2 Wärmeerzeugung

2.3.1 Holz als Energieträger

Holz enthält nebst Kohlenstoff, Wasserstoff und Sau­er­stoff auch unterschiedlich viel Wasser. Als Mass für die Feuchtigkeit wird verwendet:

Wassergehalt

Holzfeuchte

Für die Trockensubstanz wird oft die Bezeichnung «atro» (= absolut trocken) gebraucht. Der mas­se­be­zo­ge­ne Brenn- bzw. Heizwert von Holz ist stark abhängig vom Was­ser­ge­halt, jedoch praktisch unabhängig von der Holzart (Bild 2.11). Demgegenüber ist der vo­lu­men­be­zo­ge­ne Wert (z.B. MJ/Ster) beträchtlich ab­hän­gig von der Holzart. Er erhöht sich aber beim Trocknen nicht wesentlich. Bei Grünschnitzel-Feuerungen, wel­che waldfrisches Holz emissionsarm verbrennen kön­nen, lohnt sich deshalb der Trocknungsaufwand nicht. Lufttrockenes Holz, wie für die meisten Holz­feue­run­gen benötigt, bedingt eine Lagerung unter Dach wäh­rend 0,5 bis 1 (Schnitzel) bzw. 2 Jahren (Stückholz).

Es sind verschiedene Energieholzsortimente erhältlich: Waldholz oder Restholz aus der Holzverarbeitung (beides als Stückholz oder Schnitzel), Pellets aus gepressten Spänen usw. Die meisten Feuerungen können nur ein einziges Sortiment mit einem bestimmten Wassergehalt einwandfrei verbrennen.

Bei der Verbrennung von Holz können gesundheitsschädliche Emissionen entstehen, insesondere bei schlecht betriebenen kleinen Feuerungen wie Cheminées oder Kaminöfen. Zur Verminderung des Feinstaubs werden deshalb bei grossen Feuerungen Elektrofilter eingesetzt. Behandeltes Abfallholz ist emissionsmässig äusserst problematisch und darf in normalen Feuerungen nicht verbrannt werden.

Zur Bestimmung des Energieinhalts der üblichen Holz­men­gen­ein­hei­ten ist die jeweilige Dichte er­for­der­lich (Bild 2.12).

Bild 2.11 Brennwert Hs und Heizwert Hi von Holz (1 kWh = 3,6 MJ)

Bild 2.12 Dichte von Holz [BFE2, SIA 380]

Beispiel:

1 Schütt-m3 lufttrockener Tan­nen-Schnitzel hat ei­nen Ener­giein­halt (bezüglich Brennwert) von:
16,5 MJ/kg · 190 kg = 3130 MJ = 870 kWh

Dies ent­spricht einer Ölmenge von:
870 kWh / 12,5 kWh/kg = 70 kg

2.3.2 Holzverbrennung

Der Verbrennungsprozess in seiner zeitlichen Ab­fol­ge:

• Trocknung: Bis 150 °C verdampft das Wasser
• Pyrolyse: Holzzersetzung 150 bis 600 °C, es ent­ste­hen Brenngase und Holzkohle
• Oxidation: Bei 600 bis 1200 °C verbrennen Gase und Holzkohle

Zur Holzverbrennung werden hohe Temperaturen benötigt, da sonst die schwerer brennbaren Gase nicht oxidieren, sondern zu Kessel- und Luftverschmutzung führen. Hält man einen Draht in eine Kerzenflamme, so bildet sich Russ! Merkmale guter Holzfeuerungen sind also:

• einstellbare Primärluft in die Glutzone, Se­kun­där­luft in die Flammenzone
• ungekühlte Glut und Flamme

Nach dem vollständigen Ausbrand kann nun das Abgas stark gekühlt werden, um einen kleinen Ab­gas­ver­lust zu erhalten. Guter Wärmeaustausch führt zu hohem Druckverlust, sodass oft ein Ventilator nötig ist.

2.3.3 Holzfeuerungssysteme

Einzelraumheizungen wie Öfen und Cheminées er­hö­hen die Wohnqualität. Ihr energetischer Nutzen ist aber fragwürdig, wenn sie – wie so oft – nicht ganz dicht ausgeführt sind. Wenn kein Holz verbrannt wird, ver­liert der Raum durch den Kamin ständig warme Luft. Viele dieser Heizungen nutzen das Holz mit schlech­tem Wirkungsgrad und hohen Emissionen. Eine Verbesserung der Effizienz ist möglich, indem die Verbrennungsluft über eine Klappe in der Gebäudehülle dem Feuerraum direkt zugeführt wird und indem dessen Verbindung zur Raumluft getrennt wird. Ganz raumluftunabhängige Öfen sind aber kaum möglich, da die Feuerraumtür und die Ascheschublade Leckstellen aufweisen. Die Raumluftunabhängigkeit ist auch bei Lüftungseinrichtungen wichtig, damit die Feuerung nicht gestört wird.

Eine Kom­bi­na­ti­on von relativ schadstoffarmer Feuerung und Be­hag­lich­keit stellt hingegen der alt­her­ge­brach­te Kachelofen dar. Er hat die gewünschte heisse Brenn­kam­mer, allerdings auch hohe Ab­gas­tem­pe­ra­tu­ren. Es ist mög­lich, einen Kessel in den Kachelofen ein­zu­bau­en und damit eine Zentralheizung zu betreiben. Erfolgt die Aufheizung des Wassers im Feu­er­raum, so wird die Ver­bren­nung ver­schlech­tert. Auch Holz­koch­her­de, even­tu­ell mit Elektro- oder Ga­s­teil, können zu einem vollwertigen Heizsystem mit Spei­cher, Was­se­rer­wär­mer und Sitzkunst ausgebaut wer­den.

Manuell beschickte Stückholzkessel sind in Bild 2.13 dargestellt. Bei der Durchbrandfeuerung (oberer Ab­brand) steht meist der ganze Holzstapel in Flam­men. Eine gute Holzverbrennung ist auf diese Weise schwer zu erreichen. Beim unteren Abbrand steht immer nur ein kleiner Teil des Holzes im Feuer. Sämtliche Schwel­ga­se passieren die heisse Zone, sodass auch schwerflüchtige Komponenten ver­bren­nen. Eine Lei­stungs­re­ge­lung durch Drosseln der Luftzufuhr schmä­lert die Verbrennungsqualität etwas weniger stark als bei oberem Abbrand. Gleich­wohl sollten auch diese Kessel mit Volllast betrieben werden, d.h., es ist ein Speicher einzusetzen.

Die Feuerung mit einem Vorofen (Holzgasbrenner) ist dem Un­ter­brand­kes­sel sehr ähn­lich. Im Vorofen wird das Holz ge­trock­net und ver­gast, und die entstehende Holz­koh­le wird verbrannt. Im Kessel werden die Gase emis­sions­arm verbrannt und ab­ge­kühlt. Je nach Brenn­stoff (Stückholz oder Schnitzel) ist der Betrieb dis­kon­ti­nu­ier­lich oder kontinuierlich. Bei Stück­holz ist ein Speicher er­for­der­lich.

Die au­to­ma­ti­sche Stückholzfeuerung eignet sich für die Verbrennung von un­be­han­del­ten Holz­ab­fäl­len (Bild 2.14). Ein Zerkleinerungsaggregat zerkleinert das Stück­holz, wor­auf es in den Tun­nel­bren­ner ge­langt. Die Leistung wird au­to­ma­tisch ge­re­gelt mittels der Brenn­stoff­zu­fuhr, ein Spei­cher ist des­halb u.U. nicht notwendig (vgl. Schnitzelfeuerung).

Bild 2.13 Prinzip von Stückholzkesseln

Bild 2.14 Automatische Stückholzfeuerung

In einer Unterschubfeuerung können Hackschnitzel vollautomatisch verbrannt werden (Bild 2.15). Die Zündung erfolgt meistens mit einem elektrischen Zündgebläse. Die regulierbare Trans­port­schnec­ke ermöglicht eine leistungsgerechte För­de­rung des Brennstoffs in die Feuermulde des Kessels. Mit entsprechender Technik können auch Grün­schnit­zel verfeuert werden. Kurzfristiges Ein- und Ausschalten muss wegen des energie- und emissionsintensiven Startvorgangs vermieden werden. Es gibt Kessel, welche im Bereich von 30 bis 100 Prozent der Kesselnennleistung modulieren. Ein solcher Kessel kann ohne Speicher betrieben werden. Mit regelungstechnischen Massnahmen können unter Umständen die Laufzeiten pro Einschaltung verlängert werden.

Pelletfeuerungen eignen sich dank des praktisch homogenen und leicht entzündlichen Brennstoffs noch besser für vollautomatischen, modulierenden Betrieb. Sie weisen Betriebseigenschaften und einen Be­dienungskomfort auf, welche fossilen Feuerungen nahe kommen. Dank der hohen Schüttdichte benötigen Pellets am wenigsten Lagerraum aller Holzsortimente. Modulierende Pelletfeuerungen im Einfamilienhaus benötigen in der Regel einen Speicher. Sie eignen sich gleichermassen für Grossanlagen.

Bild 2.15 Schnitzelfeuerung

Bei Grossfeuerungen ist nebst korrekter Kesselbemessung eine knappe Infrastruktur bedeutsam für die Wirtschaftlichkeit. Das Silovolumen sollte wegen der Investition den Verbrauch von höchstens 10 Tagen bei Volllast decken. Ein Nahwärmenetz mit mindestens 1 kW Anschlussleistung pro Laufmeter Graben ist günstig [Rut].

Holzfeuerungen be­deu­ten im­mer einen hö­he­ren Auf­wand an Bedienung und In­ve­sti­ti­on als Öl- oder Gas­feue­run­gen. Mit guter architektonischer Ein­glie­de­rung kann der Mehr­auf­wand begrenzt werden. So ist es hilfreich, wenn für die täg­li­che Be­schickung ei­ner Kleinfeuerung das Brenn­ma­te­ri­al nicht über Trep­pen hin­ge­schleppt wer­den muss. Das Einbringen in den La­ger­raum sollte vom Fahrzeug über einen Ab­wurf oder horizontal über minimale Di­stanz erfolgen können. Analog wird bei Gross­­feue­run­gen durch zweck­mäs­si­ge An­ord­nung der För­der­auf­wand re­du­ziert.