Entwicklung von Pelletheizanlagen

Entwicklung von Pelletheizanlagen
- Erfahrungen und Ausblick

von Herrn Prok. Ing. Günther Huemer -
GUNTAMATIC Heiztechnik GmbH - A-4722 Peuerbach



Nachfolgend erhalten Sie einen groben Überblick über den Aufbau und die Funktionsweise von modernen Holzpellets-Verbrennungsanlagen im Kleinstleistungsbereich. Diese Anlagengröße stellt das größte Potential zukünftiger Biomasseheizungen:

1) Grundlagen über die Pelletsverbrennung

Bei der Holzverbrennung kennt man folgende Zustände, welche bei den automatischen Anlagen auf engstem Raum ablaufen und deshalb oft nicht klar getrennt werden können:

Erwärmung und Trocknung:
Wenn die einzelnen Holzpellets aus dem Schneckenkanal in die Reaktionszone fallen, findet im Fallschacht bei Temperaturen über 100 - 850 °C im Holz die Vortrocknung des Materials statt, indem das im Holz gebundene Wasser verdampft.
Pyrolyse oder Entgasung: In der schamottierten Reaktionszone (im Glutbereich), bei Temperaturen von ca. 800 °C findet die chemische Zersetzung des Holzes statt. Man spricht bei diesen hohen Temperaturen von einer CO-Verbrennung (Schwelgasverbrennung).
In diesem Bereich ist ein gleichmäßiges Temperaturniveau unter Sauerstoffmangel gegeben. Je nach Reinheit der Holzpellets, nach Korngröße und nach Atmosphäre ergeben sich verschiedene Ascheschmelzpunkte (Holz normal 1150 °C). Die Überschreitung der Ascheschmelzpunkte führt zu einem extremen Angriff auf Feuerraumauskleidungen und zum Verkleben der Ascherückstände. Bereits bei Temperaturen von über 800 °C ist ein stärkerer Angriff auf das Feuerraummaterial festzustellen.

Als Primärluft wird jene Luftzuführung bezeichnet, welche für diesen Schwelgasbildungsprozess benötigt wird. Diese Primärluft wird normalerweise als Luft in die Glutzone über den Rost oder bei Retortenfeuerungen über die inneren Luftöffnungen des Retortentellers eingebracht. Sie dient gleichzeitig zur Stabilisierung der Feuerraumtemperatur. Die Primärluftmenge und die Gluthöhe beeinflussen die Bildung thermischer Stickoxyde. Bei großem Glutbett mit geringer Primärluftmenge fällt der NOX-Gehalt deutlich geringer aus als bei niedrigem Glutbett und viel Primärluft.

Oxydation oder Verbrennung:
Über der Glutzone im Reaktionskanal werden die Schwelgase mit Hilfe von heißer Luft (Sekundärluft) bei Temperaturen über 1000 °C gezündet und vollständig verbrannt. Hier ist es wichtig, die Luftführungen so zu wählen, dass eine möglichst gute Durchmischung von Luft und Gas entsteht. Sich am Flammenaustritt verjüngende Düsengeometrien eignen sich optimal für bestmögliche Durchmischung von Primär- und Sekundärluft. Der Zündbereich ist ständig mit Temperatur zu versorgen. Wärmespeichernde Flammkanäle bieten gleichmäßige Verbrennungsbedingungen. Um ein optimales Ausbrennen der Gase zu ermöglichen, ist eine möglichst lange Verweilzeit in einer heißen Zone zu sichern (z.B.: keramische Nachverbrennungskammer). Leichte Nachverbrennungskammern vermindern die Startemissionen.

2) Wärmeübertragung einer modernen Holzpelletsheiz

Die Wärmeabgabe erfolgte früher und auch heute noch direkt an die umgebende Raumluft. Hierbei ist es jedoch schwierig, eine optimale Ausbeute aus den Abgasen (mit niedrigen Abgastemperaturen) sicherzustellen. Je wärmer der Raum, desto heißer werden die Abgase, speziell in den Fällen, bei denen eine stufenlose Leistungsregelung nicht möglich ist oder war. Einsatzfall: Etagenkessel, Raumheizöfen, Kachelöfen.
Im Bereich der Wärmeversorgung für mehrere Räume bzw. ganze Häuser ist es nötig, eine genau definierte Wärmeabgabe zu schaffen. Dies erfolgt über Wärmetauscher, in denen das ausgebrannte Schwelgas (Abgas) die Energie an das Heizungswasser abgibt. Wichtig ist dabei einen Wärmetauscher zu schaffen, der in einem möglichst großen Leistungsfeld optimal arbeitet. Im Normalfall sieht dies so aus, dass die meisten Bereiche wie Füll- und Brennraum mit einem Wassermantel versehen sind, jedoch nur einen geringen Teil der Wärme übergeben. Der eigentliche Wärmetausch erfolgt in einem Platten- bzw. Rohrwärmetauscher, welcher der Brennzone nachgeschaltet ist.

Um in einem möglichst großen Leistungsbereich und eine optimale Wärmeübergabe zu ermöglichen, d.h. eine Abgastemperatur zwischen 130 und 200 °C zu halten, wäre neben einer optimalen Verbrennungssteuerung eine leistungsabhängige Wärmeabgabe ideal. Der Wärmetausch kann idealerweise durch einen Rohrwärmetauscher mit Wirbulatoren erfolgen. Im Nennlastbereich hat die Anlage eine hohe Gasgeschwindigkeit. Beim Eintritt des Abgases in die Wirbulatoren wird das Abgas durch die Fliehkraft stark nach aussen gedrückt, d. h. viel Wärme wird abgegeben. Die Abgastemperatur hält sich unter 200 °C. Im Schwachlastbereich haben die Anlagen eine niedrige Gasgeschwindigkeit - es strömt mehr durch die Mitte der Wirbulatoren, man kann die Abgastemperatur auf 130 °C halten und gibt weniger Wärme ab (kein Sotten).
Wichtig ist es, den Wärmetauscher sauber zu halten. Jede Rußschicht wirkt wie eine Isolierschicht, verhindert die Übergabe an das Heizungswasser und bedeutet somit Wirkungsgradverluste. Neu bei Holzheizsystemen ist die Berücksichtigung der Kesselwassertemperatur. War es bisher so, dass es genügte, die Abgastemperatur in vernünftigen Grenzen zu halten, so wird bei neuesten Anlagen auch die Kesselwassertemperatur gleitend anhand der benötigten Heizleistung mitgeregelt. Dafür ist jedoch eine spezielle Wärmetauscherkonzeption notwendig.

3) Bauliche Voraussetzungen für eine Pelletsanlage

Die baulichen Voraussetzungen sollten anhand des Wärmebedarfes des jeweiligen Objektes angepaßt werden. Der Heizraum sollte sich direkt neben dem Lagerraum befinden. Das Heizgerät sollte an der Lagerraumwand aufgestellt werden können (passender Kaminanschluß), sodass eine möglichst direkte Schneckenaustragung gewährleistet wird. Die Größe des Rohrlagerraumes empfiehlt sich bei 15 kW Anlagen mit ca. 15 m⊃3; = ca. 1m⊃3;/kW. Der Lagerraum ist auf jeden Fall gegen Feuchtigkeit von aussen zu schützen. Er ist so zu gestalten, dass die alten Holzpellets trotz Nachtanken vollständig entleert werden (schräger Boden zu Schnecke hin fallend). Die Lagerraumtüre ist staubdicht zu gestalten und gegen Pellets zu schützen. Einblaskupplungen sind von aussen gut zugänglich einzumauern bzw. in Fensteröffnungen zu integrieren (Achtung! Kupplungen müssen innen 100% glatt sein). Gegenüber der Kupplung muss eine Gummimatte als Prallschutz eingebaut werden (bei Wandabständen unter 4m). Der Lagerraum ist brandsicher zu gestalten. Saugleitungen in den Lagerraum müssen rückbrandsichere Sicherheitsabschottungen aufweisen. Der Schneckenwanddurchgang sollte isoliert (keine Schallübertragung) ausgeführt werden.

Der Kamin ist so zu dimensionieren, dass der vom Kessel benötigte Unterdruck (Sog) erreicht wird, das heißt: die Auslegung des Kamins muss immer auf den Holzkessel abgestimmt werden. Für ein modernes Holzverbrennungssystem ist ein konstanter Kaminzug sehr wichtig. Dieser kann durch den Einbau eines Kaminzugreglers sichergestellt werden. Es handelt sich hier um eine Klappe, welche bei zu großem Unterdruck aufgesaugt wird und sich die benötigte Luft als Nebenluft vom Heizraum holt. Der am Kessel wirksame Kaminzug bleibt stabil. Der Zugregler ist direkt in den Kamin oder in das Rauchrohr, jedoch nicht in Ventilatornähe (Überdruck) einzubauen.

4) Konstruktiver Aufbau einer Pelletszentralheizun

Einteilung nach dem Feuerungsaufbau:

Unterschubfeuerung:
Systeme - bei welchen die Holzpellets über eine sogenannte Stockerschnecke in eine meist schamottierte Verbrennungszone gefördert (geschoben) werden. Die Primärluftzuführung erfolgt meist über einen Stahl-Rost. Die Nachverbrennung erfolgt in den schamottierten Brennzonen durch Sekundärluftbohrungen, über welche das Schwelgasgemisch mit Nachverbrennungsluft durchmischt wird.

Retortenfeuerung:
Systeme, bei welchen die Holzpellets über eine Förderschnecke in ein Stahlteller gefördert (geschoben) werden. Die Verbrennung erfolgt auf dem Stahlteller, in welchem die Primärluft zugeführt wird. Die Nachverbrennung erfolgt über einen Sekundärluftring über der Verbrennungszone, in welchem das Schwelgasgemisch mit Nachverbrennungsluft durchmischt (durchblasen) wird.


Fallsystem:
Anlagen, bei denen die Holzpellets über eine Schnecke hochgefördert werden und dann über einen Fallschacht in die Verbrennungszone fallen. In der Verbrennungszone entgasen die Pellets mit Hilfe von Primärluft auf einem Rost. Die Nachverbrennungsluft wird in einem aufgesetztem Verbrennungszylinder beigemischt.


Vorteile:
die Pellets in der Schnecke stehen niemals in Verbindung mit der Glutzone, ein schnelles und emissionsarmes Abstellen der Anlage ist gewährleistet
die Pellets beginnen bereits während des Einfallens zu glühen und liegen als homogenes unverdichtetes Glutbett auf dem Rost, durch welchen sie optimal und gleichmäßig mit Luft durchströmt bzw. entgast werden. Dies hat eine restlose Verbrennung zur Folge, wobei die Asche nach vollständigem Ausbrand über den Verbrennungszylinder mitgesaugt wird und üblicherweise in eine Aschebox abrieselt.
weitgehend verschleißfreie Konstruktionen aus schamottartigen Materialien möglich
beste Verbrennungswerte
automatische Rostreinigung möglich

Nachteil
Füllstandsüberwachung in einfacher Bauform nicht möglich. Überwachung über Lambdasonde bzw. optische Überwachung.

Einteilung nach dem Aufbau der Anlage:

Pelletskompaktstationen:
Pelletsanlagen - bei welchen Wärmetauscher und Verbrennungsteil untrennbar zusammengebaut sind. Diese kompakte Bauform ermöglicht eine optimale Abstimmung der Funktionalität einzelner Anlagenkomponenten.

Pelletsbrenner - Anbaugeräte:
Pelletsanlagen - bei welchem der Brenner als eigenständige Einheit in einen beliebigen Kessel eingebaut werden kann. Optimale Nachrüstmöglichkeit auch für bestehende Anlagen. Jedoch schlechtere Abstimmung und Funktionalität der einzelnen Bauteile.

Einteilung nach der Betriebsweise:

Konstanttemperaturbauweise:
Pelletsanlagen - bei welchen die Verbrennungsregelung eine konstant bleibende Kesselwassertemperatur zur Folge hat. Die Anlagen arbeiten mit stufenloser Leistungsanpassung und versuchen eine voreingestellte Kesseltemperatur zu halten. Zum Schutz gegen Kondensat-Korrosion ist eine wirksame Rücklauftemperaturhochhaltung zu installieren.

Niedertemperaturbauweise:
Neuartiges Konstruktionsprinzip: Hierbei wird der Wärmetauscher konstruktiv so ausgeführt, dass das rücklaufende Kesselwasser stufenweise vorerwärmt wird und erst nach vollständiger Erwärmung auf die Vorlauftemperatur mit den Wärmetauscherflächen in Berührung kommt. Dadurch wird auch bei niedrigsten Kesseltemperaturen ein Unterschreiten der Taupunktgrenze gewährleistet. Diese Bauweise bedingt im Normalfall eine Gegenstromkonstruktion. Als Vorteil kann bei dieser Bauweise die Kesseltemperatur anhand des Aussentemperaturwertes bzw. Wohnraumwertes bis auf 38 °C abgesenkt werden. Das bedeutet: mögliche Einsparungen an Abstrahlverlusten (Kessel, Leitungen, Mischer) bis über 300 W, was bei 3 KW Leistung ein Wirkungsgradplus bis über 10% ergibt.

Einteilung nach der Luftführung

Überdruckkonstruktion:
Die Zuführung von Primär- und Sekundärluft erfolgt über Druckgebläse. Durch einzelne Düsen kann bei dieser Konstruktion die Luft optimal dosiert werden, eine optimale Durchmischung mit Sekundärluft kann auch bei größeren Verbrennungsräumen erfolgen. Der im Feuerraum herrschende Überdruck birgt jedoch die Gefahr eines Rückbrandes, wenn der erforderliche Kaminzug fehlt. Weiters kann es zum Zurückrauchen (stauen) im Startbetrieb führen.

Unterdruckkonstruktion:
Die Zuführung von Primär- und Sekundärluft erfolgt über ein Saugzuggebläse, welches drehzahlgeregelt angesteuert wird und so die Luftmenge dosiert. Diese Konstruktion erfordert engere Durchmesser im Feuerraumbereich, um eine optimale Durchmischung von Luft und Gas zu erreichen. Der Hauptvorteil liegt in einer höchst möglichen Rückbrandsicherheit und in einer rückstaufreien Betriebsweise.

Einteilung nach den Raumaustragungsvarianten:

Tages- oder Wochenbehälterausführung:
Ein angebauter Behälter wird händisch durch den Betreiber gefüllt und reicht je zu beheizender Wohnfläche und Aussentemperatur bis zu einem Monat. Im Idealfall wird über Anzeige am Kessel oder Fernanzeige der Betreiber über die Unterschreitung eines Mindestfüllstandes informiert. In diesem Fall sollte die Anlage auf Frostüberwachung weiterlaufen. Die Schnecke darf niemals entleert werden, um eine störungsfreie Weiterführung des Betriebes zu gewährleisten.

Austragungsschnecke:
Ein automatischer Komfort kann durch eine direkte Austragung aus dem Lagerraum mittels Austragungsschnecke erreicht werden. Bei dieser Lösung muss der Lagerraum direkt an den Kesselraum anschließen. Eine rückbrandsichernde Maßnahme wie Zellradschleuse, Rückbrandschleuse bzw. Sprinklereinrichtung ist erforderlich. Die Austragungsschnecke ist die einfachste Lösung der Raumaustragung. Sie ist problemlos, weitgehend verschleißfrei und annähernd geräuschlos. Die Bauart der Schnecke sollte einen optimalen Füllgrad von etwa 60% sicherstellen. Der Lagerraum muss mit einem schrägen Boden versehen werden um ein Nachrutschen der Pellets zur Schnecke hin zu gewährleisten. Folgende Schneckenlösungen werden angeboten:

Gerade Förderschnecke:
zweifach gelagerte Förderschnecke mit Druckabstützungsprofil, um die Schnecke vom Pelletsdruck zu entlasten. Vorteil: optimale Schneckenlösung in Bezug auf Geräusch, Verschleiß und schonende Förderung. Nachteil: Verlust von Raumhöhe durch die steigende Anordnung zum Kessel.

Biegsame Schnecken: Möglichkeit verschiedenste Anschlußsituationen zu bewältigen, jedoch sehr hoher Verschleiß am Schneckenrohr.


Saugeinrichtungen:

A) Über Wochenbehälter:
Ein in den Wochenbehälter eingebauter Zyklon mit dicht schließender Klappe wird in einzelnen Saugetappen vollgesaugt und in den Wochenbehälter entleert, bis das benötigte Volumen nachgesaugt ist.

B) Über Tagesbehälter: Ein Zyklon, welcher den Tagesverbrauch einer Anlage beinhaltet, wird in einem Saugvorgang nachgesaugt. (Ideale Lösung - kurze Saugzeiten)

Saugentnahmeeinheiten:

A) Lanze:

Über eine Sauglanze (evtl. mit integrierter Rütteleinheit ) werden die Pellets gelockert und in den Behälter abgesaugt. Eine Lanze ist keine Lösung zur vollständigen Pelletentnahme, sondern muss umgesteckt werden können. Vor dem Nachtanken ist dafür Sorge zu tragen, dass die verbleibenden Pellets zusammengeschaufelt und vor den neuen Pellets entnommen werden. (Gefahr der Brückenbildung bei Sauglanzen)



Saugsystem mit Lanze

B) Dosierschnecke:

Über eine doppelt gelagerte Schnecke werden die Pellets aus dem Lagerraum in eine Saugschleuse befördert, von wo aus diese mit einem Füllgrad von ca. 60% in den Behälter gesaugt werden. Systeme mit und ohne Retourluft. (Achtung: Pellets dürfen während des Saugvorganges nicht erwärmt werden, ansonsten Feuchtigkeitsaustritt und Staubbelegung)

5. Emissionen und Wirkungsgrad an modernen Entwick

Letztendlich interessiert den Kunden, welche Wirkung diese Entwicklungen und Konstruktionen haben. Hier sind nur die wichtigsten Beurteilungswerte einer Anlage erwähnt (z. B. Guntamatic Biostar 15 KW):

CO
Kohlenmonoxyd (nicht restlos verbrannter Kohlenstoff, Hauptkriterium zur Beurteilung einer Feuerung) Wert für modernste Pelletsanlagen: ca. 70mg/Nm⊃3; (Zum Vergleich: Öl/Gas ca. 15 - 100 mg/Nm⊃3;)

CO2
Kohlendioxyd (zeigt den Feuerungswirkungsgrad und die Qualität eines Verbrennungssystems) Wert für modernste Pelletsanlagen: ca. 14% bei Nennlast; ca. 10% bei Schwachlast

Staub
ist einerseits abhängig von der Korngröße des Pelletsvormaterials andererseits konstruktionsabhängig (Entspannungs- bzw. Staubabscheidungszonen) Wert für modernste Pelletsanlagen: ca. 8mg/Nm⊃3;

Wirkungsgrad
Eine wichtige Kenngröße ist der Wirkungsgrad. Bei den Angaben ist es wichtig zu unterscheiden: feuerungstechnischer Wirkungsgrad (berücksichtigt nur Abgasverluste, keine Abstrahlverluste) oder direkter Wirkungsgrad (berücksichtigt alle Verluste wie Abstrahlverluste, Abgasverluste, Stromverbrauch, Verbrennungsrückstände,..) Direkter Wirkungsgrad für modernste Pelletsanlagen: ca. 90% (Zum Vergleich: Öl/Gas ca. 90%)

6. Ausblicke in die Zukunft:

Anlagen:
Innerhalb kürzester Zeit ist es gelungen Anlagen zu entwickeln, welche nicht nur die Leistung stufenlos dem Wärmebedarf des Hauses anpassen, sondern auch die Kesseltemperatur gleitend verändern. Dadurch ergibt sich, dass der effektive Jahresnutzungsgrad dieser Anlagen einer modernen Öl- oder Gasanlage bereits heute weit voraus ist.
In der Zukunft wird es wichtig sein, diese Techniken zu konsolidieren - also 100% betriebs- und ausfallsicher zu gestalten. Die Servicedienste der einzelnen Anlagenanbieter müssen so ausgebaut werden, dass jede Anlage innerhalb kürzester Zeit erreichbar ist. Serviceverträge mit gezielten Wartungsintervallen für jede Anlage sind anzubieten. Räumliche Voraussetzungen sind zu normieren. Steckerfertige Lagersysteme müssen angeboten werden können.

Brennstoff:
Die Pelletsqualität in Form des reinen Holzpellets, mit pflanzlichem Bindemittelanteil unter 3%, Größe 6 mm und 10 mm, ist international genauestens zu normieren, sodass jeder Kunde mit dieser Normbezeichnung überall gleiche Qualität erhält. Weiters müssen andere Normen Spielraum lassen für Weiterentwicklungen der Pelletsqualität z.B. für pflanzliche Pellets. Es ist jedoch darauf zu achten, dass sich diese Normbezeichnungen klar von der Bezeichnung der oben beschriebenen reinen Holzpellets unterscheidet, sodass die Hersteller angeben können, für welche Qualität ihre Anlagen geeignet sind. Strengste Prüfungen müssen die Einhaltung der Brennstoffnormen garantieren. Auf industrielle Fertigung ist zu achten. Die zukünftige Brennstoffherstellung aus Energiewäldern muss in Form von Musteranlagen erprobt und optimiert werden.

Logistik:
Neben dem Brennstoff ist auch eine Sicherung der Logistik und des Transportes notwendig. Auch hier müssen klare Normen und Prüfmethoden geschaffen werden. Es ist weiters wichtig, einen Dachverband damit zu beauftragen, die Brennstoffversorgung durch Marktbeobachtungsstudien in Form von Herstellerkoordination bzw. Großlagerhaltung sicherzustellen. Wollen wir mit diesen Holzpellets eine neue umweltfreundliche Zukunft des Heizens einleiten, so ist es notwendig keinen Experimentiermarkt zu schaffen, sondern einen industriellen Rahmen mit klaren Gegebenheiten für den Kunden sicherzustellen.