Verbundprojekt "Holzfeuerung zur Energiegewinnung in Gebäuden"

Mit nachhaltig gewonnenem Holz könnte in der Schweiz der Anteil dieser Energiequelle an der Energieversorgung von 3,8 % auf 7,3 % gesteigert werden. Damit dieses Potenzial genutzt werden kann, muss der Zielkonflikt zwischen CO2-Neutralität und Luftreinhaltung entschärft werden.

Ziel dieser Forschungsarbeit war es, das Wissen über die Bildung von Schadstoffen bei der Holzverbrennung zu vertiefen, um die optimalen Betriebsbedingungen zu bestimmen, emissionsarme Technologien zu entwickeln und Strategien für die Kontrolle der Luftverschmutzung zu erarbeiten. Das Projekt untersuchte die Nutzung von Holzenergie mit minimierten Auswirkungen auf die Luftqualität und mit einem Fokus auf der Schädlichkeit von Rauchgas, wobei sowohl primäre als auch sekundäre Schadstoffe berücksichtigt wurden.

Neun verschiedene Holzverbrennungsanlagen wurden im Forschungslabor Bioenergie der Luzerner Hochschule Technik und Architektur (HSLU) untersucht, ergänzt mit Analysen des Labors für Atmosphärenchemie am Paul Scherrer Institut (PSI). Die Brennvorrichtungen umfassten manuell betriebene Holzöfen und -kessel, einen Pellet-Ofen, einen Pellet-Kessel und einen vollautomatischen Kessel mit Schubrostfeuerung. Diese Vorrichtungen wurden mit verschiedenen Brennstoffen und unter unterschiedlichen Bedingungen betrieben, was insgesamt 51 Parameter-Settings ergab. Analysiert wurden die Rauchgasemissionen, genauer Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH4), flüchtige Organische Verbindungen ohne Methan (NMVOC), äquivalenter schwarzer Kohlenstoff (eBC), primäre organische Aerosole (POA), Stickstoffoxide (NOX), Feinstaub (PM), sekundäre organische Aerosole (SOA) sowie partikelgebundene reaktive Sauerstoffverbindungen (PB-ROS). Ausserdem wurden In-vitro-Tests zur Zytotoxizität von Rauchgasproben am Bioscience Lab der HSLU durchgeführt.

Bei der Betrachtung eines vollständigen Verbrennungszyklusses sind die Emissionen an CO, NMVOC, eBC und POA von manuellen Anlagen 3 bis 2400-mal höher als von automatischen Vorrichtungen. Manuell bediente Anlagen zeigen eine signifikante Bildung von SOA mit einem 50- bis 69-prozentigen Anteil von SOA am gesamten Feinstaub, während die SOA bei automatischen Verbrennungsanlagen und stationären Bedingungen vernachlässigbar sind. Die PB-ROS-Werte sind bei gealterten organischen Aerosolen 4- bis 20-mal höher als bei frischen Aerosolen. Das CO zeigt signifikante Korrelationen mit primären Schadstoffen (eBC, NMVOC und POA), mit SOA und mit der Zytotoxizität und gilt deshalb als ein einfach messbarer Parameter für einen ersten Anhaltspunkt zur Schädlichkeit von Rauchgas.

Bedeutung für die Forschung

Durch die Untersuchung verschiedener Verbrennungsanlagen, Betriebsbedingungen und Rauchgasparameter konnten mit dem Projekt die Auswirkungen von Technologien und Betriebsbedingungen auf die Emissionen und ihre Schädlichkeit gemessen werden. Gleichzeitig liefert das Projekt Grundlagen zur Wahl der Instrumente und Parameter für die Atmosphärenwissenschaften, Gesundheitsstudien und die Technologieentwicklung. Neben der Wichtigkeit der SOA erwiesen sich PB-ROS-Onlinemessungen als aussagekräftige Marker für die gesundheitlichen Auswirkungen. Ausserdem bestätigte sich CO nicht nur als Indikator für die Verbrennungsqualität, sondern auch als Indikator für organische Bestandteile und Zytotoxizität.

Bedeutung für die Praxis

Die geringsten Emissionen werden mit automatischen Holzverbrennungsanlagen bei hohen Temperaturen mit optimalem Luft-Brennstoff-Verhältnis erreicht. Dazu braucht es ein geeignetes Betriebsverfahren. Bei manuell bedienten Anlagen ist das Betriebsverfahren noch ausschlaggebender, und die Verwendung von ungeeignetem Brennstoff, Luftdrosselung oder andere Fehlfunktionen sind zu vermeiden.

Wood combustion for energy in buildings

Zu diesem Verbund gehören folgende zwei Forschungsprojekte

Wood combustion for energy in buildings Part 1: Technologies to minimise pollutant formation

• Prof. Thomas Nussbaumer, Technik und & Architektur, Hochschule Luzern

Toxicity and impact of aerosol formation from wood combustion on ambient air

• Dr. Josef Dommen, Labor für Atmosphärenchemie, Paul Scherrer Institut, Villigen