Weniger Feinstaub aus Kaminen und Öfen nach BImSchV-Novelle

(16.7.2010) Die Novellierung der ersten Verordnung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (1. BImSchV) trat Ende März in Kraft. Sie beinhaltet neue Grenzwerte zum Feinstaubausstoß für Öfen und Kamine sowie für Zentralheizungen. Was das für Hersteller und Betreiber von Kleinfeuerungsanlagen bedeutet, war Thema eines Workshops beim Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT. Als Institut mit umwelttechnischem Hintergrund, das im Bereich der Feinstaubreduktion forscht, macht sich das Oberhausener Institut für die öffentliche Meinungsbildung stark.

Die Wärmeerzeugung mit dem nachwachsenden Energieträger Holz steht im Spannungsfeld zwischen ...

• den Forderungen an eine nachhaltige und Klima schonende Energieversorgung auf der einen Seite und
• der potenziell gesundheitsschädlichen Feinstaubemission auf der anderen Seite.

Der Ausbau der Kapazitäten an Holz-Kleinfeuerungsanlagen geht daher mit einem vermehrten Feinstaubausstoß aus diesen Anlagen einher.

Derzeit sind rund 14 Mio. Einzelraumfeuerungsanlagen und 0,7 Mio. Heizungsanlagen für feste Brennstoffe in Deutschland installiert, Tendenz steigend. Mit Zunahme der Anlagenzahl und der Intensivierung der Nutzung (bedingt durch steigende Öl- und Gaspreise) haben auch die durch die Anlagen verursachten Staubemissionen in den letzten Jahren zugenommen.

Um einem weiteren Anstieg der Schadstoffbelastung durch die Holz- und Biomasseverbrennung entgegenzuwirken und die vorhandene Belastung zu reduzieren hat die Bundesregierung die 1. BImSchV überarbeitet, die die gesetzlichen Anforderungen zum Betrieb von kleinen und mittleren Feuerungsanlagen vorschreibt. Die Verordnung wurde am 3. Dezember 2009 im Bundestag verabschiedet und ist am 1. Februar 2010 im Bundesgesetzblatt 2010 Teil I Nr. 4, Seite 38 veröffentlich worden. Am 22. März 2010, sieben Wochen nach der Publikation im Bundesgesetzblatt, trat die Verordnung in Kraft.

Bedeutung für Hersteller und Betreiber von Kleinfeuerungsanlagen

Fraunhofer UMSICHT bietet mit seiner Veranstaltungsreihe "UMSICHT: Zur Sache" seit 10 Jahren Workshops an, die wissenschaftlich-technische Sachverhalte verständlich erläutern. Am Tag der Verabschiedung der Verordnung wurde im Rahmen eines Workshops der Reihe thematisiert, was dies für Hersteller und Betreiber von Kleinfeuerungsanlagen bedeutet. Die Ergebnisse des Workshops sind nachfolgend zusammengefasst.

1. BImSchV – Konsequenzen der neuen Regelungen

Als erster Referent zeigte Dipl.-Ing. Hans-Peter Ewens, zuständig im Referat Anlagenbezogene Luftreinhaltung des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit für die Novelle der 1. BImSchV, die Konsequenzen der neuen Regelungen auf.

Kleine und mittlere Festbrennstofffeuerungsanlagen der Haushalte und Kleinverbraucher sind eine bedeutende Quelle für besonders gesundheitsgefährdende Stoffe wie Feinstaub und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK). Rund 97% des Gesamtstaubs aus Kaminen und Öfen besteht aus Feinstaub.

Ewens stellte dar, dass rund 17% der deutschen Haushalte über Möglichkeiten der Holzverbrennung verfügen. In Privathaushalten werden jährlich rund 14 Mio. m³ Waldholz zur Wärmeerzeugung genutzt, dies entspricht etwa 1/3 des jährlichen Holzeinschlages. Die Tatsache, dass die private Holznutzung seit dem Jahr 2000 um rund 60 bis 80% gestiegen ist, führte dazu, dass erstmals im Jahr 2004 mehr Emissionen aus Haushaltsheizungen als aus Abgasen des Straßenverkehrs stammten.

Hauptverursacher von Feinstäuben sind

• Einzelraumfeuerstätten für feste Brennstoffe (>50% vor 1988 aufgestellt),
• neue Einzelraumfeuerstätten mit schlechter Feuerungstechnik und
• alte Scheitholzfeuerungsanlagen.

Als Faustfaktor gilt dabei, dass mit steigendem Alter der Anlagen die Feinstaubemissionen wachsen. Berechnungen des HKI Industrieverband Haus-, Heiz und Küchentechnik e.V. aus dem Jahr 2007 zeigen, dass die rund 2,2 Mio. Einzelraumfeuerungsanlagen, die zwischen 1976 und 1985 aufgestellt wurden, mit rund 5.700 t Feinstaub pro Jahr deutlich mehr Feinstaub erzeugen als die rund 5,5 Mio. Anlagen, die zwischen 1996 und 2005 aufgestellt wurden, deren Feinstaubproduktion bei 2.300 t/Jahr liegt.

Ziel der Novelle

Vorrangiges Ziel der Novellierung der ersten Verordnung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes sei es deshalb, die Emissionsgrenzwerte von Feuerungsanlagen für feste Brennstoffe dem heutigen Stand der Technik anzupassen. In der Verordnung wird u.a. festgelegt, unter welchen Bedingungen Kamin- und Kachelöfen, Herde und offene Kamine betrieben werden dürfen. Als zentrale Punkte der 1. BImSchV gelten die Neuregelung der Grenzwerte für alle Feuerungsanlagen für feste Brennstoffe und die Sanierungsregelung für bestehende Einzelraumfeuerungen und zentrale Heizungsanlagen.

Die Einführung neuer Emissionsgrenzwerte für Staub und CO erfolgt in zwei Stufen.

• Die erste Stufe gilt ab dem Inkrafttreten der Verordnung. Der Staubgrenzwert für zentrale Heizanlagen liegt nicht mehr bei 0,15 g/m, sondern bei 0,06 g/m³ für Pelletfeuerungen und bei 0,1 g/m³ bei allen übrigen Anlagen. Kohlefeuerungen müssen einen Grenzwert von 0,09 g/m³ einhalten. Der CO-Grenzwert orientiert sich an der Größe der Anlage und der Art des Brennstoffs und wurde von 0,5 bis 4 g/m³ auf 0,3 bis 1,0 g/m³ gesenkt.
• Die zweite Stufe wird für Anlagen gelten, die nach dem 31.12.2014 errichtet werden. Eine Ausnahme wurde für Anlagen gemacht, die Scheitholz als Brennstoff einsetzen. Die zweite Stufe gilt hier erst 2 Jahre später. Generell müssen in der zweiten Stufe der Verordnung alle zentralen Heizanlagen einen Staubgrenzwert von 0,02 g/m³ und einen CO-Grenzwert von 0,4 bzw. 0,3 g/m³ einhalten. Für Einzelraumfeuerungen gibt es gesonderte Grenzwerte für die erste und zweite Stufe.

Die genauen Grenzwerte und weitere Bestimmungen sind der Homepage des BMU unter bmu.de/luftreinhaltung/downloads/doc/39616.php zu entnehmen

Übergangsregelungen

Für bereits bestehende Anlagen für feste Brennstoffe, ausgenommen Einzelraumfeuerungsanlagen, gelten Übergangsregelungen zur Erreichung der Grenzwerte der ersten Stufe. In der Regel haben bestehende Anlagen einen Bestandsschutz von mindestens 20 Jahren nach Errichtung bis sie die neuen Grenzwerte der ersten Stufe einhalten müssen. Bis dahin gelten die bisherigen Grenzwerte für Anlagen mit mehr als 15 kW Nennwärmeleistung. Für Anlagen, die behandeltes Holz, Stroh und Getreide verbrennen, gelten gesonderte Grenzwerte.

Die Einhaltung der Grenzwerte muss bis zum 31.12.2011 von einem Schornsteinfeger nachgewiesen werden.

Für Einzelraumfeuerungen für feste Brennstoffe ist der Übergang gesondert geregelt. Bis zum 31.12.2013 muss entweder durch eine Prüfstandsmessbescheinigung des Herstellers oder durch eine Vor-Ort-Messung des Schornsteinfegers nachgewiesen werden, dass die Feuerung Grenzwerte von 150 mg/m³ Staub und 4 g/m³ Kohlenmonoxid einhalten kann.

Ist der Nachweis nicht möglich, muss die Anlage zu einem vorgeschriebenen Datum (in Abhängigkeit vom Datum des Typenschilds) mit einer bauartzugelassenen Einrichtung zur Staubreduzierung nachgerüstet oder außer Betrieb genommen werden.

Uneingeschränkten Bestandschutz haben nicht gewerblich genutzte Herde und Backöfen, die ausschließlich der Zubereitung von Speisen dienen und jeweils eine Nennwärmeleistung unter 15 Kilowatt haben. Sie gelten zudem nicht für Einzelraumfeuerungsanlagen, die die einzige Heizanlage in einer Wohnanlage darstellen, für Badeöfen, für offene Kamine sowie für Einzelraumfeuerungsanlagen, die vor dem 1. Januar 1950 hergestellt oder errichtet wurden.

In Deutschland wären 4,5 Mio. Einzelraumfeuerungsanlagen von einer Nachrüstung oder einem Austausch betroffen. Der Zeitpunkt der Nachrüstung bzw. des Austausches richtet sich jedoch aufgrund Übergangsregelungen nach dem Alter der Anlage.

Weiterhin erläuterte Ewens, dass der Geltungsbereich für zentrale Heizungsanlagen für feste Brennstoffe mit einer Nennwärmeleistung von 15 kW auf 4 kW gesenkt wurde. Zudem wurde erstmalig Getreide als Regelbrennstoff aufgenommen sowie durch eine Öffnungsklausel die Möglichkeit geschaffen, neue Brennstoffe auf Basis Nachwachsender Rohstoffe zur Energieerzeugung zu nutzen. Voraussetzung ist, dass der Brennstoff genormten Qualitätsanforderungen entspricht und die durch die Verbrennung entstehenden Emissionen vorgeschriebene Grenzwerte nicht überschreiten.

Definition der Schornsteinfegerarbeiten

Des Weiteren definiert die Novelle die Schornsteinfegerarbeiten von Festbrennstoffanlagen. Danach besteht für Heizungsanlagen eine Beratungspflicht für Betreiber. Neue Heizungsanlagen ≥ 4 kW müssen bei Inbetriebnahme und anschließend alle 2 Jahre überwacht werden. Auch bestehende Heizungsanlagen sind zu überwachen. Zudem muss die Holzfeuchte bei erstmaliger Inbetriebnahme und wiederkehrend durch den Schornsteinfeger überprüft werden.

Bei Einzelraumfeuerungsanlagen besteht ebenso eine Beratungspflicht für Betreiber. Bei der Feuerstättenschau für neue und bestehende Anlagen müssen sie auf ihren technischen Zustand überprüft werden, ebenso ist auch hier die Holzfeuchte bei erstmaliger Inbetriebnahme und wiederkehrend zu überprüfen.

Zudem verlängern sich die Prüfintervalle für Öl- und Gasheizungen auf 3 Jahre für Anlagen, die weniger als 12 Jahre betrieben werden, bzw. auf 2 Jahre für Anlagen, die über 12 Jahre betrieben werden. Zudem wird die Grenze überwachungspflichtiger Öl- und Gasheizungen von 11 auf 4 kW gesenkt.

Chancen und Risiken der Neuen Verordnung aus Sicht eines Ofenbauers

Dipl.-Ing. Uwe Striegler, Mitglied des EFA-Vorstandes ist Fachgruppenleiter für den Bereich Kaminöfen und bei der Fa. Hark GmbH & Co. KG verantwortlich für Einkauf und Entwicklung von Kaminen und Kaminöfen. Er schilderte die Chancen und Risiken der neuen Verordnung aus der Sicht eines Ofenbauers und machte deutlich, dass die Kosten der technischen Umrüstung für den Endkunden bisher noch nicht abschätzbar seien. Es gäbe bereits einige Lösungen mit großen Preisspannen auf dem Markt, wie z.B. den kostengünstigen Feinstaubkeramikfilter der Fa. Hark oder andere wesentlich aufwändigere Systeme.

Anmerkung dazu: Die Bundesregierung geht davon aus, dass "auf die Verbraucher keine großen Kosten zukommen. Wer erstmalig eine Kleinfeuerungsanlage errichte, habe nur mit geringfügigen Mehrkosten zu rechnen, heißt es in der Verordnung. Für Betreiber von Altanlagen würden sich die Kosten einmalig auf schätzungsweise 100 bis 500 Euro im Durchschnitt belaufen". (Quelle: bundestag.de/dokumente/textarchiv/2009/27990460_kw49_immissionsschutz/index.html)

Striegler befürchte weiter, dass den Herstellern erhebliche Kosten durch Konstruktion, Prüfverfahren, Geräteprüfungen, Logistik etc. entstehen. Weiterhin sieht der Ofenbauer Schwierigkeiten in der Realisierung von Emissionsschutzmaßnahmen, da es aufgrund der Formenvielfalt der Ofenkörper und der Geometrie der Feuerräume schwierig bzw. teilweise nicht möglich sei, einen Feinstaubfilter einzubauen. Aufgrund dessen setze die Fa. Hark auf die Entwicklung neuer Feuerräume und neuer Filtertechnik. Für den nachträglichen Anschluss eines Filtersystems werden derzeit die Zulassungsgrundsätze erarbeitet.

Technische Möglichkeiten zur Reduzierung von Feinstaubemissionen aus Holzfeuerungsanlagen

Dipl.-Ing. Volker Lenz, Bereichsleiter Biomasseverbrennung am Deutschen BiomasseForschungsZentrum gemeinnützige GmbH, Leipzig, beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit Maßnahmen zur Unterstützung eines verstärkten Einsatzes von festen Biobrennstoffen in Kleinfeuerungsanlagen und den Möglichkeiten zur Minderung der Emissionen - insbesondere durch Feinstaub.

In seinem Vortrag betrachtete Lenz die technischen Möglichkeiten zur Reduzierung von Feinstaubemissionen aus Holzfeuerungsanlagen. Er zeigte auf, dass neben der hohen Menge besonders kleiner Partikel (rund 90% der Partikel im Abgas von Kaminöfen seien kleiner als 1 µm), die unvollständige Verbrennung und die PAK-Emission zu den kritischen Aspekten bei der Emission aus Holzöfen zählen.

Drei Hauptfaktoren beeinflussen laut Lenz die Feinstaubemission:

• die Brennstoffe selbst,
• die Verbrennungsbedingungen sowie
• die technische Reduzierung vor Schornsteinaustritt.

Anhand technischer Merkmale marktüblicher Öfen für Scheitholz demonstrierte der Referent, an welchen Stellen der Betrieb von Scheitholzöfen Optimierungspotenzial bietet.

• Die manuelle Beschickung hat im üblichen oberen Abbrand Glutbettstörungen zur Folge,
• die manuelle Luftregelung kann zu Bedienfehlern führen,
• der Naturzug wiederum bringt große Schwankungen beim Zug und damit Verbrennungsstörungen mit sich.
• Die vom Kunden aufgrund optischer Aspekte meist bevorzugte große Sichtscheibe wird erkauft mit Wärmeverlusten und damit einhergehenden Störungen der Verbrennung in der Brennkammer.
• Der obere Abbrand im Scheitholzofen führt zu ungleichmäßiger Verbrennung.
• Oft sind Kamine im privaten Bereich zudem überdimensioniert wodurch "Wegkühlen" und Luftmangelbetrieb an der Tagesordnung sind.

Technische Möglichkeiten, um Emissionen zu mindern

Darauf aufbauend führte Lenz die technischen Möglichkeiten auf, die Emissionen von Öfen zu mindern. Er empfahl, auf die Qualität des Brennstoffes zu achten, beispielsweise mittels Qualitäts-Prüfungs-Zertifikaten. Da die Scheitgröße und der Feuchtegehalt des Holzes großen Einfluss auf die Staubemission haben, empfahl Lenz eine mittlere Scheitgröße sowie eine Holzfeuchte unter 20%.

Wärmeverluste über die Sichtscheiben seien künftig durch die Entwicklung von Spezialgläsern zu reduzieren. Weiterhin sei eine Überladung des Ofens leicht zu vermeiden, indem maximale Beladungshöhen gekennzeichnet oder die Brennkammer entsprechend eingeschnürt würden. Die Fehlbedienung der Luftregelung im Kaminofen sei über eine automatisierte Luftregelung auszuschließen. Eine falsche Stellung der Luftklappen im Kaminofen beeinflusst nicht nur die Feinstaubemission negativ, sondern erhöht zudem den Ausstoß an PAK deutlich. Nebenluftklappen (Zugbegrenzer) sowie aktive Luftregelung von Primär- und Sekundärluft böten hier Lösungsansätze für Einzelfeuerstätten.

Aktuelle Ofenkonzepte, die u.a. mit einer automatisierten Brennstoffzufuhr und mit einem unteren Abbrand arbeiten, seien derzeit in der Entwicklung und Verbesserung. Eine Auslastungsverbesserung durch die Einbindung des Ofens ins Heiznetz mittels Wassertaschen wäre zudem häufig sinnvoll. Sekundäre Emissionsminderungsansätze wie ...

• filternde Abscheider (z.B. Gewebefilter und Keramikfilter),
• elektrostatische Abscheider,
• Abgaskondensation (Wärmeübertrager),
• Wäscher (Füllkörperkolonnen und Sprühwäscher),
• katalytisch wirkende Filter und
• Kombinationsaggregate (z.B. Nass-E-Filter und Wäscher)

vervollständigten die Palette der technischen Möglichkeiten zur Emissionsminderung bei Holzöfen.

Seine Ziele fasste Lenz in drei Punkten zusammen: Er wünsche sich ...

1. praxisnähere Prüfregelungen, um hochwertige Geräte von einfachen Kaminöfen auch auf dem Prüfstand unterscheidbar zu machen,
2. Verbrennungsqualitäten ähnlich wie bei Stückholzvergaserkesseln und
3. Feinstaubemissionen kleiner 10 mg/Nm³.

Die Praxisrelevanz zeige, dass die Novellierung der 1. BImSchV für Einzelfeuerstellen nur der erste Schritt in die richtige Richtung sein könne, weshalb Lenz sich am Ende seines Vortrags weiter reichende politische Vorgaben wünschte.

Feinstaubreduzierung mit einem innovativen Filtersystem

Entsorgungsingenieurin Esther Stahl ist wissenschaftliche Mitarbeiter bei Fraunhofer UMSICHT. In ihrer Promotion beschäftigt sie sich mit den Einsatzmöglichkeiten metallischer Mikrosiebe zur Gasreinigung am Beispiel der Feinentstaubung von Holzfeuerungsabgasen. In ihrem Vortrag stellte sie die Ergebnisse eines kürzlich abgeschlossenen Forschungsprojekts vor, das die Entwicklung eines innovativen Filtersystems zur Reduzierung gesundheitsrelevanter Emissionen von Biomassefeuerungen zum Ziel hatte.

Neben Feinstaub auch Teere gesundheitlich relevant

Stahl erläuterte, dass neben den Emissionen von festen Feinstaubpartikeln, je nach Güte der Verbrennung und weiteren Einflussfaktoren, auch Teere in relevanten Mengen entstehen, die ein ganz wesentliches Gesundheitsgefährdungspotenzial aufweisen. Bei der Feinstaubmessung oder bei vielen Abscheidesystemen wird diese Stoffgruppe jedoch nur unzureichend erfasst, da ein Großteil der Einzelkomponenten bei den vorliegenden Temperaturen direkt hinter der Feuerung noch gasförmig ist.

Ziel des Forschungsvorhabens war daher die Entwicklung eines Sekundärentstaubungsverfahrens mit dem gesundheitsrelevante Partikel und Stoffe gezielt aus dem Abgasstrom von Holzfeuerungsanlagen entfernt werden können. Dadurch sollen künftige Staubgrenzwerte eingehalten werden. Der Fokus liegt auf größeren Anlagen zur biogenen Festbrennstoffverbrennung zwischen 30-500 kWth (Kilowatt Thermal), die mit diesem System nachgerüstet werden könnten.

Oberflächenfilter und Rauchgaswäscher kombinieren

Der Lösungsansatz besteht in der Kombination zweier Verfahren aus der Verfahrenstechnik (Oberflächenfilter und Rauchgaswäscher) zur optimalen Entfernung sämtlicher Feinstaubbestandteile (Asche, Ruß und Teer) aus dem Abgasstrom. Eine Abscheidung mineralischer Abgasbestandteile wird demnach durch metallische Mikrosiebe erreicht, die weitgehend temperatur- und korrosionsbeständig sind. Aufgrund ihrer Isoporen sollen die Mikrosiebe einen direkten Rückhalt der Feinstaubpartikel an der Sieboberfläche gewährleisten können. Zudem bestehe nur eine sehr geringe Gefahr der inneren Verblockung des Filtermediums. Das Wäschersystem wird mit einem organischen Lösemittel betrieben, das im Abgasstrom enthaltende Teere fast vollständig absorbiert.

Abscheidegrade von über 90% erreichbar

Stahl stellte die Entwicklungsschritte der einzelnen Verfahren (Mikrosiebfilter und Wäscher) von der Konzeption bis zur Erprobung und Optimierung an einem einfachen Holzofen und einer 200 kW-Hackschnitzelanlage vor. Zentrale Punkte seien ...

• die erzielten Staubabscheidegrade (masse- und anzahlbezogen),
• der Verlauf des Differenzdrucks und
• die Teerabscheidung.

Mit dem Gesamtsystem, bei Verwendung beider Filter hintereinander, konnten nach einer sehr kurzen Betriebszeit von einer halben Stunde anzahlbezogene Abscheidegrade von über 90% erreicht werden. Die Staubreingaskonzentration lag im Mittel bei 19 mg/Nm³, mit sehr geringen Schwankungsbreiten.

Das entwickelte System zeichnet sich durch eine hohe Feinstaubabscheidung aus, die flexibel an bestehende Feuerungssysteme angepasst werden kann. Auch die Integration des Systems in den Abgasweg von Einzelfeuerstätten oder in Heizanlagen mit problematischen Brennstoffen wie Stroh oder Getreide ist denkbar.

Künftig wird bei Fraunhofer UMSICHT ein weiterer Versuchsstand, bestehend aus einer 200 kW-Biomassefeuerung, errichtet. Daran werden beide Abscheidesysteme weiterentwickelt und neue Konzepte getestet.

Resümee

Die Novellierung der 1. BImSchV schafft aufgrund der Neuregelung der Staubgrenzwerte, der Sanierungsregelung für Altanlagen und der höheren Gewichtung der Überwachung des Betriebes wichtige Voraussetzungen zur dauerhaften Senkung von Feinstaubemissionen aus kleinen und mittleren Holz- und Biomassefeuerungen.

Auch gibt es bereits einige technische Möglichkeiten zur Reduzierung der Feinstaubemissionen dieser Anlagen, sei es durch Primärmaßnahmen wie die Optimierung der Verbrennungsführung oder durch Sekundärmaßnahmen wie nachgeschaltete Abscheider.

Damit ist die energetische Biomassenutzung gerade zur dezentralen Energieversorgung auf einem guten Weg, nachhaltig ihren wichtigen Beitrag zur Lösung globaler Klimaschutzziele auszubauen.

Gemeinsames Ziel der Bemühungen von Industrie, Wissenschaft und Politik muss es jedoch weiter sein, die Emissionen der Biomasseverbrennung und damit eine potenzielle Gesundheitsgefährdung langfristig zu minimieren. Dazu sind weitere intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeiten nötig, die die Fragen zur realen Gesundheitsgefährdung durch Feinstaubemissionen aber auch zu weiteren Parametern wie PAK und deren messtechnischer Erfassung beantworten und helfen zielgerichtete, effiziente Minderungsmaßnahmen zu entwickeln.