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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
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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
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Smog durch Kleinfeuerungen
in Ulan Bator/Mongolei, April 2010
3
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Einzelöfen in der Mongolei
4
GTZ-Öfen
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5
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Fragestellung: Immissionsbelastung im
Wohngebiet und Beitrag der Holzfeuerungen?
6
„Smog“ in Dettenhausen im Schönbuch
im Januar 2006
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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
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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
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Korngrößenverteilung der emittierten Partikel
Kamineinsatz mit Buchen-Stückholz
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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)
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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.
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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Immissionsmodellierung für die Validierung, flächenhafte Ergebnisse für PM10
UBA-Projekt:Lohmeyer, IFK
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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
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NOx- Immissionen im ländlichen Gebiet
für die betrachteten Feuerungsarten, je
10%; Jahresmittel für max. Fläche
PM10
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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
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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:
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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
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Brennstoffstandardisierung in DIN EN 13691
• Pellets: ☺
• Holzbriketts: Ganz unterschiedliche Eigenschaften
• Holz-Hackschnitzel: Vorsicht bei feuchtem Material
• Stückholz: Stückgröße und Holzart beeinflussen den
Abbrand
27
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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
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• 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
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Staubabscheider für kleine Feuerungen
30
Quelle: Hartmann, TFZ
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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
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Kommission Reinhaltung der Luft
im VDI und DIN - Normenausschuss KRdL
Verminderung von Nachbarschaftsbeschwerden durch
ausreichend dimensionierte Schornsteinhöhen
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Neu entwickeltes Staubmessgerät
z.B. für Schornsteinfeger
33
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Der Rauch ist noch nicht weg: Staubmessungen
im Wohngebiet Dettenhausen März und April 2013
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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
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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
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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
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Der Rauch muss weg durch, damit wir
auch morgen durchatmen können