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Biomasseheizungen Abstract / Zusammenfassung des Lernfelds In diesem Lernfeld werden zunächst verschiedene Bauarten von Biomasseheizungen vorgestellt. Mit Biomasse befeuerte Zentralheizungen werden in weiterer Folge detailliert mit ihrer Funktionsweise und ihren Komponenten beschrieben. Die unterschiedlichen Brennstoffe (Stückholz, Hackgut, Pellets) werden verglichen. Weiters wird auf die richtige Dimensionierung ebenso wie auf einen emissionsarmen Betrieb eingegangen. In Hinblick auf das Brennstofflager werden bauliche Anforderungen für die verschiedenen Biomasseheizsysteme beschrieben. Zusätzlich zu Zentralheizungen werden auch (erweiterte) Raumheizgeräte auf Basis von Biomasse dargestellt. Abschließend werden Biomasseheizungen mit anderen Heizsystemen in Bezug auf ihre Wirtschaftlichkeit verglichen und aktuelle technologische Entwicklungen und Innovationen vorgestellt. 1 Inhaltsverzeichnis 1. LERNZIELE ..................................................................................................................................... 4 2. ZUM NACHDENKEN ... .................................................................................................................. 4 3. EINLEITUNG ................................................................................................................................... 5 4. 3.1 Ökonomische und soziale Aspekte ...........................................................................5 3.2 Breites Anwendungsspektrum ...................................................................................5 3.3 Ökologische Aspekte ................................................................................................5 3.4 Zum Üben... ..............................................................................................................7 WELCHE BAUARTEN UND EINSATZBEREICHE GIBT ES FÜR BIOMASSEHEIZUNGEN? .... 8 4.1 5. WIE IST DIE FUNKTIONSWEISE DER FEUERUNG EINER BIOMASSEZENTRALHEIZUNG?10 5.1 6. Zum Üben... ............................................................................................................11 KOMPONENTEN EINER BIOMASSEZENTRALHEIZUNG ......................................................... 12 6.1 Zentralheizungskessel ............................................................................................13 6.1.1 Stückholzkessel ..............................................................................................13 6.1.2 Hackgutkessel .................................................................................................14 6.1.3 Pelletskessel ...................................................................................................15 6.1.4 Kombinierte Kesseltechnologien .....................................................................16 6.2 7. Zum Üben... ..............................................................................................................9 Zum Üben... ............................................................................................................17 AUSWAHL UND DIMENSIONIERUNG DES PASSENDEN HEIZSYSTEMS ............................. 19 7.1 Vergleich von Hackgut-, Pellets- und Stückholzheizung ..........................................20 7.2 Dimensionierung einer Biomassezentralheizung .....................................................22 7.3 Zum Üben... ............................................................................................................24 8. ENERGIEEFFIZIENTER UND EMISSIONSARMER BETRIEB VON BIOMASSEZENTRALHEIZUNGEN ..................................................................................................... 25 8.1 9. Zum Üben... ............................................................................................................27 BRENNSTOFFLAGER ................................................................................................................. 28 9.1 Lagerung von Hackgut ............................................................................................28 9.1.1 9.2 Lagerraumgröße .............................................................................................28 Lagerung von Pellets ..............................................................................................30 9.2.1 Lagerraumvarianten ........................................................................................31 2 9.2.2 10. Lagerraumgröße .............................................................................................36 9.3 Lagerung von Stückholz ..........................................................................................37 9.4 Zum Üben... ............................................................................................................37 WELCHE RAUMHEIZGERÄTE UND ERWEITERTEN RAUMHEIZGERÄTE GIBT ES? ....... 38 10.1 Zimmer-/Kaminöfen.................................................................................................38 10.2 Pelletsöfen ..............................................................................................................39 10.3 Speicheröfen ...........................................................................................................39 10.3.1 Grundöfen .......................................................................................................39 10.3.2 Warmluftkachelöfen ........................................................................................40 10.3.3 Kombinierte Kachelöfen ..................................................................................40 10.4 Erweiterte Raumheizgeräte .....................................................................................42 10.5 Zum Üben... ............................................................................................................43 11. WIRTSCHAFTLICHKEIT VON BIOMASSEHEIZUNGEN ........................................................ 44 12. AUSBLICK: INNOVATIONEN UND TECHNOLOGISCHE HERAUSFORDERUNGEN ......... 45 12.1 Zum Üben... ............................................................................................................46 13. QUELLEN.................................................................................................................................. 47 13.1 Normen und Richtlinien ...........................................................................................47 13.2 Literatur...................................................................................................................47 14. ÜBERSICHT AUFGABEN ........................................................................................................ 49 15. ABBILDUNGSVERZEICHNIS .................................................................................................. 51 16. TABELLENVERZEICHNIS ....................................................................................................... 52 IMPRESSUM ......................................................................................................................................... 53 3 1. Lernziele Bauarten und Einsatzbereiche von Biomasseheizungen benennen Hauptkomponenten einer Biomassezentralheizung aufzählen Funktionsprinzip und Anwendungsgebiete einer Biomassezentralheizung erklären Die Lagerraumgröße für eine Biomassezentralheizung berechnen Verschiedene Heizsysteme vergleichen Auswahl und Dimensionierung eines Biomasseheizsystems begründen 2. Zum Nachdenken ... Aufgabe 1: Welche Möglichkeiten, mit Biomasse zu heizen, sind Ihnen bereits bekannt? Abbildung 1: Die Technologie der Nutzung von Biomasse für Heizen und andere Zwecke wurde in den letzten Jahrzehnten stark weiterentwickelt (Quelle: Stefan Prokupek, GrAT) 4 3. Einleitung Das Heizen mit Biomasse, insbesondere mit Holz, hat in Österreich eine lange Tradition. Die häufigste Form waren lange Zeit Zimmer- und Kaminofen sowie Speicheröfen (Grundöfen oder Warmluftkachelöfen), die langsam die gespeicherte Wärme abgeben. In den letzten Jahren haben sich mit steigenden Rohölpreisen Hackgut- oder Pelletszentralheizungskessel etabliert, die einen vollautomatischen Betrieb ermöglichen. 1997 waren 425 Pelletheizkessel installiert worden. Im Herbst 2012 wurde der 100.000. Pelletskessel (Kleinfeuerung) in Österreich in Betrieb genommen. (http://www.propellets.at/de/heizen-mit-pellets/statistik/) Biomasse weist im Vergleich zur Verwendung von fossilen Brennstoffen mehrere Vorteile auf: 3.1 Ökonomische und soziale Aspekte Durch die Nutzung heimischer Energieträger kann die Importabhängigkeit der österreichischen Energiewirtschaft reduziert werden, sofern die Biomasse nicht aus Importen stammt. Die Preise von Holzbrennstoffen sind aktuell im Gegensatz zu fossilen Energieträgern stabiler und somit nicht von großen Schwankungen betroffen. Während die Preise der Holzbrennstoffe im Jahr 2011 unter 5 Cent/kWh blieben, kosteten Heizöl und Gas circa doppelt so viel. Im Biomassekessel- und -ofenmarkt wurden im Jahr 2011 1.435 Mio. Euro Umsatz erwirtschaftet und 14.190 Erwerbstätige beschäftigt (Biermayr et al. 2012). Die österreichische Branche für Biomassekessel und -öfen ist stark exportorientiert. So setzen österreichische Biomassekesselhersteller typischerweise ca. 70 % ihrer Produktion im Ausland ab. Da die verschiedenen Verarbeitungsstufen der heimischen Produktion von Biomasseheizanlagen wie auch vom Großteil der Biomassebrennstoffe innerhalb Österreichs erfolgen, wird die regionale Wertschöpfung erhöht. 3.2 Breites Anwendungsspektrum Biomasse-Heizanlagen gibt es in verschiedenen Leistungsbereichen und Technologien, vom preisgünstigen Einzelofen als Zusatzheizung bis zum vollautomatischen Heizsystem, welches per Smartphone-App bedient werden kann. 3.3 Ökologische Aspekte Biomasse ist ein nachwachsender, heimischer Energieträger. Biomassebrennstoffe werden als „CO2-neutral“ bezeichnet, da bei der energetischen Nutzung der Biomasse der Atmosphäre nur so viel Kohlendioxid (CO2) zugeführt wird, wie die Pflanzen, aus der die Biomasse stammt, während ihrer Lebenszeit vorher aufgenommen haben. Zu bedenken ist allerdings, dass die CO2-Bilanz bei langen Transportwegen z. B. bei Importen aus Kanada oder Osteuropa schlechter ausfällt. 5 Die Waldfläche in Österreich umfasst rund 4 Millionen Hektar, was in etwa 48 % des Staatsgebietes entspricht. Durch eine nachhaltige Waldbewirtschaftung wächst in Österreich, aber auch EU-weit, pro Jahr mehr Holz zu, als genutzt wird. Allerdings ist Österreich trotz der großen Waldfläche ein Nettoimporteur von Rohholz (Kalt 2010, S. 9). Die Verwendung von Holz als Brennstoff hatte Anfang der Neunzigerjahre erheblich an Bedeutung verloren. Mit den automatischen Holzheizungen (Hackgut- und Pelletsfeuerungen) hat das Heizen mit Holz wieder einen neuen Aufschwung erlebt. Neben den langsam, aber kontinuierlich jährlich zulegenden Hackgutheizungen sind es vor allem moderne Pelletsheizungen, die seit 1997 rasant an Marktanteilen im kleinen Leistungsbereich (< 100 kW) gewinnen konnten. Pelletsheizungen mit einer Leistung zwischen 100 und 1.000 kW nehmen ebenfalls an Bedeutung zu. Sie werden zunehmend für die Wärmebereitstellung in öffentlichen Gebäuden und im verdichteten Wohnbau genutzt. (Haslinger 2005) Abbildung 2: Anzahl der jährlich verkauften und installierten Stückholz-, Pellets- und Hackgutkessel bis 100 kW in Österreich (Quelle: LK NÖ 2012) Abbildung 2 zeigt den Trend beim Einsatz von Holzheizungen im Leistungsbereich < 100 kW. Neben den automatischen Holzheizungen (Hackgut- und Pelletsfeuerungen) erfreuen sich die Stückholzheizungen noch immer bzw. wieder großer Beliebtheit. Im Jahr 2005 wurden im Leistungsbereich < 100 kW erstmals mehr neue Pelletskessel als Ölkessel installiert. 6 3.4 Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 2: Welche Argumente können Sie nennen, die für Biomasse als Heizmaterial sprechen? Aufgabe 3: Welcher ökologische Aspekt spielt eine wesentliche Rolle bei der CO2-Neutralität von Biomasse? 7 4. Welche Bauarten und Einsatzbereiche gibt es für Biomasseheizungen? Prinzipiell kann man Biomasseheizungen in Zentralheizungen und (erweiterte) Raumheizgeräte unterteilen. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die verschiedenen Bauarten und Einsatzbereiche im kleinen Leistungsbereich (< 100 kW). Darauffolgend werden Funktionsweise und Komponenten von Biomassezentralheizungen näher beschrieben. Bauart Heizleistung in kW Merkmale Raumheizgeräte Offener Kamin 0–5 als Permanentheizung nicht geeignet Zimmer-, Kaminofen 3–12 vom Wohnraum aus befeuerter Holzofen, kein Wasserheizkreislauf Speicherofen (Grundofen oder Warmluftkachelofen) Küchenherd 2–15 langsame Abgabe gespeicherter Wärme durch hauptsächlich Strahlung (Grundofen) oder Konvektion (Warmluftkachelofen) Primärnutzen Kochwärme Pelletsofen 3–12 2,5–10 automatisch beschickt, geregelte Brennstoff- und Luftzufuhr (Gebläse) Erweiterte Raumheizgeräte Erweiterter Kachelofen 3–20 mit Wasserheizkreislauf oder zirkulierender Warmluft (Hypokaustenheizung) Pelletsofen mit Wasserwärmeüberträger ≤ 12 mit Wasserheizkreislauf Zentralheizungskessel Stückholzkessel ≥ 10 bis 1 m Scheitlänge, Naturzug- oder Gebläsekessel, Pufferspeicher erforderlich Hackgutkessel ≥ 25 vollautomatischer Betrieb, Verbrennungsluftregelung, Pufferspeicher vorteilhaft Pelletskessel ≥3 vollautomatischer Betrieb, Verbrennungsluftregelung Tabelle 1: Bauarten und Merkmale von Holzheizungen im kleinen Leistungsbereich (modifiziert von BIOENERGY 2020+ GmbH basierend auf Hartmann 2007) 8 4.1 Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 4: In welche Bauarten kann man Biomasseheizungen prinzipiell unterteilen? Aufgabe 5: Nennen Sie ein Beispiel für ein Raumheizgerät. Aufgabe 6: Was ist der charakteristischste Unterschied zwischen einer Einzelfeuerstätte und einem Zentralheizungskessel? 9 5. Wie ist die Funktionsweise der Feuerung einer Biomassezentralheizung? Eine typische automatische Biomassefeuerung funktioniert folgendermaßen (siehe auch Abbildung 3): Der Brennstoff wird über eine Förderschnecke auf den Rost befördert. Dann erfolgt die automatische Zündung beispielsweise mittels Heizgebläse. Am Rost bildet sich ein Glutbett aus, und die brennbaren Gase werden im Brennraum unter Luftzuführung vollständig verbrannt. Danach strömt das heiße Gas durch den Wärmetauscher. Dieser gibt die Wärme an das Heizwasser ab. Meist sind die Wärmetauscher mit sogenannten Turbulatoren (spiralförmigen Blechstreifen) ausgestattet, welche das Gas verwirbeln und so den Wärmeübergang an die Wärmetauscherwand und letztlich ins Wasser verbessern. Gleichzeitig kann durch das fallweise Hin- und Herbewegen dieser Turbulatoren der Wärmetauscher von Flugasche gereinigt werden. Das Abgas verlässt den Wärmetauscher und wird in den Kamin geleitet. Die Gasführung wird durch einen permanent laufenden Saugzugventilator sichergestellt. Für die Asche sind oft Austragungsschnecken (auch für die Ascheablagerungen aus dem Wärmetauscher) und separate Ascheboxen vorhanden. Eine Lambda-Sonde kann ähnlich wie beim Kfz zur Regelung und Optimierung der Verbrennung herangezogen werden. Als Sicherheitseinrichtung verhindert die thermische Ablaufsicherung die Überhitzung der Heizwassers. Als Rückbrandschutz gegenüber dem Brennstofflager kommen Zellradschleusen oder Sicherheitsklappen zum Einsatz. Solche Heizsysteme können vollautomatisch betrieben werden, lediglich der Aschebehälter muss je nach Brennstoff (Hackgut hat größeren Aschegehalt als Pellets) und Größe ein paarmal jährlich entleert werden. 10 1. Rost mit Glutbett 2. Flammbündelplatte 3. Ende Brennraum / Wärmetauschereintritt Kessel 4. Turbulatoren im Wärmetauscher 5. Flugascheabscheidung 6. Abgasrohr 7. Lambda-Sonde 8. Heizschlangen für thermische Ablaufsicherung 9. Antriebsmotor für Ascheaustragung und Kesselputzeinrichtung 10. Ascheaustragungsschnecken 11. Gestänge für automatische Kesselputzeinrichtung 12. Aschebox Abbildung 3: Automatische Biomassefeuerung (Quelle: Hargassner GesmbH) 5.1 Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 7: Beschreiben Sie die grundlegende Funktionsweise einer typischen automatischen Biomassefeuerung. 11 6. Komponenten einer Biomassezentralheizung Die wichtigsten Komponenten einer typischen Biomassezentralheizung für ein Ein- oder Zweifamilienhaus sind: ein Brennstofflagerraum, ein Brennstoffaustrag- und -fördersystem, die Biomassefeuerung (die Einheit aus Feuerung und Wärmetauscher wird auch als Kessel bezeichnet), der Wärmespeicher (auch Pufferspeicher genannt), dieser ist bei Stückholzfeuerungen und Solareinbindung verpflichtend vorzusehen, sonst optional, ein Wärmeverteilsystem (inkl. Pumpen) mit einem oder mehreren Heizkreisen, ein Warmwasserkreislauf zur Versorgung von Küche und Sanitärräumen und eine Steuerungs- und Regelungseinheit. Abbildung 4 zeigt die Einbindung der erwähnten Komponenten (mit Ausnahme der Regelung und des Brennstofffördersystems) in ein Gebäude. Optional kann am Dach eine Solaranlage angebracht werden, wobei die Solarwärme in denselben Wärme-/Pufferspeicher eingebracht werden kann. Die Wärme wird letztendlich mit klassischen Radiatoren (Heizkörpern) oder Flächenheizsystemen wie Fußbodenheizungen an die Wohnräume abgegeben. 12 9 1. Brennstofflagerraum 2. Feuerung bzw. Kessel 3. Wärme-/Pufferspeicher 4. Heizraum 8 5. Heizkreislauf 6. Warmwasserkreislauf 5 7 7. Heizkörper 6 8. Fußbodenheizung 4 2 3 1 9. Solaranlage (optional) Abbildung 4: Komponenten eines automatischen Biomasseheizsystems (Quelle: Walter Bösch KG) 6.1 Zentralheizungskessel Im Gegensatz zu Einzelfeuerstätten, bei denen die Wärme an den Aufstellort abgegeben wird, sind Zentralheizungskessel mit einem Wasserwärmeüberträger ausgestattet und an einen Warmwasserkreislauf angeschlossen. Die Wärmeabstrahlung über die Geräteoberfläche beeinflusst den Kesselwirkungsgrad und soll deshalb so gering wie möglich sein (Hartmann 2007). 6.1.1 Stückholzkessel Naturzugkessel repräsentieren den Stand der Technik der 1970er-Jahre. Bei Stückholzkesseln heutiger Bauart werden Gebläse (Saugzuggebläse) eingesetzt. Feuerungen mit Durchbrand und mit oberem Abbrand stellen eine veraltete Technologie dar (geringe Wirkungsgrade, hohe Emissionen). Heute kommen fast ausschließlich Feuerungen mit unterem Abbrand zum Einsatz. Aktuell sind etwa 400.000 Stückholzkessel in Österreich installiert (siehe Statistik Austria 2010). Wesentliche Vorteile bei Verwendung eines Stückholzkessels sind der im Vergleich zu Pellets kostengünstigere Brennstoff und die geringeren Investitionskosten für den Kessel. Insbesondere für Selbstversorger mit kleinem Wald bietet sich dieser Kesseltyp an. Im Vergleich zu Holzpellets ist der höhere Lagerplatzbedarf zu berücksichtigen. Der wesentliche Nachteil gegenüber Pellets und Hackgut ist die manuelle Brennstoffzufuhr. Es muss also 13 grundsätzlich täglich eingeheizt werden. In der Kombination mit einem geeignetem Pufferspeicher genügt an wärmen Wintertagen das manuelle Einheizen alle zwei bis drei Tage. Abbildung 5: Beispiel für einen Stückholzkessel (unterer Abbrand) (Quelle: Fröling Heizkessel- und Behälterbau GmbH) 6.1.2 Hackgutkessel Hackgutkessel werden vorwiegend im ländlichen Bereich und bei Gewerbebetrieben eingesetzt. Sie ermöglichen im Gegensatz zu Stückgutkesseln eine automatische Betriebsweise und kontinuierliche Verbrennung. Hackgutkessel mit automatischer Brennstoffzufuhr mit Schnecken werden als Unterschubund Quereinschubfeuerungen angeboten. Bei Unterschubfeuerungen wird der Brennstoff von unten in die Feuermulde eingeschoben. Bei Quereinschubfeuerungen wird der Brennstoff von der Seite in den Feuerraum mit oder ohne Rost eingebracht. Hackgutfeuerungen sind grundsätzlich auch für den Einsatz von Holzpellets geeignet, umgekehrt ist dies nicht der Fall (Hartmann 2007). Manche Hackgutkessel sind zudem für die Verbrennung von alternativen Biomassen wie Getreide oder Miscanthus, einer schnellwachsenden Grasart, geeignet. 14 Abbildung 6: Kessel für Hackgut, Pellets und Getreide (Quelle: Hargassner Ges.m.b.H) 6.1.3 Pelletskessel Für Pellets wird eine Vielzahl unterschiedlicher Verbrennungstechnologien eingesetzt. Häufig werden diese, abhängig vom Prinzip der Brennstoffzufuhr, in Unterschub-, Quereinschubund Abwurffeuerungen unterteilt. Während Unterschub- und Quereinschubfeuerungen auch bei Hackgut zum Einsatz kommen, handelt es sich bei Abwurffeuerungen um eine Bauartengruppe, die speziell für Holzpellets entwickelt wurde. Der Brennstoff fällt von oben über einen Fallschacht auf den Rost bzw. das Glutbett (Haslinger 2005). Aktuell sind in Österreich ca. 100.000 Pelletskessel installiert. Sie bieten vollautomatisches Heizen und sind beispielsweise ein ideales System, um vom Ölheizen auf Biomasse umzusteigen. Als einziger wesentlicher Unterschied zum Heizen mit Öl muss je nach Größe der Aschebox diese mehrmals pro Jahr entleert werden. Im Vergleich zu Stückholz und Hackgut kann beispielsweise von einem Kleinwaldbesitzer der Brennstoff nicht selbst hergestellt werden. Zur Erzeugung von Qualitätspellets braucht es eine Produktionsanlage im Industriemaßstab. Diese sind meist direkt neben Sägewerken angesiedelt, da die Sägenebenprodukte (Säge- und Hobelspäne) die Hauptrohstoffquelle für Holzpellets darstellen. Bei den Qualitätspellets handelt es sich um den teuersten festen Biobrennstoff. Bezogen auf den Heizwert sind die Pellets trotzdem deutlich günstiger als Heizöl. Aktuelle Preisvergleiche finden sich auf der Homepage des Branchenverbandes ProPellets Austria (http://www.propellets.at/). 15 Abbildung 7: Beispiel für einen Pelletskessel mit Abwurffeuerung (Quelle: Windhager Zentralheizungs Gmbh) Abbildung 8: Beispiel für einen Pelletskessel mit Unterschub (Quelle: KWB – Kraft und Wärme aus Biomasse GmbH) 6.1.4 Kombinierte Kesseltechnologien Die Kombination von verschiedenen Kesseltechnologien hat zu weiteren innovativen Produkten für die Holzverbrennung geführt. In einem Pellets-Stückholz-Kombikessel sind Pelletsbrenner und Stückholzkessel integriert und auch einzeln voll funktionsfähig. Dadurch ist der Betrieb wahlweise mit Pellets oder Scheitholz ohne Umbau möglich. Der Pelletsbrenner kann dabei außerdem als Startbrenner für den Stückholzteil arbeiten. Abbildung 9: Kombikessel für Pellets und Stückholz im Stückholzbetrieb (Quelle: SHT Heiztechnik aus Salzburg GmbH) Abbildung 10: Kombikessel für Pellets und Stückholz im Pelletsbetrieb (Quelle: SHT Heiztechnik aus Salzburg GmbH) 16 Pufferspeicher Ein Zentralheizungskessel wird entsprechend der Heizlast eines Gebäudes (= Wärmeleistung, die ein Gebäude am kältesten Wintertag benötigt) dimensioniert. Diese maximale Auslastung wird aber im Allgemeinen nur während weniger Heiztage im Jahr erreicht. In der übrigen Zeit wird der Kessel in Teillast betrieben. Besonders bei Stückholzkesseln ist eine optimale Betriebsweise im Teillastbetrieb nur schwer möglich. Diese können nur in Verbindung mit einem Pufferspeicher effizient (= mit höheren Kesselwirkungsgraden) betrieben werden. Dieser gleicht die Schwankungen zwischen Wärmenachfrage und Wärmeangebot aus. Dadurch verlängern sich auch die Stillstandsintervalle, was wiederum die Lebensdauer der Anlage verlängert. Für den Betrieb von Pellets- und Hackgutkesseln ist kein Pufferspeicher erforderlich. Durch die automatische Brennstoffzufuhr kann die Wärmeabgabe an die jeweilige Leistungsanforderung angepasst werden. Darüber hinaus können Pellets- und Hackgutkessel auch im Teillastbereich effizient und mit niedrigen Emissionen betrieben werden. Die Kombination eines Pellets- oder Hackgutkessels mit einem Pufferspeicher ist jedoch üblich und wird teilweise auch von den Kesselherstellern empfohlen. Je nach Anforderung und Einsatzbereich stehen verschiedene Speichertypen zur Verfügung. Die Brauchwassererwärmung kann separat erfolgen oder in den Wärmespeicher integriert sein. Die Kombination von Holzfeuerungen mit solarthermischen Systemen für die Brauchund Heizwassererwärmung erfordert den Einsatz eines speziellen Wärmespeichers (Hartmann 2007). 6.2 Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 8: Was sind die wichtigsten Komponenten einer Biomassezentralheizung? Welche können Sie benennen? Aufgabe 9: Welche Verbrennungstechnologien werden bei Hackgutkesseln angeboten, und wodurch unterscheiden sie sich? Aufgabe 10: Welche Brennstoffe können grundsätzlich bei einem Hackgutkessel verwendet werden? Aufgabe 11: Was ist unter kombinierter Kesseltechnologie zu verstehen? Aufgabe 12: Was ist ein Pufferspeicher? 17 Aufgabe 13: Was wird durch einen Pufferspeicher ausgeglichen? Aufgabe 14: Ist ein Pufferspeicher für eine Biomassezentralheizung notwendig? Aufgabe 15: Zeichnen Sie ein Gebäudeschema mit den einzelnen Komponenten einer Biomassezentralheizung. Aufgabe 16: Welche Verbrennungstechnologien werden für Pelletskessel angeboten, und welche wurden speziell nur für Holzpellets entwickelt? 18 7. Auswahl und Dimensionierung des passenden Heizsystems Alle Formen von Holzbrennstoffen – Stückholz, Hackgut und Pellets – können mittlerweile (dank den technologischen Entwicklungen der letzten 20 Jahre) mit geringen Emissionen und hohen Wirkungsgraden verbrannt werden. Welcher Holzbrennstoff bzw. welche Holzheizung jeweils die passende Lösung für ein Gebäude darstellt, hängt von verschiedenen Faktoren ab: Wie groß ist der Wärmebedarf? o Einfamilienhaus, Mehrfamilienhaus, öffentliche Einrichtung etc. o Neubau oder Bestand o Raumheizung oder Zentralheizung Wie sieht es mit der lokalen Verfügbarkeit von Holzbrennstoffen aus? Wie groß ist das Komfortbedürfnis? Wie viel Platz, insbesondere für die Brennstofflagerung, steht zur Verfügung? Holzheizungen können sowohl im Neubau als auch bei der Sanierung zum Einsatz kommen. Einziger Ausschließungsgrund wäre, dass im Bestandsgebäude kein Lagerraum für den Brennstoff zur Verfügung steht und auch die Möglichkeit fehlt, einen solchen nachträglich zu errichten. Zu beachten ist, dass nach thermischer Sanierung eines Gebäudes die Heizlast neu zu ermitteln ist. Der neue Biomasseheizkessel kann dann bezüglich seiner Nennleistung oftmals deutlich kleiner ausfallen. Biomasseheizungen und Solaranlagen Biomasseheizungen eignen sich auch für die Kombination mit thermischen Solaranlagen. Die Kombination einer Pellets-Wohnraum- oder Pellets-Zentralheizung mit einer Solaranlage ist für alle Gebäudeklassen vom Passivhaus bis zum unsanierten Altbau eine Option. Auch Kachelofen-Ganzhausheizungen und Stückholzvergaser-Zentralheizungen sind in der Kombination mit einer Solaranlage für entsprechende Gebäude eine gute Wahl. In Abbildung 11 sind diese Kombinationen als sogenannte „klima:aktiv-Heizsysteme“ dargestellt. 19 Abbildung 11: Bewertungsmatrix klima:aktiv-Heizsysteme zur Auswahl eines geeigneten Heizsystems je nach Gebäudeklasse. Erläuterung: A++ Passivhaus; A+, A Niedrigstenergiehäuser; B, C Niedrigenergiehäuser, D–G alte, unsanierte Gebäude (Quelle: Broschüre Erneuerbare Wärme für Eigenheime; http://www.klimaaktiv.at/publikationen/erneuerbare-energie/ewaermeeigenheime.html) 7.1 Vergleich von Hackgut-, Pellets- und Stückholzheizung Wo genügend Lagerraum vorhanden und eine gut organisierte Belieferung mit qualitativ hochwertigem Hackgut gewährleistet ist, stellt die Hackgutheizung insbesondere für Objekte mit größerem Wärmebedarf sowie für Nah- oder Fernwärmenetze eine ausgezeichnete und kostengünstige Lösung dar. Gegenüber Stückholz weist Hackgut den großen Vorteil der automatischen Beschickung auf. Die hohen Investitionskosten für den Kessel werden vor allem bei größerem Wärmebedarf durch die im Vergleich zu Holzpellets bzw. Öl geringen Brennstoffkosten kompensiert. Pellets benötigen im Vergleich zu Hackgut weniger Lagerraum. Die hohe Energiedichte und die homogene Beschaffenheit des Brennstoffs machen ihn zur komfortablen Lösung für Einfamilienhäuser. 20 Energiedichte Die Energiedichte bezeichnet in der Physik die Energie pro Masse eines Stoffes. Die Maßeinheit ist Joule/kg. Bei Brennstoffen nennt man die Energiedichte auch Brenn- bzw. Heizwert. Auch bei Pellets gibt es eine große Bandbreite an Verbrennungstechnologien in Form von Raumheizgeräten und Zentralheizungskessel. Pelletsheizungen werden vermehrt auch in größeren Objekten, Gewerbebetrieben und Hotels eingesetzt. Die wesentlichen Vorteile neben dem geringen Platzbedarf sind die einheitliche, genormte Brennstoffqualität und die flächendeckende Brennstoffversorgung. (klima:aktiv 2006) Beim Pelletskauf ist darauf zu achten, dass diese den hohen Qualitätsstandards gemäß ÖNORM M 7135 bzw. ENplus (nach EN 14961-2) entsprechen. Nur mit dem Zusatz „geprüft“ ist die ÖNORMbzw. ENplus-Nennung erlaubt. Stückholz war seit jeher der wichtigste heimische Brennstoff. Stückholz kann sowohl in Raumheizgeräten als auch in Zentralheizungskesseln zum Einsatz kommen. Moderne Stückholzvergaserkessel in Verbindung mit einem Pufferspeicher und einer Solaranlage sind ein beliebtes Heizsystem. Der Einsatz einer Stückholzheizung ist besonders zu empfehlen, wenn reichlich Brennstoff sowie Platz für dessen Lagerung vorhanden ist und wenn bei Kesseln das regelmäßige Befüllen (in der Wintersaison je nach Wärmebedarf ein- oder zweimal pro Tag) nicht als Belastung empfunden wird. Vor allem bei Gebäuden mit höherem Wärmebedarf stößt die Stückholzheizung aufgrund des hohen Arbeitsaufwands an ihre Grenzen. (klima:aktiv 2006) In vielen Fällen muss der Einsatz einer Stückholzheizung von vornherein ausgeschlossen werden (Nichtverfügbarkeit von Brennstoff, zu hoher Arbeitsaufwand). Bei den automatischen Holzheizungen können je nach Einsatzbereich und örtlichen Gegebenheiten entweder Pellets oder Hackgut besser geeignet sein. In Tabelle 2 sind einige Auswahlkriterien dieser beiden Systeme aufgelistet. 21 Kriterium Pelletsheizung Hackgutheizung Leistungsbereich typischerweise „kleinere Anlagen“ bis 100 kW (im Gewerbebereich auch bis 1000 kW) im Vergleich eher für „größere Anlagen“ ab 100 kW (Hackgutanlagen werden aber auch bereits ab 25 kW angeboten) Platzbedarf nur kleiner / begrenzter Lagerraum notwendig Lagerkapazität bzw. Einsatz von Zwischenlagern notwendig Anlieferung Verkehr und Staub durch Anlieferung ist ein sensibles Thema häufigere Brennstoffanlieferung und ggf. Staubentwicklung bei der Befüllung ist kein Problem Brennstoffqualität in vergleichsweise engen Grenzen standardisierter Brennstoff (gleichbleibende Qualität) verschiedene Qualitätsklassen, wird vor allem durch Stückgröße und Wassergehalt bestimmt Bezug über Brennstoffhandel aus eigenen Holzressourcen oder günstigen Bezugsquellen (bäuerliches Waldhackgut, Industriehackgut z. B. aus Sägewerken) Brennstoffbezug nur für Holzpellets geeignet (Spezialgeräte können auch Brennstoffflexibilität wahlweise mit Scheitholz betrieben werden und vollautomatisch auf Pelletsbetrieb umschalten) auch für Holzpellets geeignet (Spezialgeräte sind auch wahlweise für Scheitholz geeignet) Asche 0,3 bis max. 0,5 Gew.% ca. 1–2 Gew.% Brennstoffkosten langfristige Abnahmeverträge zu günstigen Konditionen möglich, Wärmelieferverträge möglich günstiger als Pellets, evtl. Kombination mit preiswerten Sägenebenprodukten möglich, Wärmelieferverträge möglich Tabelle 2: Kriterien für den Einsatz von Pellets- oder Hackgutheizungen (modifiziert von BIOENERGY 2020+ GmbH basierend auf OÖ Energiesparverband 2006) 7.2 Dimensionierung einer Biomassezentralheizung Die Dimensionierung des Wärmeerzeugers bzw. Heizkessels sollte auf einer fundierten Heizlastberechnung basieren. Dies trifft nicht nur auf die Erstinstallation, sondern auch auf den Kesseltausch zu, vor allem wenn das Haus vorher energetisch saniert wurde. Durch Maßnahmen wie Fassadendämmung und Fenstertausch kann der Energieverbrauch eines Gebäudes erheblich reduziert werden. Der bestehende Heizkessel ist dann in vielen Fällen überdimensioniert und sollte durch einen der „neuen“ Heizlast entsprechenden Kessel ersetzt werden. Die Heizlast ist jene Wärmeleistung in kW, die einem Gebäude am „kältesten Wintertag“ zugeführt werden muss, um eine definierte Innenraumtemperatur aufrechtzuerhalten. Für den kältesten Wintertag wird die Norm-Außentemperatur herangezogen. Sie ist das tiefste Zweitagesmittel der Außentemperatur, das zehnmal in 20 Jahren erreicht oder unterschritten wird. 22 Die Berechnung der Heizlast ist in der ÖNORM EN 12831 mit der nationalen Ergänzung ÖNORM H 7500 wiedergegeben. Die nationale Ergänzung beinhaltet für Österreich typische Eingabewerte und Parameter (wie z. B. Norm-Innentemperatur, Wärmebrückenzuschläge, Wärmeverluste an das Erdreich oder Luftwechselraten). Die Berechnung der Heizlast nach ÖNORM EN 12831 ist gültig für Standardfälle. Als Standardfälle gelten alle Gebäude: mit einer begrenzten Raumhöhe (nicht über 5 m), bei denen angenommen werden kann, dass sie unter Normbedingungen auf einen stationären Zustand beheizt werden (Norm-Innentemperatur). Die Heizlast setzt sich aus folgenden drei Parametern zusammen: Transmissionsverluste der Gebäudehülle Lüftungswärmeverluste Zusatz-Aufheizleistung für den unterbrochenen Heizbetrieb Folgen falscher Heizlastermittlung (Überdimensionierung) sind neben höheren Anschaffung- und Betriebskosten erhebliche Effizienzeinbußen der Heizungsanlage (durch Teillastbetrieb und übermäßigen Start-Stop-Betrieb). Die Heizlast eines Einfamilienhauses bewegt sich, je nach Alter, Größe und Ausführung, im Größenbereich zwischen 2 und ca. 20 kW. Der Energiebedarf für die Raumwärmebereitstellung beträgt zwischen 3.000 und 30.000 kWh (Energieverbrauch eines Einfamilienhauses mit 150 m2 und vier Personen) pro Jahr. Eine überschlägige Berechnung der Heizlast ergibt sich nach folgender Faustformel: Ptot = QRW-Jahr / 1560 h Ptot – Heizlast in kW QRW-Jahr – Jahresenergiebedarf für Raumwärme in kWh Der Zusammenhang ergibt sich näherungswiese über die durchschnittlich 1560 Volllaststunden pro Jahr. 23 7.3 Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 17: Benennen Sie die Vor- und Nachteile eines Stückholzkessels. Aufgabe 18: Spielen Sie mit KollegInnen ein Kundengespräch durch, in dem Sie die Vor- und Nachteile eines Stückholzkessels erklären. Aufgabe 19: Nennen Sie die wesentlichsten Unterschiede zwischen Stückholzkesseln und Hackgutkesseln. Aufgabe 20: Welche Faktoren sind maßgeblich für die Auswahl des Brennstoffs bzw. des entsprechenden Heizsystems? Aufgabe 21: Erklären Sie den Begriff „Energiedichte“. Aufgabe 22: Spielen Sie mit KollegInnen ein Kundenberatungsgespräch hinsichtlich der Wahl des richtigen Heizsystems durch. Aufgabe 23: Was ist der wichtigste Faktor bei der Dimensionierung eines Wärmeerzeugers bzw. Heizkessels? Aufgabe 24: Erklären Sie den Begriff „Heizlast“ Aufgabe 25: Wie lautet die Faustformel für eine überschlägige Berechnung der Heizlast, und welche durchschnittliche Volllaststundenanzahl wird dafür angenommen? Aufgabe 26: In welchem Größenbereich bewegt sich die Heizlast eines Einfamilienhauses? Aufgabe 27: Argumentieren Sie, wieso die richtige Heizlastermittlung unerlässlich ist. 24 8. Energieeffizienter und emissionsarmer Betrieb von Biomassezentralheizungen Die Wirkungsgrade von Biomassefeuerungen wurden von rund 55 % in den Achtzigerjahren auf über 90 % verbessert. Abbildung 12 zeigt die erreichten Wirkungsgrade von 268 positiv geprüften Biomassefeuerungen seit 1980. Abbildung 12: Holzfeuerungen kleiner Leistung – am Prüfstand gemessene Wirkungsgrade (Quelle: Daten nach BLT 2007, Aufbereitung in Voglauer 2005) Diese hohen Wirkungsgrade wurden jedoch nur am Prüfstand gemessen. Das Gesamtsystem im Praxisbetrieb hat lediglich eine Effizienz (man spricht hier vom Nutzungsgrad) von max. 80 %. Das heißt, von der eingebrachten Brennstoffenergie gehen mehr als 20 % verloren, bis letztlich die Wärme im Wohnraum ankommt. Anlagen mit einer hohen Effizienz sparen Brennstoff und Hilfsenergie (Strom für Antriebe, Pumpen und automatische Zündung) und sind somit auch kosteneffizient. Folgendes sollte befolgt werden, damit Biomasseheizsysteme kosten- und energieeffizient eingesetzt werden können: Vermeidung der Überdimensionierung der Kessel. Die Überdimensionierung ist einer der gängigsten „Fehler“ überhaupt. Dadurch befindet sich ein Kessel vorwiegend in Teillastbetrieb (optimiert ist er in der Regel für die Volllast) und gegebenenfalls im häufigen Start- und Stoppbetrieb. Jeder Stopp einer Biomasseanlage verursacht gewisse Wärmeverluste, ein jeder Start braucht Hilfsenergie für die automatische Zündung. Einstellung und Anpassung der Regelung an das Gesamtsystem. Dadurch können unnötige Starts und Stopps vermieden werden. 25 Regelmäßige Wartung und Reinigung des Systems. Speziell durch Ablagerungen im Wärmetauscher verschlechtert sich der Wärmedurchgang an das Heizungswasser. Der Wirkungsgrad sinkt dann entsprechend. Für das Wärmeverteilsystem ist ein sogenannter „hydraulischer Abgleich“ vorzunehmen. Dabei wird beispielsweise mittels Strangregulierventilen sichergestellt, dass die Wärmeverteilung zu allen Heizkörpern und Heizkreisen gleichmäßig ist. Diese Maßnahme ist nicht biomassespezifisch, sondern auch bei Öl- und Gasheizsystemen nötig. Dadurch kann das Überdimensionieren von Umwälzpumpen vermieden werden, was wiederum Strom für die Antriebsenergie einspart. Im Bereich des Heizraumes und Kellers fehlen oft die Isolierungen an Rohrleitungen, Armaturen und Pumpen. Auch Pufferspeicher sind an der Unterseite oftmals nicht isoliert. Das führt zu Wärmeverlusten. Damit eine Biomasseheizung gut und effizient funktioniert, ist es empfehlenswert, sie sich von einem sogenannten „Biowärmeinstallateur“ einbauen zu lassen. Auf der Webseite des Österreichischen BiomasseVerbandes sind diese aufgelistet (http://www.biomasseverband.at/). Was die CO-Emissionen betrifft, so waren in den Achtzigerjahren Werte von über 15 g pro Normkubikmeter üblich, während sich die Emissionen moderner Feuerungen nun im Milligrammbereich bewegen, also nur mehr Tausendstel der früheren Werte betragen. Abbildung 13: Holzfeuerungen kleiner Leistung – am Prüfstand gemessene KohlenmonoxidEmissionen (Quelle: Daten nach Daten nach BLT 2007, Aufbereitung in Voglauer 2005) 26 8.1 Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 28: Erklären Sie den Begriff „Wirkungsgrad“ bei einer Biomasseheizung. Aufgabe 29: Welche Wirkungsgrade können Biomassefeuerungen in der Praxis aktuell maximal erreichen? 27 9. Brennstofflager Je nach Brennstoff ergeben sich unterschiedliche bauliche Anforderungen an den Lagerraum und -standort. Der Platzbedarf und die materielle Beschaffenheit des Brennstoffs sind ebenso relevant wie die Art der Anlieferung und der Befüllung des Heizkessels. Zusätzlich ist zu berücksichtigen, ob der Lagerraum in einem bestehenden Gebäude oder einem Neubau eingerichtet werden soll. 9.1 Lagerung von Hackgut Ein Hackgutlager kann sehr unterschiedlich sein. Hackgut kann im bestehenden Gebäude oder in Lagereinrichtungen außerhalb des Gebäudes, wie Silos oder überdachten Lagerstätten, gelagert werden. Der Befüllvorgang sollte weitgehend ohne händische Arbeit erledigt werden können. Die Beschickung von oben oder über eine oder mehrere Abwurföffnungen ist zweckmäßig, da dadurch eine direkte Befüllung durch das Transportfahrzeug erfolgen kann. Der Brennstoff wird über Förderschnecken oder Schubstangen zum Kessel transportiert. Entscheidend für den Standort des Hackgutlagers ist außerdem die Zufahrts- und Abkippmöglichkeit für die verwendeten Transportfahrzeuge (zulässiges Gesamtgewicht, Wenderadien, Durchgangshöhen). Das Merkblatt Nr. 56 des ÖKL (Österreichisches Kuratorium für Landtechnik) „Hackschnitzelheizungen – Planerische Vorkehrungen beim Einbau in Wohnhäuser“ beschreibt die Anforderungen an die Hackschnitzellagerung in Wohngebäuden. 9.1.1 Lagerraumgröße Die Größe des Lagerraums für Hackgut hängt von vielen Faktoren ab: dem vorhandenen Raum, der Kesselleistung, der Brennstoffart (Weichholz, Hartholz) sowie dem Intervall der Brennstofflieferung. Bei bestehenden Gebäuden ist die Anpassung der Brennstoffintervalle an den existierenden Lagerraum meist sinnvoller als die Errichtung eines neuen Lagerraums außerhalb des Gebäudes. Wichtig ist zunächst der durchschnittliche Jahresbedarf an Hackgut. Dieser kann aus der Gebäudeheizlast abgeschätzt werden: 28 Gebäudeheizlast in kW x 2,5 = srm Weichholzhackgut Gebäudeheizlast in kW x 2,0 = srm Hartholzhackgut (1 srm = 1 Schüttraummeter = 1 m3 lose geschüttetes Hackgut) Das ÖKL-Merkblatt gibt folgende Faustzahlen zur Abschätzung des jährlichen Hackgutbedarfs an (weiches Hackgut = Fichte, 750 kWh/srm, Massenanteil w = 20–30 Gewichtsprozent): Nutzwärmeleistung Hackgutbedarf pro Heizsaison in Schüttraummeter (srm) 10 kW 26 15 kW 40 25 kW 65 45 kW 120 65 kW 170 80 kW 210 100 kW 260 Tabelle 3: Bedarf an weichem Hackgut in Abhängigkeit von der Nutzwärmeleistung (Quelle: ÖKL Arbeitskreis Energie 1997) Bei Verwendung von gemischtem Hackgut oder hartem Hackgut vermindert sich der Volumenbedarf je nach Hartholzanteil um 10 bis 30 %. Der Hackgutlagerraum sollte mindestens Platz für eine Lieferung (je nach Zustellfahrzeug 25–80 m3) aufweisen. Dies ist vor Errichtung des Hackgutlagers mit dem jeweiligen Lieferanten abzuklären. Ausgehend von den bei kleinen Hackgutfeuerungen (≤ 100 kW) meist kreisförmigen Austragungssystemen wird für den Brennstofflagerraum eine Größe von max. 5 m x 5 m x 2,5 m empfohlen. Dies entspricht einem Bruttovolumen von 62,5 m3 bzw. einem nutzbaren Brennstofflagerraum von ca. 50 m3. Bei größeren Heizlasten ist demnach eine mehrmalige Befüllung des Lagerraums während der Heizsaison erforderlich. 29 9.2 Lagerung von Pellets Die Distribution von Pellets erfolgt entweder abgefüllt in Säcken oder lose mittels Silopumpwagen. Sogenannte Kompaktanlagen mit händisch zu befüllenden Tages- oder Wochenbehältern haben nur einen geringen Marktanteil. Der Großteil der BesitzerInnen von Pelletszentralheizungen wird mittels Silopumpwagen versorgt. Pellets werden mit einem Pumpschlauch über Befüllstützen in das Lager eingebracht. Die Befüllstutzen müssen leicht zugänglich sein. Um eine reibungslose Zufahrt des Pumpwagens zu gewährleisten, sollte die Straßenbreite mind. 3 m, die Durchfahrtshöhe mind. 4 m und das zulässige Gesamtgewicht mind. 24 t betragen. Das Pelletslager ist im Idealfall an einer Außenmauer des Gebäudes nahe der Hauszufahrt situiert, da die Befüllleitung 10 m, max. jedoch 30 m lang sein soll. Generell muss ein Pelletslager bei den EndkundInnen folgende Anforderungen zur Sicherstellung der Pelletsqualität erfüllen: Schutz vor Feuchtigkeit und Nässe Pellets sind hygroskopisch, nehmen also Feuchtigkeit auf. Dadurch steigt der Wassergehalt, was den Heizwert und somit auch die Qualität der Pellets vermindert. Bei Berührung mit Wasser, feuchten Wänden und Untergründen wird außerdem die mechanische Stabilität beeinflusst, die Pellets quellen auf, zerfallen und sind damit unbrauchbar. Feuchte Pellets können darüber hinaus die Fördereinrichtung blockieren. Das Pelletslager muss somit ganzjährig trocken sein. Nässe und Feuchtigkeit sollen weder bei der Lagerung noch bei der Befüllung eindringen können. Armaturen bzw. Einblas- und Absaugstutzen müssen wasserdicht verschließbar sein. Auch Kondenswasser (z. B. auf freiliegenden Wasserleitungen) schadet den Pellets. Bei feuchten Wänden ist von einer Lagerung im Kellerraum abzusehen. Lager sollen nicht belüftet werden. Antistatisch Bei der Befüllung des Pelletslagers kommt es zu elektrostatischer Aufladung. Um Funkenbildung zu vermeiden, müssen Behälter und Tanks so ausgeführt werden, dass eine Zündung durch Funkenbildung ausgeschlossen ist. Metallische Behälter müssen geerdet werden. Eine Erdung ist auch für alle weiteren aus metallischem Werkstoff gefertigten und somit leitfähigen Bestandteile des Pelletslagers (z. B. Einblas- und Absaugstutzen) vorzusehen. Statik Wandungen und tragende Teile sind so auszuführen, dass sie der statischen Belastung standhalten. Dies trifft sowohl auf die Umgebungswände eines Pelletslagerraums als auch auf die Wandungen und tragenden Teile eines Behälters zu. Auch die Wandungen eines Erdtanks sind entsprechend den beim und nach dem Einbau auftretenden statischen Belastungen zu fertigen. 30 Zugänglichkeit Die Befüllstutzen müssen von außen leicht zugänglich sein. Bei innenliegender Lagerung müssen die Stutzen bis an eine Außenmauer geführt werden. Das Lager soll nahe der Hauszufahrt situiert werden, um die Förderstrecke und damit die mechanische Beanspruchung der Pellets beim Einblasvorgang möglichst gering zu halten. Ein Silopumpwagen verfügt in der Regel über einen Pumpschlauch mit max. 30 m Länge. Die Befüllstutzen dürfen somit max. 30 m von der Hauszufahrt entfernt sein. Anforderungen an die Pelletslagerung bei EndkundInnen sind in der ÖNORM M 7137 definiert. 9.2.1 Lagerraumvarianten Für die Lagerung von losen Pellets stehen verschiedene Varianten zur Verfügung, welche in ihrer Bauweise beträchtlich variieren. Die Austragung aus dem Lager kann grundsätzlich auf zwei Arten erfolgen: Mechanische Brennstoffaustragung (Abbildung 14): mittels Förderschnecke Pelletslager neben dem Heizraum Pneumatische Brennstoffaustragung (Abbildung 15): Schneckenaustragung gekoppelt mit pneumatischer Transporteinrichtung („Saugleitung“) ermöglicht flexible Lösungen bei größerer Entfernung des Pelletslagers (bis zu 20 m, auch außerhalb des Gebäudes) Abbildung 14: Pelletsfeuerung mit Gelenksschnecke zur mechanischen Brennstoffaustragung (Quelle: ÖkoFEN Forschungs- und Entwicklungs Ges.m.b.H.) 31 Abbildung 15: Pelletsfeuerung mit Vakuum-Saugsystem zur pneumatischen Brennstoffaustragung (Quelle: ÖkoFEN Forschungs- und Entwicklungs Ges.m.b.H.) 9.2.1.1 Lagerraum Ein Lagerraum ist die klassische Lagervariante für Holzpellets neben oder nahe dem Heizraum. Die Anforderungen können besonders im Neubau einfach berücksichtigt werden. Aber auch ein ehemaliger Öltanklagerraum kann in einen Pelletslagerraum umfunktioniert werden. Tragende Wände (15 cm Betonmauer oder 20 cm Ziegelmauer) sind erforderlich, zudem müssen alle Umgebungsbauteile die erforderlichen Brandbeständigkeitsklassen erfüllen. Ein Schrägboden gewährleistet, dass die Pellets Richtung Entnahmeeinrichtung nachrutschen. Durch den Einbau des Schrägbodens verringert sich allerdings das nutzbare Raumvolumen, was bei der Dimensionierung berücksichtigt werden muss. Je schmäler der Raum, umso besser ist die Platzausnützung bei der Befüllung. Weiters ist die Anbringung eines abrieb- und reißfesten Prallschutzes erforderlich. Diese Prallschutzmatte wird im rechten Winkel zur Einblasrichtung gegenüber dem Einblasstutzen montiert und hat die Aufgabe, die dahinterliegende Wand vor Abtragung zu schützen. 32 Abbildung 16: Schnittbild Pelletslagerraum (Quelle: ÖkoFEN Forschungs- und Entwicklungs Ges.m.b.H.) Für die Befüllung sind zwei Mauerdurchbrüche mit 125 bis 150 mm Durchmesser für die Befüllstutzen erforderlich. Die Befüllstutzen können auch in einen Lichtschacht eingebaut werden. Idealerweise erfolgt die Anordnung an der Schmalseite des Raumes mit mind. 50 cm Abstand. Abbildung 17: Einbau der Befüllstutzen – mit und ohne Lichtschacht (Quelle: ÖkoFEN Forschungs- und Entwicklungs Ges.m.b.H) Weiters ist ein Mauerdurchbruch zum Heizraum für die Entnahmeeinrichtung (Schnecke oder Saugleitung) vorzusehen, die Größe und Position ist anlagenabhängig. Falls die Entleerung durch weitere Räume führt (z. B. Saugleitung), sind zusätzliche Durchbrüche notwendig. 33 9.2.1.2 Gewebe- und Stahlblechtank Ein Stahlblechtank kann sowohl innen als auch im Freien aufgestellt werden. Da er in jedem Raum freistehend montiert werden kann und eine rundum trockene Lagerung garantiert, bietet er sich auch für die Altbausanierung, z. B. bei feuchten Kellerwänden, an. Durch eine verzinkte Ausführung ist Schutz vor Korrosion gegeben. Der Tank wird seitlich befüllt. Pelletsentnahme und -transport zum Kessel können wiederum mit einer Schnecke oder einem Saugsystem erfolgen. Neben dem Stahlblechtank bietet sich der Gewebetank als weitere Alternative zur Innenoder Außenlagerung von Pellets an. Dieser ist aus antistatischem Gewebe gefertigt, welches auf einem Stahlgestell montiert ist. Feuchte Kellerwände stellen kein Problem dar, solange das Gewebe nicht unmittelbar mit den Wänden in Berührung kommt. Der Gewebetank wird ebenfalls seitlich befüllt. Pelletsentnahme und -transport zum Kessel können ebenfalls mit einer Schnecke oder einem Saugsystem erfolgen. Abbildung 18: Stahlblechtank (Quelle: BIOENERGY 2020+ GmbH) 9.2.1.3 Abbildung 19: Gewebetank (Quelle: ÖkoFEN Forschungs- und Entwicklungs Ges.m.b.H) Erdtank Die Lagerung von Pellets in einem Erdtank bietet sich an, wenn kein geeigneter Kellerraum vorhanden ist oder dessen Situierung für die Pelletsanlieferung ungünstig wäre. Die Tanks bestehen üblicherweise aus Kunststoff oder Stahlbeton und müssen naht- und fugenfrei hergestellt werden. Der Befüllungsanschluss muss leicht zugänglich sein. Der Transport der Pellets vom Tank zum Kessel erfolgt über eine Saugleitung. 34 Abbildung 20: Pellets-Erdtank (Quelle: Geoplast Kunststofftechnik GmbH) 9.2.1.4 Containerlösungen Mittlerweile werden auch Container, in denen die gesamte Heizanlage (Kessel, Pufferspeicher, Pelletslager) untergebracht ist, angeboten. Diese Container können zudem mit einer thermischen Solaranlage ausgestattet sein, über welche ein Großteil des jährlichen Warmwasserbedarfs gedeckt werden kann. Abbildung 21: Beispiel für eine Containerlösung (Quelle: ÖkoFEN Forschungs- und Entwicklungs Ges.m.b.H.) 35 9.2.2 Lagerraumgröße Die Größe des Lagerraums für Pellets richtet sich nach dem Brennstoffbedarf und der Anzahl der Befüllungen pro Jahr. Es gilt die Faustregel: 1 kW Heizlast = 0,9 m 3 Lagerraum (inklusive Leerraum) = ca. 350 kg Pellets. Bei mehrmaliger Anlieferung pro Jahr kann die Größe des Lagerraums entsprechend kleiner gewählt werden. Berechnung der Lagerraumgröße für verschiedene Anwendungen: 1.) Brennstoffbedarf: Einfamilienhaus, Heizlast 12 kW = 4.200 kg Pellets/Jahr Lagerraumvolumen: 12 kW Heizlast x 0,9 m3 = 10,8 m3 Lagerraumvolumen (inkl. Leerraum) Lagerraumfläche: 10,8 m3 / 2,5 m (Raumhöhe) = 4,3 m2 Lagerraumfläche Vorgeschlagene Größe: 2 x 2,5 m = 5 m2 Lagerraumfläche = 8,5 m3 nutzbares Volumen (Schütthöhe 1,7 m) = 5.500 kg Pellets 2.) Brennstoffbedarf: Mehrfamilienhaus, Heizlast 100 kW = 35.000 kg Pellets/Jahr Lagerraumvolumen: 100 kW Heizlast x 0,9 m3 = 90 m3 Lagerraumvolumen (inkl. Leerraum) Lagerraumfläche: 90 m3 / 2,5 m (Raumhöhe) = 36 m2 Lagerraumfläche Befüllung: 2x jährlich Vorgeschlagene Größe: 6 x 3 m = 18 m2 Lagerraumfläche = 30,6 m3 nutzbares Volumen (Schütthöhe 1,7 m) = 39.800 kg Pellets/Jahr 36 9.3 Lagerung von Stückholz Stückholz kann sowohl im Freien auf trockenem Untergrund als auch unter Dach gelagert werden. Ein natürlicher Luftzutritt muss gewährleistet sein, damit die entstehende feuchte Luft abtransportiert wird. Stückiges Brennholz erreicht den für eine optimale Verbrennung geforderten lufttrockenen Zustand (Wassergehalt von 12–20 %) erst nach ein- bis zweijähriger Lagerung. Die Lagerung von ofenfertig aufbereitetem Brennholz sollte nicht ohne Regenschutz erfolgen. Eine Wiederbefeuchtung muss auf jeden Fall verhindert werden. 9.4 Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 30: Welche Anforderungen zur Sicherstellung der Qualität müssen bei der Lagerung von Pellets unbedingt beachtet werden? Aufgabe 31: Berechnen Sie die notwendige Lagerraumgröße für ein Einfamilienhaus mit einer Heizlast von 15 kW und Pellets als Brennstoff. 37 10. Welche Raumheizgeräte und erweiterten Raumheizgeräte gibt es? Raumheizgeräte werden im Unterschied zu Zentralheizungskesseln, welche sich üblicherweise im Keller in einem Heizraum befinden, direkt im Wohnraum aufgestellt. Erweiterte Raumheizgeräte können zusätzlich die Wärme auch in benachbarte Zimmer verteilen. Raumheizgeräte werden oft auch als Einzelfeuerstätten bezeichnet und erfreuen sich bei uns einer langjährigen Tradition. Aktuell werden in Österreich jährlich ca. 39.000 Kaminöfen, Herde und Pelletsöfen installiert (Biermayr et al. 2012). Insgesamt geht man von einem Gesamtbestand von mehr als 1 Million Geräten aus (inkl. Kachelöfen). 10.1 Zimmer-/Kaminöfen Im Gegensatz zu in die Wand eingebaute Kaminen sind Zimmeröfen frei im Wohnraum stehende gusseiserne Einzelfeuerstätten. Es gibt auch Verkleidungen mit Kacheln oder Naturstein, wodurch die Speichermasse erhöht wird und die Wärmeabgabe gleichmäßiger erfolgt. Als Brennstoff wird Scheitholz eingesetzt. Der Kaminofen ist die moderne Variante des Zimmerofens. Er wird ebenfalls frei im Wohnraum aufgestellt, besitzt jedoch eine Tür mit Sichtscheibe. Abbildung 22: Funktionsprinzip eines Kaminofens (Quelle: Hark GmbH & Co. KG) Abbildung 23: Beispiel für einen Kaminofen (Quelle: RIKA Innovative Ofentechnik GmbH) 38 10.2 Pelletsöfen Der große Vorteil des Pelletsofens im Vergleich zum Kaminofen ist die automatische Beschickung. Schwankungen im Feuerungsablauf werden aufgrund der genormten Brennstoffqualität minimiert. Pelletsöfen sind jedoch üblicherweise teurer als Kaminöfen und benötigen elektrische Energie (für Schneckenmotor und Gebläse). Der Brennstoff wird an der Rückseite des Ofens in den Vorratsbehälter (max. Kapazität von ca. 50 kg Pellets) eingefüllt. Je nach Wärmebedarf reicht dieser Vorrat für bis zu vier Tage. Die Wärmeabgabe erfolgt zum Großteil über Konvektion. Aufgrund ihrer Lastvariabilität (minimale Heizlast = 30 % der Nennheizlast) sind Pelletsöfen auch für den Dauerbetrieb geeignet. 10.3 Speicheröfen Bei einem Speicherofen wird die Wärme als Strahlungswärme über die große Oberfläche abgegeben. Ein Speicherofen verfügt über eine große Speichermasse, die hauptsächlich aus Zementputz, Kacheln, Ton, Schamotte oder Speckstein besteht. Je nach Material und Bauart unterscheidet man Kachelofen, Kachelgrundofen, Grundofen und Specksteinofen. 10.3.1 Grundöfen Der gemauerte Grundofen (ohne metallische Bauteile) ist die ursprüngliche Bauart des Speicherofens. Die heißen Gase werden in gemauerten Zügen durch die Speichermasse geleitet. Ein Grundofen kann je nach Größe und Ausführung bis zu drei Tonnen wiegen. Die hohe Speichermasse führt dazu, dass sich ein kalter Grundofen nur langsam erwärmt, jedoch auch nach dem Erlöschen der Glut lange Wärme abgibt. Ein Grundofen ist deshalb für den spontanen Einsatz nicht geeignet. 39 Abbildung 24: Mit Quarzsand befüllter Speicherofen (Quelle: Wamsler Bioenergy GmbH i.G.) In diesem Speicherofen besteht die Speichermasse aus feinkörnigem Quarzsand, der in die Ummantelung aus fünf modular aufgebauten massiven Stahlringen gefüllt wird. Je nachdem, wie viel Sand eingefüllt wird, kann die Speicherzeit des Ofens individuell variiert werden. Statt Raumluft kann optional über einen externen Luftanschluss auch Außenluft in den Brennraum zugeführt werden. Die langen Abgaswege sorgen für eine längere Speicherzeit. Der Wirkungsgrad ist mit 88 % im Vergleich hoch. (Wamsler Bioenergy GmbH i.G. 2011) 10.3.2 Warmluftkachelöfen Ein Warmluftkachelofen hat eine geringere Speichermasse als ein Grundofen. Er verfügt über einen gusseisernen Heizeinsatz und wahlweise auch über einen Wärmetauscher aus Gusseisen oder Stahl. Die Wärmeabgabe erfolgt vorwiegend über Konvektion: Die Raumluft strömt durch offene Luftkanäle im Sockelbereich der Kachelwand ein, wird erhitzt und verlässt den Luftschacht durch oben angebrachte Warmluftgitter (Hartmann 2007). Ein Warmluftkachelofen erwärmt sich im Gegensatz zum Grundofen schnell, ist aber nicht für eine lange Wärmespeicherung geeignet. 10.3.3 Kombinierte Kachelöfen Die Prinzipien des Grundofens und des Warmluftkachelofens können auch kombiniert werden. Kombi-Kachelöfen bestehen aus einem gusseisernen Heizeinsatz und gemauerten Zügen. Ein Teil der Wärme wird während des Verbrennungsvorgangs durch Konvektion abgegeben, der Rest wird über Strahlung abgegeben. 40 Abbildung 25: Beispiel für einen kombinierten Kachelofen (Quelle: Österreichischer Kachelofenverband) Automatisierung des Betriebs von Kachelöfen Durch technologische Entwicklungen konnten in den letzten Jahren Komfort und Benutzerfreundlichkeit von Kachelöfen gesteigert werden. So etwa können die Zündung und das Öffnen/Schließen der Luftklappen automatisch erfolgen. Die Verbrennung kann zu einem fixen Zeitpunkt oder über elektronische Signale (Temperatursensor, Telefon) gestartet werden. Zusätzlich wurden verschiedene Technologien für den Einsatz von Pellets entwickelt, um im Gegensatz zum Betrieb mit Scheitholz eine automatische Brennstoffzufuhr zu ermöglichen. Zu diesem Zweck stehen Heizeinsätze für die wahlweise Verbrennung von Scheitholz oder Pellets zur Verfügung. Weiters besteht die Möglichkeit, einen Pelletsbrenner in die Brennkammer eines Grundofens zu installieren. Abbildung 26: Heizeinsatz für Scheitholz oder Pellets (Quelle: Wienerberger Ofenkachel GmbH) 41 10.4 Erweiterte Raumheizgeräte In Gebäuden mit niedrigem Energiebedarf würden konventionelle Raumheizgeräte oftmals zu viel Wärme erzeugen. Die sogenannten erweiterten Raumheizgeräte geben nur einen Teil der erzeugten Nutzwärme an den umgebenden Raum ab. Über einen Wasserwärmeüberträger wird Wärme abgeführt und zum Heizen oder als Brauchwasser genutzt. Die Wärmeabfuhr kann auch über Luft erfolgen (z. B. Hypokaustenheizung). Es gibt unterschiedliche Varianten erweiterter Raumheizgeräte: Erweiterte Kachelöfen o Wärmeübertragung auf Wasser (Heiz- und Brauchwasser) oder auf Luft Pelletsöfen mit Wasserwärmeüberträger o Für die Heiz- und Brauchwassererwärmung o Zwischen 50 und 80 % der Wärmeabfuhr erfolgen über den Wasserwärmeüberträger o Im Wohnraum muss nicht auf eine sichtbare Holzflamme verzichtet werden Küchenherde mit Wasserwärmeüberträger 1. Dual Fire Room Heizen mit Pellets und Stückholz 2. Gussheizkästen 3. Kachelofenhülle doppelte Ummantelung 4. Außenhülle verputzt oder Kacheln 5. Pelletbefüllsystem 6. Wärmetauscher heizt das ganze Haus Abbildung 27: Beispiel für ein erweitertes Raumheizgerät: Kachelofen als Ganzhausheizung (Quelle: Hafnertec Bicker GmbH) 42 10.5 Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 32: Nennen Sie die Charakteristika eines Grundofens. Aufgabe 33: Was sind die Kennzeichen eines Warmluftkachelofens? Aufgabe 34: Was ist unter einem Kombi-Kachelofen zu verstehen? Aufgabe 35: Erklären Sie das Funktionsprinzip der Automatisierung eines Kachelofens. Aufgabe 36: Welche unterschiedlichen Varianten erweiterter Raumheizgeräte gibt es? Aufgabe 37: Ist der Einsatz von einem erweiterten Raumheizgerät in allen Gebäuden sinnvoll? 43 11. Wirtschaftlichkeit von Biomasseheizungen Als Entscheidungsgrundlage für ein Heizsystem sollen nicht ausschließlich die Brennstoffkosten (verbrauchsgebundene Kosten) oder Investitionskosten (Kapitalkosten), sondern die zu erwartenden Kosten über die gesamte Anlagenlebensdauer (inkl. betriebsgebundene Kosten) dienen. Bei einem Vergleich von Pellets- und Hackgutfeuerungen mit Öl- und Gasfeuerungen können folgende Aussagen getroffen werden: Eine Hackgutheizung weist gegenüber Pellets-, Öl- und Gasheizungen die höchsten Investitionskosten, jedoch die geringsten verbrauchsgebundenen Kosten auf. Bei Pelletsheizungen ist im Vergleich zu Hackgutheizungen mit geringeren Investitionskosten, aber höheren verbrauchsgebundenen Kosten zu rechnen. Die Investitionskosten und die betriebsgebundenen Kosten sind bei Hackgutund Pelletsheizungen im Vergleich zu Öl- und Gasheizungen höher. Die verbrauchsgebundenen Kosten sind bei Hackschnitzel- und Pelletsheizungen geringer als bei Öl- und Gasheizungen. Eine endgültige Bewertung ist allerdings immer für den Einzelfall vorzunehmen. Abbildung 28: Jahreskosten (Annuität) verschiedener Heizungsarten für ein Einfamilienhaus mit einem Heizenergiebedarf von 20.000 kWh bei aktuellen Energiepreisen (Quelle: ÖGUT 2012) Förderungen: Eine Übersicht zu bestehenden Förderungen für Biomasseheizungen findet sich auf der Webseite von ProPellets Austria (http://www.propellets.at). 44 12. Ausblick: Innovationen und technologische Herausforderungen Technologische Innovationen bringen mehr Komfort und Effizienz für Biomasseheizungen. Das betrifft zum einen die automatische Befüllung und zum anderen die gleichzeitige Bereitstellung von Wärme und Strom. Abbildung 29 zeigt einen Stückholzkessel mit einer automatischen Beschickungseinrichtung. Dieser Kessel muss lediglich einmal pro Woche befüllt werden und funktioniert danach vollautomatisch. Abbildung 30 zeigt einen Zimmerofen, welcher automatisch mit Holzbriketts betrieben werden kann. Diese rutschen von hinten selbständig in den Brennraum nach. Abbildung 29: Stückholzkessel mit Beschickungseinrichtung (Quelle: Lopper Kesselbau) Abbildung 30: Ofen mit automatischer Brikettzufuhr (Quelle: Hapero Energietechnik) In Abbildung 31 ist eine Pelletswandtherme zu sehen. Damit kann dieser Kessel besonders platzsparend eingesetzt werden. Abbildung 31: Pelletswandtherme (Quelle: Guntamatic Heiztechnik GmbH) 45 Ein sogenannte Mikro-KWK (Kraft-Wärme-Kopplung) ist in Abbildung 32 zu finden. Damit kann beispielsweise in einem Einfamilienhaus zusätzlich zur Heizwärme elektrischer Strom bis zu einer Leistung von 2 kW el erzeugt werden. Die Stromerzeugung erfolgt dabei nach dem Prinzip des Dampfkolbenmotors in Verbindung mit einem Lineargenerator (ähnlich wie bei den „Schütteltaschenlampen“). Solche Biomasse-Mikro-KWK-Systeme sind aktuell noch nicht vollständig marktreif. Dies zu bewerkstelligen ist eine der zentralen technologischen Herausforderungen für die nächsten Jahre. Als Überbegriff zu KWK-Systemen wird auch der Begriff Blockheizkraftwerk (BHKW) verwendet. Details dazu finden sich im Lernfeld „Blockheizkraftwerke“ auf www.e-genius.at. Abbildung 32: Pelletsfeuerung mit Mikro-KWK (Quelle: Button Energy Energiesysteme GmbH) 12.1 Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 38: Welche Funktion hat Kraft-Wärme-Kopplung für Biomasseheizungen? Aufgabe 39: Sind Biomasse-Mikro-KWK-Systeme bereits am Markt erhältlich? 46 13. Quellen 13.1 Normen und Richtlinien ÖKL Merkblatt Nr. 56 Hackschnitzelheizungen – Planerische Vorkehrungen beim Einbau in Wohnhäuser ÖNORM EN 12831:2003 Heizungsanlagen in Gebäuden - Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast mit nationaler Ergänzung ÖNORM H 7500:2006 (Vornorm) Heizungssysteme in Gebäuden - Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast ÖNORM EN 14961 Teile 1 bis 5: Feste Biobrennstoffe ÖNORM M 7133: Holzhackgut für energetische Zwecke – Anforderungen und Prüfbestimmungen ÖNORM M 7135: Presslinge aus naturbelassenem Holz oder naturbelassener Rinde/ Pellets und Briketts/ Anforderungen für die Prüfbestimmungen ÖNORM M 7136: Qualitätssicherung in der Transport- und Lagerlogistik ÖNORM M 7137: Anforderungen an die Pelletslagerung beim Verbraucher TRVB H 118: Technische Richtlinien vorbeugender Brandschutz, Automatische Holzfeuerungsanlagen Verein für Konsumenteninformation – VKI (Hrsg.): Österreichisches Umweltzeichen – Richtlinie UZ 37 Holzheizungen, Wien 2008 13.2 Literatur Biermayr, P.; Eberl, M.; Ehrig, R.; Kristöfel, C.; Strasser, C.; Fechner, H.; Eder-Heuhauser, P.; Prüggler, N.; Sonnleitner, A.; Weiss, W.; Wörgetter, M. (2012): Innovative Energietechnologien in Österreich – Marktentwicklung 2011. Schriftenreihe „Berichte aus Energie- und Umweltforschung“ 12/2012, hg. v. BMVIT. Wien. Hartmann, H. (Hg.) (2007): Handbuch Bioenergie-Kleinanlagen. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, 2. Auflage. Gülzow. Haslinger, W. (2005): Pellets-Technologien – ein Überblick. Paper, World Sustainable Energy Days 2005. Wels. Haslinger, W.; Friedl, G. (2005): Verbrennungstechnik für Pellets: Neuentwicklungen für Holzund Nichtholzpellets. Vortrag am VDI Wissensforum „Einsatz von Biomasse in Verbrennungsund Vergasungsanlagen“, 10./11. November 2005. Leipzig. Kalt, G. (2010): Save our Surface. Studie im Auftrag des Österreichischen Klima- und Energiefonds. Teilbericht 4c: Biomasse-Außenhandel. Status quo, Trends und Szenarien. URL: 47 http://www.eeg.tuwien.ac.at/eeg.tuwien.ac.at_pages/publications/pdf/KAL_REP_2010_2.pdf (10.10.2012). klima:aktiv (2006): Holzwärme: Heizen mit Holz und Verstand. Modern, effizient, umweltfreundlich. LK NÖ: Landwirtschaftskammer Niederösterreich (2012): Biomasse – Heizungserhebung 2011. Erarbeitet durch Herbert Haneder. St. Pölten. Oberösterreichischer Energiesparverband (2006): Biomasseheizanlagen für größere Gebäude. Linz. Cerveny, M; Sturm, T. (2012): Lebenszykluskosten neuer Heizsysteme für alte Einfamilienhäuser Vergleich der Lebenszykluskosten von Heizöl-, Erdgas-, Pellet- und Scheitholzheizungen für alte Einfamilienhäuser in drei (plus neun) Szenarien. Wien. Statistik Austria (2010): Energiestatistik: Mikrozensus Energieeinsatz der Haushalte 2009/2010. Wien. Voglauer, B. (2005): Biomasse-Kesselhersteller in Österreich. Diplomarbeit, Fachhochschule Wiener Neustadt, Studiengang Wieselburg. Wieselburg. Wamsler Bioenergy GmbH i.G. (2011): club edition. Katalog 2011. 48 14. Übersicht Aufgaben Aufgabe 1: Welche Möglichkeiten, mit Biomasse zu heizen, sind Ihnen bereits bekannt? ........ 4 Aufgabe 2: Welche Argumente können Sie nennen, die für Biomasse als Heizmaterial sprechen? ......................................................................................................................... 7 Aufgabe 3: Welcher ökologische Aspekt spielt eine wesentliche Rolle bei der CO2-Neutralität von Biomasse? .................................................................................................................. 7 Aufgabe 4: In welche Bauarten kann man Biomasseheizungen prinzipiell unterteilen? ............ 9 Aufgabe 5: Nennen Sie ein Beispiel für ein Raumheizgerät. ..................................................... 9 Aufgabe 6: Was ist der charakteristischste Unterschied zwischen einer Einzelfeuerstätte und einem Zentralheizungskessel? .......................................................................................... 9 Aufgabe 7: Beschreiben Sie die grundlegende Funktionsweise einer typischen automatischen Biomassefeuerung. ......................................................................................................... 11 Aufgabe 8: Was sind die wichtigsten Komponenten einer Biomassezentralheizung? Welche können Sie benennen?.................................................................................................... 17 Aufgabe 9: Welche Verbrennungstechnologien werden bei Hackgutkesseln angeboten, und wodurch unterscheiden sie sich? ..................................................................................... 17 Aufgabe 10: Welche Brennstoffe können grundsätzlich bei einem Hackgutkessel verwendet werden? .......................................................................................................................... 17 Aufgabe 11: Was ist unter kombinierter Kesseltechnologie zu verstehen? ............................. 17 Aufgabe 12: Was ist ein Pufferspeicher? ................................................................................ 17 Aufgabe 13: Was wird durch einen Pufferspeicher ausgeglichen?.......................................... 18 Aufgabe 14: Ist ein Pufferspeicher für eine Biomassezentralheizung notwendig?................... 18 Aufgabe 15: Zeichnen Sie ein Gebäudeschema mit den einzelnen Komponenten einer Biomassezentralheizung. ................................................................................................ 18 Aufgabe 16: Welche Verbrennungstechnologien werden für Pelletskessel angeboten, und welche wurden speziell nur für Holzpellets entwickelt? .................................................... 18 Aufgabe 17: Benennen Sie die Vor- und Nachteile eines Stückholzkessels. .......................... 24 Aufgabe 18: Spielen Sie mit KollegInnen ein Kundengespräch durch, in dem Sie die Vor- und Nachteile eines Stückholzkessels erklären. ..................................................................... 24 Aufgabe 19: Nennen Sie die wesentlichsten Unterschiede zwischen Stückholzkesseln und Hackgutkesseln. .............................................................................................................. 24 Aufgabe 20: Welche Faktoren sind maßgeblich für die Auswahl des Brennstoffs bzw. des entsprechenden Heizsystems?........................................................................................ 24 49 Aufgabe 21: Erklären Sie den Begriff „Energiedichte“. ............................................................ 24 Aufgabe 22: Spielen Sie mit KollegInnen ein Kundenberatungsgespräch hinsichtlich der Wahl des richtigen Heizsystems durch. .................................................................................... 24 Aufgabe 23: Was ist der wichtigste Faktor bei der Dimensionierung eines Wärmeerzeugers bzw. Heizkessels? ........................................................................................................... 24 Aufgabe 24: Erklären Sie den Begriff „Heizlast“ ...................................................................... 24 Aufgabe 25: Wie lautet die Faustformel für eine überschlägige Berechnung der Heizlast, und welche durchschnittliche Volllaststundenanzahl wird dafür angenommen? ..................... 24 Aufgabe 26: In welchem Größenbereich bewegt sich die Heizlast eines Einfamilienhauses? . 24 Aufgabe 27: Argumentieren Sie, wieso die richtige Heizlastermittlung unerlässlich ist. ........... 24 Aufgabe 28: Erklären Sie den Begriff „Wirkungsgrad“ bei einer Biomasseheizung. ................ 27 Aufgabe 29: Welche Wirkungsgrade können Biomassefeuerungen in der Praxis aktuell maximal erreichen? ......................................................................................................... 27 Aufgabe 30: Welche Anforderungen zur Sicherstellung der Qualität müssen bei der Lagerung von Pellets unbedingt beachtet werden? ......................................................................... 37 Aufgabe 31: Berechnen Sie die notwendige Lagerraumgröße für ein Einfamilienhaus mit einer Heizlast von 15 kW und Pellets als Brennstoff. ................................................................ 37 Aufgabe 32: Nennen Sie die Charakteristika eines Grundofens. ............................................ 43 Aufgabe 33: Was sind die Kennzeichen eines Warmluftkachelofens? .................................... 43 Aufgabe 34: Was ist unter einem Kombi-Kachelofen zu verstehen? ....................................... 43 Aufgabe 35: Erklären Sie das Funktionsprinzip der Automatisierung eines Kachelofens. ....... 43 Aufgabe 36: Welche unterschiedlichen Varianten erweiterter Raumheizgeräte gibt es? ......... 43 Aufgabe 37: Ist der Einsatz von einem erweiterten Raumheizgerät in allen Gebäuden sinnvoll? ........................................................................................................................................ 43 Aufgabe 38: Welche Funktion hat Kraft-Wärme-Kopplung für Biomasseheizungen? .............. 46 Aufgabe 39: Sind Biomasse-Mikro-KWK-Systeme bereits am Markt erhältlich? ..................... 46 50 15. Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Die Technologie der Nutzung von Biomasse für Heizen und andere Zwecke wurde in den letzten Jahrzehnten stark weiterentwickelt (Quelle: Stefan Prokupek, GrAT) 4 Abbildung 2: Anzahl der jährlich verkauften und installierten Stückholz-, Pellets- und Hackgutkessel bis 100 kW in Österreich (Quelle: LK NÖ 2012)......................................... 6 Abbildung 3: Automatische Biomassefeuerung (Quelle: Hargassner GesmbH) ...................... 11 Abbildung 4: Komponenten eines automatischen Biomasseheizsystems (Quelle: Walter Bösch KG).................................................................................................................................. 13 Abbildung 5: Beispiel für einen Stückholzkessel (unterer Abbrand) (Quelle: Fröling Heizkesselund Behälterbau GmbH).................................................................................................. 14 Abbildung 6: Kessel für Hackgut, Pellets und Getreide (Quelle: Hargassner Ges.m.b.H) ....... 15 Abbildung 7: Beispiel für einen Pelletskessel mit Abwurffeuerung (Quelle: Windhager Zentralheizungs Gmbh) ................................................................................................... 16 Abbildung 8: Beispiel für einen Pelletskessel mit Unterschub (Quelle: KWB – Kraft und Wärme aus Biomasse GmbH) ..................................................................................................... 16 Abbildung 9: Kombikessel für Pellets und Stückholz im Stückholzbetrieb (Quelle: SHT Heiztechnik aus Salzburg GmbH) .................................................................................... 16 Abbildung 10: Kombikessel für Pellets und Stückholz im Pelletsbetrieb (Quelle: SHT Heiztechnik aus Salzburg GmbH) .................................................................................... 16 Abbildung 11: Bewertungsmatrix klima:aktiv-Heizsysteme zur Auswahl eines geeigneten Heizsystems je nach Gebäudeklasse. Erläuterung: A++ Passivhaus; A+, A Niedrigstenergiehäuser; B, C Niedrigenergiehäuser, D–G alte, unsanierte Gebäude (Quelle: Broschüre Erneuerbare Wärme für Eigenheime; erneuerbarewaerme.klimaaktiv.at) .................................................................................. 20 Abbildung 12: Holzfeuerungen kleiner Leistung – am Prüfstand gemessene Wirkungsgrade (Quelle: Daten nach BLT 2007, Aufbereitung in Voglauer 2005) ..................................... 25 Abbildung 13: Holzfeuerungen kleiner Leistung – am Prüfstand gemessene KohlenmonoxidEmissionen (Quelle: Daten nach Daten nach BLT 2007, Aufbereitung in Voglauer 2005)26 Abbildung 14: Pelletsfeuerung mit Gelenksschnecke zur mechanischen Brennstoffaustragung (Quelle: ÖkoFEN Forschungs- und Entwicklungs Ges.m.b.H.) ........................................ 31 Abbildung 15: Pelletsfeuerung mit Vakuum-Saugsystem zur pneumatischen Brennstoffaustragung (Quelle: ÖkoFEN Forschungs- und Entwicklungs Ges.m.b.H.) ..... 32 Abbildung 16: Schnittbild Pelletslagerraum (Quelle: ÖkoFEN Forschungs- und Entwicklungs Ges.m.b.H.) ..................................................................................................................... 33 51 Abbildung 17: Einbau der Befüllstutzen – mit und ohne Lichtschacht (Quelle: ÖkoFEN Forschungs- und Entwicklungs Ges.m.b.H) ..................................................................... 33 Abbildung 18: Stahlblechtank (Quelle: BIOENERGY 2020+ GmbH) ....................................... 34 Abbildung 19: Gewebetank (Quelle: ÖkoFEN Forschungs- und Entwicklungs Ges.m.b.H) ..... 34 Abbildung 20: Pellets-Erdtank (Quelle: Geoplast Kunststofftechnik GmbH) ............................ 35 Abbildung 21: Beispiel für eine Containerlösung (Quelle: ÖkoFEN Forschungs- und Entwicklungs Ges.m.b.H.) ............................................................................................... 35 Abbildung 22: Funktionsprinzip eines Kaminofens (Quelle: Hark GmbH & Co. KG) ................ 38 Abbildung 23: Beispiel für einen Kaminofen (Quelle: RIKA Innovative Ofentechnik GmbH) .... 38 Abbildung 24: Mit Quarzsand befüllter Speicherofen (Quelle: Wamsler Bioenergy GmbH i.G.) ........................................................................................................................................ 40 Abbildung 25: Beispiel für einen kombinierten Kachelofen (Quelle: Österreichischer Kachelofenverband) ........................................................................................................ 41 Abbildung 26: Heizeinsatz für Scheitholz oder Pellets (Quelle: Wienerberger Ofenkachel GmbH) ............................................................................................................................ 41 Abbildung 27: Beispiel für ein erweitertes Raumheizgerät: Kachelofen als Ganzhausheizung (Quelle: Hafnertec Bicker GmbH) .................................................................................... 42 Abbildung 28: Jahreskosten (Annuität) verschiedener Heizungsarten für ein Einfamilienhaus mit einem Heizenergiebedarf von 20.000 kWh bei aktuellen Energiepreisen (Quelle: ÖGUT 2012).................................................................................................................... 44 Abbildung 29: Stückholzkessel mit Beschickungseinrichtung (Quelle: Lopper Kesselbau) ..... 45 Abbildung 30: Ofen mit automatischer Brikettzufuhr (Quelle: Hapero Energietechnik) ............ 45 Abbildung 31: Pelletswandtherme (Quelle: Guntamatic Heiztechnik GmbH) .......................... 45 Abbildung 32: Pelletsfeuerung mit Mikro-KWK (Quelle: Button Energy Energiesysteme GmbH) ........................................................................................................................................ 46 16. Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Bauarten und Merkmale von Holzheizungen im kleinen Leistungsbereich (modifiziert von BIOENERGY 2020+ GmbH basierend auf Hartmann 2007) ..................... 8 Tabelle 2: Kriterien für den Einsatz von Pellets- oder Hackgutheizungen (modifiziert von BIOENERGY 2020+ GmbH basierend auf OÖ Energiesparverband 2006) ..................... 22 Tabelle 3: Bedarf an weichem Hackgut in Abhängigkeit von der Nutzwärmeleistung (Quelle: ÖKL Arbeitskreis Energie 1997) ...................................................................................... 29 52 Impressum Herausgeber und für den Inhalt verantwortlich: GrAT – Gruppe Angepasste Technologie Technische Universität Wien Wiedner Hauptstraße 8–10 1040 Wien Austria T: ++43 1 58801-49523 F: ++43 1 58801-49533 E-Mail: contact(at)grat.at http://www.grat.at Projektleiterin und Ansprechperson: Dr. Katharina Zwiauer E-Mail: katharina.zwiauer(at)grat.at Autor: DI Dr. Christoph Strasser (BIOENERGY 2020+ GmbH) Fachdidaktisierung: Magdalena Burghardt MA, Dr. Katharina Zwiauer Lektorat und technische Umsetzung: Magdalena Burghardt MA Finanziert durch: Nutzungsbedingungen: Alle Inhalte sind unter folgender Creative-Commons-Lizenz lizensiert: e-genius steht unter einer Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Austria Lizenz. 53 Das bedeutet: Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, Abwandlungen und Bearbeitungen des Werkes bzw. 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