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Scheitholzkessel-Ratgeber: Technik, Auslegung und richtig Heizen

Was versteht man unter einem Scheitholzkessel? Wie ist er typischerweise aufgebaut? Nach welchem technischen Prinzip erzeugt er Wärme? Wie effizient verbrennen Kessel Scheitholz?

Ein Scheitholzkessel ist nach der vornehmlichen Brennholzart benannt, die in ihm verfeuert wird. Technisch gehört der Scheitholzkessel zu den Holzvergaserkesseln, die Holz kontinuierlich und besonders effizient „vergasen“ und dabei nur sehr wenige Emissionen verursachen. Die Scheite für derlei Holzkessel können bis zu einen halben Meter lang sein und werden entweder manuell oder auch automatisiert in die obere Brennkammer des Scheitholzkessels nachgelegt werden.

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Typbezeichnungen und Kessel-Unterscheidung

Scheitholzverbrennende Kesseltypen sind nach der Art des Brennstoffs benannt, der sich mit ihm zur Wärmeerzeugung verfeuern lässt: Scheitholz. Wobei es Kesselmodelle gibt, die neben Scheitholz auch Holz in Brikettform (Holzbriketts) sowie Hackgut oder in Kombination auch Holzpellets verbrennen können.

Aus verbrennungstechnischer Sicht zählt der Scheitholzkessel als Holzkessel zu den Holzvergaserkesseln, die eine zweigeteilte Brennkammer besitzen und prinzipiell von oben nach unten vergasen, so dass man sie auch als Sturzbrandkessel handelt.

Holzvergaserkessel fallen zudem in die Kategorie Festbrennstoffkessel, weil sich damit feste Brennstoffe, sowohl fossile als auch biogene, verbrennen lassen. Ein anderer Begriff für Scheitholz ist zudem Stückholz, daher wird ein Scheitholzkessel auch häufig als Stückholzkessel bezeichnet.

Hier sehen Sie ein Schnittbild des Fröling Scheitholzkessel S4 Turbo (Grafik: Fröling Heizkessel- und Behälterbau Ges.m.b.H.)
Der Fröling Scheitholzkessel S4 Turbo besitzt eine zylindrische Hochtemperatur-Brennkammer aus belastbarem Siliziumkarbid. Das drehzahlgeregelte Saugzuggebläse sorgt für eine konstant hochwertige Verbrennung, die Spezial-Schwelgasabsaugung vermeidet auch beim Nachlegen jeglichen Rauchgasaustritt. Eine Pelletseinheit ist jederzeit nachrüstbar. (Grafik: Fröling Heizkessel- und Behälterbau Ges.m.b.H.)

Der Scheitholzheizkessel eignet sich einerseits als bivalenter Zusatz-Heizkessel zu bestehenden Öl-, Gas- oder Pelletheizungen aber auch zu Wärmepumpen oder Solaranlagen, die häufig in Niedrigenergiehäusern zum Einsatz kommen.

Andererseits können entsprechend mit modernen elektronischen Steuerungen ausgestattete Scheitholzkessel auch als monovalente Zentralheizungssysteme betrieben werden. Scheitholzkessel werden dabei mit Puffer- und Brauchwasserspeichern und mit Solarthermieanlagen kombiniert.

Näher differenziert werden die verschiedenen Typen von Scheitholzvergaserkesseln von dem Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) in der Marktübersicht "Scheitholzvergaser-/Kombikessel" nach folgenden Kriterien:

  • Scheitholzvergaserkessel für den Wohnbereich
  • Scheitholzvergaserkessel ab 4 kW Nennleistung (für Niedrigenergiehäuser); für bis zu ca. 50 cm langes Scheitholz

    • Volllastkessel
    • leistungsgeregelte Vergaserkessel
    • leistungs- u. feuerungsgeregelte Vergaserkessel

  • Scheitholzvergaserkessel für max. 110 cm langes Scheitholz
  • Scheitholz-Pellet-Kombinationskessel

So funktioniert die effiziente Verbrennung von Scheitholz

Unter den Holzheizungen gilt ein Scheitholzkessel als der Heizungstyp, der Holz höchst effizient und am umweltfreundlichsten verbrennt, um damit Heizwärme zu erzeugen.

Besonderheiten des Verbrennungsvorgangs

Die Brennkammer des Scheitholzkessels wird von einer Platte aus feuerfester Keramik zweigeteilt. So entstehen dank der sogenannten Brennerplatte eine Ober- und eine Unterkammer. In die obere Kammer schichtet man das zu verfeuernde Scheitholz auf der Brennerplatte auf, das bis zu einem halben Meter lang sein kann. Entsprechend spricht man von der Oberkammer auch als Holzfüllraum. Die Oberkammer ist bis auf die Einfüllöffnung komplett geschlossen ausgelegt.

Nach dem Anfeuern des Scheitholzkessels sorgt die Wärme, die das brennende Holz freisetzt, dafür, dass die Restfeuchte aus dem Holzscheit verdampft. Das heißt, das Scheitholz trocknet zunächst. Anschließend beginnt das Holz zu vergasen. Dabei werden leicht brennbare Gas-Bestandteile schon in der Oberkammer, also oberhalb der Brennerplatte verbrannt.

Verbrennungsgase, die dabei entstehen, gelangen zusammen mit bis dahin noch nicht verbrannten Gasbestandteilen und der auf der Brennerplatte liegenden, glühenden Holzkohle (Glut) nach unten in die untere Kammer. In der Unterkammer entwickelt sich eine sehr hohe Temperatur von etwa 1.100 Grad Celsius. Sie ist so hoch, dass dort selbst schwer brennbare Bestandteile der Holzgase verbrennen. Aus diesem Grund nennt man die Unterkammer auch Brennkammer. Sämtliche anfallenden Rauchgase werden schließlich aus der unteren Kammer herausgeführt - und zwar außen an der oberen Brennkammer vorbei zum Rauchgasanschluss.

Phasen der Holzvergasung im Überblick

Phasen der Vergasung von Scheitholz (Grafik: energie-experten.org)
Phasen der Vergasung von Scheitholz (Grafik: energie-experten.org)

Der Grund dafür ist das Verbrennungsprinzip, nach dem der Scheitholzkessel arbeitet: Er verbrennt das Holz sozusagen kontinuierlich mit einer Gasflamme. Anders geschrieben: Das Scheitholz wird mit Hilfe der im Betrieb entstehenden Verbrennungswärme kontinuierlich „vergast“. Dabei lassen sich vier Phasen der Scheitholzvergasung unterscheiden.

Tabelle 1: Verbrennungsphasen im Scheitholzkessel
Phase Verbrennungsvorgang
1. Aufheizung & Trocknung Die Scheitholze werden erwärmt. Bis zu einem Temperaturniveau von etwa 200 Grad Celsius verdampft das mit dem Scheitholz in die Oberkammer eingebrachte Wasser.
2. Pyrolytische Zersetzung Zwischen 150 und 500 Grad Celsius erfolgt eine thermisch induzierte pyrolytische Zersetzung der Makromoleküle, aus denen das Scheitholz beschaffen ist. Dabei bilden sich gasförmige Kohlenwasserstoffverbindungen sowie sogenannte Pyrolyse-Öle und Pyrolysekoks.
3. Oxidation Während der Oxidation reagieren die bislang entstandenen gasförmigen, flüssigen und festen Produkte unter weiterer Einwirkung von Wärme mit Sauerstoff. Infolgedessen steigt die Temperatur auf deutlich über 500 Grad Celsius. Der eben genannte Koks und teilweise auch höhere Kohlenwasserstoffverbindungen werden dabei in kleinere gasförmige Moleküle, darunter Kohlenstoffmonoxid (CO), Wasserstoff (H2), Wasser (H2O),Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan (CH4) gespalten. Zum Teil kommt es zugleich zur Verbrennung von Kohlenstoff.
4. Reduktion Bei der sogenannten Reduktion entsteht der Großteil an brennbaren Bestandteilen des Holzgases. Die während der Oxidation entstehenden Verbrennungsprodukte Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) werden dabei mit festem Kohlenstoff zu Kohlenstoffmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) reduziert.

Wissen müssen Sie, dass einem Scheitholzkessel wie anderen Heizgeräten, die Holz verbrennen, auch Verbrennungsluft in Form primärer (Primärluft) und sekundärer Luft (Sekundärluft) zugetragen wird.

Die Primärluft dient in der Glutphase zum Unterhalt der Pyrolyse und zur Oxidation der Holzkohle. Nach der Glutphase werden die brennbaren Gase mit der Sekundärluft zur anschließenden Oxidation vermischt.

Mit Luftzufuhr verbrennen fester Kohlenstoff oder gasförmiges Kohlenstoffmonoxid (CO) teilweise. Das ist bis zu einem gewissen Grad erwünscht, weil so die für den gesamten Vergasungsprozess nötige Wärme zur Verfügung gestellt wird. Die stark exotherme Oxidation von Kohlenstoffmonoxid (CO) zu Kohlenstoffdioxid (CO2), die Knallgasreaktion sowie die Oxidation von Methan (CH4) unter Abspaltung von Wasserstoff (H2) sind bei der Vergasung allerdings unerwünscht, da sie den Heizwert des produzierten Produktgases mindern.

Leistungs- und Verbrennungsregelung durch Primär- und Sekundärluft

Die Zufuhr der Verbrennungsluft in den Scheitholzkessel erfolgt wie oben bereits erwähnt zweigeteilt. Der primäre Luftstrom, der in die Oberkammer geführt wird, dient zum Steuern der Vergasung, womit sich auch die Kesselleistung beeinflussen lässt.

Die Primärgebläsedrehzahl und damit die Primärluftmenge wird vielfach durch den Lambda-Prozessor geregelt. In Abhängigkeit von der Kesseltemperatur und der Abgastemperatur wird dann die Drehzahl des Primärgebläses stufenlos vom Lambda-Prozessor geregelt und damit die Kesselleistung im Bereich zwischen 100% und 50% an die vom Heizungssystem geforderte Leistung angepasst. Wird nicht die volle Leistung benötigt, arbeitet der Scheitholzkessel selbstständig im Teillastbetrieb. Hierdurch wird der mittlere Wirkungsgrad erhöht und die Brenndauer verlängert, so dass nicht so oft nachgelegt werden muss.

Die Sekundärluft leitet man in die Unterkammer, wo sie sich mit dem Holzgas vermischt und hilft, sowohl das Holzgas als auch das Holz komplett zu verbrennen. Die Verbrennungsregelung über die Zuführung von Sekundärluft in den Wirbelkammerbrenner erfolgt durch ein zweites Gebläse. Ein Lambda-Prozessor misst dann mit einer Lambda-Sonde den Sauerstoffgehalt der Abgase und regelt die Drehzahl des Sekundärgebläses so, dass auch Scheitholz unterschiedlichster Qualität immer optimal verbrannt werden kann.

Die zugeführten Luftströme, primärer wie sekundärer, regelt man üblicherweise unabhängig voneinander. Je nach Hersteller und Bauweise seines Scheitholzkessels stellt man dazu die Luftmengen

  • händisch (manuell) oder
  • elektronisch ein.

Bei Scheitholzkesseln, deren Luftzufuhr Sie elektronisch steuern, können Sie entweder nur den sogenannten Saugzugventilator / das Druckgebläse über die zugehörige Drehzahl regeln, oder es handelt sich um Scheitholzkessel, bei denen Sie zudem noch die Menge der Sekundärluft regeln können. Dafür ist allerdings Voraussetzung, dass Sie den Restsauerstoffgehalt der Abgase kontinuierlich messen, zum Beispiel mit einer Lambdasonde. Das ist nötig, weil die Verbrennung von Holz wegen der natürlich schwankenden Eigenschaften des Brennstoffs nicht gleichmäßig erfolgt.

Nur wenn die Sekundärluft auch bei voller Gebläsedrehzahl nicht ausreicht und dadurch ein Sauerstoffmangel auftritt, beeinflusst die Sekundärgebläseregelung die Leistungsregelung. In diesem Fall wird die Kesselleistung zwangsweise gedrosselt, bis der Sauerstoffmangel behoben ist.

Versagt ein Gebläse seinen Dienst, kommt es wegen der sich aus ihrem natürlichen Bestreben heraus nach oben drückenden heißen Abgase im nach oben geschlossenen Holzfüllraum zum Abgasstau. Schlimmstenfalls geht daraufhin der Scheitholzkessel aus. Oder er lässt sich gar nicht erst anfeuern.

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Auslegung der Komponenten der Scheitholzheizung

Auslegung des Kessels

Für die Auslegung eines Scheitholzkessels muss berücksichtigt werden, dass diese nicht wie bei Öl– oder Gaskesseln Tag- und Nacht mit voller Leistung brennen. Daher sollte für die Auslegung nicht die Nennwärmeleistung des Scheitholzkessels herangezogen werden, sondern die Nutzwärmemenge, die pro Kesselfüllung abgegeben werden soll.

Dazu ist zunächst notwendig, den Norm-Wärmebedarf des Gebäudes und den Brauchwasser-Wärmebedarf zu ermitteln. Die Summe beider Werte stellt dann den Gesamtwärmebedarf pro Tag dar, den der Scheitholzkessel bereitstellen muss. Demgegenüber stehen die Wärme"verbraucher" wie Heizkörper, Fußbodenheizungen etc. Sind diese nur gelegentlich in Betrieb, müssen diese nicht mit dem vollen Wärmebedarf berücksichtigt werden.

Dann sollte bestimmt werden, wie oft man bereit ist, den Scheitholzkessel am Tag zu befüllen. Im Winter geht man hierbei von 3 bis 5 Kesselfüllungen pro Tag aus. Je weniger Füllungen pro Tag gewünscht werden, desto größer muss der Kessel i.d.R. ausgelegt werden.

Tabelle 2: Nutzwärmemengen pro Füllung nach Gesamtwärmebedarf
Füllungen Niedrigenergiehaus (200 kWh) Älteres Haus (500 kWh)
3 70 kWh/Füllung 170 kWh/Füllung
4 52 kWh/Füllung 127 kWh/Füllung
5 42 kWh/Füllung 102 kWh/Füllung

Dann sollte bestimmt werden, welche Brennholzsorte vornehmlich eingesetzt werden soll. Diese hat nämlich entscheidenden Einfluss auf die Nutzwärmemenge, die pro Kesselfüllung abgegeben wird. Soll mehrheitlich Mischholz eingesetzt werden, so sollten hier die Werte für Nadelholz verwendet werden.

Aus dem Norm-Wärmebedarf des Gebäudes und der Anzahl der Nachlegevorgänge ergibt sich dann die minimal zu erreichende Nutzwärmeabgabe pro Kesselfüllung. Unter Berücksichtigung des eingesetzten Brennholzes ist hiernach die Kesselgröße auszuwählen.

Auswahl von Pufferspeichern

In Deutschland schreibt die Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV) einen Wärmepuffer, kurz Puffer genannt, für bestimmte Scheitholzkesselgrößen vor, um zum Zeitpunkt ihrer Erzeugung überschüssige Wärme für eine spätere Nutzung zu speichern. Ein solcher Pufferspeicher dient sowohl dafür, dass der Holzvergaserkessel stets bei Nennlast arbeitet, als auch dafür, dass er nicht andauernd angefeuert bleiben muss, sondern nur nach Bedarf (zum Aufheizen des Puffers).

Um das für den Scheitholzkessel notwendige Puffervolumen zu berechnen, kann man sich an einem Wintertag, an dem die Auslegungsbedingungen der Heizungsanlage erreicht werden, und an einem Sommertag orientieren, an dem nur Brauchwasser erwärmt werden soll und keine Wärme in die Heizungsanlage abgegeben wird.

Am besagten kalten Wintertag muss der Pufferspeicher mindestens so groß ausgelegt werden, dass dieser den Wärmebedarf des Gebäudes während der Nachtabsenkung der Heizung decken kann.

Tabelle 3: Speichervolumina bei einer nutzbaren Temperaturdifferenz von 40 °C (Speicherleistung 46kWh/ 1000 L) zur Deckung des Wärmebedarf während der Nachtabsenkung im Winter
Niedrigenergiehaus (200 kWh) Älteres Haus (500 kWh)
Wärmebedarf pro Nacht 40 kWh 100 kWh
notwendiges Puffervolumen 870 Liter 2174 Liter

An einem Sommertag kann davon ausgegangen werden, dass der Pufferspeicher so groß bemessen werden muss, das die Energie einer vollen Kesselfüllung bei einer Temperaturdifferenz von 40 °C gespeichert werden kann.

Experten-Tipp: In der Praxis hat sich ein Puffervolumen von 12 Liter je Liter Brennstofffüllraum, mindestens jedoch 55 Liter/kW Kesselleistung als ausreichend bewährt. Damit ist der Puffer so ausreichend dimensioniert, dass die Energie von etwa einer Brennstofffüllung in dem Pufferspeicher gelagert werden kann.

Während die Anforderungen im Winter das benötigte Gesamtvolumen des Pufferspeichers des Scheitholzkessels definiert, bestimmen die Brauchwasseranforderungen im Sommer, ob ein oder mehrere Speicher genutzt werden sollten.

Hydraulik des Kessel-Kreislaufes

Durch den hohen Wassergehalt des Scheitholzes von 20% und mehr enthalten die Rauchgase sehr viel Wasserdampf, der sich an kalten Stellen niederschlagen und Schwitzwasser bilden kann. Ein Scheitholzkessel braucht daher im Gegensatz zu modernen Öl– oder Gaskesseln eine sogenannte Rücklaufanhebung, um Schwitzwasserkorrosion, die bei Temperaturen unterhalb 55 °C auftritt, zu vermeiden.

Mit Hilfe der Rücklaufanhebung wird verhindert, dass aggressive Kondensate und Teerablagerungen (sogenannter Glanzruß) entstehen. Damit das gelingt, muss die Rücklauftemperatur höher als 55 Grad Celsius sein. Die Temperatur des in den Holzkessel eintretenden Rücklaufwassers muss daher mit warmem Vorlaufwasser über diesen Wert angehoben werden.

Hierzu nutzt man eine Bypass-Leitung und für den Kesselkreislauf eine zusätzliche Umwälzpumpe (Kesselkreispumpe). Bei Erreichen einer Temperatur von 70 °C wird das Kesselwasser zunächst im Kreis gefördert bis sich ein Ventil öffnet und den Heizungsrücklauf mit 70 °C warmen Vorlaufwasser bedient. Um eine Rücklauftemperatur von 60 °C einzustellen, werden dann zwei Teile Kesselvorlaufwasser mit einem Teil Rücklaufwasser gemischt, wenn dieses noch eine Temperatur von 30 °C hat.

Der Pufferspeicher, der zwischen Vor- und Rücklauf installiert wird, fungiert wie ein Druckausgleichsgefäß. Je nachdem, ob die Kesselkreispumpe oder die Heizungspumpe die größere Wassermenge fördert, wird der Puffer be- oder entladen: Fördert die Kesselkreispumpe mehr Wasser, wird der Puffer geladen, überwiegt die Wassermenge der Heizungspumpe wird der Puffer entladen. Das hydraulische System des Scheitholzkessels kann daher nur funktionieren, wenn die Pumpenleistungen aufeinander abgestimmt sind.

Tipps zum fachmännischen Heizbetrieb

Nimmt die Heizungsanlage nur noch sehr wenig Wärme ab, steigt die Kesseltemperatur und das Gebläse schaltet bei Erreichen der eingestellten Kessel-Soll-Temperatur ab. Der Ausgasungsprozess im Holz geht jedoch weiter, sodass sich Schwelgase bilden und Teer an den kalten Kesselwänden kondensiert. Um daraus resultierende Leistungseinbußen zu vermeiden, sollte immer so geheizt werden, dass das Abschalten des Gebläses unter allen Umständen vermieden wird. Auch diesbezüglich ist ein ausreichend dimensionierter Pufferspeicher nötig.

Daher sollten Sie den Scheitholzkessel nur anheizen, wenn wirklich Wärme benötigt wird. Deswegen sollten Sie vor dem Befüllen mit neuem Scheitholz am Kessel kontrollieren, wie voll ihr Pufferspeicher geladen ist. Die Brennstoffmenge, die im konkreten Fall nachgelegt werden darf, kann je nach Tages-, Jahreszeit und Witterung stark variieren. Im Zweifelsfall sollten Sie daher eher etwas zu wenig Brennstoff nachlegen als zuviel.

Sind der Scheitholzkessel und der Pufferspeicher zu klein ausgelegt, so kommt es über Nacht zur vollständigen Auskühlung des Kessels und Puffers. Am darauffolgenden Morgen muss dann zunächst das kalte Heizungsrücklaufwasser auf 60 °C erhitzt werden. Daher können nur eine kleine Menge warmes Vorlaufwasser bereitgestellt werden.

Weil die Heizungsregelung Wärme anfordert, ist der Heizungsmischer ganz geöffnet und die Wassermenge der Heizungspumpe deutlich größer als das vom Kessel kommende Wasservolumen. Kaltes Rücklaufwasser durchströmt den Puffer und wird dem Vorlauf zugeführt. Hierdurch kann die Vorlauftemperatur soweit herunter gemischt werden, das sie für eine zügige Aufheizung des Gebäudes nicht mehr ausreicht.

Teilen Sie daher die Heizperioden über den Tag so ein, dass der Pufferspeicher abends vollständig entleert ist. Heizen Sie dann den Scheitholzkessel abends neu an, sodass der Kessel auch bei eingeschalteter Nachtabsenkung mit voller Leistung betrieben werden kann und der Pufferspeicher morgens noch so geladen ist, dass bei Bedarf unkompliziert wieder angeheizt werden kann.

Schnittbild durch den Hybridkessel DuoWIN von Windhager
Der Hybridkessel DuoWIN von Windhager ist eine Kombination aus dem Scheitholzvergaserkessel LogWIN Klassik als eigenständiges Basisgerät und der separat angeschlossenen Pelletseinheit BioWIN2. Er deckt einen Leistungsbereich von 6 bis 30 kW ab. (Grafik: Windhager Zentralheizung GmbH)

Einen höheren Heizkomfort bzw. weniger Aufwand beim richtigen Beheizen des Scheitholzkessels bieten Kombiheizungen mit Pelletbrennern. Diese können dann abends den Abbrand übernehmen und morgens das Anheizen erleichtern.

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"Scheitholzkessel: Technik, Auslegung & richtig Heizen" wurde am 24.08.2018 das letzte Mal aktualisiert.