Stuttgart – Forscher am Fraunhofer Institut für Bauphysik (IBP) entwickelten gemeinsam mit den Unternehmen HDG Bavaria und LAMTEC ein Kombinationssystem zur Früherkennung von Bedienungsfehlern durch die Betreiber von Heizkesselanlagen. Die Verbesserung der Verbrennung bei kontinuierlicher Prozessüberwachung reduziert nicht nur in erheblichem Maße schädliche Emissionen, sondern erhöht auch den Wirkungsgrad im Praxisbetrieb auf über 93 Prozent.

Die Debatte um Feinstaub aus Kleinfeuerungsanlagen wird so heiß geführt, wie die Sache an sich auch ist. Einerseits erzeugen die ca. 11 Mio. Holzkamine und 0,7 Mio. Heizkessel in Deutschland einen hohen Anteil an erneuerbarer Wärme und tragen zum Klimaschutz bei, auf der anderen Seite schlagen die Zahlen des Umweltbundesamts Alarm. Denn Holzfeuerungsanlagen verursachen einen vergleichsweise hohen Ausstoß an Feinstaub und anderen Schadstoffen, etwa organischen Verbindungen aus einer unvollständigen Verbrennung. Einige dieser Stoffe, vor allem polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) sind krebserregend. Mit Blick auf den Trend zum gemütlichen „Komfortkamin“ in den eigenen vier Wänden und dem Ausbau der Erneuerbaren durch Wärmegewinnung aus Biomasse werden dringend Lösungen für saubere Feuerungsanlagen gesucht. Nun gibt das Forschungsprojekt „Kombinationssystem“ (FKZ-Nr.: 03KB109) Hoffnung auf rauchfreiere Zeiten. Das Projekt wird im BMWi-Förderbereich „Energetische Biomassenutzung“ im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms gefördert.

Worum geht es genau?
Der Fokus des Vorhabens liegt speziell auf Heizkesseln, die also nicht nur die kleine Stube, sondern ganze Wohnanlagen beheizen.

„Unsere Idee war, dass neben den konstruktiven Gegebenheiten der Verbrennungstechnik, vor allem das Verhalten des Betreibers von entscheidender Bedeutung für die Verbrennungsqualität und somit die Feinstaubemissionen ist.“, so Dr. Mohammad Aleysa, Projektleiter am IBP.

Denn nur durch eine gute Auswahl des Brennstoffs und die richtige Bedienung der Verbrennungstechnik kann ein effizienter und schadstoffarmer Betrieb des Kessels gewährleistet werden. Das nun von den Forschern entwickelte VREM-System (Verbrennungsregelungs- und Emissionsmonitoringsystem) zur kombinierten regelungstechnischen Optimierung der Verbrennung bei gleichzeitiger Überwachung der Prozesse soll künftig eine Fehlbedienung der Biomasseheizkessel vermeiden.

Wie funktioniert das VREM-System?
O₂/CO_e-sondengestützte Analysen und intelligente Überwachungsalgorithmen regeln den Verbrennungsprozess mit niedrigerem Sauerstoffüberschuss und der Vermeidung hoher Wärmeverluste. Letztere können über nicht verbrannte Bestandteile oder über die freie Wärme im Abgas entstehen. Die Regelung des Verbrennungsprozesses ermöglicht eine präzise Luftzufuhr, welche wiederum eine optimale Verbrennung gewährleistet – ganz unabhängig vom eingesetzten Brennstoff. Beim Auftreten von Komplikationen bzw. Betriebsstörungen, die sich regelungstechnisch nicht beheben lassen wie z. B. beim Einsatz illegaler Brennstoffe wie Haushaltsabfälle und Althölzer oder technischen Defekten, wird der Betreiber per E-Mail und SMS informiert. Durch diese frühzeitige Fehlererkennung und ihre Beseitigung können gefährliche Schadstoffe wie bspw. Feinstaub, CO, CnHm (Kohlenwasserstoffe) oder PAKs vermieden werden. Darüber hinaus werden durch das VREM-System nicht nur Emissionen erheblich reduziert, sondern auch der Wirkungsgrad auf über 93 Prozent erhöht.

Wie lief der Praxistest?
Die Überwachungsalgorithmen mit der O₂/CO_e-Sonde wurden nach der Erprobung auf dem Prüfstand erfolgreich in zwei in der Praxis befindlichen Biomasseheizkesseln der Firma HDG Bavaria über eine Heizperiode dauererprobt. Hierbei handelte es sich um hand- und automatisch beschickte Heizkessel für die Verbrennung von Scheitholz und Holzpellets. Sowohl die O₂/CO_e-Sonde, als auch die Überwachungsalgorithmen haben eine sehr gute Eignung für den Dauereinsatz in der Praxis gezeigt.

Was kommt nun?
Das Projekt hat sehr gute Erkenntnisse hervorgebracht, wie der Betrieb von Biomasseheizkesseln energetisch und wirtschaftlich optimiert sowie umweltverträglicher gestaltet werden kann. Entscheidend für die Umsetzung der Projektergebnisse ist die Entwicklung einer kompakten für den Einsatz in Biomasseheizkesseln angepassten Elektronik für die O₂/CO_e-Sonde, welche im Rahmen eines laufenden ZIM-Projekts (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand, BMWi) in Kooperation mit der Firma SABO Elektronik GmbH seit eineinhalb Jahren erfolgt. Auf Basis der beiden Projekte soll in einem Nachfolgeprojekt eine hard- und softwaremäßig praxistaugliche O₂/CO_e-Regelung entwickelt werden. Diese soll anschließend im Praxisbetrieb an fünf Heizkesseln unterschiedlicher Hersteller über zwei Heizperioden erprobt werden. Die Beantragung des Folgeprojekts soll bis April 2020 erfolgen.

Erfahren Sie mehr über die genaue Funktionsweise des VREM-Systems im Endbericht des Projektes „Kombinationssystem“ und im Projektsteckbrief.

THEMENRELEVANTE PROJEKTE
03KB093 LEVS - Low-Emission-Verbrennungssystem für die Verbrennung von festen Brennstoffen in Vergaserkesseln
03KB096 SCR-Filter - Demonstration von Verfahren zur kombinierten Reduktion von Stickoxiden und Feinstaub an Biomassefeuerungen
03KB128 SCRCOAT - Optimierung und Validierung von Verfahren zur kombinierten Reduktion von Feinstaub und sauren Schadgasen an Biomassefeuerungen
03KB143 DAnkEE - Demonstration einer Anlage zur kombinierten Entstaubung und Entstickung – Schlüssel für die umweltfreundliche Nutzung von Biomasserest- und Abfallstoffen
03KB148 GVAGR-System - Gestufte Verbrennung mit Abgasrückführung und integrierter Abgasreinigung zur Schadstoffminderung und Effizienzerhöhung

KONTAKT
Fraunhofer Institut für Bauphysik (IBP)
Nobelstraße 12
70569 Stuttgart

Dr. Mohammad Aleysa – Projektleiter
Telefon: +49 (0)711-970-3455
E-Mail: mohammadshayesh.aleysa@ibp.fraunhofer.de