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Low-Cost-Ofen mit niedrigsten Emissionen

01.07.2017 | FoE Sustainable Systems

Von Robert Scharler, Christoph Hochenauer

Die globale Erwärmung aufgrund des anthropogenen Treibhauseffekts ist eine wichtige Treiberin für die Entwicklung erneuerbarer Energiesysteme.

Austria‘s gross energy consumption – past and future.

Die Bioenergie deckt in Österreich etwa 17,2 % des Brutto-Energieverbrauchs ab und ist somit die wichtigste erneuerbare Energiequelle. Darüber hinaus dürfte sich der Anteil in den folgenden Jahren erhöhen.

Die Verbrennung von holzartiger Biomasse zur Wärmegewinnung ist dabei eine äußerst etablierte Technologie und ein Drittel des gesamten Wärmebedarfs in Österreich wird auf diese Weise abgedeckt. Dabei kommt den traditionellen Scheitholzöfen eine große Bedeutung zu. Österreichs Forschung und Wirtschaft nehmen im Bereich der Bioenergie und insbesondere im Bereich der Biomasse-Feuerungen einen internationalen Spitzenplatz ein. Das Institut für Wärmetechnik an der TU Graz spielt als wissenschaftlicher Schlüsselpartner des österreichischen Biomassekompetenzzentrums BIOENERGY 2020+ eine wesentliche Rolle. Die beiden TU Graz-Professoren Christoph Hochenauer und Robert Scharler sind hierbei die wissenschaftlichen Leiter in den Bereichen Feuerungstechnik sowie Modellierung und Simulation. Gemeinsam mit BIOENERGY 2020+ forscht man erfolgreich an der Entwicklung von innovativen Feuerungstechnologien mit höchsten Wirkungsgraden und niedrigsten Schadstoffemissionen wie zum Beispiel von Kohlenmonoxid (CO), Stickoxiden (NOx) und Feinstaub.

Heizen mit Holz

Holzöfen sind aufgrund der niedrigen Brennstoffkosten, des ökologischen Aspekts einer erneuerbaren Energiequelle und der visuellen Anziehungskraft der Flamme, die ein angenehmes Gefühl verursacht, immer noch sehr beliebt. Allerdings sind derzeit am Markt erhältliche Öfen entweder teuer (hochwertige Pelletöfen) oder die Schadstoffemissionen günstigerer Geräte zu hoch (alte Scheitholzöfen). Im vom österreichischen Klima- und Energiefonds geförderten Projekt LowCostEmissionStove wird deshalb eine innovative Ofentechnologie entwickelt, die niedrigste Schadstoffemissionen aufweist und dabei sehr kostengünstig ist. Das Projekt wird vom Salzburger Entwickler HET koordiniert, die Umsetzung der neuen Technologie erfolgt durch den Ofenbauer Justus, das TU Graz-Institut für Wärmetechnik und BIOENERGY 2020+ sind wissenschaftliche Partner. Der neue Ofen basiert auf einem innovativen und patentierten Brennstoffzufuhrsystem, das zu einem sehr einfachen Aufbau führt. Im Rahmen des Projekts sollen drei Varianten der neuen Ofentechnologie entwickelt werden:

Die erste Variante ist ein stromloser Pellet-Naturzugofen als Weltneuheit, der sich durch einen besonders niedrigen Preis, Netzautarkie und ein sehr schönes Flammenbild auszeichnet und außerdem hinsichtlich Komfort, Bedienfreundlichkeit und Emissionsverhalten derzeitigen Scheitholzöfen deutlich überlegen ist.

Die zweite Variante ist ein mit geringem Strombedarf betriebener Pelletofen mit Saugzug-Gebläse (siehe Abbildung 2). Dieser soll deutlich stromsparender und günstiger in der Anschaffung als derzeit erhältliche, hochqualitative Pelletöfen sein, und dar- über hinaus sowohl hinsichtlich Emissionen und Wirkungsgrad das derzeit strengste relevante Zertifikat für kontinuierlich betriebene Raumfeuerungen erhalten („Blauer Engel“).

Schema des neuen Pelletofens mit Gebläse (links, Mitte) und Foto der Versuchsanlage Version 1.

Als dritte Variante soll ein mit geringem Strombedarf betriebener Kombi-Kaminofen, der sowohl mit Scheitholz als auch Pellets befeuert werden kann, entwickelt werden. Dieser soll die Vorteile beider Brennstoffe in sich vereinen. Scheitholz ist dabei der billigere Brennstoff und auch beim Flammenbild den Pellets überlegen. Durch die zusätzliche Verwendung der Pellets-Feuerung als Stützbrenner für die Scheitholzverbrennungen werden die sehr hohen Emissionen der Scheitholzverbrennungen deutlich reduziert und der Wirkungsgrad wird deutlich angehoben.

Darüber hinaus wird für die strombetriebenen Varianten ein neuartiges Kleinwärmespeicherkonzept mit Konvektionsluftkanälen zur gezielten Entladung des Speichers entwickelt, um ein besseres Wärmemanagement und eine verlängerte Wärmeabgabe zu erreichen.

Neuentwicklung

Um die Zielsetzungen des Projekts zu erfüllen, soll die Feuerungstechnik des Ofens neu entwickelt werden. Dazu werden wissenschaftlich fundierte numerische Simulationen der Verbrennungsprozesse im Ofen mittels CFD (Computational Fluid Dynamics) und systematische Versuche am Prüfstand mit detaillierten Emissionsmessungen durchgeführt. Sowohl das Institut für Wärmetechnik als auch BIOENERGY 2020+ hat große Erfahrung im Bereich der CFD-Simulation von Feuerungen. Gemeinsam hat man ein detailliertes CFD-Modell für Biomassefeuerungen, das alle Prozesse von der Simulation des Abbrands von Hackschnitzeln und Pellets am Rost bis zur Verbrennung im Feuerraum und der Bildung der Schadstoffemissionen abbilden kann, entwickelt (siehe Abbildung 3).

3D-CFD-Simulation einer 20 kW Pelletfeuerung: Simulation des Abbrands der Pellets am Rost.

Im Rahmen des Projekts wurde in einem ersten Schritt ein CFD-basiertes Pelletofenmodell entwickelt und bereits mit Erfolg für die Entwicklung der ersten Versuchsanlage der neuen Ofentechnologie eingesetzt. Dieses ermöglicht eine detaillierte Evaluierung der Prozesse im Brennstoffbett wie auch in der Brennkammer (siehe Abbildung 4). Weiters wird gerade ein neues CFD-basiertes Scheitholz-Kaminofenmodell entwickelt, mit dem erstmals ein vollständiger Kaminofenzyklus vom Auflegen der Holzscheite bis zu deren Ausbrand im Detail simuliert werden kann.

Konturdarstellung der Freisetzung diverser Spezies im Brennstoffbett während der Verbrennung von Pellets [mg/s] (links) sowie nach CO- Konzentrationen eingefärbte Strömungspfadlinien [ppm tr.] innerhalb der neuen PelletOfentechnologie (rechts).

Zusammenfassen kann das Projekt „LowCostEmissionStove“ als Vorzeigeprojekt für angewandte Forschung betrachtet werden, da die Synergien der beteiligten Partner optimal genutzt werden und die Erkenntnisse direkt in die Stärkung der Österreichischen Wirtschaft einfließen.

Dieses Forschungsprojekt ist im Field of Expertise „Sustainable Systems", einem von fünf Stärkefelder der TU Graz, verankert.

Information

Robert Scharler ist Universitätsprofessor für Computational Fluid Dynamics am Institut für Wärmetechnik der TU Graz und wissenschaftlicher Berater von BIOENERGY 2020+. Er ist weiters wissenschaftlicher Leiter des Projekts LowCostEmissionStove.

Christoph Hochenauer ist Leiter des Instituts für Wärmetechnik und Key Researcher bei BIOENERGY 2020+

Kontakt

Robert SCHARLER
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Institut für Wärmetechnik
Inffeldgasse 25/B, 8010 Graz
Tel.: +43 316 873 7804
robert.scharlernoSpam@tugraz.at

Christoph HOCHENAUER
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Institut für Wärmetechnik
Inffeldgasse 25/B, 8010 Graz
Tel.: +43 316 873 7300
christoph.hochenauernoSpam@tugraz.at