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Lohnt sich die technische Nachrüstung eines Kaminofens?

Wissenschaftler des TFZ prüften jetzt verschiedene technologische Möglichkeiten, wie Kaminöfen technisch verbessert werden können. Dabei zeigte sich, dass nicht alle propagierten Techniken zur Nachrüstung von Kaminöfen zu Schadstoffminderungen, Wirkungsgradsteigerungen oder zur Minderung von Stillstandsverlusten führten.

Im Projekt Eranet Wood Stoves 2020 untersuchte das TFZ Maßnahmen, die bei Kaminöfen die Emissionen mindern sollen. Im Bild ist der Prototyp einer nachrüstbaren Ofensteuerung. (Foto: Technologie- und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe (TFZ))

Im Projekt Eranet Wood Stoves 2020 untersuchte das TFZ Maßnahmen, die bei Kaminöfen die Emissionen mindern sollen. Im Bild ist der Prototyp einer nachrüstbaren Ofensteuerung. (Foto: Technologie- und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe (TFZ))

Kaminöfen zählen mit ca. 11,7 Millionen Einzelraumfeuerungen - gemessen an der Anzahl installierter Geräte - zu den beliebtesten Biomasseheizungen in der Bundesrepublik Deutschland. Um diese Technologie auch in Zukunft sicher nutzen zu können, gibt es am Markt verschiedene, insbesondere zur Nachrüstung von Kaminöfen bestimmte Optimierungstechniken, die deren Emissionsverhalten verbessern und den Wirkungsgrad steigern sollen. Welche dieser Kaminofen-Nachrüstungen in der Praxis wirklich etwas bringen, wurde jetzt in dem europäischen Projekt Eranet Wood Stoves 2020 untersucht.

In dem Projekt analysierten Wissenschaftler des Technologie- und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe (TFZ) die Effekte von Schaumkeramikfiltern, Katalysatoren, nachrüstbaren Ofenregelungen und Zugbegrenzern. Zudem nahmen die Wissenschaftler erstmalig auch Stillstandsverluste unter die Lupe, sowie den Einfluss des Schornsteinzuges auf Emissionen und Wirkungsgrad. Die Ergebnisse hat das TFZ jetzt im Bericht 57 "Optimierungspotenziale bei Kaminöfen - Emissionen, Wirkungsgrad und Wärmeverluste" veröffentlicht.

Schaumkeramikfilter und Katalysatoren

Entgegen einer weit verbreiteten Annahme konnten die Wissenschaftler keine Verbesserung des Emissionsverhaltens bei der Verwendung eines nicht katalytischen Schaumkeramik-Filterelements am Kaminofen feststellen. Das wird inzwischen auch durch eine sehr ähnlich aufgebaute Studie der Hochschule für Forstwirtschaft Rottenburg " Potential of Integrated Emissions Reduction Systems in a Firewood Stove under Real Life Operation Conditions" bestätigt.

Dagegen führte der Einsatz katalytisch aktiver Schaumkeramiken zu einem positiven Effekt auf die Emissionen. Vor allem kam es zu einer CO-Minderung. Dieser Effekt nahm mit zunehmender Zahl von Abbränden stark ab. Einer solchen Abnahme kann teilweise durch regelmäßige Reinigung des Katalysators entgegengewirkt werden. Hier sollten vonseiten der Katalysatorhersteller realistische Angaben zum Vorgehen bei der Reinigung und zum Reinigungsintervall gemacht werden.

Möglicherweise könnte das Waschen des Katalysators mit Wasser zu einer höheren Reaktivierung führen, was allerdings im Rahmen dieses Projekts nicht untersucht wurde. Der möglicherweise dauerhaften Abnahme der Aktivität des Katalysators durch Katalysatorgifte könnte eventuell durch andere Mischungen der verwendeten Edelmetalle bzw. durch andere Katalysatorsubstanzen entgegengewirkt werden. Außerdem sollte in Feldmessungen über eine oder mehrere Heizperioden abgeklärt werden, inwieweit die dauerhafte Deaktivierung des Katalysators vorschreitet und inwieweit sich diese durch Reinigen oder Waschen des Katalysators wiederherstellen lässt.

Für den Praxiseinsatz könnte ein monatliches Reinigungsintervall noch vertretbar sein. Bei den derzeitigen Katalysatorpreisen sollte ein Katalysator allerdings für mehrere Heizperioden gute Konvertierungsraten bezüglich der Emissionen aufweisen.

Robert Mack, Projektmitarbeiter am TFZ, bewertet den Einsatz von Schaumkeramiken aber insgesamt kritisch: „Solche Angebote sind für Verbraucher irreführend, insbesondere wenn die Keramik vom Hersteller als Staubfilter vermarktet wird, obgleich keinerlei vorteilhafte Wirkung nachweisbar ist."

Stillstandverluste und Luftklappenstellung

Im Rahmen des Projekts wurden erstmals Wärmeverluste untersucht, die durch die Zugwirkung des Kamins entstehen, während der Ofen außer Betrieb ist. Die im Rahmen dieses Projekts an einem 8 kW Kaminofen quantifizierten Stillstandverluste (kalter Schornstein + Abkühlverluste nach Betrieb) stellen bei 100 Benutzungsphasen pro Jahr mit ca. 270 kWh/a (bei geschlossener Luftklappe) bzw. mit ca. 750 kWh/a (bei Beibehaltung der Luftklappenstellung des letzten Heizbetriebs) Wärmeverluste in einer nicht unerheblichen Größenordnung dar. Damit beliefen sich die Stillstandsverluste gemessen an den derzeitigen Brennstoffpreisen auf etwa 40 Euro im Jahr.

Ausschlaggebend für den hohen Wärmeverlust ist dabei die Stellung der Luftklappe. „Aus unserer Sicht wäre es wünschenswert, dass bei Kaminöfen mit manueller Lufteinstellung ein vollständiges Abschließen der Luftzufuhr realisierbar ist", resümiert Dr. Hans Hartmann, Sachgebietsleiter am TFZ. Bei automatisch gesteuerten Kaminöfen sollte das vollständige Abschließen der Verbrennungsluft dagegen in jedem Fall erfolgen (zumal es hier am einfachsten und sichersten realisierbar ist), auch wenn angesichts der derzeitigen Brennstoffpreise die Verluste in Höhe von ca. 40 Euro pro Jahr nicht sehr hoch erscheinen.

Insbesondere bei Neubauten im Niedrigenergiehausbereich (< 25 kWh/(m2 a)), aber auch bei allen übrigen Gebäuden, in denen besondere Effizienzvorgaben bestehen, sollten Stillstandverluste unbedingt vermieden werden, empfehlen die Autoren der TFZ-Studie.

Nachrüstbare Ofensteuerungen

Des Weiteren zeigte sich in den Versuchen des TFZ, dass durch nachrüstbare Verbrennungsluftsteuerungen die gasförmigen Emissionen deutlich reduziert, der Wirkungsgrad gesteigert und die Wärmeverluste auf ein Minimum reduziert werden, wenn die Klappe der Steuerung dicht schließt.

Bei den Gesamtstaubemissionen kommt es jedoch nicht automatisch zu Verbesserungen. Sie können auch bei guter Adaption der Steuerungsparameter an den Öfen leicht erhöht sein, wenn man einen optimalen, fachkundigen, manuellen Prüfstandsbetrieb zugrunde legt. In der Praxis liegen die Emissionen aber erfahrungsgemäß deutlich höher als auf dem Prüfstand, was sich allerdings in Prüfstandsmessungen kaum vollständig darstellen lässt, obgleich die in der TFZ-Studie hier aufgeführten Messergebnisse auf einer praxisnahen Prüfmethode basieren. Auch können bei Prüfstandsmessungen nie alle Nutzereinflüsse wie Brennstoffbeschaffenheit, Schornsteinzug, Lufteinstellungen etc. mit guter Reproduzierbarkeit der Messergebnisse abgebildet werden.

Es kann also davon ausgegangen werden, dass der Einsatz einer Verbrennungsluftsteuerung in der Praxis den Nutzereinfluss – ausgehend von einem schlechteren Niveau als am Prüfstand – deutlich abmindert und in den meisten Fällen eine Optimierung des Emissionsverhaltens bewirkt.

Bei nicht ausreichender oder fehlerhafter Einstellung der Steuerung können die Emissionen aber auch deutlich erhöht sein. Daher sollte die Einstellung der Steuerungsparameter ausschließlich von Fachpersonal durchgeführt werden. Außerdem sollte mit dem Schornsteinfeger vor Ort abgeklärt werden, ob dieser der Montage einer Verbrennungsluftregelung zustimmt, da dies eine Veränderung an der Feuerstätte darstellt, wodurch diese ihre CE-Kennzeichnung verliert.

Auch der Wirkungsgrad kann mit der richtigen Steuerung deutlich gesteigert und die Stillstandverluste auf ein Minimum reduziert werden, wenn die Klappe der Steuerung dicht schließt. Je nach Anschaffungspreis für die Nachrüstung einer solchen Steuerung liegt die Amortisationszeit zwischen sechs Jahren (TATAREK, wenn Klappe dicht schließend wäre) und 25 Jahren (TATAREK, mit einer regulären Klappe) oder auch bei 23 Jahren (Schmid SMRSteuerung).

Aus Sicht der Wissenschaftler sind solche nachrüstbaren Verbrennungsluftsteuerungen vorzuziehen sind, die bereits im Ofen integriert wurden und nicht nur die Gesamtluftmenge steuern. Sie können auch fehlerhafte Lufteinstellung durch den Nutzer vermeiden.

Zugbegrenzer und Förderdruck

Hinsichtlich der Emissionen konnte keine eindeutige Empfehlung für oder gegen den Einsatz von Zugbegrenzern ausgesprochen werden, da das Niveau des Schadstoffausstoßes sehr ofenspezifisch ist und es auch zu einer Erhöhung der Emissionen bei einem zu hohen Förderdruck kommen kann.

"Ein zu hoher Schornsteinzug wirkt sich jedoch immer nachteilig auf den Wirkungsgrad aus“, so Robert Mack. Daher ist es durchweg empfehlenswert, den Förderdruck auf das geforderte Maß (z. B. bis auf eine Größenordnung von −12 Pa, wie in Typenprüfungen zu realisieren) zu senken. Dies kann entweder mit einem Zugbegrenzer automatisch oder mittels einer Abgasklappe im Verbindungsstück zwischen Kaminofen und Schornstein erfolgen.

Verluste durch unverbrannte Rückstände

Der in der DIN EN 13240 sowie der zukünftigen DIN EN 16510 für naturbelassenes Holz pauschal anzusetzende Wirkungsgradverlust von 0,5 % für moderne Kaminöfen mit hohen Anforderungen an die Dichtigkeit erscheint nicht mehr zeitgemäß. Dieser lag in fast allen der 40 durchgeführten Messungen über dem Wert von 0,5 %.

Die Verluste an unverbrannten Rückständen können mit der im Rahmen dieses Projekts entwickelten vereinfachten Methode durch simples Wiegen der Rückstände ausreichend genau quantifiziert werden. Des Weiteren ist zu diskutieren, inwiefern bei automatisch gesteuerten Kaminöfen mit dicht schließender Luftklappe die erhöhte Menge an Holzkohle im Rückstand noch als Verlust zu bewerten ist bzw. überhaupt vom Benutzer entsorgt werden sollte.

Hier könnte es sinnvoller sein, wenn der Hersteller in der Bedienungsanleitung bzw. dem „Quick-User-Guide“ eine Anleitung zum Anheizen mit der von der vorherigen Benutzung noch verbliebenen Holzkohle geben würde. Diese könnte dann als gespeicherte Energie gewertet und beispielsweise mit dem Wirkungsgrad des Ofens berechnet werden. Somit würde der darstellbare Wirkungsgrad nochmals etwas ansteigen.

Empfehlungen für technische Kaminofen-Nachrüstungen

Verbrennungsluftsteuerungen

Derzeit wird an einer Norm zu den Anforderungen an Verbrennungslufteinrichtungen gearbeitet. Diese soll zunächst als nationale Norm erscheinen und dann auf europäischer Ebene in die DIN EN 16510 integriert werden. Hierdurch könnte auch die Abnahme solcher Steuerungen hinsichtlich der Sicherheit vereinfacht werden. Die CE-Kennzeichnung (European Technical Assessment) bzw. die Abnahme durch das Deutsche Institut für Bautechnik sollte für den Vertrieb solcher Steuerungen gesetzlich vorgeschrieben werden.

Inwieweit technische Funktionen zukünftiger Öfen langfristig dazu beitragen können, dass z. B. regionale Verbrennungsverbote vermieden werden oder dass Sonderausstattungen der Öfen (z. B. Steuerungen, Regelungen, Katalysatoren etc.) hierbei einen Ausnahmetatbestand begründen können, bleibt nach Abschluss des Projektes offen.

Eine einfache Nachrüstung einer Verbrennungsluftsteuerung oder eines Katalysators an vorhandene Feuerungen ist in diesem Zusammenhang als wenig zielführend einzustufen, da das Minderungspotenzial für Staubemissionen zu gering ist. In solchen Fällen müsste eher auf neue Ofenkonzepte mit integrierter Steuerung bzw. Regelung und optimierter Brennraumgeometrie oder auf die Nachrüstung elektrostatischer Partikelabscheider gesetzt werden.

Schaumkeramiken

Der Einsatz von Schaumkeramiken ist ebenfalls nicht hilfreich. Zum Teil ist ein solches Angebot für den Verbraucher sogar irreführend, insbesondere wenn die Keramik vom Hersteller als Staubfilter vermarktet wird, obgleich keinerlei vorteilhafte Wirkung nachweisbar ist, sondern sogar Nachteile eintreten können.

Erst mit der Möglichkeit, dass derartige Schaumkeramiken durch katalytische Aktivierung eine tatsächliche Schadstoffminderungswirkung bei den gasförmigen Abgasbestandteilen (CO, Org.-C) haben können, eröffnet sich für solche Einbauten ein gewisses Potenzial. Bis zum Nachweis einer nachhaltig auch im Langzeitbetrieb feststellbaren positiven Wirkung ist es jedoch noch ein weiter Weg, so die TFZ-Studie.

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"Lohnt sich die technische Nachrüstung eines Kaminofens?" wurde am 24.09.2018 verfasst