8. Juni 2020

Forscher reduzieren den Durchmesser des Brennstoffs – ein Interview mit DBFZ-Arbeitsgruppenleiter Thomas Zeng

Das Deutsche Biomasseforschungszentrum (DBFZ) hat in einer grundlegenden Voruntersuchung eine neue Klasse von Holzpellets erprobt. Wir sprachen mit Thomas Zeng, Arbeitsgruppenleiter für innovative Festbrennstoffe beim DBFZ, über die Ergebnisse.

Im Vergleich zu handelsüblichen Holzpellets zeichnet sich die neue Klasse durch einen geringeren Durchmesser von 4 statt 6 mm aus. Die Forscher sehen darin einen Ansatz, den Brennstoffan die sinkenden Heizlasten im unteren Leistungsbereich anzupassen. Zwar handelt es sich nur um eine technische Vorstudie 1) , in der keine detaillierten Betrachtungen zu derzeitigen und künftigen Marktentwicklungen gemacht wurden. Doch vor dem Hintergrund einer zunehmenden Gebäudedämmung und steigender Energiestandards für Neubauten ist zu erwarten, dass künft ig der Bedarf an Feuerungsanlagen im kleinen Leistungsbereich (‹ 4 kW) deutlich zunehmen wird.

Tatsächlich modulieren manche moderne, automatisch beschickte Pellet öfen und -kessel im Teillastbetrieb bereits heute schon im unteren einstelligen Leistungsbereich. Laut DBFZ-Studie bedeutet dies, dass die zugeführte Brennstoffmenge sich auf wenige Hundert Gramm pro Stunde belaufen kann. Die Forscher haben ermittelt, dass bei 2 kW Leistung lediglich 10 normkonforme Holzpellets pro Minute nötig sind. Ohne die Anpassung der Pelletabmessungen wird die Markteinführung von Pelletkleinstfeuerungen unter technischen Gesichtspunkten nach Ansicht des DBFZ schwierig. Aber auch bestehende Systeme, die vorwiegend im kleinen Teillastbereich arbeiten müssen, könnten verbrennungs- und damit emissionstechnisch profitieren.

IKZ-HAUSTECHNIK: Warum sind die derzeit am Markt üblichen 6-mm-Pellets für die Verbrennung im kleinen Leistungsbereich suboptimal?
Thomas Zeng: Problematisch bei vielen der heutigen bestehenden Pelletfeuerungen ist die geringe Menge der geförderten Pellets per Taktungsintervall der Förderschnecke. Hierbei treten im kleinen Leistungs- sowie im Teillastbereich zwischen der Zuführung der Pellets lange Pausenzeiten auf, sodass der Abbrand beim Einsatz der typischerweise am Markt verfügbaren 6-mm-Holzpellets eher einem Chargenabbrand – also ähnlich wie einer handbeschickten Scheitholzfeuerung – als einer kontinuierlichen Verbrennung gleicht.

IKZ-HAUSTECHNIK: Sind 4-mm-Pellets hier verbrennungs- und emissionstechnisch besser als 6-mm-Pellets?
Thomas Zeng: Beim Chargenabbrand werden insbesondere in der Startphase und am Ende Emissionsspitzen beobachtet, die auf nicht optimale Bedingungen für einen sauberen Abbrand zurückzuführen sind. Dadurch kommt es insbesondere zu höheren Emissionen an CO, organischen Verbindungen und Feinstaub, da aus den jeweils zugeführten Brennstoffmengen ein unterschiedlich hoher Sauerstoffbedarf für die Verbrennung resultiert und folglich Temperaturschwankungen in der Brennkammer auftreten, wenn kein optimales Brennstoff-/Luftverhältnis gewährleistet ist. Durch den Einsatz von 4-mm-Pellets wird bei einer vergleichbar reduzierten Längenverteilung die Anzahl der durchschnittlich notwendigen Pellets mehr als verdreifacht und damit die Zeit zwischen zwei Fördertakten gedrittelt. Dadurch kann wieder ein quasi kontinuierlicher Verbrennungsprozess erreicht werden.

IKZ-HAUSTECHNIK: Was sind die „Kinderkrankheiten“, an denen die 4-mm-Pellets nach ihren ersten Erkenntnissen leiden können?
Thomas Zeng: Das kann noch nicht abschließend beurteilt werden. Wir sehen hier vor allem Herausforderungen, die bei jeder neuen Entwicklung gelöst werden müssen. Derzeit liegen diese in der Reduzierung des spezifischen Energiebedarfs und der Erhöhung des Durchsatzes bei der Pelletierung. Bei der Pelletherstellung ist die Verdichtung in Ø 4 mm-Matrizen aktuell im Vergleich zu Ø 6 mm-Matrizen mit der getesteten Pelletieranlage durch einen höheren spezifischen Energiebedarf und einen geringeren Durchsatz gekennzeichnet. Die Erhöhung der Wirtschaft lichkeit bei der Herstellung von 4-mm-Pellets wird untersucht.

Außerdem müssen die derzeit am Markt verfügbaren Feuerungsanlagen konstruktiv und regelungstechnisch auf den Betrieb mit den 4-mm-Pellets angepasst werden. Darüber hinaus muss die Normierung für diese Brennstoffe adaptiert und perspektivisch die Bereitstellungsketten am Markt etabliert werden. Wir erwarten jedoch, dass die kundenseitige Nachfrage nach Kleinstfeuerungen diese Entwicklung in Zukunft vorantreiben wird.

IKZ-HAUSTECHNIK: Ist nicht auch das eine Erkenntnis aus dem Projekt, dass die normativ erlaubten Längenverteilungen von Holzpellets verbessert werden müssen im Sinne einer Homogenisierung, um bessere Transport- und Brennergebnisse zu erzielen – welche sind der Länge nach die besten Holzpellets?
Thomas Zeng: In der Norm DIN EN ISO 17225-2 ist ein Längenbereich von 3,15 mm ‹ L ≤ 40 mm für 6-mm-Holzpellets definiert, wobei die Längen in der Praxis starken Schwankungen unterworfen sind. Übliche Pelletlängen sind durch eine große Bandbreite charakterisiert und liegen zwischen 10 und 30 mm. In unseren Untersuchungen wurden Holzpellets nach unterschiedlichen Längenklassen hergestellt bzw. sortiert und dann getrennt für Förder- und Verbrennungsversuche eingesetzt. Bei der Pelletverbrennung führte eine Standardlängenverteilung tendenziell zu den niedrigsten Emissionen beim Einsatz von 4-mm-und 6-mm-Pellets. Allerdings wurden für einzelne Längenklassen sehr gute Verbrennungsergebnisse erzielt, die darauf hindeuten könnten, dass es optimale Pelletgrößen gibt, bei denen das Oberflächenzu Durchströmungsverhältnis so gut passt, dass der ausgleichende Effekt einer Mischung von Pellets mit einer großen Bandbreite an Längenfraktionen überkompensiert wird. Ähnliche Hinweise können auch aus anderen Studien zum Zusammenhang von Förder- und Abbrandverhalten, die mit 6-mm-Pellets durchgeführt wurden, abgeleitet werden.

Bisher erscheint eine Anpassung sowohl des Durchmessers als auch der Länge erfolgversprechender als eine gezielte Eingrenzung der Pelletlänge allein. Bitte beachten Sie, dass es sich um eine vorläufige Interpretation handelt, die weitere Versuche erfordert, um einen vollständigen Nachweis zu erbringen.

IKZ-HAUSTECHNIK: Wie sind die Reaktionen aus der Pellet-Heizungsbranche auf ihr Projekt – gibt es Interesse, Zentralfeuerungen mit kleiner Last auf den Betrieb von 4-mm-Holzpellets zu optimieren?
Thomas Zeng: Wie die Entwicklung von HD-Pellet zeigt (Methode zur Produktion von Pellets sehr einheitlicher Länge, Anm. d. Red.), ist die Frage der optimalen Pelletdimensionierung durchaus ein Thema für den Markt. Prinzipiell ist die Pelletierung mit einem Durchmesser von 4 mm aus dem Bereich der Futtermittelherstellung bekannt, wobei aber andere Anforderungen an die mechanischen Pelleteigenschaften gestellt werden. Da es sich um eine erste wissenschaftliche Vorstudie handelt, ist eine breite Reaktion am Markt auf die 4-mm-Pellets noch nicht erfolgt. Dies ist jedoch nicht verwunderlich, da die marktseitigen Anforderungen an Kleinstfeuerungen mit einer Nennwärmeleistung ‹ 6 kW erst in den kommenden Jahren greifen werden und somit erst der Markt für die 4-mm-Pellets etabliert werden muss.

IKZ-HAUSTECHNIK: Welche Bauteile/Anlagenbestandteile müssten für einen Betrieb mit 4-mm-Holzpellets modifiziert werden?
Thomas Zeng: Die Modifizierungen betreffen zum einen die Pelletieranlage und zum anderen die Feuerungsanlage, inkl. Brennstoffzufuhr. Bei der Pelletierung müssen die Matrizen und die darin enthaltenen Presskanäle verändert werden. Zudem kann rohstoffseitig eine angepasste Vorzerkleinerung der Holzspäne und der Einsatz von Presshilfsmitteln zur Verringerung der Reibkräfte im Presskanal nötig sein. Um eine enge Längenverteilung für kurze 4-mm-Pellets zu erhalten, muss der standardmäßig eingesetzte Abschermechanismus in den Pressen angepasst werden.

Im Vergleich zu marktverfügbaren Feuerungsanlagen muss die Brennraumgeometrie und die primäre Verbrennungszone auf die geringere Brennstoffleistung angepasst werden. Die Stokerschnecke muss den geänderten Brennstoffabmessungen Rechnung tragen sowie einen kontinuierlichen Brennstoffmassenstrom in den Feuerraum im Vollund Teillastbetrieb gewährleisten. Dies bezieht sich nicht nur auf Feuerungsanlagen mit deutlich niedrigerer Leistung im Vergleich zu den am Markt verfügbaren Pelletöfen mit ca. 6 kW oder mehr. Ein Teil der automatisch beschickten Pelletöfen und -kessel erreicht bereits heute schon im Teillastbetrieb Lastzustände im unteren einstelligen Leistungsbereich. Somit können die 4-mm-Pellets auch beim Anlagenbestand positive Effekte erzielen, vor allem, wenn weitere Verschärfungen bei den Emissionsgrenzwerten zu erwarten sind.

Die Fragen stellte Dittmar Koop, Fachjournalist für Erneuerbare Energien und Energieeffizienz