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Universität Stuttgart zu Emissionen moderner Heizkessel

(18.3.2010) Die Feinstaubemissionen moderner Ölheizungen sind bemerkenswert gering. Beim Betrieb mit schwefelarmem Heizöl liegt die Feinstaubbelastung von Ölheizungen sogar auf vergleichbar niedrigem Niveau wie die von Erdgasheizungen. Holzpelletheizungen hingegen verursachen bis zu 1200mal mehr Feinstaub als Öl- und Gasheizgeräte. Und auch beim Ausstoß von Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxiden (NOx) schneiden Öl- und Gasheizkessel deutlich besser ab als Pelletheizungen - das sind zentrale Ergebnisse einer Studie, die im Auftrag des Instituts für wirtschaftliche Oelheizung e.V. (IWO) an der Universität Stuttgart durchgeführt wurde.

Unter der Leitung von Dr. Michael Struschka wurden am Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK) in einer über vier Jahre laufenden Versuchsreihe die Feinstaubemissionen sowie gasförmige Emissionen von Heizkesseln im kleinen Leistungsbereich bis 20 kW mit den Brennstoffen Heizöl EL, Heizöl EL schwefelarm und Bioheizöl sowie Erdgas H und Holzpellets ermittelt.

Wärmebedarfsprofile simulieren realitätsnahen Betrieb

Die Testreihe beschränkte sich nicht, wie sonst meist üblich, auf den stationären Dauerbetrieb mit voller Auslastung der Heizkessel ohne Start-Stopp-Vorgänge. Dieser Betriebszustand ist für die tatsächlichen Einsatzbedingungen eines Heizkessels zur Gebäudebeheizung wenig repräsentativ. Denn in der Realität schwankt der vom Heizkessel abzudeckende Wärmebedarf bedingt durch Tages- und Jahreszeiten stark und hängt sowohl von der Außentemperatur als auch vom Nutzerverhalten ab. Zudem wird die volle Auslastung des Heizkessels im realen Betrieb höchstens an wenigen, besonders kalten Wintertagen erreicht. Deshalb wurde in dieser Versuchsreihe auch der Betrieb mit drei unterschiedlichen Wärmebedarfsprofilen und daraus resultierender taktender Betriebsweise simuliert.

Zentrales Ergebnis: Sowohl im stationären Dauerbetrieb als auch unter Berücksichtigung der Start- und Stopp-Vorgänge im realitätsnahen Betrieb liegen die Schadstoffemissionen bei modernen Öl- und Gasheizungen auf einem sehr niedrigen Niveau.

Anders beim Pelletkessel: Der gemessene Ausstoß von Feinstaub liegt hier durchweg erheblich höher als beim Öl- oder Gaskessel und soll im realitätsnahen Betrieb gegenüber dem eher unrealistischen Dauerbetrieb sogar noch einmal deutlich zunehmen. So liegen beim Pelletkessel im günstigeren Fall des stationären Dauerbtriebs die Feinstaubemissionen mit 74 Milligramm pro Kilowattstunde (mg/kWh) um den Faktor 430 höher als beim mit Heizöl EL schwefelarm betriebenen Ölkessel (0,17 mg/kWh). Beim Betrieb mit dem Wärmebedarfsprofil, das einen kalten Wintertag mit einer Kesselauslastung von 44 Prozent repräsentiert, haben die Forscher beim Pelletkessel sogar bis zu 1200mal mehr Feinstaub (114 mg/kWh) als beim Ölkessel mit schwefelarmem Heizöl (0,09 mg/kWh) gemessen. Diese Zunahme der Staubemissionen des Pelletkessels beim Betrieb mit Wärmebedarfsprofilen führen die Wissenschaftler der Universität Stuttgart vor allem auf das unter Emissionsgesichtspunkten ungünstige Startverhalten des Pelletkessels zurück, das beim Betrieb mit schwankendem Wärmebedarf natürlich häufiger auftritt.

Je geringer der Schwefelgehalt, desto geringer die Feinstaubbelastung

Bei der Verbrennung von Heizöl und Erdgas sind Schwefelsäuretröpfchen die Hauptquelle für die Staubentwicklung. Diese entstehen in geringer Konzentration aus der Umwandlung des im Brennstoff enthaltenen Schwefels in Schwefeltrioxid beziehungsweise Schwefeldioxid. Die Stuttgarter Forscher bezeichnen diese Form des Staubs als kondensierbaren Staub. Zusammen mit dem so genannten filtrierbaren Staub, der aus Ruß- und Aschepartikeln besteht, ergibt sich die Gesamtstaubmenge.

Da der kondensierbare Staub eine Folge des Schwefelgehalts im Brennstoff ist, nimmt die Staubmenge ab, je geringer der Schwefelgehalt im Heizöl ist. Daher ist es nicht überraschend, dass die Gesamtstaubemissionen bei der Verbrennung von schwefelarmem Heizöl mit und ohne die Beimischung von Biodiesel auf dem vergleichbar niedrigen Niveau der Verbrennung von Erdgas liegen.

Beim Pelletkessel wurde der kondensierbare Staub nicht separat erfasst. Denn aufgrund der abweichenden Abgaszusammensetzung gehen die Forscher davon aus, dass dieser im gemessenen Gesamtstaub enthalten ist.

Auch gasförmige Emissionen auf niedrigem Niveau

Die Studie zeigt auch, dass Öl- und Gasheizungen darüber hinaus erheblich weniger Kohlenmonoxid (HEL schwefelarm: 9 mg CO/kWh; Erdgas H: 57 mg CO/kWh) sowie Stickoxide (HEL: 80 mg NO₂/kWh; Erdgas H: 48 mg NO₂/kWh) ausstoßen als Pelletkessel (im Dauerbetrieb 658 mg CO/kWh, 262 mg NO₂/kWh) - siehe Tabelle mit weiteren Werten.

Versuchsaufbau und -umsetzung

Getestet wurden die Brennstoffe Heizöl EL Standard, Heizöl EL schwefelarm Heizöl EL schwefelarm mit fünfprozentiger Biodiesel-Beimischung, Erdgas H sowie handelsübliche Holzpellets. Die verwendete Heiztechnik war für Öl und Gas ein Niedertemperaturkessel mit 18 kW Nennwärmeleistung. Dieser wurde für den Heizölbetrieb mit einem Blaubrenner ausgerüstet, beim Erdgasbetrieb kam ein einstufiger Gas-Gebläsebrenner zum Einsatz. Für die Pellets nutzten die Forscher einen Dreizug-Kessel mit Unterschubbrenner und einer Nennwärmeleistung von 20 kW. Die Zündung der Pellets erfolgte automatisch beim Kesselstart mit einer elektrischen Heizpatrone.


Versuchsaufbau

Neben dem Betrieb mit konstanter Leistung ohne Start-Stopp-Vorgänge wurden die Emissionen auch beim Betrieb mit Wärmebedarfsprofilen bestimmt. Es wurden drei Wärmebedarfsprofile zugrunde gelegt, die kalte, mittlere und milde Wintertage repräsentieren. Der angenommene tägliche Heizbetrieb lag bei 16 Stunden ohne Warmwassererzeugung. In der Praxis entspricht dies einem Heizbetrieb mit Nachtabsenkung.

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