Wie man Holz richtig verbrennt
Winter ist Feinstaubzeit. Neue Messmethoden geben Hinweise auf die vielfältigen Ursprünge der Partikel. Während Filter in Fahrzeugen den Ausstoß verringern, werden auch die Holzöfen des Landes verstärkt unter die Lupe genommen.
In Vorau wird viel Holz verbrannt. Etwa 4700 Menschen leben in 1750 Haushalten in der ländlich geprägten obersteirischen Gemeinde. „Die Anzahl der Biomassefeuerungen in dieser Region ist überdurchschnittlich hoch“, erklärt Joachim Kelz vom Forschungszentrum Bioenergy 2020+. Es gibt viele landwirtschaftliche Betriebe, in denen man mit selbst aufbereitetem Holz heizt. Kachelöfen, gesetzte Tischherde, Einzelraumheizungen und alte Tischherdsysteme sind hier oft anzutreffen. In den letzten Jahrzehnten sind Hackgut- und Pelletheizungen dazugekommen.
Der hohe Biomasseanteil bei Heizung und Wasseraufbereitung ist einer der Aspekte, der die Region für ein Projekt interessant macht, das die Luftqualität verbessern und Feinstaub und andere Emissionen vermindern soll. Im Rahmen von „Clean Air by biomass“, unterstützt durch das Comet-Programm der Förderagentur FFG, haben sich Kelz und Kollegen gemeinsam mit dem Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien sowie weiteren Partnern an die Arbeit gemacht, nicht nur den Status quo der Feuerungen in der Region zu erheben, sondern auch substanzielle Verbesserungen herbeizuführen. Unter anderem wurde in Workshops auch gezeigt, wie man eigentlich richtig einheizt.
Partikel-Ursprünge
Gerade im Winter ist der Hausbrand eine Hauptursache für die menschengemachte Feinstaubentwicklung, während im Sommer der Verkehr und außerhalb von Städten auch die Landwirtschaft wesentlich dazu beitragen. Das betont auch Thomas Karl vom Department für Atmosphärenund Kryosphärenwissenschaften der Uni Innsbruck. Er unterscheidet primäre Quellen wie Ruß von Sekundärquellen – Partikel, die durch sogenannte Aerosolnukleation aus Gasen entstehen. Eine Hauptquelle biogener Sekundärpartikel können beispielsweise Monoterpene sein, die aus Bäumen entweichen, zeigte kürzlich eine US-Studie. Karl hat sich bereits mit „flüchtigen organischen Verbindungen“in der Stadt Innsbruck beschäftigt und möchte nun auch ihre Relevanz für die Feinstaubentstehung eruieren.
Die Partikel wirken sich auf Wolkenbildung, Klima und nicht zuletzt auch auf die menschliche Gesundheit aus. Je kleiner die Partikel, desto tiefer dringen sie in den Körper ein. Landläufige Messsysteme halten Massenkonzentrationen fest, was bedeutet, dass die Zahl der Partikel pro Luftvolumen unberücksichtigt bleibt, betont Karl, der auch eng mit Aerosolphysikern der Uni Wien kooperiert. Ultrafeiner Staub erhalte dabei nicht die verdiente Aufmerksamkeit. Eine Innsbrucker Studie, bei der Ultrafeinstaub gemessen wurde, konnte zeigen, dass im konkreten Fall die Verbreitung mit jener von Stickstoff und Benzol zusammenhing, die Partikel also aus dem Verkehr stammten. Messsysteme, die Größenverteilungen berücksichtigen, sind noch wenig verbreitet.
In Österreich ist das Messen von Feinstaubkonzentrationen für Warnung und Vorhersage Aufgabe von Ländern und Umweltbundesamt. Bei der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG), einer Forschungseinrichtung des Wissenschaftsministeriums, fließen die Daten in Vorhersagemodelle ein, die Meteorologie und Atmosphärenchemie verbinden. Claudia Flandorfer und Kollegen arbeiten hier daran, diese Modelle zu verbessern, in- dem sie neu verfügbare Luftgütedaten des Sentinel-5p-Satelliten der Weltraumagentur Esa einbinden. Auf zweierlei Weise: Einerseits werden die Satellitendaten im FFG-Projekt „APP4AQ-p2“mit dem sogenannten Emissionskataster abgeglichen, erklärt die Forscherin. Dieser zeigt auf Basis landwirtschaftlicher, industrieller und verkehrstechnischer Gegebenheiten die erwartbaren jährlichen Emissionen und ist eine wichtige Basis für Vorhersagen.
Andererseits arbeiten ZAMGForscher im Esa-Projekt „Amida“daran, die Satellitendaten auf direkte Weise zu Eingangsdaten für Vorhersagemodelle zu machen. Flandorfer spricht von „Datenassimilation“. Im Moment gibt es nur einen Satellitenüberflug pro Tag. Der geostationäre Sentinel 4, der im Jahr 2021 starten soll, wird die Datenlage dichter machen.
Zurück auf der Erde ist es mittlerweile auch möglich, durch chemische Analysen den Ursprung des Feinstaubs dingfest zu machen. Thomas Karl von der Uni Innsbruck verweist auf eine Messung auf dem Technik-Campus der Uni-Innsbruck, bei der Aeorsole aus Biomasse, Verkehr und sogar Zigarettenrauch identifiziert werden konnten. 2019 sollen ähnliche Messungen, die für die Stadt repräsentativer sein werden, auch am IAO erfolgen, betont Karl.
Optimierte Verbrennung
Eine ähnliche Methode wird auch Joachim Kelz vom Bioenergy-Zentrum in seinem praxisnahen Projekt nutzen, um zu eruieren, ob die Feinstaubbelastung aus Biomasseverbrennung an der Messstation in der Dorfmitte von Vorau zurückgegangen ist. Im Projekt hat man ein ganzes Bündel an Maßnahmen geschnürt, die Verbrennung emissionsärmer zu gestalten: Förderungen für den Heizkesseltausch wurden zugänglich gemacht, individuelle Heizoptimierungen durchgeführt. Kelz hebt die Wartung von Kachelöfen hervor, die nach einer Reinigung wieder viel besser arbeiten. Sogar einige Elektrofilter zur Staubabscheidung wurden installiert.
Die Feinstaubkonzentration aus Biomasseverbrennung bleibt insgesamt zwar höher als etwa jene von Erdgas, aber auch die chemische Zusammensetzung der Partikel sei relevant, betont Kelz. Eine effizientere Verbrennung setze weniger gesundheitsschädigende Ruß- und Kohlstoffpartikelteilchen, dafür mehr ungefährliche anorganische Salze frei.
Im Zuge des Projekts wurde die Problematik in eigenen Nutzerschulungen veranschaulicht. Man könnte glauben, dass die Art des Einheizens und Nachlegens wenig relevant für den Schadstoffausstoß ist. Doch für Kelz ist das Gegenteil der Fall. „Viele heizen Holzscheite von unten an, indem sie Papier und Spreißel darunter anzünden. Speziell bei neueren Systemen ist es aber besser, einen Kreuzschlichtstoß mit Scheitern zu machen und darauf Spreißel und Anzünder zu geben“, veranschaulicht der Forscher. Damit könne sich die Brennkammer erwärmen, das Holz beginnt auszugasen und die Flamme erhält die nötige Verbrennungsluft.
Brennt man das Feuer hingegen unter der Holzmasse an, ist Rauchentwicklung wahrscheinlicher. „Der zentrale Punkt ist: Nicht das Holz brennt, sondern die Gase, die aus dem Holz austreten“, sagt Kelz. In einem Konferenzbeitrag wurde der Unterschied vorgeführt, den das Nutzerverhalten macht. Dort kommt man auf eine potenzielle Reduzierung von Emissionen und Gesamtstaub von bis zu 40 Prozent.