„Wood Stoves 2020“: In Verbundprojekt entwickelter Kaminofen geht 2018 in Serie

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Symbolbild Kaminofen
Quelle: Dr. Hermann Hansen

Um kleine holzverbrennende Öfen in punkto Abgas- und Feinstaubemissionen und Effizienz zu verbessern, haben vier wissenschaftliche Einrichtungen und vier Unternehmen aus Deutschland, Österreich, Schweden und Dänemark im Projekt „Wood Stoves 2020“ zusammengearbeitet. Im Rahmen des Projekts habe sich gezeigt, dass eine stärkere Automatisierung der bislang rein manuell bedienten Öfen der Schlüssel für weniger Emissionen und mehr Effizienz ist. Wie die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) als Projektträger der deutschen Teilvorhaben mitteilte, soll im Ergebnis nächstes Jahr ein hocheffizienter Low-Emission-Kaminofen mit integriertem Wärmespeicher auf den Markt kommen.

Hintergrund des Projekts ist, dass kleine Holzfeuerungen wie Pellet-Wohnraumöfen oder mit Scheitholz beheizte Kaminöfen im Leistungsbereich bis 20 kW aktuell und in näherer Zukunft die am weitesten verbreitete erneuerbare Wärmequelle in Europa sind. Nach Angaben der FNR werden jedes Jahr nahezu 1,85 Millionen dieser Öfen verkauft, was den Herstellern einen Umsatz von etwa 2,6 Mrd. € beschere. Doch es mehrt sich auch die Kritik an zu hohen Emissionen und mangelnder Effizienz. So beschränkt sich bei den manuell bedienten Kaminöfen die Beeinflussung der Verbrennung – von der Brennstoffauswahl abgesehen – auf das Öffnen und Schließen von Lüftungsklappen. Verantwortlich dafür ist der Nutzer. Erfahrungsgemäß komme es an dieser Stelle zu vielen Bedienungsfehlern, die die Emissionen häufig stark erhöhen. Im Rahmen des Projekts wurden fünf Ansatzpunkte für saubere und effizientere Kaminöfen gefunden.

Abgassensoren

Die schwedische Forschungseinrichtung RISE und der Ofenhersteller NIBE untersuchten zusammen mit dem österreichischen Ingenieurbüro BIOS die Eignung verschiedener Abgassensoren zur Kontrolle des Verbrennungsprozesses. Im Ergebnis waren Lambda-Sonden, CO-Sensoren und kombinierte O2/CO-Sensoren grundsätzlich gut für diese Aufgabe geeignet. CO-Sensoren und kombinierte O2/CO-Sensoren seien aber für einen breiteren Einsatz bei kleinen Öfen derzeit oft noch zu teuer, so die FNR.

Zuluftklappen und Ofensteuerungen

Stillstandsverluste durch geöffnete Luftzufuhr nach dem Heizen können erhebliche Wärmeverluste aus dem Aufstellraum bewirken, so das Technologie und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe (TFZ). Schließt der Betreiber die Luftzufuhr während des Heizbetriebs hingegen zu früh, seien hohe Emissionen eine mögliche Folge. Zusammen mit dem Partner Kutzner + Weber GmbH präsentiert das TFZ auch eine Lösung: Selbstschließende Klappen im Zuluftkanal können jährlich bis zu einem halben Kubikmeter Holz sparen. Noch wirksamer sei es, wenn solche Luftklappen gleich auch die eigentliche Luftsteuerung übernehmen. Der Ofen-Hersteller RIKA und das Ingenieurbüro BIOS entwickelten deshalb im Rahmen des Projekts eine vollautomatische Steuerung der Luftzufuhr, basierend auf einem Temperatursensor und elektronisch verstellbaren Luftverteilungsklappen. Im Ergebnis ließen sich damit vor allem gasförmige Schadstoffemissionen deutlich verringern und die Effizienz um zwei Prozentpunkte steigern.

Wärmespeicher

Eine noch sehr viel größere Effizienzsteigerung gelang RIKA und BIOS mit Hilfe eines neu entwickelten Wärmespeichers. Sie setzten dazu auf sogenannte Phasenwechselmaterialien, auch “phase change material” (PCM) genannt. PCM speichern mit der Änderung ihres Aggregatzustandes, z. B. von fest zu flüssig, große Mengen Wärmenergie und geben diese zeitverzögert wieder ab. Ihre Anwendung im Bereich der Einzelraumfeuerungen ist neu. RIKA und BIOS konnten im Projekt erfolgreich den Prototypen eines Low-Emission-Kaminofens mit integriertem PCM-Speicher bauen, dessen Herstellung 2018 in Serie gehen soll. Sein Wirkungsgrad liegt der FNR zufolge bei über 90 Prozent, während gute Anlagen derzeit im Schnitt nur 82 Prozent erreichen.

Katalysatoren

Weniger erfolgreich waren die Versuche der drei Forschungspartner TFZ, BIOS und RISE, Hochtemperaturkatalysatoren direkt in der Haupt- oder der Nachbrennkammer zu installieren. Im Ergebnis konnten zwar die Aggregate in der Hauptbrennkammer mit den katalytisch aktiven Metallen Platin und Palladium Kohlenmonooxid um bis zu 73 Prozent und organischen, gasförmigen Kohlenstoff um bis zu 38 Prozent reduzieren. Doch ihre Wirksamkeit ließ im Laufe der 100-stündigen Testphase teilweise deutlich nach. In einem Winter sei ein häufig genutzter Kaminofen jedoch mehrere 100 Stunden und länger in Betrieb. Für eine umfassende Bewertung der Katalysatoren halten die Projektpartner zusätzliche Tests über eine gesamte Heizperiode für erforderlich.

Nachrüstbare Ofensteuerungen und Zugbegrenzer

Die vom BMEL geförderten Partner TFZ und Kutzner + Weber GmbH testeten verschiedene auf dem Markt erhältliche, elektronisch gesteuerte (halbautomatische) Zuluftsteuerungen und rein mechanische Zugbegrenzer, die am Ofen bzw. am Schornstein eingebaut werden und auch nachrüstbar sind. Im Ergebnis zeigten die automatisierten Systeme bei der Emissionsminderung Vorteile, ausgenommen lediglich die Minderung von Partikelemissionen. Auch die Effizienz der Öfen ließ sich mit ihnen steigern. Die Projektpartner errechneten, dass sich die Anschaffung des kostengünstigsten, für rund 276 € erhältlichen Systems nach etwa sechs Jahren durch die Brennstoffeinsparung amortisieren könnte. Voraussetzung dafür ist jedoch eine Anpassung der Luftklappe: Aktuell verschließt sie das Abgasrohr zu maximal 92 Prozent, erforderlich wäre aber ein 100-prozentiger Verschluss.

Unterstützung erhielten die Institute und Unternehmen jeweils von ihren nationalen Förderern. Der deutsche Spezialist für Abgastechnik, die Kutzner + Weber GmbH, und das TFZ bekamen Mittel vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) aus dem „Förderprogramm Nachwachsende Rohstoffe“. Das Vorhaben Wood Stoves 2020 ist eines von drei Projekten, die im Rahmen des 7. Joint Calls des europäischen Forschungsnetzwerkes ERA-NET Bioenergy ausgewählt wurden.

Der englischsprachige Abschlussbericht des Gesamtverbundes und drei die Ergebnisse zusammenfassende Leitfäden stehen auf der Seite des Verbundprojektkoordinators TFZ steht hier zur Verfügung.

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