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Holzvergaserkessel: Technik & Funktionsweise im Überblick

Was ist ein Holzvergaserkessel? Wie ist er aufgebaut und nach welchem technischen Prinzip funktioniert er? Wie unterscheidet sich der Vergaserkessel von anderen Holzheizungen? Wie hoch ist der Wirkungsgrad eines Kessels mit Holzvergasung?

Der sogenannte Holzvergaserkessel ist eine spezielle Stückholzheizung, dessen spezifisches Merkmal ist, dass die Holzvergasung und die Holzgasverbrennung räumlich voneinander getrennt stattfinden. Sie lassen sich daher separat steuern. Das bringt einerseits einen sehr hohen Wirkungsgrad und andererseits sehr niedrige Schadstoffemissionen.

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Definition des Kesseltyps und alternative Bezeichnungen

Ein Holzvergaserkessel, auch Holzvergaserofen genannt, ist ein Heizkessel. Er stellt eine technische Variante eines sogenannten Stückholzkessels dar. Damit gehört der Holzvergaserkessel zu den sogenannten Festbrennstoffkesseln, die feste, fossile oder biogene Brennstoffe verbrennen, darunter Stückholz und Scheitholz.

Hackgutvergaser PuroWIN mit direkter Zuführung (Foto: Windhager Zentralheizung GmbH Deutschland)
Hackgutvergaser PuroWIN mit direkter Zuführung (Foto: Windhager Zentralheizung GmbH Deutschland)

Letztgenannte Brennstoffart brachte dem Heizkessel den Namen Scheitholzkessel ein. Neben Holzscheiten werden in Vergasern auch Hackschnitzel oder Holzbriketts. Wegen der spezifischen Funktionsweise (siehe unten) nennt man den Holzvergaserkessel außerdem auch Sturzbrandkessel. Mit einem Holzvergaserkessel verbrennen Sie zum einen also dieses Brennholz zur Wärmeerzeugung.

Tabelle 1: Beispiel-Preise für Holzvergaserkessel aus Online-Shops (Stand: Juli 2017)
Modell Brutto-Preise
Atmos DC 22 S 1.527,58 €
Atmos DC 18 SE 1.759,90 €
Atmos DC 40 SX 1.979,09 €
Attack 25 DPX Profi 2.299,00 €
Wolf BVG 23 3.331,99 €
Verner V 210 3.340,00 €
Solarbayer HVS 40 E 3.439,00 €
Atmos DC 30 GSE 3.449,90 €
ATMOS DC 40 GSE 3.960,93 €
Wolf BVG 30 4.213,99 €
NMT HVG III 4.869,00 €
Viessmann Vitoligno 150-S 4.899,00 €
Solarbayer HVS 60 E 5.099,00 €
Windhager Logwin Klassik LWK 250 6.870,00 €
Eta SH 30 7.359,00 €

Zum anderen nutzen Sie damit auch das bei der Holzverbrennung entstehende Holzgas zur Wärmeproduktion. Somit hat der Holzvergaserkessel einen hohen Wirkungsgrad. Die erzeugte Wärmemenge ist dabei u.a. auch von der Qualität des Brennholzes abhängig. Neben dem hohen Wirkungsgrad ist von Vorteil, dass bei der Verbrennung von Holz und Holzgas nur sehr wenige Emissionen an die Umwelt abgegeben werden.

Typischer Aufbau und Funktionsprinzip eines Holzvergaserkessels

Als Feststoffbrennkessel funktioniert der Holzvergaserkessel so:

Schrittweise Verbrennung der festen Holzscheite von oben nach unten

Das zu verfeuernde Holz, der Brennstoff, führt man dem Verbrennungsraum in Chargen zu. Es wird von der im Betrieb entstehenden Verbrennungswärme kontinuierlich zu Gas verbrannt, wozu Sauerstoff kontrolliert zugegeben wird.

Der Holzvergaserkessel hat eine sogenannte Brennerplatte aus feuerfester Keramik, die die eigentliche Brennkammer in eine Ober- und eine Unterkammer mit jeweils eigener Funktionalität teilt. Das Stückholz liegt demnach in Schichten auf der Brennerplatte innerhalb der Oberkammer, die damit die Funktion des Holzvergasers erfüllt. Sie hat außer der Einfüllöffnung für das Stückholz keine weitere Öffnung, sie ist also nach oben hin zu.

Feuern Sie den Holzvergaserkessel an, verdampft wegen der sich entwickelnden Wärme des brennenden Holzes zunächst die in den Holzscheiten steckende Feuchtigkeit. Das Holz verliert somit seine Restfeuchte, es wird getrocknet.

Erst dann, also wenn dieser Prozess abgeschlossen ist, beginnt die eigentliche Holzvergasung: Leichte Gas-Bestandteile werden schon oberhalb der Brennerplatte „vorverbrannt“. Die sich bildenden Verbrennungsgase dringen anschließend mit den noch nicht verbrannten Gasbestandteilen mit der auf der Brennerplatte liegenden glühenden Holzkohle nach unten in eine zweite Brennkammer, in der auch schwer brennbare Anteile der Holzgase verbrennen, wobei hohe Temperaturen um die 1.100 Grad Celsius entstehen.

Die anfallenden Abgase werden schließlich aus der unteren Brennkammer nach oben zum Anschluss für das Abgas geführt, wobei sie an der oberen Brennkammer vorbei strömen.

Expertenwissen: Im Holzvergaserkessel, brennt der Brennstoff nach unten hin ab, so dass die sehr heißen Verbrennungsabgase unten im Kessel entstehen. Das ist der Grund, warum Holzvergaserkessel dieser Bauart auch Sturzbrandofen genannt werden.

Das beschriebene Funktionsprinzip bedeutet, dass der natürliche Kamineffekt in einem Holzvergaserkessel nicht zum Tragen kommt. Denn dem natürlichen Bestreben der heißen Gase, nicht nach unten sondern nach oben zu strömen, wird hier technisch ein Riegel vorgeschoben.

Aufgabe des Gebläses

Ohne das zum Einsatz kommende Gebläse, mit dessen Hilfe die Verbrennungsgase in die Unterkammer und weiter zum Abgasanschluss geschickt werden, würden sich die heißen Abgase in der oberen Brennkammer sammeln und aufstauen.

Infolgedessen würde der Holzvergaserkessel ausgehen oder er ließe sich nicht einmal anfeuern.

Im Betrieb würden

  • die Gasdurchlässigkeit und
  • die Menge der Brennraumfüllung

starken Einfluss auf den Kamineffekt nehmen, so dass sich der Luftdurchsatz nur schwer regeln ließe. Das ist der Grund, warum in Holzvergaserkesseln ein - in der Regel elektrisch angetriebenes - Gebläse zum Einsatz kommt. Je nach Bauart des Holzvergaserkessels sitzt

  • entweder ein hitzefester Saugzugventilator im Abgasstrom oder
  • ein Druckgebläse in der Frischluftzufuhr.

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Geregelte Zufuhr der Verbrennungsluft

Wie bei jedem Holzverbrennungsofen teilt sich auch beim Holzvergaserkessel die zugeführte Verbrennungsluft in

  • Primärluft und
  • Sekundärluft.

Mit Primärluft wird die Oberkammer des Holzvergaserkessels beschickt. Sie dient der Steuerung der Vergasung und damit der Regelung der Kesselleistung. Die Sekundärluft wird dem Holzgas in der Unterkammer des Holzvergaserkessels beigemischt, so dass dieses komplett verbrennt.

Grafik: Prinzipschemata von Gegenstrom- und Gleichstromvergasungsanlagen (Grafik: energie-experten.org / Quelle: "Kleine Holzvergasungsanlagen" Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk)
Grafik: Prinzipschemata von Gegenstrom- und Gleichstromvergasungsanlagen (Grafik: energie-experten.org / Quelle: "Kleine Holzvergasungsanlagen" Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk)

Das Optimieren der Primär- und Sekundärluftzufuhr wird stets getrennt ausgeführt. Welche Menge an Luft wie zugeführt wird, das variiert in Abhängigkeit vom Hersteller und vom Aufbau des Holzvergaserkessels: Man unterscheidet hier nach

  • manuell einzustellenden und
  • elektronisch geregelten Holzvergaserkesseln.

Bei Holzvergaserkesseln mit elektronischer Regelung regelt man

  • entweder nur den Saugzugventilator beziehungsweise das Druckgebläse über die Drehzahl (drehzahlgeregelt) oder
  • zudem auch die Menge der Sekundärluft. Dazu muss allerdings der Restsauerstoffgehalt der Abgase stetig mit Hilfe einer Lambdasonde erfasst werden.
Das Fraunhofer IBP und die HDG Bavaria GmbH haben einen neuen Holzvergaserkessel entwickelt, der staub- und gasförmige Emissionen reduziert und die Verbrennungseffizienz steigert. Dies wird durch eine getrennte Regelung der Zufuhr der Verbrennungsluft sowie der Abfuhr des Abgases, durch den Einsatz einer Zyklonbrennkammer, die zugleich als Brennkammer und als Feinstaubabscheider dient, und durch ein spezielles thermisches Nachverbrennungsverfahren erreicht. (Grafik: HDG Bavaria)
Das Fraunhofer IBP und die HDG Bavaria GmbH haben einen neuen Holzvergaserkessel entwickelt, der staub- und gasförmige Emissionen reduziert und die Verbrennungseffizienz steigert. Dies wird durch eine getrennte Regelung der Zufuhr der Verbrennungsluft sowie der Abfuhr des Abgases, durch den Einsatz einer Zyklonbrennkammer, die zugleich als Brennkammer und als Feinstaubabscheider dient, und durch ein spezielles thermisches Nachverbrennungsverfahren erreicht. (Grafik: HDG Bavaria)

Expertenwissen: Wie andere Holzheizkessel auch braucht ein Holzvergaserkessel, der zur Wassererwärmung dient, eine sogenannte Rücklaufanhebung, um das Risiko zu mindern, dass sich bei Rücklauftemperaturen unter 55 Grad Celsius aggressive Kondensate und Teerablagerungen bilden. Darüber hinaus verfügt der Holzvergaserkessel wie alle Feststoffbrennkessel über eine thermische Ablaufsicherung.

Pufferspeicher sind ein Muss für Holzvergaserkessel mit mehr als vier Kilowatt Leistung

Für Holzvergaserkessel mit einer Leistung von mehr als vier Kilowatt (kW) schreibt in Deutschland die Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV) einen Pufferspeicher, kurz Puffer genannt, vor. Der ist demnach kein direkt dem Holzvergaserkessel zugehöriges Element, sondern seiner Funktion nach eine Speicherkomponente, die zum Zeitpunkt ihrer Erzeugung überschüssige Wärme für eine spätere Nutzung speichert.

Der Puffer soll einerseits dem Umweltschutz insofern dienen, als dass der Holzvergaserkessel damit stets bei Nennlast arbeitet, sprich: im optimalen Betriebszustand. Andererseits dient der Puffer auch dem Komfort, da der Holzvergaserkessel damit nicht andauernd angefeuert bleiben muss, sondern nur zum Aufheizen des Pufferspeichers in Betrieb geht, wenn Bedarf besteht.

Auch die Puffergröße schreibt die BImSchV vor: Sie muss demnach

  • mindestens 55 Liter je kW (l/kW) Kesselleistung und
  • 12 Liter je Liter Füllschachtvolumen betragen.

Expertenrat: Praktisch sollte die Puffergröße oberhalb 75 Liter je kW Kesselleistung liegen und 17 bis 20 Liter Puffer je Liter Füllschachtvolumen bestehen. Die Förderrichtlinien der BAFA verlangen mindestens 55 l/kW und 12 Liter Puffer je Liter Füllschachtvolumen. Erst ab dieser Größe lässt sich auch der gewünschte Komfort erzielen. Dazu sollte auch die Kesselleistung nicht zu gering dimensioniert werden, um vertretbare Pufferaufheizzeiten zu schaffen und auch im Hochwinter direkt ausreichend Heizleistung abgreifen und auch den Puffer aufheizen zu können. Als Richtwert gilt hierfür: Leistung eines Öl-/Gaskessels nach herkömmlicher Berechnungsart + >50 Prozent. Aber: Dieser Richtwert trifft nur auf manuell zu beschickende Holzvergaserkessel zu.

Blockheizkraftwerke mit Holzvergasung

Ein Holzgasvergaser-BHKW ist eine Geräte-Variante eines BHKW, das mit Holzgas als Brenngas betrieben wird. Das Holzgas erzeugt das BHKW mit Hilfe eines dem KWK-Prozess integrierten Holzvergaserkessels. Ein Holzgas-BHKW ist ganz ähnlich aufgebaut wie andere BHKW, die mit Verbrennungsmotoren arbeiten. Der wesentliche Unterschied ergibt sich lediglich aus der Herkunft bzw. Herstellung des Holzgases als BHKW-Kraftstoff.

Im Vergleich mit anderen BHKW-Typen (Gas-BHKW, Öl-BHKW) erzielt ein Holzgas-BHKW einen etwas geringeren Wirkungsgrad. Außerdem müssen Sie wissen, dass der Betrieb der Anlage aufwendiger ist, zum Beispiel, weil die Hackschnitzel per strombetriebenen Förderbändern zum Vergaser gebracht werden müssen oder weil die anfallende Asche automatisch ausgetragen wird, und Holzgas-BHKW auch häufiger zu warten sind. Dafür steht das Holzgas-BHKW in Sachen Ökobilanz günstiger da als andere BHKW.

Trotz anspruchsvoller Technik, lohnen sich Holzvergaser-BHKW an Standorten, an denen Holzhackschnitzel in großem Maße vorhanden sind und ein hoher Wärme- und Strombedarf vom BHKW gedeckt werden kann.

Holzvergasereinheit einer Holz-Kraft-Anlage (Foto: Spanner Re² GmbH, HDG Bavaria GmbH)
Holzvergasereinheit einer Holz-Kraft-Anlage (Foto: Spanner Re² GmbH, HDG Bavaria GmbH)

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Weitere Holzkessel-Typen im Überblick

  • Scheitholzkessel
  • Scheitholzvergaserkessel
  • Stückholzkessel
  • Hackgutkessel
  • Hackschnitzelkessel
  • Kombikessel
  • Festbrennstoffkessel
  • Holzbrenner

"Holzvergaserkessel: Technik & Funktionsweise" wurde am 02.07.2017 das letzte Mal aktualisiert.