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Experten-Ratgeber Festbrennstoffkessel: Technik, Betrieb & Kesseltypen

Was ist ein Festbrennstoffkessel? Welche Brennstoffe kann er verheizen? Wie ist er aufgebaut? Nach welchem Prinzip funktioniert er? Was zeichnet die einzelnen Kesseltypen aus? Welche gesetzliche Regelungen bestehen?

Ein Festbrennstoffkessel verbrennt feste Brennstoffe, darunter biogene Brennstoffe wie Scheitholz, Hackschnitzel, Pellets aber auch fossile Brennstoffe wie Kohle oder Koks. Festbrennstoff-Heizkessel sind im Gegensatz zu Einzelraumfeuerungsanlagen im Dauerbetrieb und versorgen eine Wohnung bzw. ein Gebäude mit Heizwärme und Warmwasser als Zentralheizung. Im Unterschied zu Heizkesseln, die Heizöl, Heizgas oder Holzpellets verfeuern und automatisiert und dosiert damit beschickt werden, müssen Sie einen Festbrennstoffkessel in der Regel händisch beschicken.

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Charakteristische Eigenschaften beim Heizen mit festen Brennstoffen

Ein Festbrennstoffkessel ist eine Feuerungsanlage zur Wärmeerzeugung, die "feste Brennstoffe" verfeuert. Der Festbrennstoffkessel ist damit eine Alternative zu Heizkesseln, die flüssige oder gasförmige Brennstoffe wie Heizöl oder Heizgas verbrennen.

Als "Festbrennstoffe" werden Brennstoffe bezeichnet, die dem Kessel in fester, kompakter Form zugeführt werden. Das kann

  • Kohle in Form sogenannter Stückkohle oder als Brikett, Kohlenstaub,
  • Brennholz in Form von Holzscheiten, Holzhackschnitzeln oder Holzpellets,
  • Holzkohle und andere Biomasse sein.
Tabelle 1: Systematische Unterscheidung von Festbrennstoffen
Zustand Stückig gemahlen gepresst verschwelt
Kohle Stückkohle Kohlenstaub, Kohlengrus Eierkohle, Brikett Koks, Grude
Torf Torfsoden Torfstaub Torfbrikett Torfkoks / Torfkohle
Holz Scheitholz, Brennreisig, Hackschnitzel, … Holzstaub / Sägespäne Holzbrikett, Holzpellet Holzkohle
Sonstige Biomasse Mindergetreide, Kaffeesatz, Halmgutstroh (Bagasse, Reisstroh, Rapsstroh, …), Schalen, Hülsen und Kerne von verschiedenen Pflanzen, … - Strohballen, Strohpellet, Restwertpellet Biokohle, Cococha
Rest- und Ersatzbrennstoffe Müll (Hausmüll, Altholz, …), Klärschlamm, Spuckstoff, … - - -

Festbrennstoffe weisen im Vergleich mit flüssigen Brennstoffen wie Heizöl oder gasförmigen Brennstoffen wie Erdgas deutliche Unterschiede auf, die sowohl Auswirkungen auf die Technik als auch die Energie- und Umweltbilanz eines Festbrennstoffkessels haben.

Qualität

Oft sind Festbrennstoffe weniger homogen als gasförmige oder flüssige Brennstoffe. Das bedeutet, dass ihre Zusammensetzung einerseits in physischer Hinsicht in großem Maße variiert. Bei Flüssigkeiten und Gasen ist das anders: Sie sind auf natürliche Weise durchmischt und daher relativ homogen.

Im Fachjargon spricht man hier von "volumetrischer" Energiedichte. Aufgrund der Zwischenräume zwischen den Partikeln des Festbrennstoffs ist sie bei Festbrennstoffen meist etwas geringer als bei flüssigen Brennstoffen, dafür jedoch deutlich höher als bei gasförmigen.

Andererseits variiert bei Festbrennstoffen auch die "Reinheit". Brennholz zum Beispiel kann sowohl Anteile unterschiedlicher Hölzer (von verschiedenen Baumarten) sowie unterschiedlicher Teile eines Baums (Kernholz, Rinde, Äste) enthalten, wobei Teile davon feuchter sein können als andere.

In Festbrennstoffen stecken oft auch verschiedene nicht brennbare Substanzen, die für die Bildung von mehr oder weniger Reststoffen wie Asche verantwortlich sind.

Auch beim Verfeuern im Festbrennstoffkessel variiert daher der Abbrand, da feste Anteile vom Brennstoff mit gasförmigen Flammen reagieren. Dies beruht darauf, dass der Festbrennstoff beim Verbrennen Gase freisetzt, die ihrerseits die Verbrennung vorantreiben. Teilweise kommt es dabei zu einer direkten chemischen Reaktion an der Grenzfläche von Feststoff und Gas.

Energie- und Ökobilanz

Die Aufbereitung der Festbrennstoffe zum Verfeuern macht großen Aufwand, was sich negativ auf die Energiebilanz des Festbrennstoffkessels auswirkt. Der Aufwand entsteht, weil zum Aufbereiten der Festbrennstoffe oft spezielle Anlagen, darunter wie Mühlen oder Schredder, zum Einsatz kommen müssen, die ihrerseits wiederum Energie ("graue Energie") und CO2 ("graue Emissionen") freisetzen.

Dies wird besonders beim Transport der Brennstoffe zum Festbrennstoffkessel deutlich. Während Gas über lange Strecken per Pipeline und auch Heizöl in größeren Mengen "organisiert" per LKW transportiert wird, wird z. B. Stückholz vielfach in größeren Lagern zur Selbstabholung angeboten oder die Nachfrage wird in regionalen Gehölzen selbst beschafft.

Auch das Einrichten einer automatischen Befeuerung des Festbrennstoffkessels mit Holzscheiten ist meist technisch (als auch im Energiebedarf) aufwendiger und energieintensiver als der Betrieb einer Leitung für Heizöl oder Erdgas.

Dennoch zählen moderne Festbrennstoffkessel, die mit Holz befeuert werden, insgesamt zu den effizientesten und ökologischsten Heizungstypen.

Verfeuerung

Das saubere Verfeuern von Festbrennstoffen ist technisch wegen der oben bereits angesprochenen Inhomogenität vergleichsweise schwierig zu erzielen. Es braucht neben aufwendigeren Anlagen meist einen größeren Luftüberschuss, also ein großes Verbrennungsluftverhältnis, das seinerseits oft den Wirkungsgrad des Festbrennstoffkessels mindert.

Daher ist auch der Betriebs- und Wartungsaufwand eines Festbrennstoffkessels häufig deutlich größer. Zum einen erfordert das Beschicken des Kessels immer auch manuelle Eingriffe und damit Zeit. Zum anderen fallen Asche und Ruß beim Verbrennen an, die entsprechend entsorgt werden müssen.

Hinzu kommt, dass die Leistungsdichte der Verbrennung bei Festbrennstoffen meist deutlich geringer ausfällt, so dass die Festbrennstoffkessel entsprechend größer sein müssen. Die Abgase von Festbrennstoffkesseln sind in der Regel von schlechterer Qualität als bei Öl- und Gaskesseln.

Die Grenzwerte, die die Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen (1. BlmSchV) festlegt, schränken daher die Nutzung von Festbrennstoffkesseln auf bestimmte Brennstoffe ein!

Wirtschaftlichkeit

Heizen mit Holz in modernen Festbrennstoffkesseln ist hängt primär von der Nutzungsdauer und -intensität ab: Je größer die Zahl der Jahresvollbenutzungsstunden und je höher der Brennstoffverbrauch, desto eher machen sich die günstigeren Brennstoffpreise bemerk- und die in der Regel deutlich teurere Heizungsanlage bezahlbar.

Energiepreisentwicklung von Holzbrennstoffen im Vergleich zu Heizöl (Grafik: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR))
Energiepreisentwicklung von Holzbrennstoffen im Vergleich zu Heizöl (Grafik: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR))

Die Gesamtkosten (Investitions-, Kapital-, Verbrauchs- und Betriebskosten sowie sonstige Ausgaben z. B. für die Versicherungen) der Wärmeversorgung über eine 20-jährige Nutzungsdauer des Brennstoffkessels liegen bei schätzungsweise 70.000 bis 80.000 Euro für z. B. eine Pelletheizung. Bei der Wärmeversorgung mit Heizöl oder Erd- bzw. Flüssiggas liegen die Gesamtkosten jedoch bei über 100.000 Euro.

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Überblick über die wichtigsten Abbrandprinzipien

Man unterscheidet bei Festbrennstoffkesseln drei verschiedene Verfeuerungstechniken bzw. Abbrandprinzipien:

  • Durchbrand
  • Oberabbrand
  • Unterabbrand

Durchbrand-Kessel

Beim sogenannten Durchbrand wird das Feuer im Festbrennstoffkessel von unten entzündet und die Verbrennungsluft von unten durch die gesamte Brennstoffschichtung zugeführt. So entsteht unten ein Glutbett, das den gesamten darüber liegenden Festbrennstoff in die Verbrennung mit einbezieht.

Aufgrund dieser Schichtung ist eine Anpassung der Verbrennungsluftmenge schwierig und eine räumliche Trennung von Entgasungs- und Nachverbrennungszone nicht möglich. Festbrennstoffkessel nach dem Durchbrandprinzip sollten daher nur mit kleinen Brennstoffmengen befeuert werden, um einen möglichst gleichmäßigen Verbrennungsablauf zu realisieren. Durchbrand-Kessel werden vielfach mit Kohle betrieben.

Oberbrand-Kessel

Beim sogenannten Oberbrandprinzip wird die Verbennungsluft nicht von unten, sondern seitlich dem Festbrennstoffkessel zugeführt und das Feuer von oben gezündet, sodass sich im oberen Bereich die Glutzone bildet. So wird der Brennstoffvorrat langsam von oben nach unten erhitzt, die Gasfreisetzung gebremst und der Festbrennstoff gleichmäßiger abgebrannt.

Da die Verbrennungsluft über und nicht durch das Glutbett geführt wird, wird ein übermäßiges Anfachen der in der Asche liegenden Glut vermieden. Trotzdem sollten auch beim Oberbrand eher kleinere Mengen Brennstoff nachgelegt werden.

Die meisten Feuerstätten mit oberen Abbrand werden mit Naturzug betrieben und über die Lufteinlassöffnungen und über Kaminzugklappen geregelt. Werden in einem Festbrennstoffkessel Durch- und Oberbrand miteinander kombiniert, so können verschiedene Brennstoffe (Scheitholz, Kohlebriketts) nur durch ein Umschalten in einer Feuerstelle verbrannt werden.

Schematische Darstellung eines Durchbrand- und Oberbrand-Kessels: Durchbrand (links), Oberabbrand (rechts). (Grafik: energie-experten.org)
Schematische Darstellung eines Durchbrand- und Oberbrand-Kessels: Durchbrand (links), Oberabbrand (rechts). (Grafik: energie-experten.org)

Unterbrand-Kessel

In größeren Kesseln geschieht die Verbrennung im sogenannten Unterbrand: Das bedeutet, dass nur die untere Brennstoffschicht in Brand gerät und der Brennstoff aus dem Füllraum nachrutscht.

Die über die Verbrennungsluftzufuhr freigesetzten Rauchgase werden über ein Gebläse in eine seitlich ("seitlicher Unterbrand) oder unter ("Sturzbrand") dem Brennstofffüllraum liegende Brennkammer gelenkt, in der sie durch die Zuführung von Sekundärluft nachverbrennen.

Festbrennstoffkessel nach dem Unterbrand-Prinzip zeichnen sich durch eine kontinuierlichere, pyrolytische Zersetzung und Vergasung des Brennstoffes aus, was wiederum die Anpassung der Verbrennungsluftmenge an die freigesetzte Brenngasmenge deutlich verbessert. So resultiert ein guter Ausbrand und eine hohe Verbrennungsgüte.

Schematische Darstellung eines Unterbrand-Kessels: "Seitlicher Unterbrand" (links), "Sturzbrand" (rechts). (Grafik: energie-experten.org)
Schematische Darstellung eines Unterbrand-Kessels: "Seitlicher Unterbrand" (links), "Sturzbrand" (rechts). (Grafik: energie-experten.org)

Unterscheidung gängiger Festbrennstoffkessel

Die gängigen Typen von Festbrennstoffkesseln umfassen einfache Naturzugkessel aus Gusseisen oder Stahl, Scheitholzvergaserkessel, Pelletkessel und kombinierte Festbrennstoffkessel.

Naturzugkessel

Für die reine Kohle- und Koksverbrennung wurden häufig sehr einfache und robust-solide Festbrennstoffkessel aus Gusseisen genutzt. Diese verlieren jedoch zunehmend an Bedeutung, da sie vergleichsweise unkomfortabel zu beheizen sind und auch Kohle und Koks immer weniger eingesetzt werden. Holz lässt sich in Guss-Heizkesseln weniger gut verfeuern, da sie häufig mit einer i. d. R. relativ kleinen für Kohle oder Koks optimierten Brennkammer ausgestattet sind.

Demgegenüber eignen sich modernere Heizkessel aus Kesselstahl deutlich besser für die Verbrennung von Holz, da die Brennkammer meistens größer ausgelegt wird. Über einen Hebel kann man vielfach den Abbrand einstellen, je nachdem welcher Brennstoff gerade verfeuert werden soll (Unterbrand für Holz und Kohle, Oberbrand für Koks).

Holzvergaserkessel

Holzvergaserkessel markierten mit der Entwicklung des unteren Abbrandes einen Quantensprung in der Entwicklung der Feuerungstechnik für Scheitholz-Vergaserkessel. Die Heißgase werden dabei nicht nach oben gelenkt, sondern breiten sich unterhalb des Feuerraumbodens oder zur Seite hin aus. So wird nur die jeweils unterste Schicht des Brennstoffes in die Verbrennung einbezogen. Im Bereich der Primärluftzufuhr werden die Brenngase über einen Gebläsezug in die Brennkammer gelenkt, in der sie unter Sekundärluftzufuhr nachverbrennen. Das über der Glutzone liegende Holz stellt dann die Brennstoffreserve dar.

IBC GK-1K öko profi Holzvergaserkessel
Der IBC GK-1K öko profi Holzvergaserkessel besteht aus einem Gussgliederkorpus, der je nach Kesselgröße aus einer bestimmten Anzahl von Gussgliedern besteht. Die Abbrandregelung erfolgt über eine Lambdasteuerung. Im Vergleich zu einem alten Festbrennstoffkessel mit Naturzug, können mit diesem Holzvergaser bis zu 50% Brennstoff eingespart werden. (Foto: IBC Heiztechnik & Nostalgie Wohnprodukte)

Durch diese Abbrandtechnik erreichen Sie hohe Wirkungsgrade von bis zu 90 Prozent. Holzvergaserkessel sind zudem ähnlich komfortabel wie Öl- und Gasheizkessel – mit der Ausnahme, dass Sie den Festbrennstoffkessel per Hand mit festen Brennstoffen bestücken müssen; in der Regel täglich. Das gilt insbesondere für Holzscheitkessel.

Pelletkessel

Pelletkessel sind eine der modernsten Formen der Festbrennstoffheizung. Vor allem die automatische Beschickung mit Holzpellets macht sie zu einer der komfortabelsten Holzheizungsmethoden. Zudem sind Pelletkessel auch teillastfähig und können über eine Leistungsregelung (siehe auch "Abbrandsteuerung") automatisch dem jeweiligen Bedarf angepasst werden.

Die vollautomatische Pellematic Pellet-Brennwertheizung besitzt einen Flammraumfühler für eine gleichmäßige Verbrennung und eine intuitive Heizungsregelung per Touchscreen. (Grafik: ÖkoFEN Heiztechnik GmbH)
Die vollautomatische Pellematic Pellet-Brennwertheizung besitzt einen Flammraumfühler für eine gleichmäßige Verbrennung und eine intuitive Heizungsregelung per Touchscreen. (Grafik: ÖkoFEN Heiztechnik GmbH)

Die Ausbrandqualität und damit der Wirkungsgrad der Pellet-Brennstoffheizung wird über das Brennstoff-/ Luft-Verhältnis erfasst. Eine Lambda-Sonde misst dazu den Luftüberschuss im Abgasstrom und meldet diese Werte der Heizungssteuerung, die bei Abweichungen die zugeführte Brennstoff- bzw. Luftmenge automatisch anpasst. Günstigere Pellet-Brennstoff-Modelle arbeiten alternativ mit einem Temperaturfühler.

Hackschnitzelkessel

Hackschnitzelkessel funktionieren ganz ähnlich wie Pelletkessel mit einer Förder- und Abbrandautomatik und passen sich ebenso an den entsprechenden Heizwärmebedarf automatisch an. Gerade in ländlichen Gebieten, in denen Hackschnitzel in größeren Mengen verfügbar sind, bieten sie vor Allem finanzielle Vorteile im Heizbetrieb.

Der vollautomatische Hackgutkessel T4 ist mit Nennleistungen zwischen 24 und 110 kW erhältlich. (Foto: Fröling Heizkessel- und Behälterbau Ges.m.b.H.)
Der vollautomatische Hackgutkessel T4 ist mit Nennleistungen zwischen 24 und 110 kW erhältlich. (Foto: Fröling Heizkessel- und Behälterbau Ges.m.b.H.)

Je nach Hersteller können diese Festbrennstoff-Kessel neben Hackschnitzeln auch mit mehreren andere Brennstoffen wie Holz-, Agro-, Gras- und Strohpellets, Holz und Sägespäne, Briketts, Nussschalen, Obstkerne, Strohbriketts uvm. betrieben werden.

Der Biomassekessel Vitoligno 300-H ist für die automatische Beschickung mit Holzpellets und Holzhackschnitzel geeignet. (Foto: Viessmann Industriesysteme GmbH)
Der Biomassekessel Vitoligno 300-H ist für die automatische Beschickung mit Holzpellets und Holzhackschnitzel geeignet. (Foto: Viessmann Industriesysteme GmbH)

Scheitholz-Pellet-Kombikessel

Wer sowohl mit Pellets als auch mit Scheiten heizen will, für denjenigen sind sogenannte Scheitholz-Pellet-Kombikessel interessant. Sie bestehen quasi aus zwei aneinander gekoppelten Kesseln, die zu einer Festbrennstoffeinheit baulich zusammengefasst wurden. Sie vereinen die Vorteile des automatischen Betriebs der Pelleteinheit mit der häufig wirtschaftlich vorteilhaften Befeuerung eines Stückholzkessels.

Der Festbrennstoff-Hybridkessel DuoWIN von Windhager besteht aus einem Scheitholzkessel als eigenständiges Basisgerät sowie einem separat angedockten Pelletskessel. (Grafik: Windhager Zentralheizung GmbH, Meitingen)
Der Festbrennstoff-Hybridkessel DuoWIN von Windhager besteht aus einem Scheitholzkessel als eigenständiges Basisgerät sowie einem separat angedockten Pelletskessel. (Grafik: Windhager Zentralheizung GmbH, Meitingen)

Technisch unterscheidet man kombinierte Festbrennstoffheizungen in Ober- oder Unterbrand-Stückholzkessel mit angeflanschten Pelletbrennern, die dann mit vergleichsweise geringem Aufwand in Scheitholzkessel umgebaut werden können, und Unterbrand-Stückholzkessel.

Gesetzliche Anforderungen an den Kauf und Betrieb

Energie-Label für Holzheizungen mit festen Brennstoffen

Festbrennstoffkessel müssen ab 1. April 2017 eine Kennzeichnung über ihren Energieverbrauch, kurz EU-Label, tragen. Das Label weist die von Elektrogeräten bekannte Einteilung in verschiedene Effizienzklassen auf, die auf einer Farbskala von grün bis rot abgetragen werden.

Wie bei Elektrogeräten gilt: Je grüner, desto effizienter. Bezeichnet werden die Klassen mit Buchstaben-Codes von A++ bis G. Die meisten Festbrennstoffkessel erreichen die Klasse A+, Brennwertkessel häufig auch A++. Verbundanalagen kombiniert mit einer Solar-Warmwasser-Anlage erreichen jeweils die nächstbessere Klasse.

Energie-Label für Holzheizungen (links) und für Verbundanlagen (rechts) (Grafiken: Europäische Kommission 2017)
Energie-Label für Holzheizungen (links) und für Verbundanlagen (rechts) (Grafiken: Europäische Kommission 2017)

Regelungen der BImSchV 2. Stufe

Die Bundes-Immissionsschutzverordnung (BImSchV) gibt Festbrennstoffkesseln vor, welche technischen Anforderungen sie erfüllen müssen, um im Heizbetrieb möglichst wenig Schadstoffe zu emittieren bzw. die vorgesehen Grenzwerte einzuhalten. Die

  • BImSchV 1. Stufe betrifft allgemein alle kleinen und mittleren Feuerungsanlagen, während die
  • BImSchV 2. Stufe vor Allem die Emissionsgrenzwerte für Festbrennstoffkessel mit ab einer Nennwärmeleistung von vier Kilowatt vorgibt.

Die Grenzwerte für Festbrennstoffkessel nach BImSchV 2. Stufe traten mit zum Teil langen Übergangsfristen am 1. Januar 2015 in Kraft. Speziell für reine Scheitholzkessel galten die Bestimmungen erst mit Beginn des Jahres 2017. Für dauerhaft in Betrieb befindliche Festbrennstoffkessel gelten nach der BImSchV Stufe 2, dass der Wert für Feinstaub nicht über 0,02 g/m3 und für Kohlenstoffmonoxid nicht über 0,4 g/m3 liegen darf.

Hier finden Sie weitere Informationen zu den » Regelungen der BImSchV 2. Stufe

Richtlinie VDI 4207 Blatt 2 zum Prüfen und Messen von Emissionen

Die Richtlinie VDI 4207 Blatt 2 beschreibt die ordnungsgemäße Durchführung der erstmaligen und wiederkehrenden Prüfungen und Emissionsmessungen von Kleinfeuerungsanlagen wie beispielsweise Kamin- und Kachelöfen sowie Pellet- und Scheitholzkesseln nach der Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen (1. BImSchV) oder nach der Kehr- und Überprüfungsordnung (KÜO). Die Richtlinie richtet sich vorrangig an Schornsteinfeger, Behörden und Bezirksschornsteinfeger

Richtlinie VDI 3670 zur Reduzierung von Feinstaubbelastungen

Die Richtlinie VDI 3670 beschreibt den Stand der Technik von nachgeschalteten Staubminderungseinrichtungen (auch Abscheider genannt) für feste und/oder flüssige Partikel aus Kleinfeuerungsanlagen, die feste Brennstoffe gemäß des Geltungsbereichs der 1. BImSchV einsetzen. Für Einzelraumfeuerungen, die Festbrennstoffe einsetzen, legt diese Richtlinie fest, welche Wirksamkeit (in diesem Fall insbesondere der Abscheidegrad) als der Stand der Technik von Abscheidern für diesen Typ von Feuerungsanlagen anzusehen ist.

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Weitere Holzkessel-Typen im Überblick

"Festbrennstoffkessel: Technik & Typen im Vergleich" wurde am 30.04.2019 das letzte Mal aktualisiert.