Wie der Brennraum maßgeblich Emissionen mindern kann

Das Future Lab Holzheizung FLH2 informiert in regelmäßigen Abständen über emissionsmindernde Innovationen bei Scheitholzheizungen. Das Ziel ist es,in der Branche tolle Ingenieursleistungen bekannter zu machen und zu weiteren Entwicklungen anzuregen. Auch wenn es oft Vorreiter sind, die in den Texten beschrieben werden: Es handelt sich explizit nicht um Werbung für Einzelfirmen, sondern um die Demonstration der Leistungsfähigkeit der ganzen Branche.
Jeder ist aufgerufen, Ideen einzureichen – jede emissionsmindernde Technologie soll im Laufe der Serie besprochen werden.

Das große Ziel, Scheitholz emissionsarm zu verbrennen, beschäftigt Forscher wie Entwickler von umweltfreundlichen Öfen. Ein Weg führt über die Optimierung des Brennraums.
Nicht zu vergessen ist bei allen gesetzlichen Vorgaben an die Öfen vor allem: Der Ofen muss weiter einfach zu nutzen sein und dem Kunden gefallen. Nur so – und das ist schließlich das Ziel jedes Herstellers – kann das Produkt auch am Markt erfolgreich verkauft werden. Bislang war gefälliges Design und ein optimaler, nach allen Regeln der Physik durchgestylter Brennraum, nur schwer vereinbar.

Ist das heute auch noch so?
Die aktuell erhältlichen Scheitholzöfen sind grundsätzlich entweder auf den sogenannten Durchbrand (etwa bei Kaminöfen) oder den oberen Abbrand (bei Kachel- und Grundofen) ausgelegt. Eine gestufte Verbrennungsluftzufuhr gelingt dadurch, dass die Luft nach sogenannter Primär- (Rost- und Scheibenspülluft) sowie Sekundärluft (Verbrennungsluft) aufgeteilt wird. Die Glut und das Holz darauf reagiert nun mit der Primärluft – und bildet kohlenwasserstoffreiches Brenngas. Dieser Schritt wird als pyrolytische Zersetzung bezeichnet und findet in der Primärreaktionszone statt. Das dabei entstehende Brenngas wird nachfolgend in der Sekundärreaktionszone mit Verbrennungsluft vermischt. Das Brenngas oxidiert zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Oder anders gesagt: Es entstehen die gemütlichen und hübsch anzusehenden Flammen, die die Kunden von Öfen so schätzen.

So weit, so gut. Nur jetzt beginnt das Problem. Werden die Holzscheite in üblicher Weise horizontal nachgelegt, also „der Länge nach oben auf die Glut“, dann können dabei je nach Positionierung unerwünschte Abgasbestandteile entstehen. Für die Nutzenden weniger fehleranfällig ist es, die Scheite vertikal in einen sogenannten Brennzylinder nachzulegen. Vorreiter ist hier die Firma Leda, die das Prinzip mit einem Kaminofen umgesetzt hat. Warum ist dieses Brennraumkonzept so genial? Es hat Vorteile sowohl im Anlagendesign als auch bei der Verbrennungsführung. Designseitig ist von Vorteil, dass sowohl Asche als auch Glutbett nicht sichtbar sind, der Ofen hat eine schöne schlanke, runde Geometrie. Gleichzeitig „führt“ es sowohl die Verbrennung als auch den Nutzenden selbst – der bei fehlerhafter Bedienung erheblich zur Luftverschmutzung beitragen kann. Aufgrund der Geometrie des Brennraums – es ist ja ein hoher Zylinder – können die Nutzenden nicht wahllos Holzscheite einlegen oder den Brennraum überladen. Der Ofen führt zudem Verbrennungsluft mehrstufig „stromlinienförmig“ zu und die Temperaturen des Glutbetts sind besser  kontrollierbar.
Und: In der Primär- wie Sekundärreaktionszone strömt das Gas viel gleichmäßiger als im herkömmlichen Brennraum.

Kommen wir nun zurück zu den Emissionen. Wird ein solcher Brennraum getestet – und das hat das DBFZ im Rahmen eines Forschungsprojekts getan – wird emissionstechnisch ein Ergebnis erhalten, das vielen anderen Brennräumen überlegen ist. Wird das seit Januar 2020 veröffentlichte Messverfahren des Umweltzeichens Blauer Engel für Kaminöfen betrachtet, dann ist der zylindrische Brennraum ein klarer Sieger. Im Vergleich zu anderen ebenfalls am DBFZ getesteten Brennraumgeometrien nnte eine insgesamt niedrigere Gesamtstaubkonzentration erzielt werden. Auch die Emissionen an Kohlenstoffmonoxid (CO) und flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) waren auf einem vergleichsweise niedrigen Niveau.

Hat dieses Ergebnis die Forscher am DBFZ überrascht? Nein, denn die Theorie wurde damit bestätigt. Dieser Brennraumgeometrie wurde schon vorher eine sehr gute Chance eingeräumt, besonders emissionsarm zu sein. Das Brennzylinderkonzept mit  vertikal abbrennenden Holzscheiten ist damit ganz klar für zukünftige Entwicklungen eine vielversprechende Möglichkeit, um die Ziele niedrigerer Abgaswerte mit Aspekten des Anlagendesigns zu kombinieren. Die Forscher am DBFZ schätzen eine Übertragung des Prinzips auf weitere Ofentypen als vielversprechend ein, um generell den „Flottenverbrauch“ in der Ofenbranche zu senken. Würde man diese Geometrie nun noch mit weiteren emissionsmindernden Maßnahmen kombinieren, wie etwa einer elektronischen Regelung, einem Abscheider oder einem Katalysator, dann wären noch viel geringere Werte denkbar.

Aber der vertikale Brennzylinder ist nur eine von vielen Möglichkeiten, die Emissionen von Holzöfen effizient zu mindern. In den weiteren Folgen unserer Serie werden wir Ihnen andere vielversprechende Ideen und Möglichkeiten vorstellen. Denn eines ist klar: Nur wenn die Branche durch exzellente Ingenieursleistungen Innovationen wie den vertikalen Brennzylinder anbietet, wird die Wärme aus Holz als emissionsarme Heizmöglichkeit weiter Bestandteil unserer Kultur bleiben.

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Haben Sie auch eine tolle Innovation oder eine Frage zu einem physikalischen Problem? Wollen Sie zu Emissionsminderung diskutieren oder mit technischem Sachverstand beitragen? Dann schreiben Sie uns eine E-Mail: johannes.gerstner(at)efa-europe.com oder ingo.hartmann(at)dbfz.de

 

Ingo Hartmann (links) und Johannes R. Gerstner (rechts)

Die Autoren:
Dr. Ingo Hartmann, Jahrgang 1975, ist Leiter des Forschungsschwerpunktes Katalytische Emissionsminderung und Arbeitsgruppenleiter „Kleinanlagentechnik“ am DBFZ in Leipzig. Er ist promovierter Chemiker und Diplom-Ingenieur (FH) der Energietechnik. Er erforscht die Verbrennung von Bioenergieträgern und publiziert dazu entsprechende wissenschaftliche Ergebnisse.

Dr. Johannes R. Gerstner, Jahrgang 1980, ist Geschäftsführer der Europäischen Feuerstätten Arbeitsgemeinschaft EFA mit Sitz in Berlin. Er ist gelernter und diplomierter Journalist und hat zehn Jahre lang Journalistinnen und Journalisten an der Universität Leipzig auch zum Thema Wissenschaftsjournalismus ausgebildet. Er veröffentlicht regelmäßig technische Fachtexte in den Bereichen Bau- und Ingenieurswesen.

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