Prof. Dr. techn. G. Scheffknecht

Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik

Emissionen und Immissionen von

Holzfeuerungen und Maßnahmen zu deren

Minderung

Apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Günter Baumbach

LAI-Fachgespräch

„Holzfeuerungen in Ballungsräumen“

im LANUV NRW

Essen, 01. bis 02. Oktober 2013

Das Problem: Belästigungen und mögliche Gesundheits-

schäden durch Holzfeuerungsrauch in Wohngebieten

winterliche Inversions-

periode in

Dettenhausen

Bechtold

sweiler

Dettenhausen 2006

Bechtoldsweiler

Januar 2007

Dettenhausen Winter 2010

Frühjahr

2013

Smog durch Kleinfeuerungen

in Ulan Bator/Mongolei, April 2010

3

Einzelöfen in der Mongolei

4

GTZ-Öfen

5

Fragestellung: Immissionsbelastung im

Wohngebiet und Beitrag der Holzfeuerungen?

6

„Smog“ in Dettenhausen im Schönbuch

im Januar 2006

Methode zur Ermittlung der Immissionsbelastung

und des Beitrags der Holzfeuerungen

Charakterisierung von Holzfeuerungsabgasen durch PAK-Fingerprints und andere Holzverbrennungs-Tracer-Komponenten

Messung von Feinstäuben (PM10) in Wintermonaten in Wohngebieten

- kontinuierlich und Probensammlung -

Chemische Analyse der gesammelten Feinstäube: PAK und andere Tracer

Identifizierung und Quantifizierung (Source Apportionment durch Vergleich der

Fingerprints) des Beitrages der Partikel aus Holzfeuerungen zur

PM10-Immissionsbelastung im Wohngebiet

Charakterisierung von Holzverbrennungs-

abgasen aus einem Kaminofen

Desaga

PM Sampling on filter

Softwood (pine) burning

Chimney oven

(conc. 192 mg/m³)

Hardwood (beech) burning

Chimney oven

(conc. 80 mg/m³)

Wood smoke emission

Korngrößenverteilung der emittierten Partikel

Kamineinsatz mit Buchen-Stückholz

21 PAHs (including 16 US EPA priority pollutants)

Chemische Analyse

Ultrasonic bath

using Toluene

21 methoxyphenols (syringol & guaiacol derivatives)

Levoglucosan, mannosan, galactosan

Dehydroabietic acid

retene, methoxyphenols, levoglucosan,

dehydroabietic acid

Extraction

GC-MS

Calibration

Selection of

Compounds

(n = 46)

Bechtoldsweiler

Feinstaub– PM10-Messungen

in den Wintern 2005/06, 2006/07 und 2007/2008

Winter 2006/07

Dettenhausen im Schönbuch

Area: 11 km²

Inhabitants: 5389

Altitude: 450 m a.s.l.

Bechtoldsweiler:

Area: 2.78 km²

Inhabitants: 750

Altitude: 550 m a.s.l.

Messungen zur Ermittlung des Beitrags von Holzfeuerungs-

rauch zur Feinstaubbelastung in Wohngebieten

Low Volume Sampler

mit PM10 Kopf

Dettenhausen

Winter 2005/06

März –Mai 2013

Bechtoldsweiler

Winter 2006/07 und

2007/08

Dettenhausen 2013

PM10:

95 µg/m³

PM10:

58 µg/m³

PM10 und Gesamt

PAH-Verläufe in zwei

Wohngebieten

y = 0,9325x

R² = 0,85

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100 120

PM10 in µg/m³

PA

H i

n n

g/m

³ Dettenhausen

0

25

50

75

100

125

15.12 1.1 15.1 1.2 15.2 1.3 15.3 1.4 15.4 30.4

To

tal P

AH

s i

n n

g/m

³

0

25

50

75

100

125

PM

10 in

µg

/m³

TPAH PM10

Dec Jan Feb Mar April

2006 2007

Bechtoldsweiler

n = 36

TPAH

PM10

y = 0,42x

R² = 0,48

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30 35 40

PM10 in µg/m

³

PA

H i

n

ng

/m³

Bechtoldsweiler

Winter

2006/07

0

25

50

75

100

125

1.11 15.11 1.12 15.12 1.1 15.1 1.2 15.2 1.3 15.3 31.3

To

tal P

AH

s i

n n

g/m

³

0

25

50

75

100

125

PM

10 in

µg

/m³

TPAH PM10

Nov Dec Jan Feb Mar

2005 2006

Dettenhausen

n = 51

TPAH

PM10

Winter 2005/06

0

1

2

4

6

8

1.11 15.11 1.12 15.12 1.1 15.1 1.2 15.2 1.3 15.3 31.3

BaP

in

ng

/m³

2005

Dec Jan Feb Mar Nov

2006

Dettenhausen

Winter

2005/06

0

1

2

4

6

8

15.12 1.12 15.1 1.2 15.2 1.3 15.3 1.4 15.4 30.4

BaP

in

ng

/m³

Dec Jan Feb Mar April

Bechtoldsweiler

Winter 2006/07

2006 2007

Proposed EU annual target

Proposed EU annual target

BaP

BaP

y = 0,0688x R² = 0,96

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120 140

Total PAHs in ng/m³

Ba

P in

ng

/m³

Dettenhausen

y = 0,0905x

R² = 0,97

0

1

2

3

0 5 10 15 20 25 30

Total PAHs in ng/m³

Ba

P in

ng

/m³

Bechtoldsweiler

Benzo(a)pyrene, BaP distribution

in two residential villages

Anteil an karzinogenen PAHs in der Winterluft

des untersuchten Wohngebiets

BaP

7.0%

DahA

1.1% IP

4.9%

BjF

2.3%

BbF 8.1%

BkF

8.5%

BaA

10.1%

Chr

7.7%

Nap

0.3%

Others

51%

Carcinogenic PAHs

contribution: 49% of total PAHs

WHO unit risk for respiratory cancer based on BaP equivalents

Acenaphthene (Ace)

Acenaphthylene (Acy)

Fluorene (Fl)

Phenanthrene (Phe) Anthracene (Ant)

Fluoranthene (Flut)

Pyrene (Py)

Chrysene (Chr)

Benzo[a]anthracene (BaA)

Benzo[k]fluoranthene (BkF)

Benzo[b]fluoranthene (BbF)

Benzo[j]fluoranthene (BjF) Benzo[e]pyrene (BeP)

Benzo[a]pyrene (BaP) Dibenzo[a,h]anthracene (DBA) Indeno[1,2,3]pyrene (IP) Benzo[ghi]perylene (BghiP)

Naphthalene (Nap)

International Agency

for research on

Cancer (IARC)

PAH-Fingerprints von Holzfeuerungsabgas (Emissionen)

und Umgebungsluftzusammensetzung (Dettenhausen)

PAH Fingerprints (Composition) of Wood Smoke Emissions and Ambient Air Composition: Good correlation with hardwood burning,

bad with softwood burning: corresponding to reality

1

10

100

1000

10000

Em

issio

n c

on

cen

trati

on

s in

ng

/m³

0

1

2

3

4

Am

bie

nt

co

ncen

trati

on

s in

ng

/m³

Ambient air Wood smoke emissions

Volatile

Semi-volatile PM

Ergebnis: 35 – 70 % der organischen Partikel von Holzfeuerungen

Bestimmung von Holzverbrennungs-Tracern

Syringol and

its derivatives

Guaiacol and

its derivatives

Cellulose breakdown

products

Lignin breakdown products

Levoglucosan

Mannosan

Galactosan

Resin acids

Dehydroabietic

acid

PAHs

Retene

Derivatisation

Vergleich der mittleren Konzentrationen von Holzverbrennungs-

Tracern in den Abgasen und in der Umgebungsluft

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

Emissions of

hardwood burning

Emissions of

softwood burning

Em

iss

ion

co

nc

en

tra

tio

n (

µg

/m3) Dettenhausen ambient

air (n=42)

Am

bie

nt

co

nc

en

tra

tio

n (

ng

/m3)

Syringol

derivatives

Guaiacol

derivatives

Bari et al., 2008

Atmospheric Environment

Konzentrationen von Levoglucosan und

Dehydroabietic-Säure in der Wohngebietsluft

Dettenh

ausen

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

1.11 16.11 1.12 16.12 31.12 15.1 30.1 14.2 1.3 16.3 31.3

Le

vo

glu

co

sa

n in

µg

/m³

0

25

50

75

100

PM

10 in

µg

/m³

2005 2006

Levoglucosan PM10

0

3

6

9

12

15

1.11 16.11 1.12 16.12 31.12 15.1 30.1 14.2 1.3 16.3 31.3

De

hyd

roa

bie

tic

ac

id in

ng

/m³

0

20

40

60

80

100

2005 2006

Dehydroabietic

acid P

M10 in

µg

/m³

PM10

Wood smoke

contributed

36% to 64%

to PM10

n = 42

n = 42

PM10 in µg/m³

4,0

y = 0,0211x + 0,0622

R² = 0,3571

0,0

1,0

2,0

3,0

0 20 40 60 80 100

Le

vo

glu

co

san

in

µg/m

³

15

y = 0,1258x - 0,6455

R² = 0,6405

0

3

6

9

12

0 20 40 60 80 100

Deh

yd

roa

bie

tic a

cid

in n

g/m

³

PM10 in µg/m³

Immissionsmodellierung für die Validierung, flächenhafte Ergebnisse für PM10

UBA-Projekt:Lohmeyer, IFK

Vergleich Messung – Modellierung

PM10

Januar - März 2008, WG 0,5 - 4 m/s

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

28.12.07 5.1.08 13.1.08 22.1.08 30.1.08 7.2.08 16.2.08 24.2.08 3.3.08 12.3.08 20.3.08 28.3.08

Zeit

PM

10 K

on

zen

tra

tio

ne

n in

µg

/m³

PM10 Differenz

NOx- Immissionen im ländlichen Gebiet

für die betrachteten Feuerungsarten, je

10%; Jahresmittel für max. Fläche

PM10

Ergebnisse der Immissions-Projekte

• Es konnte anhand der durchgeführten Messungen gezeigt werden, dass

die Holzfeuerungsabgase einen deutlichen Anteil an der

Feinstaubbelastung in Wohngebieten haben können, PM10-Grenzwerte

wurden allerdings nicht überschritten

• Die Belastung ist stark wetterabhängig; kritisch sind Inversionsperioden,

die in manchen Wintern stark, in anderen kaum auftreten.

Dementsprechend treten höhere oder geringere Konzentrationen an

organischen, einschließlich karzinogenen Verbindungen und Gerüchen auf

• Die analysierten organischen Verbindungen werden durch unvollständige

Verbrennung verursacht: siehe Vortrag von Dr. Creutznacher

• Neben den Feinstäuben sind die Gerüche ein großes Problem: siehe

Vortrag von Dr. Creutznacher

Der Rauch muss weg!

Beispiele für Maßnahmen zur Emissionsminderung

1. Angemessene Vorschriften > 1.BImSchV

2. Gute Verbrennungstechnik > Vermeidung unvollständiger Verbrennung

3. Brennstoffwahl

4. Verbrennungsregelung

5. Richtige hydraulische Einbindung von Heizkesseln

6. Einbau von Staubabscheidern

7. Richtig angeordnete Schornsteine zur Vermeidung von Downwasheffekten

8. Überwachung mit geeigneter Messtechnik durch qualifizierte Personen

9. und durch hilfreiche Projekte

Einige Minderunsmöglichkeiten sollen aufgezeigt werden:

Universität Stuttgart

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00

Versuchszeit in hh:mm

CO

2 i

n V

ol%

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

CO

in

mg

/m³,

Cn

Hm

in

mg

C/m

³

Ausblasen des Brennschale

CO2

CnHm

CO

Automatische

Beschickung

PM < 20 mg/m3

möglich

Hand-

beschickung

Ziel: Vergleich-

mäßigung des

Abbrands

Verbrennungsverläufe

Brennstoffstandardisierung in DIN EN 13691

• Pellets: ☺

• Holzbriketts: Ganz unterschiedliche Eigenschaften

• Holz-Hackschnitzel: Vorsicht bei feuchtem Material

• Stückholz: Stückgröße und Holzart beeinflussen den

Abbrand

27

Modellgestützte Dimensionierung : CFD-Modell optimierter

Holzvergaserkessel

28

Verbesserung der Verbrennungstechnik

Ziel: Verbesserung der Mischung der Verbrennungsgase mit

Sekundärluft durch Drallerzeugung

Verbrennungsmodellierung:

EDM und globaler

Reaktionsmechanismus

Strahlungsmodellierung:

Discrete-Ordinates Methode

Strömungsmodellierung:

k- Modell

CH4+1.5 O2 CO+2H2O

CO+0.5 O2 CO2

• ʎ (O2)-Regelung reicht nicht aus

• CO-Emissionskantenregelung zur direkten Erkennung

unvollständiger Verbrennung > Sensorik erforderlich

29

Optimierte Verbrennungsregelung

2400

1200

900

600

300

1500

1800

2100

CO

ein

pp

m

Sauerstoff in % -kesselabhängig-

Lam

bd

a

-kessela

bhängig

-

Ruß /

Stäube

ohne Regelungmit Regelung

2400

1200

900

600

300

1500

1800

2100

CO

ein

pp

m

Sauerstoff in % -kesselabhängig-

Lam

bd

a

-kessela

bhängig

-

Ruß /

Stäube

2400

1200

900

600

300

1500

1800

2100

CO

ein

pp

m

Sauerstoff in % -kesselabhängig-

Lam

bd

a

-kessela

bhängig

-

2400

1200

900

600

300

1500

1800

2100

CO

ein

pp

m

Sauerstoff in % -kesselabhängig-

Lam

bd

a

-kessela

bhängig

-

2400

1200

900

600

300

1500

1800

2100

2400

1200

900

600

300

1500

1800

2100

CO

ein

pp

m

Sauerstoff in % -kesselabhängig-

Lam

bd

a

-kessela

bhängig

-

Ruß /

Stäube

ohne Regelungmit Regelung

COe = CO, VOC, H2

*

Lam

bd

a,

Wir

ku

ng

sg

rad

COe

Lambda

CO

e*

in p

pm

, R

uß

/ S

tau

b

Em

issio

nskan

te

Vorteile:

niedrige Emissionen

Wirkungsgradoptimum

Erkennung von

Störungen, Änderung

der Brennstoffqualität,

etc.

Lambda-Regelung CO/O2-Regelung

Staubabscheider für kleine Feuerungen

30

Quelle: Hartmann, TFZ

Kommission Reinhaltung der Luft

im VDI und DIN - Normenausschuss KRdL

Prüfaufbauten zum Test von Staubabscheidern

DIN 33999: Emissionsminderung — Kleine und mittlere Feuerungsanlagen—

Prüfverfahren zur Ermittlung der Wirksamkeit von nachgeschalteten

Staubminderungseinrichtungen

Handbeschickte

Feuerung Kontinuierlich beschickte Feuerung

Kommission Reinhaltung der Luft

im VDI und DIN - Normenausschuss KRdL

Verminderung von Nachbarschaftsbeschwerden durch

ausreichend dimensionierte Schornsteinhöhen

Neu entwickeltes Staubmessgerät

z.B. für Schornsteinfeger

33

Der Rauch ist noch nicht weg: Staubmessungen

im Wohngebiet Dettenhausen März und April 2013

Danksagung

An IFK-Mitarbeiter:

Dr.-Ing. Michael Struschka

Johannes Brodbeck (bis 08.2013)

Winfried Juschka

Christian Schäfer

Julia Goy

Patricia Winter

Jan Bischoff

Jiexia Zheng

Dieter Straub

Sema Yurdakul (04.2012 – 04.2013)

Dr.-Ing. Md. Aynul Bari (bis 2010)

An ISWA-Mitarbeiter:

Dr. Bertram Kuch

An Ing.-Büro Lohmeyer,

Karlsruhe:

Frau Sörgel

Dr.-Ing. Wolfgang Bächlin

Danksagung für die finanzielle Unterstützung durch:

36

• BMU

• AIF

• FNR

• DBU

• UM Baden-Württemberg

• LUBW

• UBA

• Alfred Teufel-Stiftung, Nagold

• Boysen-Stiftung Altensteig

• Landesgraduiertenförderung

• GREES: Energietechnik-Doktoranden-Programm

Zusammenarbeit

• Institut für Siedlungswasserbau: PAK- und Levoglukosan-Analysen

• LUBW: PAK-Bestimmungen

• Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN: Normung > Projekte

• Messinstitute: TÜV Süd, DEKRA

• Ing.-Büro Lohmeyer

• Feuerungshersteller, z.B. Wörle Umwelttechnik

• Messgerätehersteller, z.B. Fa. Wöhler

• Fa. ESCUBE/ Lamtec: CO-Sensorik

• Hochschule Karlsruhe

• NMI Reutlingen

• KIT Karlsruher Institut für Technology

• Deutsches Biomasse Forschungszentrum Leipzig

• Technologie- und Forschungszentrum Straubing

37

Der Rauch muss weg durch, damit wir

auch morgen durchatmen können