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 Veröffentlicht: 29. April 2008; Aktualisiert: September 2010

Wie umweltverträglich sind Holzfeuerungen?

Von Martin Dehli
(
Martin.Dehli@energie-fakten.de, Lebenslauf Link zur Hochschule Esslingen)

KurzfassungDehli

Angesichts stark gestiegener Preise für leichtes Heizöl und Erdgas gewinnt Holz als erneuerbarer Energieträger wieder an Bedeutung – vor allem für die Wärmeerzeugung. Holzfeuerungen werden von kleinen handbeschickten Zimmeröfen bis zu automatisch beschickten Großanlagen angeboten. Waldholz, Restholz, Altholz, Rinde und andere Holzbrennstoffe werden in größeren Kesseln z. B. in Form von Rundholz, Stückholz und Holzhackschnitzeln genutzt, wobei nicht nur Wärme, sondern in Heizkraftwerken auch Strom und Wärme gekoppelt erzeugt werden kann. Daneben hat sich ein Markt für kleinere Holzkessel und Holzöfen für die Gebäude-Wärmeversorgung entwickelt, in denen häufig Holzpellets verfeuert werden. Im Jahr 2008 wurden in Deutschland bereits 100.000 Pelletkessel betrieben. Es gibt auch kleinere Kessel und Öfen für Stückholz (Scheitholz).

2008 wurde in Deutschland Holz im Umfang von umgerechnet rund 10,1 Millionen Tonnen Steinkohleeinheiten (Mio. t SKE) für die Wärmeversorgung eingesetzt; damit wurden – nicht bzw. kaum subventioniert – etwa 2,1 % der Primärenergieversorgung gedeckt; dies ist angesichts teilweise sehr hoher Subventionen z. B. für Windenergie, Sonnenenergie und Biogas bzw. Bioerdgas zur Stromerzeugung hervorzuheben.

Verschiedene Hölzer unterscheiden sich im vollständig trockenen und aschefreien Zustand nur geringfügig: Diese bestehen im Mittel zu 50 Gewichtsprozent aus Kohlenstoff (chemisches Kurzzeichen C), zu 6 Gewichtsprozent aus Wasserstoff (H) und zu 44 Gewichtsprozent aus Sauerstoff (O). Unterschiede der Brennstoffeigenschaften betreffen den Wasser-, Mineralstoff- und Stickstoffgehalt. Der Wassergehalt bestimmt maßgeblich den Energiegehalt – also den Heizwert. Der Wassergehalt kann weniger als 10 Gewichtsprozent (lufttrockenes Holz) bis über 50 Gewichtsprozent (Rinde oder Waldhackschnitzel ohne Vortrocknung) betragen. Bei lufttrockenem Holz liegt der Heizwert durchschnittlich bei etwa 4,3 bis 5 Kilowattstunden Wärmeenergie je Kilogramm. Der Mineralstoffgehalt beeinflusst die anfallenden Aschemengen, deren Verschlackungsneigung sowie die Partikel- und Aerosolemissionen, während der Stickstoffgehalt für den Stickoxidausstoß von Bedeutung ist.

Holz ist ein Festbrennstoff mit hohem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen. Wird Holz ohne Sauerstoff- (O2) bzw. Luftzufuhr erwärmt, werden rund 80 % bis 90 % Gewichtsprozent der trockenen Holzmasse als Gase freigesetzt, nämlich als Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2) und Kohlenwasserstoffe (CnHm). In einer Feuerungsanlage müssen diese Gase vollständig verbrannt werden, da sie sonst als Schadgase in die Umwelt gelangen; dabei werden zwei Drittel des Heizwerts frei. Da die Gase in einer langen Flamme schnell ausbrennen, wird Holz als langflammiger Brennstoff bezeichnet. Die zurückgebliebene Holzkohle im Glutbett brennt dagegen langsam und mit geringer Flammenbildung ab, wobei die Holzkohle durch Vergasung mit Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid zuerst zu Kohlenmonoxid umgesetzt wird; dabei wird das restliche Drittel des Heizwerts frei. 

Unvollständig verbrannte Stoffe (Schadstoffe), also Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe (CnHm), Teer, Ruß und unverbrannte Partikel, lassen sich durch eine geeignete nachgeschaltete Verbrennung vermeiden; dafür sind eine ausreichend hohe Temperatur, genügend Sauerstoff (O2) sowie eine gute Vermischung der Gase mit der Verbrennungsluft notwendig. Die Erzielung einer hohen Temperatur ist dann schwierig, wenn Holz mit hohem Wassergehalt verbrannt wird.

Weil Holz einen hohen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen aufweist und die Gase sowie der feste Kohlenstoff getrennt oxidieren, wird im Hinblick auf einen vollständigen Ausbrand die Verbrennungsluft in Primär- und Sekundärluft aufgeteilt. Die Primärluft wird für die Vergasung benötigt, während die Sekundärluft den Ausbrand der Gase unterstützt. Für eine vollständige Verbrennung ist in der Praxis Luft im Überschuss nötig. Ist die Luftzufuhr andererseits viel zu hoch, so wird die Flamme durch die unnötig zugeführte Luft gekühlt, so dass die Verbrennung infolge zu niedriger Temperatur ebenfalls unvollständig wird. Da die richtige Zufuhr und das richtige Ausmaß von Primär- und Sekundärluft entscheidend sind, verfügen moderne Feuerungsanlagen über Regelsysteme hierfür. Damit ist ein Betrieb mit etwa der 1,5-fachen Luftmenge, die für die vollständige Verbrennung mindestens notwendig ist, möglich; dabei entsteht nur wenig Kohlenmonoxid.

Die Begrenzung von Stickoxidemissionen NOx (NO und NO2) ist wichtig. Quelle des Stickstoffs sind der Stickstoff der Luft sowie der im Brennstoff gebundene Stickstoff. Bei der Verbrennung von Holz werden Stickoxide vor allem aus dem Brennstoffstickstoff gebildet; die Stickoxidemissionen sind deshalb höher als bei Öl- und Gasfeuerungen. Sofern im Brennstoff Chlor, Schwefel u. ä. enthalten sind, können zusätzliche Schadstoffe gebildet werden.

Partikel- und Aerosolemissionen treten als Folge einer unvollständigen Umsetzung des Brennstoffs und als Flugaschepartikel aus den mineralischen Bestandteilen auf. Auf den Oberflächen von Partikeln können zudem unverbrannte Kohlenwasserstoffe angelagert sein, weshalb Aerosole toxikologisch relevant und die lungengängigen Aerosole mit einer Größe von unter 0,001 mm von Bedeutung sind.

Bei der Wohngebäude-Wärmeversorgung mit Holz haben sich Pelletfeuerungen durchgesetzt. Sie ermöglichen eine automatisierte Heizung mit Holz für Leistungen zwischen etwa 2 kW und 500 kW mit niedrigen Emissionen und hohem Wirkungsgrad. Holzpellets sind zylinderförmige kleine Presslinge. Den Rohstoff für Pellets bildet naturbelassenes Holz (Restholz wie Sägemehl, Hobelspäne u. ä. sowie Holzhackschnitzel und Rundholz). Pellets sind trocken, bindemittelfrei, enthalten wenig Schwefel und Asche und sind rieselfähig. Der Energieinhalt von 1 kg Pellets entspricht rund 0,5 Litern Heizöl. Das Lagervolumen ist dreimal so groß wie von Heizöl und ein Drittel so groß wie von Holzhackschnitzeln. 

Die Anschaffung einer Pelletheizung mit Brennstoffsilo ist gegenüber einer Ölheizung mit Tankanlage rund 15 bis 25 % teurer. Die Brennstoffkosten sind abhängig von der Liefermenge; sie betrugen für lose Ware im Jahr 2009 etwa 215 bis 230 Euro/t; heizwertbezogen waren dies etwa 60 bis 70 % der Kosten für leichtes Heizöl.

Bei richtiger Konstruktion und gutem Betrieb weisen Pelletfeuerungen niedrige Emissionen an Schadstoffen aus unvollständiger Verbrennung (an Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und unverbranntem Kohlenstoff) auf. Bei vollständiger Verbrennung sind als Schadstoffe die Stickoxide und die Staubemissionen entscheidend. Die Emission von Schwermetallen oder weiteren Verunreinigungen im Brennstoff wird bei Pellets durch eine Qualitätssicherung vermieden. Bei einwandfreiem Betrieb weisen Pelletkessel typischerweise Emissionen an Kohlenmonoxid von 20 bis 200, an Stickoxiden von 80 bis 120, an Staub von 20 bis 75 Milligramm je Normkubikmeter Abgas auf; der feuerungstechnische Wirkungsgrad beträgt zwischen 88 und 94 Prozent.

Weitere Informationen finden Sie in der Langfassung.

Hier können Sie Kurz- und Langfassung gemeinsam als pdf downloaden (pdf, 141 kB). Dieser Beitrag wurde am 29. April 2008 veröffentlicht und im September 2010 aktualisiert.

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