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Weniger Feinstaub aus Kaminen und Öfen

04.03.2010 - (idw) Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

Feinstaub verkürzt nach Studien der WHO die durchschnittliche Lebenserwartung in Deutschland um etwa zehn Monate. Vom Menschen erzeugter Feinstaub muss deutlich reduziert werden. 2004 übertrafen erstmals die Emissionen aus Haushaltsheizungen die des Straßenverkehrs. Für Öfen und Kamine in Privathaushalten verabschiedete der Bundestag neue Grenzwerte zum Feinstaubausstoß. Die Verordnung tritt Ende März in Kraft. Was das für Hersteller und Betreiber von Kleinfeuerungsanlagen bedeutet, war Thema eines Workshops bei Fraunhofer UMSICHT. Als Institut mit umwelttechnischem Hintergrund, das im Bereich der Feinstaubreduktion forscht, macht sich das Institut für die öffentliche Meinungsbildung stark. -- 4,5 Mio. Einzelraumfeuerungsanlagen sind in Deutschland akut betroffen --

Von der Novellierung der ersten Verordnung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (1. BImSchV) sind rund 14 Mio. Einzelraumfeuerungsanlagen und 0,7 Mio. Heizungsanlagen für feste Brennstoffe in Deutschland betroffen. Wovon 4,5 Mio. Einzelraumfeuerungsanlagen akut von einer Nachrüstung oder einem Austausch betroffen sein werden. In der novellierten Verordnung wird festgelegt, unter welchen Bedingungen Kamin- und Kachelöfen, Herde und offene Kamine betrieben werden dürfen. Sie enthält zudem eine genaue Liste mit allen Brennstoffen, die in den Anlagen verbrannt werden dürfen.

-- Ziel der Novelle und Timing --

Vorrangiges Ziel der Novellierung ist es, die Emissionsgrenzwerte von Feuerungsanlagen für feste Brennstoffe über Sanierungsregelungen dem heutigen Stand der Technik anzupassen. Als zentrale Punkte gelten die Neuregelung der Grenzwerte für alle Feuerungsanlagen für feste Brennstoffe und die Sanierungsregelung für bestehende Einzelraumfeuerungen und zentrale Heizungsanlagen.

Die Verordnung wurde am 03. Dezember 2009 im Bundestag verabschiedet und ist am 01. Februar 2010 im Bundesgesetzblatt 2010 Teil I Nr. 4, Seite 38 veröffentlich worden . Am 22. März 2010, sieben Wochen nach der Publikation im Bundesgesetzblatt, tritt die Verordnung in Kraft.

-- Bedeutung für Herstellung und Betreiber von Kleinfeuerungsanlagen --

Was dies für Hersteller und Betreiber von Kleinfeuerungsanlagen bedeutet, war am Tag der Verabschiedung der Verordnung Thema bei Fraunhofer UMSICHT. Als Institut mit umwelttechnischem Hintergrund, das im Bereich der Feinstaubreduktion forscht, macht sich das Oberhausener Institut für die öffentliche Meinungsbildung stark und bietet mit seiner Veranstaltungsreihe "UMSICHT: Zur Sache" seit 10 Jahren Workshops an, die wissenschaftlich-technische Sachverhalte verständlich erläutern.

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 Abgase des Straßenverkehrs stammten.

-- Hauptverursacher von Feinstäuben --

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

Als Faustfaktor gelte dabei, dass mit steigendem Alter der Anlagen die Feinstaubemission wachse. 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 1996-2005 aufgestellt wurden, deren Feinstaubproduktion bei 2 300 t/Jahr liegt.

Vorrangiges Ziel der Novellierung der ersten Verordnung des BundesImmissionsschutzgesetzes 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.

-- Stufenweise Einführung neuer Emissionsgrenzwerte --

Die Einführung neuer Emissionsgrenzwerte für Staub und CO erfolgt in zwei Stufen. Die erste Stufe gilt ab dem Inkrafttreten der Verordnung. Der Staubgrenzwert liegt nicht mehr bei 0,15 g/m³, 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 Feuerungen einen Staubgrenzwert von 0,02 g/m³ und einen CO-Grenzwert von 0,4 g/m³ 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 zu entnehmen http://www.bmu.de/luftreinhaltung/downloads/doc/39616.php

-- 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 ihrer Errichtung) 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 ausschließlich zur Wärmeerzeugung genutzt werden, für Badeöfen, für offene Kamine sowie für Einzelraumfeuerungsanlagen, die vor dem 01. Januar 1950 hergestellt oder errichtet wurden.

Akut wären in Deutschland 4,5 Mio. Einzelraumfeuerungsanlagen von einer Nachrüs-tung oder einem Austausch betroffen.

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 --

Zudem 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 betrie-ben werden. Zudem wird die Grenze überwachungspflichtiger Öl- und Gasheizungen von 11 kW 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 Ka-minöfen 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 aufwendigere Systeme.

Anmerkung der Redaktion: 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: http://www.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 BiomasseForschungs-Zentrum gemeinnützige GmbH, Leipzig beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit praktischen Maßnahmen zur Unterstützung eines verstärkten Einsatzes von Holzfeuerungsanlagen sowie der Untersuchung von Feinstaubemissionen und Minderungsmöglichkeiten bei Feuerungsanlagen für Biobrennstoffe. 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, 89 % der Partikel im Abgas von Kaminöfen sind kleiner als 1 µm, die unvollständige Verbrennung und die Emission polychlorierter Kohlenwasserstoffe (PAK) zu den kritischen Aspekten bei der Emission aus Holzöfen zählen.

-- Hauptfaktoren, die die Feinstaubemission beeinflussen --

Drei Hauptfaktoren beeinflussen laut Lenz die Feinstaubemission: die Brennstoffe selbst, die Verbrennungsbedingungen sowie die technische Reduzierung vor Schornsteinaustritten.

Anhand technischer Merkmale marktüblicher Öfen für Scheitholz demonstrierte der Referent eindrucksvoll, an welchen Stellen der Betrieb von Scheitholzöfen Optimierungspotenzial bietet. Die manuelle Beschickung hat 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 in der Brennkammer. Der obere Abbrand im Scheitholzofen führt zu ungleichmäßiger Verbrennung. Oft sind Kamine im privaten Bereich zudem überdimensioniert wodurch "Wegkühlen" und "Quälfeuer" an der Tagesordnung sind.

-- Technische Möglichkeiten, um Emissionen zu mindern --

Anschließend führte Lenz die technischen Möglichkeiten auf, die Emissionen von Öfen zu mindern. Er empfahl, viel Wert auf eine konsequente Qualitätskontrolle der Brennstoffe zu legen. RAL Gütezeichen von Holzbrennstoffen und Holzpellets wären gute Kenngrößen. 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 der Sichtscheiben seien künftig durch die Entwicklung von Spezialgläsern zu reduzieren. Weiterhin sei eine Überladung des Ofens leicht zu vermeiden, indem maximale Beladungshöhen gekennzeichnet und die Brennkammer entsprechend eingeschnürt würden. Die Fehlbedienung der Luftregelung im Kaminofen sei über eine kontrollierte Luftregelung auszuschließen. Eine falsche Stellung der Luftklappen im Kaminofen beeinflusst nicht nur die Feinstaubemission negativ, sondern erhöht zudem den Ausstoß an PAK deutlich. Aktive Luftregelung bei Einzelfeuerstätten mit Nebenluftklappe oder der Steuerung von Primär- und Sekundärluft böten hier Lösungsansätze.

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 sowie eine Effizienzverbesserung durch Öfen mit Wassertaschen und Einbindung ins Heizsystem wären häufig sinnvoll.

Sekundäre Emissionsminderungsansätze wie filternde Abscheider (z.B. Gewebefilter und Keramikfilter), elektrostatische Abscheider, Abgaskondensation (Wärmeübertrager), Wäscher (Füllkörperkolonnen und Sprühwäscher), katalytisch wirkende Filter (Vollmetallkatalysatoren, Wandstromfilter, Filterkerzen, Gewebefilter) 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, 2. Verbrennungsqualitäten ähnlich wie bei Stückholzvergaserkesseln und 3. Feinstaubemis-sionen kleiner 10 mg/Nm³.

Die Praxisrelevanz zeige, dass die Novellierung der 1. BImSchV nur der erste Schritt in die richtige Richtung sein könne, weshalb Lenz sich am Ende seines Vortrags weiterreichende 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, die mit diesem System nachgerüstet werden könnten.

-- Oberflächenfilter und Rauchgaswäscher kombinieren --

Der Lösungsansatz besteht in der Kombination zweier innovativer Verfahren aus der Verfahrenstechnik (Oberflächenfilter und Rauchgaswäscher) zur optimalen Entfernung sämtlicher Feinstaubbestandteile (Asche, Ruß und Teer) aus dem Abgasstrom. Eine Abscheidung mineralischer Abgasbestandteile wird durch innovative metallische Mikrosiebe erreicht, die weitgehend temperatur- und korrosionsbeständig sind. Aufgrund ihrer Isoporen gewährleisten die Mikrosiebe einen direkten Rückhalt der Feinstaubpartikel an der Sieboberfläche. Zudem besteht 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, ereichtet. Daran werden beide Abscheidesysteme weiterentwickelt und neue Konzepte getestet.

RESÜMEE

Die Reduktion der vom Menschen erzeugten Feinstaubkonzentration muss auch weiterhin gemeinsames Ziel der Bemühungen von Industrie, Wissenschaft und Politik sein. Denn laut Untersuchungen der Weltgesundheitsorganisation (WHO) gibt es keine Grenze für die Feinstaubkonzentration unterhalb derer keine gesundheitsschädigende Wirkung zu erwarten ist. Nicht nur kurzzeitig erhöhte Feinstaubkonzentrationen führen zu negativen gesundheitlichen Auswirkungen, gerade längerfristig vorliegende, geringere Konzentrationen wirken gesundheitsschädigend. Ziel muss es somit sein, die Feinstaubbelastung dauerhaft so gering wie möglich zu halten.


FACHKONTAKT BEI FRAUNHOFER UMSICHT:

Dipl.-Ing. Esther Stahl
Geschäftsfeld Prozesstechnik
Tel.: 0208/8598-1158
E-Mail: esther.stahl@umsicht.fraunhofer.de
Weitere Informationen: http://www.umsicht.fraunhofer.de/presse/
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