• Verbrennungsregelung• Systemintegration• Betrieb und Unterhalt• Qualitätssicherung
Wirkungsgrad1
StandMassnahmen undVerbesserungsansätzeNachteil
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5 SchlussfolgerungenSchlussfolgerungen1. Holzenergie ist sinnvoll da CO2-neutral
2. Emissionen an CO, KW, PAK tief, wenn
a) Feuerung gut (2-stufige Verbrennung u.a.)
b) Brennstoff i.O. (trocken für Öfen, kein Abfall)
c) Betrieb gut (Brennstoff/Luftverh. optimal)
3. Minderung von NOX und anorganischen
PM 10 erfordert weitere Massnahmen
Verenum
Vorankündigungen und weitere Infos
4. Kolloquium Klein-Holzfeuerungen26. März 2004, FHBB Muttenz
Anmeldung: Holzenergie Schweiz
www.holzenergie.ch
8. Holzenergie-Symposium15. Oktober 2004, ETH Zürich
Anmeldung: ENET
www.energieforschung.ch
Verenum
Verenum
Verenum
PD Dr. Thomas NussbaumerVerenumForschung, Entwicklung, BeratungLangmauerstrasse 109CH – 8006 Zü[email protected]