Verwendung von Additiven bei der Holzverbrennung

Verwendung von Additiven bei der Holzverbrennung
Masterthesis MAS Umwelttechnik und -management 2014
Ausgangslage
Die Nachfrage nach Holzpellets ist in den letzten Jahren stark gestiegen. Um
Versorgungsengpässen entgegenzuwirken wird an verschiedenen Instituten nach
alternativen biogenen Brennstoffen geforscht. Dies kann in Form von
Mischpellets mit anderen biologischen Abfällen oder durch die Zugabe von
Additiven erfolgen. Die Analyse dieser alternativen Pellets beinhaltet Brennstoff-,
Abgas- und Ascheuntersuchungen. Dabei sind die gesetzlichen Anforderungen
der Luftreinhalteverordnung LRV einzuhalten.
Aus einem Versuch bei dem die Pflanzenasche bei der Verbrennung eines
Zuckerwürfels als Katalysator wirkt, stammt die Idee, diese katalytische Wirkung
der Pflanzenasche auch bei der Holzverbrennung zu untersuchen. Das Resultat
soll zeigen, ob die Asche als Additiv für die Holzfeuerung eingesetzt werden
kann.
Versuchsanordnung
Da Holz nicht gleich Holz ist, ist es sehr schwierig mit wenigen Proben
aufschlussreiche Resultate zu bekommen. Für die Versuche wurde daher reiner
Kohlenstoff verwendet.
Abb. 1: TGA-Aufnahmevergleich aller Messungen
Die Versuche wurden vom Institut für Biomasse und Ressourceneffizienz (IBRE)
an der FHNW in Brugg-Windisch mithilfe der Thermogravimetrie (TGA)
durchgeführt. In der Thermogravimetrie wird das Gewicht der einzelnen
Bestandteile des Brennstoffes während der Temperaturerhöhung gemessen. So
kann festgestellt werden, bei welcher Temperatur die Verbrennung einzelner
Bestandteile erfolgt.
Vier Proben auf Kohlebasis wurden untersucht:
Aus den Versuchen ist deutlich zu erkennen, dass die Zugabe von
Pflanzenasche einen früheren Abbau des Brennstoffes bewirkt. Nach
Rücksprache mit dem Institut für Biomasse und Ressourceneffizienz (IBRE), ist
dies eindeutig auf die katalytische Wirkung der Asche zurückzuführen. Die Asche
enthält Mineralien, welche die Oberfläche des Brennstoffes katalysiert. Sie
verändert dabei die physikalische und chemische Zusammensetzung des
Ausgangstoffes dahingehend, dass dieser leichter brennbar wird.
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Probe 1: Carbopur 1A 100% (Kohlenstoff)
Probe 2: Carbopur 1A 90% und Asche 10%, handgemischt
Probe 3: Russ aus Acetylenverbrennung "self made"
Probe 4: Russ wie Probe 3, 90% und Asche 10%, handgemischt
Die Asche stammt aus der Verbrennung von Buchenholz und wurde vom IBRE
zu Verfügung gestellt.
Ergebnisse der Analysen
Die Carbopur-Proben bauen sich erst bei einer hohen Temperatur ab (700800°C), während sich der Russ bereits ab 550°C erwartungsgemäss zersetzt.
Die Zugabe von Asche reduziert die Temperatur des Abbaus, insbesondere bei
Carbopur. Die Gegenwart von Asche hat somit einen grossen Einfluss auf den
Abbau des Materials. Die Rückstände aus den Versuchsproben schwanken
zwischen einem Wert von 0,7% (entspricht einer fast vollständigen Zersetzung)
und 7,3%.
Problematik
Eine optimale Verbrennung von Holz weist sich unter anderem auch durch einen
sehr tiefen Aschegehalt aus. Würden nun Pellets bereits in der Produktion mit
Asche angereichert, wäre der Ascheanteil nach der Verbrennung höher. Die
Einhaltung der Grenzwerte wäre dann praktisch unmöglich.
Daher macht die Theorie, Pflanzenasche in die Holzverbrennung einzubinden,
keinen Sinn. Einerseits hat Pflanzenasche selbst keinen Energiewert und
andererseits würde der Kunde dadurch nur die Asche einkaufen, welche zu
zusätzlicher Verschlackung im Ofen führt.
Empfehlung
Für die Proben der hier aufgeführten Messungen wurde Asche aus Buchenholz
verwendet. Das Mischverhältnis wurde frei gewählt. Möglicherweise könnte durch
eine gezielte Auswahl von Asche, Brennstoff und Mischverhältnis eine noch
frühere Verbrennung des Brennstoffmixes eintreten.
Für eine weiterführende Untersuchung, inwiefern die katalytische Wirkung der
Pflanzenasche bei der Verbrennung von Holz zum Einsatz kommen könnte,
empfehle ich den interessierten Personen vertiefte Kenntnisse in Chemie. In
sämtlichen Bereichen, sei es Brennstoffanalyse, Asche- und/oder
Abgasuntersuchung handelt es sich um komplexe chemische Analysen.
Tab. 1: Zusammenfassung der TGA-Auswertungen
Masterthesis von Roman Haller
Begleitdozent:
Experte:
Claude Lüscher, dipl. Ing. Agr. ETH
Dr. Anders Nättorp
Foto
Diplomand
In

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