Abb. 1: Für jede Feuerung geeignet? Hackschnitzel aus Waldrestholz (hier Fichte) haben hohe Anteile an Nadeln, Rinde und Ästen (Foto: D. Kuptz).
Die Brennstoffqualität von Waldhackschnitzeln ist aufgrund der Fülle an möglichen Rohmaterialien und Aufbereitungsverfahren sehr variabel. Je nach Hackholzsortiment befinden sich unterschiedliche Anteile an Blättern, Nadeln und Rinde im Brennstoff. Dabei steht der aus Energierundholz hergestellte, qualitativ hochwertige "Premiumhackschnitzel" dem klassischen "Waldrestholz-Hackschnitzel" gegenüber. Daneben beeinflussen die verwendete Maschine, Prozesseinstellungen oder Arbeitsweise im Wald die Brennstoffeigenschaften.
Damit streut die Qualität von Waldhackschnitzeln sehr stark, was für viele Konsumenten immer noch eine eher untergeordnete Rolle spielt. Aber vor allem Kleinfeuerungsanlagen unter 100 Kilowatt (kW) sind für den reibungslosen Betrieb auf möglichst gleichbleibende, fest definierte Brennstoffqualitäten angewiesen. Die Ansprüche an einen sauberen, qualitativ hochwertigen Brennstoff werden langfristig weiter steigen.
Brennstoffqualität von Waldhackschnitzeln
Die Brennstoffqualität von Waldhackschnitzeln wird anhand einer Reihe von physikalischen und stofflichen Eigenschaften definiert. Dazu zählen:
- Wassergehalt
- Qualität und Gehalt der Asche
- Heizwert
- Partikelgröße und Partikelform
Der Wassergehalt der Brennstoffe beeinflusst direkt die tatsächlich nutzbare Wärmemenge und auch das Emissionsverhalten der Anlage sowie die Lagerfähigkeit der Brennstoffe. Partikelgröße und -form sind maßgeblich für das Fließverhalten der Schüttgüter, beispielsweise durch Verstopfen der Förderschnecke oder Brückenbildung im Lager.
Brennstoffspezifikation nach ISO-Norm
Tab. 1: Größenklassen für Holzhackschnitzel nach DIN EN IDO 17225-4
Die Normenreihe um die DIN EN ISO 17225 beschreibt die Brennstoffqualität von Waldhackschnitzeln. Während die Teile 2 und 3 für Holzpellets bzw. Holzbriketts relevant sind, betreffen Hackschnitzel vor allem die Teile 1 und 4.
Teil 1 der Norm legt generelle Spezifikationen zu biogenen Festbrennstoffen und eine Einteilung möglicher Rohmaterialien fest. Teil 4 gilt für die gezielte Verwendung von Holzhackschnitzeln in Kleinfeuerungsanlagen. Hier werden drei Korngrößenklassen (P16S, P31S, P45S) definiert (Tab. 1). Außerdem wurden Anforderungen festgelegt für
- den maximalen Feinanteil,
- den zulässigen Grobanteil,
- die maximale Partikellänge und
- die maximale Querschnittsfläche der Teilchen.
Zudem werden in der DIN EN ISO 17225-4 vier Qualitätsklassen beschrieben (A1, A2, B1, B2). Für jede Klasse gelten bestimmte Anforderungen hinsichtlich des verwendeten Rohmaterials, wobei Waldholz als naturbelassener Rohstoff für alle vier Qualitätsklassen zulässig ist. Neben Anforderungen an die physikalischen Brennstoffeigenschaften (Wassergehalt, Aschegehalt, Heizwert, Schüttdichte) in allen vier Qualitätsklassen gibt es in den Klassen B1 und B2 welche an die stofflichen Brennstoffeigenschaften (Elementkonzentrationen).
Tab. 2: Empfohlene Brennstoffqualität für unterschiedliche Anlagen
Brennstoffe der Klassen A1 und A2 werden hauptsächlich in privaten Hackschnitzelfeuerungen bis etwa 100 kW verbrannt (Tab. 2) und auch für sogenannte Holzvergaser (Festbettvergaser) verwendet. Die Klassen B1 und B2 sind eher für kleinere gewerbliche und kommunale Wärmenetze bis etwa ein Megawatt (MW) thermischer Leistung zu empfehlen. Für Anlagen über 1 MW gelten oft eigene Qualitätsvereinbarungen. Grundsätzlich gilt: Die Verwendung der Hackschnitzelnorm DIN EN ISO 17225-4 ist nicht gesetzlich verpflichtend sondern freiwillig.
Feldstudien zur Brennstoffqualität
Mittels Feldstudien wurden zahlreiche Hackschnitzelproben aus Waldrestholz, Vollbäumen und Energierundholz auf ihre physikalischen Brennstoffeigenschaften (Wasser- und Aschegehalt, Heizwert, Schüttdichte, Partikelgröße und -form) hin analysiert. Die Ergebnisse wurden bewertet
- anhand der DIN EN ISO 17225 (Teil 1 und Teil 4),
- hinsichtlich der verwendeten Rohmaterialien (Baumart, Sortiment) und
- hinsichtlich der Maschineneinstellungen (Messerschärfe, Siebkorbeinsatz, usw.).
Waldfrisches Material je nach Anwendung trocknen
Der Wassergehalt erntefrischer Waldhackschnitzel lag im Mittel bei 49 Ma.-% (Massenprozent). Höchste Wassergehalte wurden für Hackschnitzel aus Nadelholz gemessen. Zwar kommen größere Heizwerke mit Wassergehalten von 50 Ma.-% in der Regel problemlos klar, kleinere Feuerungsanlagen benötigen aber häufig Wassergehalte unter 25 bzw. 35 Ma.-%. Hackschnitzel aus frisch geerntetem Rohmaterial müssen daher je nach Anwendungsfall getrocknet werden.
Die Trocknung erfolgt in der Praxis häufig über natürliche Trocknungsverfahren, beispielsweise bei der Lagerung der Hackschnitzel in großen Schüttungen. Hierbei erwärmt sich die Umgebungsluft im Haufwerk aufgrund mikrobieller Abbauprozesse. Das hat mitunter sehr hohe Trockenmasseverluste von 20 bis 40 Prozent über die gesamte Lagerdauer zur Folge. Daneben werden Hackschnitzel mittels technischer Belüftungsverfahren getrocknet, was für den Hersteller immer zusätzliche Energie und Arbeitskraft bedeutet.
Eine dritte Möglichkeit ist die Trocknung im ungehackten Zustand. Das Hackholz wird im Frühjahr geerntet und bis zu kommenden Heizperiode – also über einen Sommer – gelagert. Der Wassergehalt kann so auf Werte von etwa 31 Ma.-% reduziert werden. Trockenmasseverluste sollten aufgrund der geringeren Oberfläche im Vergleich zu den feinen Partikeln im Haufwerk stark minimiert sein. Diese Art der Trocknung ist zu empfehlen, schließt sich jedoch unter bestimmten Voraussetzungen aus: Kann Kronenmaterial von Fichte als mögliche Brutstätte für Borkenkäfer dienen, muss es gleich gehackt werden.
Rohmaterial bestimmt Heizwert und Aschegehalt
Abb. 2: MIttlerer Heizwert (Punkte) und mittlerer Aschegehalt (Säulen) von Hachschnitzeln aus Waldrestholz und Energierundholz. Rote Linien geben Grenzwerte für den Aschegehalt der Qualitätsklassen A1 bis B3 nach DIN EN ISO 17225-4 wieder. Säulen ohne Fehlerbalken stellen Einzelmessungen dar (n=1), ansonsten gilt n ≥ 3.
Der Heizwert der untersuchten Proben lag zwischen 16,0 und 19,8 MJ/kg (Mega-Joule pro Kilogramm) (Abb. 2). Maximale Heizwerte wurden für Waldrestholz aus Nadelbäumen gemessen – aufgrund der hohen Anteile an Harz und Lignin in der Nadelholz-Biomasse. Sehr niedrige Heizwerte waren vornehmlich durch hohe Anteile an nicht brennbarem Material im Brennstoff bedingt.
Der Aschegehalt der Proben hing hauptsächlich vom Holzsortiment ab. Energierundholz zeigte mit 0,4 bis 1,7 Ma.-% deutlich niedrigere Werte als Waldrestholz mit 0,8 bis 5,4 Ma.-% (Abb. 2). In Rinde, Nadeln und Blättern ist der Anteil an Spurenelementen stark erhöht, daher führen hohe Anteile davon im Brennstoff zu hohen Aschegehalten. Hohe Gehalte von beispielsweise Chlor oder Kalium können zu erheblichen Problemen für die Feuerungen führen, z.B. aufgrund von Korrosion der Anlagen, erhöhter Schlackebildung im Feuerungsraum oder hohe Feinstabemissionen. Qualitätshackschnitzel für Kleinfeuerungsanlagen sollten daher niedrige Aschegehalte von 1 bis 1,5 Ma.-% aufweisen.
Folglich ist nur Energierundholz für die Produktion von Hackschnitzeln der Klassen A1 und A2 zu empfehlen. Die meisten der übrigen Sortimente sind für die Produktion von Hackschnitzeln der Klasse B (< 3 Ma.-%) einsetzbar. Hier sind möglicherweise weitere Aufbereitungsschritte, z.B. die Siebung der Hackschnitzel, nötig. Sollte der Aschegehalt jedoch deutlich über 3 Ma.-% liegen, kommen hauptsächlich größere Heiz(kraft)werke ab 1 MW thermischer Leistung in Frage.
Eintrag von Mineralboden vermeiden
Einzelproben aus Waldrestholz wiesen deutlich höhere Aschegehalte als die anderen Proben auf (> 10 Ma.-%). Solch hohe Gehalte sind nicht mehr rohstoffbedingt, sondern deuten auf mit Mineralboden verschmutzte Proben hin. Das untermauern auch die hohen Siliziumgehalte in den entsprechenden Proben.
Der Eintrag von Mineralboden kann sowohl in der Vorkette im Wald, Also beim Fällen und Rücken, aber auch durch unsachgemäße Kranarbeit beim Hacken erfolgen. Damit kann sich nicht nur der Aschegehalt, sondern auch der Gehalt an verbrennungstechnisch kritischen Elementen erhöhen. Deshalb ist bei der gesamten Bereitstellung auf eine saubere Arbeitsweise zu achten.
Scharfe Messer verwenden
Nur in 36 Prozent der Fälle konnten die Anforderungen an die Größenverteilung für Qualitätshackschnitzel erfüllt werden. Meist konnten die Hackschnitzel aufgrund hoher Feinanteile, aber auch aufgrund der maximalen Partikellänge keiner der vorgegebenen Klassen nach DIN EN ISO 17225-4 zugeordnet werden. Hochwertige Hackschnitzel (P31S und P45S) fielen besonders häufig aus Energierundholz mit scharfen Messern an (Abb. 3). Solche aus Waldrestholz oder Vollbäumen waren dagegen für Premiumhackschnitzel meistens nicht geeignet.
Trotz optimaler Produktionsbedingungen (Energierundholz, scharfe Messer) können weiter Faktoren die Größenverteilung der Waldhackschnitzel negativ beeinflussen, beispielsweise der Erfahrungsgrad des Maschinenführers oder Verschmutzungen mit Mineralboden in der Vorkette. Ausgehend von ungünstigen Rohmaterialien kann der Brennstoff durch weitere Aufarbeitungsschritte (z.B. Siebung) die gewünschte Größenverteilung erhalten.
Abb. 3: Die Messerschärfe beeinflusst maßgeblich die Partikelform, den Feinanteil und die maximale Partikellänge: Oben mit werksneuen Messern produzierte Hachschnitzel, unten mit stumpfen Messern produziertes Schredderholz. Die Bilder geben Extreme eines stationären Hackversuches wieder. Die Qualität von Waldhackschnitzeln liegt, je nach Abnutzungsgrad der Messer und anderen Maschineneinstellungen, z.B. der Art des Austragsystems, meist dazwischen (Fotos: D. Kuptz).
Empfehlungen für die Praxis
Für die Produktion hochwertiger Hackschnitzel bietet sich die gezielte Nutzung ausgewählter Sortimente und die Trocknung des Rohmaterials an. Stumpfe Messer und Verschmutzungen mit Mineralboden wirken sich negativ auf die Brennstoffqualität aus. Die gesamte Bereitstellungskette – von der Holzernte bis zum Transport der Hackschnitzel – muss einem sinnvollen Qualitätsmanagement unterzogen werden. Bei Hackschnitzeln für Großfeuerungen (> 1 MW) spielt die Qualität eine eher geringe Rolle.
Die Brennstoffqualität sollte sich gezielt nach der Anlage richten. Der Einsatz von Premiumhackschnitzeln in gr0ßen Heiz(kraft)werken bedeutet einen unnötigen Mehraufwand. Ein solch hochwertiger Brennstoff kann sinnvoller in Kleinfeuerungsanalgen verwendet werden. Umgekehrt ist die Nutzung von Waldrestholzhackschnitzeln geringerer Qualität in Kleinfeuerungsanlagen zu vermeiden.
