24.10.2013 1 IZNE 1 Schadstoffemissionen bei der Verbrennung von Holz, Stroh und Biogas Schadstoffemissionen bei der Verbrennung von Holz, Stroh und Biogas Quelle: www.schornsteinfegermeister.de IZNE Fachtagung „Energie, Ernährung und Gesellschaft – die Rolle der Biomasse im Kontext einer nach- haltigen Entwicklung“, Universität Göttingen, 15.-17.10.2013 Dr. Torben Seidel Prof. Dr. Hans Ruppert Interdisziplinäres Zentrum für Nachhaltige Entwicklung, Universität Göttingen Abteilung Sedimentologie/Umwelt, Geowissenschaftliches Zentrum Dr. Jürgen Orasche Dr. Jürgen Schnelle-Kreis HelmholtzZentrum München Kooperationsgruppe "comprehensive molecular analytics" IZNE 2 • Problemfeld: Emissionen bei der Verbrennung von Biomasse • Partikelgrößenverteilung in der Abluft • Quelle/Senke für Elemente - Ein Bilanzierungsansatz • Elementmassenströme in die Atmosphäre • Beurteilung unterschiedlicher Feuerungsanlagen • Emissionen aus der Verbrennung von Holz und Stroh vs. Öl und Kohle • Zusammenfassung und Ausblick Gliederung
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IZNE Schadstoffemissionen bei der Verbrennung von Holz, Stroh … · 2013-10-25 · 8,2 % Anteile EE 2012 12,6 % Gesamt: 8.986 PJ 1) 1) Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen
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IZNE
1
Schadstoffemissionen bei der Verbrennung von Holz, Stroh und Biogas
Schadstoffemissionen bei der Verbrennung von Holz, Stroh und Biogas
Quelle: www.schornsteinfegermeister.de
IZNE
Fachtagung „Energie, Ernährung und Gesellschaft – die Rolle der Biomasse im Kontext einer nach-haltigen Entwicklung“, Universität Göttingen, 15.-17.10.2013
Dr. Torben SeidelProf. Dr. Hans Ruppert Interdisziplinäres Zentrum für Nachhaltige Entwicklung, Universität GöttingenAbteilung Sedimentologie/Umwelt, Geowissenschaftliches Zentrum
Dr. Jürgen OrascheDr. Jürgen Schnelle-KreisHelmholtzZentrum MünchenKooperationsgruppe "comprehensive molecular analytics"
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• Problemfeld: Emissionen bei der Verbrennung von Biomasse
• Partikelgrößenverteilung in der Abluft• Quelle/Senke für Elemente - Ein Bilanzierungsansatz• Elementmassenströme in die Atmosphäre• Beurteilung unterschiedlicher Feuerungsanlagen• Emissionen aus der Verbrennung von Holz und Stroh vs.
Öl und Kohle
• Zusammenfassung und Ausblick
Gliederung
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• Endlichkeit/Ersatz der leicht gewinnbaren fossilen Energieträger (inklusive Uran)
• Bei Erdöl und -gas Abhängigkeit von Rohstoffstaaten mit nicht westlichen Systemen
• Schwankende Preise für fossile Energieträger
• Stärkung der ländlichen Räume
• Klimaveränderung
Warumbenötigenwir Biomasse als Energieträger?
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Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch in Deutschland im Jahr 2012
Solarthermie, Geothermie:
0,5 %
Wasserkraft:0,8 %
Windenergie:1,8 %
Photovoltaik:1,1 %
fossile Energieträger (Steinkohle, Braunkohle, Mineralöl, Erdgas) und
Kernenergie:87,4 %
Biomasse2):8,2 %
Anteile EE 201212,6 %
Gesamt: 8.986 PJ1)
1) Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.V. (AGEB); 2) Feste und flüssige Biomasse, Biogas, Klär- Deponiegas, biogener Anteil des Abfalls, Biokraftstoffe;Quelle: BMU - E I 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat) und ZSW, unter Verwendung von Angaben der AGEB;
EE: Erneuerbare Energien; 1 PJ = 1015 Joule; Abweichungen in den Summen durch Rundungen; Stand: Februar 2013; Angaben vorläufig
Struktur der Wärmebereitstellung aus erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 2012
Solarthermie:4,2 %
biogener Anteil des Abfalls:5,8 %
biogene Festbrennstoffe
(Haushalte):51,2 %
biogene Festbrennstoffe
(HW/HKW):4,9 %
Biogas:7,8 %
Klärgas:0,8 %
Deponiegas:0,2 %
biogene Festbrennstoffe
(Industrie):18,4 %
biogene flüssige
Brennstoffe 1):1,9 %
oberflächennahe Geothermie:
4,7 %
tiefe Geothermie:0,2 %
1) Inklusive Pflanzenöl; 2) Feste und flüssige Biomasse, Biogas, Klär- und Deponiegas, biogener Anteil des Abfalls; 1 TWh = 1 Mrd. kWh; Quelle: BMU - E I 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Abweichungen in den Summen durch Rundungen; Stand: Februar 2013; Angaben vorläufig
Gesamt: 144,3 TWh
Biomasseanteil 2): 91 %
Politischer Hintergrund
Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch in Deutschland im Jahr 2012
Solarthermie, Geothermie:
0,5 %
Wasserkraft:0,8 %
Windenergie:1,8 %
Photovoltaik:1,1 %
fossile Energieträger (Steinkohle, Braunkohle, Mineralöl, Erdgas) und
Kernenergie:87,4 %
Biomasse2):8,2 %
Anteile EE 201212,6 %
Gesamt: 8.986 PJ1)
1) Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.V. (AGEB); 2) Feste und flüssige Biomasse, Biogas, Klär- Deponiegas, biogener Anteil des Abfalls, Biokraftstoffe;Quelle: BMU - E I 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat) und ZSW, unter Verwendung von Angaben der AGEB;
EE: Erneuerbare Energien; 1 PJ = 1015 Joule; Abweichungen in den Summen durch Rundungen; Stand: Februar 2013; Angaben vorläufig
Struktur der Wärmebereitstellung aus erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 2012
Solarthermie:4,2 %
biogener Anteil des Abfalls:
5,8 %
biogene Festbrennstoffe
(Haushalte):51,2 %
biogene Festbrennstoffe
(HW/HKW):4,9 %
Biogas:7,8 %
Klärgas:0,8 %
Deponiegas:0,2 %
biogene Festbrennstoffe
(Industrie):18,4 %
biogene flüssige
Brennstoffe 1):1,9 %
oberflächennahe Geothermie:
4,7 %
tiefe Geothermie:0,2 %
1) Inklusive Pflanzenöl; 2) Feste und flüssige Biomasse, Biogas, Klär- und Deponiegas, biogener Anteil des Abfalls; 1 TWh = 1 Mrd. kWh; Quelle: BMU - E I 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Abweichungen in den Summen durch Rundungen; Stand: Februar 2013; Angaben vorläufig
Gesamt: 144,3 TWh
Biomasseanteil 2): 91 %
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• Partikel (Gesamtstaub, Feinstaub) mit Schwermetallen und organischen Verbindungen
- Probenahme im Verdünnungstunnel auf 150mm ∅ Quarzfaserfilter
- Angelehnt an VDI 2066 Blatt 1
Kaminofen
Verdünnungsluft
Probenahme
Filterhalter aus Teflon
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Probenahme: Aufbau des Versuchsstandes für Emissionsmessungen bei der Biomasseverbrennung am TFZ (Technologie- und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe in Straubing)
Holzhackschnitzelkessel Guntamatic Powerchip
30 kW (typisch für Einfamilienhaus)
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Elementgehalte im Rückstand auf dem Filter aus der Verbrennung von Holzhackschnitzeln (µg/g)
*AbfKlärV = Grenzwerte der Klärschlammverordnung** DüngeMV = Grenzwerte der Düngemittelverordnung***BodSchVO = Bundes-Bodenschutz-Gesetz bzw. . Verordnung zum BBodenschG;
Jährlicher Energiebedarf eines Einfamilienhauses (Baujahr vor 2002, Wohnfläche 120m2, 4 Personen-Haushalt, keine neuen Fenster, Baujahr Heizung vor 2005): 2870 Liter Heizöl ≙ 103320 MJ ≙ 8265 kg Holz (mit Wassergehalt von ~30%)
Ca. 14.000.000 Zentralfeuerungsanlagen auf Holzbasis in Gebäuden in Deutschland würden bei Heizung auf reiner Holzbasis etwa jährlich 8,7 t Blei und 2,9 t Cadmium emittieren.
Typische Gesamtdepositionen in Deutschland in 2010: 400 t Blei und 13 t Cadmium.
Elementmassenströme in die Atmosphäre: Berechnung der Deposition
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0,01
0,1
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A N A N A N A N A N A N A N A N A N A N A N A N AA
us N AA
us N N
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
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/MJ]
Zn
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0,001
0,01
A N A N A N A N A N A N A N A N A N A N A N A N AA
us N AA
us N N
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Cd
1) Pelletkessel , Fichtenpellets, ohne SWT2) Pelletkessel, Fichtenpellets, mit SWT3) Hackschnitzelkessel,
Fichtenholzhackschnitzel, ohne EA4) Hackschnitzelkessel ,
Fichtenholzhackschnitzel, mit EA5) Pelletofen, Fichtenpellets6) Kaminofen, Fichtenscheitholz, ohne EA7) Kaminofen, Fichtenscheitholz, mit EA8) Kaminofen, Buchenscheitholz, ohne EA9) Kaminofen, Buchenscheitholz, mit EA10) Hackschnitzelkessel ,
Winterweizenstrohpellets, ohne SWT11) Hackschnitzelkessel ,
1) Fichtenpellets, Pelletkessel ohne SWT 2) Fichtenpellets, Pelletkessel mit SWT 3) Fichtenholzhackschnitzel, Hackschnitzelkessel ohne EA 4) Fichtenholzhackschnitzel, Hackschnitzelkessel mit EA 5) Fichtenpellets, Pelletofen 6) Fichtenscheitholz, Kaminofen ohne EA 7) Fichtenscheitholz, Kaminofen mit EA 8) Buchenscheitholz, Kaminofen ohne EA
9) Buchenscheitholz, Kaminofen mit EA10)Winterweizenstrohpellets, Hackschnitzelkessel, ohne SWT 11)Winterweizenstrohpellets, Hackschnitzelkessel, mit SWT12)Miscanthuspellets, Hackschnitzelkessel, Miscanthuspellets 13)Fichtenscheitholz, Scheitholzkessel14)Buchenscheitholz, Scheitholzkessel 15)Holzhackschnitzel, Großfeuerungsanlage
Anordnung der untersuchten Feuerungsanlagen nach Emissionen
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[mg/MJ]
Holz und Stroh vs.Öl und Kohle
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Biomasse Öl Steinkohle Braunkohle
[mg
/MJ]
Cd
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Biomasse Öl Steinkohle Braunkohle
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Pb
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Biomasse Öl Steinkohle Braunkohle
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Biomasse Öl Steinkohle Braunkohle
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Ni
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Biomasse Öl Steinkohle Braunkohle
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Cu
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Biomasse Öl Steinkohle Braunkohle
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Zn
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22Quelle: IEA/WEO 2010, WHO
Vorzeitige jährliche Todesfälle aufgrund von Luftverschmutzung in Haushalten und Krankheiten
Gesundheitsgefährdung durch Emissionen aus der Biomasseverbrennung
Quelle: Nussbaumer et al., Holzenergie, ETH Zürich
Abbrandverhalten von HolzAtmosphäre
H2O
CO + CxHy + Partikel ,unverbrannt
CO2 + NOx + Partikel , verbr.H2O + N2
Holz feucht: CH1,4O0,7 (N, S, Asche) + H2O
H2O + brennbare Gase: CxHy + H2 + NHy
Erwünschte Produkte: CO2 + H2O + N2Unerwünschte Produkte: NOx, Partikel
Trocknung
VergasungPrimärluft(O2 + N2)
Sekundärluft(O2 + N2)
OxidationUnvollständigeVerbrennung
VollständigeVerbrennung
AscheWärme
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1. Mineralische Verbindungen werden bei hoher Temperatur aus den Mineralstoffen im Holz in die Gasphase transferiert und kondensieren im Abgas zu Feststoffen.
2. Russ wird durch Synthese aus Kohlenwasserstoffen bei hoher Temperatur unter Sauerstoffmangel gebildet.
3. Organische Kondensate stammen aus Zersetzungsprodukten und werden bei zu tiefen Verbrennungstemperaturen emittiert.
Arten und Eigenschaften der primären Partikel aus der Holzverbrennung
Quelle: Lauber & Nussbaumer 2010
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Brennholzverbrauch und Feinstaubemissionen
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18.2
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19.2
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20.2
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21.2
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0
Levo
gluc
osan
[µg/
m³]
0
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Benz
o[a]
pyre
n[n
g/m
³]
Konzentration von Levoglukosan und Benzo[a]pyren an einem Verkehrsknotenpunktin Augsburgder Heizperiode
Zusammensetzung von städtischem Feinstaub
Immissionskonzentration von PM10 aus städtischer Holzfeuerung, Augsburg
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Probenahme für Partikel-gebundeneorganische Stoffe
Einsatz in Großfeuerungsanlagen ab 1 MW Leistung durch Strohballenfeuerung bzw. gepresst als Strohpelllets auch für kleinere Anlagen
Fichtenpellets
Fichtenhackschnitzel mit EAFichtenhackschnitzel
Strohpellets mit EA und SWTStrohpellets mit EA
Nennlast (N=3)Anheizen (N=1)
05
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TE
Q [
µg
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Toxizität der Emissionen im Vergleich
TEQ / µg MJ-1
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Zusammen-fassung
• Die Holzverbrennung leistet einen wesentlichen Beitrag zurBereitstellung von Wärmeenergie aus erneuerbarer Energie
• Der Brennholzverbrauch steigt stark an
• Partikelemissionen aus Holzverbrennung steigen (noch) an
• Je kleiner die Brennstoffgröße, desto geringer die Emissionen:Pellet < Hackschnitzel < Scheitholz.
• Die entstehenden Partikel sind aufgrund ihrer geringen Größe gut lungengängig.
• Insbesondere leichtflüchtige Schwermetalle wie Zn, Cd, Sb, Tlund Pb werden zu einem prozentual hohen Anteil emittiert.
• Hauptprobleme:
Nicht die Schwermetalle, sondern organische Verbindungen + Ruß
Fehlbedienung oder ungünstiger Brennstoff (Feuchte)
• Lösungsansätze:
Automatisierte Feuerungen (z.B. Pelletofen)
Einsatz effektiver Sekundärmaßnahmen
• Genaue Beurteilung der Toxikologie der emittierten Schadstoffederzeit schwierig
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• Durchführung von toxikologischen Untersuchungen an Stäuben (Zelltests).
• Systematische Suche nach eventuellen Elementsenken bzw. -quellen in Öfen.
• Untersuchung der Emissionen bei der Verbrennung von schnellwachsenden Hölzern von belasteten und unbelasteten Standorten.
• Zusammenarbeit mit Ofenherstellern:a) Emissionsmindernde Maßnahmen sind auch für den Rückhalt kritischer Elemente zu konzipieren.b) Verbesserung der Vollständigkeit der Verbrennung in Hinblick auf organische Schadverbindungen.
• Erweiterung von Grenzwerten im BImSchV auch für Kleinfeuerungsanlagen in Bezug auf die Güte der Brennstoffe (Feuchtigkeit, Schmutzbelastung etc.) und auf emissionsmindernde Maßnahmen.
Ausblick und Forschungs-bedarf
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• Durchführung von toxikologischen Untersuchungen an Stäuben (Zelltests).
• Systematische Suche nach eventuellen Elementsenken bzw. -quellen in Öfen.
• Untersuchung der Emissionen bei der Verbrennung von schnellwachsenden Hölzern von belasteten und unbelasteten Standorten.
• Zusammenarbeit mit Ofenherstellern:a) Emissionsmindernde Maßnahmen für den Rückhalt kritischer Elemente konzipieren und testen.b) Verbesserung der Vollständigkeit der Verbrennung in Hinblick auf organische Schadverbindungen.c) Etablierung „neuer“ Technologien wie Holzvergaser-KWK
• Erweiterung von Grenzwerten im BImSchV auch für Kleinfeuerungsanlagen in Bezug auf die Güte der Brennstoffe (Feuchtigkeit, Schmutzbelastung etc.) und auf emissionsmindernde Maßnahmen.