Heizen mit Holz, doch was ist mit den Emissionen? Vor allem in den ländlichen Gebieten erzeugen auch Pelletkessel die nötige Wärme. Derzeit sind mehr als 380 000 Pelletkessel mit einer Leistung von unter 50 kW in Deutschland in Betrieb. Nun stellt sich die Frage: Wie sauber sind diese Biomassekessel im realen Betrieb? Hierzu wurde eine praxisnahe Prüfmethode zur Beurteilung der Effizienz und des realitätsnahen Emissionsverhaltens von Pelletkesseln entwickelt und über das Bundeslandwirtschaftsministerium (FKZ 22038918) im Forschungsprojekt „CycleTest“ gefördert.
Welche Pelletkessel kamen zum Einsatz?
Die bisherigen Typenprüfungen an Pelletkesseln nach EN 303-5 berücksichtigen nur konstante Zustände eines Teillast- oder eines Nennlastbetriebs unter Verwendung eines Brennstoffs, auf welchen der Pelletkessel optimal eingestellt ist. Dies spiegelt nicht den realen Betrieb im typischen Benutzeralltag wider, denn die Messtechnik erfasst weder den Kaltstart, noch den Lastwechsel oder den Ausbrand eines Kessels. Auch kann die bisherige Typenprüfmethode den taktenden, d. h. Ein-Aus-Betrieb eines Kessels bei niedriger Leistungsanforderung nicht beurteilen.
Somit war es das Ziel, eine Messmethode zu entwickeln, welche die dynamischen Veränderungen am Kessel berücksichtigt und das reale Ganzjahresverhalten eines Kessels innerhalb eines einzigen Prüftages beschreiben kann. Untersucht wurden acht Pelletkessel verschiedener Hersteller.
Breite Bandbreite verfügbarer Technologien
Dabei waren drei Kessel (01, 02 und 03) mit Brennwerttechnik ausgestattet, während die anderen Kessel keinen Abgaskondensationsbetrieb ermöglichten. Die Nennwärmeleistung betrug zwischen 14 und 17 kW und Kessel 08 hatte einen elektrostatischen Staubabscheider zur Verringerung der Staubemissionen integriert. Die Brennstoffzufuhr erfolgte entweder über einen Abwurf, von unten oder mit seitlichem Einschub der Pellets, sodass eine große Bandbreite derzeit verfügbarer Technologien vertreten war. Alle Pelletkessel waren mit einem ausreichend großen Vorratsbehälter ausgestattet.
Alle Messungen wurden mit Holzpellets der Klasse ENplus A1 mit einem Aschegehalt von 0,34 Massenprozent (m-%) und einem Wassergehalt von ca. 7,0 m-% durchgeführt, welche im Vorfeld homogenisiert wurden, um Brennstoffeinflüsse auf die Emissionen ausschließen zu können.
Alle acht Pelletkessel wurden bei Nennlast (NL) und Teillast (TL) nach der Typenprüfmethode unter gleichbleibenden Versuchsbedingungen vermessen. Als dritte Variante erfolge die Lastzyklus-Methode (LC).
Realität versus Typenprüfung
Die Kohlenmonoxidemissionen (CO) fallen erwartungsgemäß bei allen Kesseln unter Nennlastbedingungen am geringsten aus und liegen zwischen 4 und 74 mg/MJ. Zum Teil deutlich höhere CO-Emissionen wurden während des Teillastbetriebs bei ca. 30 % Kesselleistung ermittelt. Die höchsten CO-Emissionen traten fast immer im Lastzyklus auf (außer Kessel 01) und lagen zwischen 84 und 626 mg/MJ. Das liegt vor allem an der Berücksichtigung des Kesselstarts, der Leistungsveränderung, aber auch an den erforderlichen Neustarts während dieser achtstündigen Messung. Diese Ergebnisse spiegeln das reale Kesselverhalten wider.
Staub: Bei Nenn- und Teillast fast gleich hoch
Die Staubemissionen waren während des stationären Nennlastbetriebs gleich hoch oder etwas höher als im Teillastbetrieb und lagen zwischen 1 und 20 mg/MJ (siehe Grafik 1). Bei Kessel 01 und Kessel 04 waren die Staubemissionen während des Teillastbetriebs auffällig hoch. Im Gegensatz dazu hatte Kessel 05 bei Nennlast signifikant höhere Staubemissionen als bei Teillast. Wegen des integrierten elektrostatischen Staubabscheiders bei Kessel 08 sind dessen Staubemissionen sehr niedrig.
Während des Betriebs nach der Lastzyklus-Methode wurden für die Kessel 02 und 03 keine erhöhten Staubemissionen festgestellt, da diese offensichtlich sehr gut auf den eingesetzten Brennstoff eingestellt waren und über eine gute Verbrennungsregelung verfügten. Während der realen Messung wurde überwiegend erhöhte Staubemissionen festgestellt.
Grafik 1: Staubemissionen in der neuen Messmethode
Kesseltests werden praxisnäher
Abschließend soll die Effizienz, d. h. der Wirkungs- bzw. Nutzungsgrad der Kessel während der verschiedenen Prüfmethoden beurteilt werden. Erwartungsgemäß lag diese Effizienz bei den drei Brennwertfeuerungen (Kessel 01, 02 und 03) in der Nähe von 100 % bzw. im stationären Betrieb sogar bei über 100 %, bezogen auf den unteren Heizwert des Pelletbrennstoffs (siehe Grafik 2).
Unter Nennlastbedingungen war die Effizienz im Vergleich zu den anderen Versuchsvarianten fast durchweg am höchsten, bei sehr geringen Unterschieden zur Teillastmessung. Im Lastzyklus zeigten aber vor allem die Kessel 04 und 08 einen klaren Abfall der Effizienz im Vergleich zur Nenn- und Teillast, hier war die Energieausbeute um 13 bis 16 Prozentpunkte niedriger. Die entwickelte Lastzyklus-Methode stellt das Kesselbetriebsverhalten bei dynamischer Wärmeanforderung dar, d. h. die Methode ermöglicht die realitätsnahe Bestimmung von Emissionen und Wirkungsgraden.
Im realen Kesselbetrieb werden höhere Emissionen freigesetzt und der Wirkungsgrad sinkt. Bei der Entwicklung von Kesselregelungen kann die Lastzyklus-Methode eingesetzt werden, um das Optimierungspotenzial für den Einsatz der Feuerung in der Praxis zu identifizieren und um schon in der Kesselentwicklung die Regler für die Verbrennungs- und Leistungsregelung entsprechend parametrieren zu können. Dadurch sollten die Unterschiede zwischen Typenprüfungsergebnissen und praxisnahen Messungen langfristig sinken.
Grafik 2: Effizienznachweis in der neuen Messmethode
Worauf beruht die neu entwickelte Lastzyklus-Methode?
Basierend auf den Wärmebedarfskurven der VDI 4655:2019 wurde unter Berücksichtigung unterschiedlicher Jahreszeiten, Wetterbedingungen und Wochentage ein Standardlastprofil mit einer Dauer von acht Stunden entwickelt. Damit kann die Charakteristik der Wärmeanforderung an einen Biomassekessel während eines Jahres verkürzt an einem Versuchstag nachgebildet werden. Durch die Vorgabe dieser dynamischen Wärmebedarfskurve anstelle einzelner konstanter Laststufen muss die Kesselsteuerung autonom das Betriebsverhalten des Kessels regeln.
Abhängig von der Kesselsteuerung und seiner thermischen Trägheit agiert jeder automatisch beschickte Biomassekessel unterschiedlich auf den angeforderten Wärmebedarf. Da Zündphase, Lastwechsel und Ausbrand integrale Bestandteile des Kesselbetriebs nach der Lastzyklus-Methode sind, wird bei der dynamischen Messung das reale Verhalten der Feuerungen in der Praxis nahezu ideal und vollständig abgebildet.
Nach der Entwicklung des Ablaufs einer Lastzyklusprüfung erfolgte die Erprobung der Machbarkeit für diverse Kesseltypen und eine Methodenoptimierung. Außerdem wurden sämtliche Anforderungen für den Versuchsaufbau und den Versuchsablauf festgelegt. Das beinhaltete u. a. die erforderliche Messtechnik und deren Genauigkeit, Eigenschaften des Prüfbrennstoffes sowie die Entwicklung einer einheitlichen Auswertungsmethode, bei der auch die Qualität der Messdaten anhand unterschiedlicher Kriterien (z. B. Toleranzen bei der gemessenen Kohlenstoff-Bilanz) überprüft wird.
Für eine korrekte Energiebilanz ist es dabei unter anderem wichtig, dass der auf der Plattformwaage stehende Kessel vor dem Start auf eine Referenztemperatur vorgeheizt und nach Abschluss aller Messungen ebenfalls wieder auf die gleiche Referenztemperatur aufgeheizt bzw. abgekühlt wird.
