Die Erzeugung von Feinstaub durch technische Prozesse und verkehrsbedingte Verschmutzungen ebenso wie partikelempfindliche Produktionstechniken und Reinräume erfordern die Reinhaltung der Luft und immer leistungsfähigere Filtermedien. Im Umfeld steigender Energiekosten und der Notwendigkeit der weltweiten CO2 Reduktion gewinnt der Energieverbrauch von Luftfiltern zunehmend an Bedeutung. Der Energieverbrauch ist zudem einer der wichtigsten Kostenfaktoren der Gebäudeluftfiltration. Um eine optimierte Energieausbeute bei maximalem Abscheidungsgrad zu erzielen, ist ein möglichst geringer Druckverlust des Luftfilters ausschlaggebend. Die zunehmende Wichtigkeit der Energieausbeute spiegelt sich auch in der industriellen Plattform EUROVENT wieder, die erstmalig ein praxisnahes und unabhängiges Energierating zulässt. Ziel des Vorhabens ist es, über virtuelle Entwicklungs- und Simulationsmethoden neuartige Filtermedien zu entwickeln. Diese ermöglichen es effizient und nachhaltig kritische Stoffe, die den Betrieb und den Komfort von Gebäuden negativ beeinflussen können, über einen längeren Zeitraum zu filtern. Dadurch werden Ressourcen und Energie am effektivsten genutzt, was automatisch zur Minderung des CO2 Ausstoßes führt. Zentrale Aufgabe des Forschungsvorhabens ist es, die bereits bestehenden Ansätze der Prozesssimulation, welche die Herstellung von synthetischen Filtermedienstrukturen beschreibt, mit der Mikrostruktursimulation zu verknüpfen. Dadurch wird es erstmalig möglich, optimierte Medienstrukturen über Simulation zu entwickeln. Über die folgende Rückkopplung kann der Prozess gezielt weiter optimiert werden. Zudem können im Umkehrschluss optimierte Vlieslegeprozesse ermöglicht werden. Diese resultieren in Filtermedien mit optimaler Performance bei effektivstem Materialeinsatz für die spezifische Filtrationsaufgabe. Somit entsteht ein nachhaltigeres Produkt und zudem eine innovative simulationsbasierte Arbeitsmethodik, die zu kürzeren Entwicklungszyklen führt.
Biomasse, vor allem Holz, ist im deutschen Wärmemarkt der mit Abstand wichtigste erneuerbare Energieträger, dessen Einsatz ausgebaut werden soll. Jedoch entstehen bei dem Verbrennungsprozess u. a. Feinstaubpartikel, die ein Gesundheitsrisiko darstellen. Entsprechend wurden Grenzwerte festgelegt, die an Kleinfeuerungen (kleiner als 1 MW) mit den heutigen Technologien schwer einzuhalten sind und in Zukunft voraussichtlich weiter verschärft werden. In diesem Projekt soll ein kostengünstiger Staubabscheider für Kleinfeuerungsanlagen entwickelt werden, um den gegenwärtigen und zukünftigen Grenzwerten gerecht zu werden.
Das Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik der Universität Stuttgart (IFK) hatte bereits, in Zusammenarbeit mit der LK Metallwaren GmbH in Schwabach und mit Unterstützung des externen Beraters Oskar Winkel Filtertechnik, einen Entwurf eines Gewebefilters mit allen notwendigen Komponenten für einen Filterbetrieb an einem Biomassekessel entwickelt (FNR-Projekt FKZ 22031611). Die gewählte Abreinigungsmethode erwies sich jedoch als unzureichend, weshalb in Zusammenarbeit mit der Hochschule Rottenburg (HFR) alternative Abreinigungsmethoden erprobt werden.
Zunächst werden die Abreinigungsmethoden Jet-Pulse-Abreinigung (IFK) und Ultraschallreinigung (HFR) an kleinen Feuerungen erprobt. Die Jet-Pulse-Abreinigung mittels Druckluftstößen ist eine bewährte Technologie, welche erst noch, in Kombination mit Gewebefiltern, auf kleine Biomassefeuerungen angepasst werden muss. Die Reinigung mittels Ultraschall ist eine in der Industrie ebenfalls bewährte Technik, welche in diesem Projekt erstmals zur Filterreinigung von Feinstaubfiltern getestet und optimiert werden soll.
Dazu werden am IFK verschiedene Metallgewebe und unterschiedliche Reinigungsparameter getestet, um diese Methode für Kleinfeuerungen zu optimieren. An der HFR liegt der Fokus auf verschiedenen Ultraschallbedingungen sowie die Untersuchung der Abfallstoffe hinsichtlich Verwendungs- und Deponiermöglichkeiten. Die Tests erfolgen an beiden Standorten mithilfe von kleineren Biomassekesseln, die sowohl für Hackgut als auch für Pellets geeignet sind. Die Methoden sollen hinsichtlich Abscheidegrad, Betriebssicherheit und Energieeffizienz optimiert werden und der Anwendungsbereich hinsichtlich der Brennstoffe eingegrenzt werden.
Nach der Optimierung der beiden Methoden sollen die Ergebnisse analysiert und unter Abwägung aller Aspekte zum Bau eines Prototypen für die 200kW-Feuerung der HFR verwendet werden. Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse und anhand von aussagekräftigen Langzeitversuchen soll als letzter Schritt ein Vorserienmodell des Filters entwickelt werden.
Biomasse, vor allem Holz, ist im deutschen Wärmemarkt der mit Abstand wichtigste erneuerbare Energieträger, dessen Einsatz ausgebaut werden soll. Jedoch entstehen bei dem Verbrennungsprozess u. a. Feinstaubpartikel, die ein Gesundheitsrisiko darstellen. Entsprechend wurden Grenzwerte festgelegt, die an Kleinfeuerungen (kleiner als 1 MW) mit den heutigen Technologien schwer einzuhalten sind und in Zukunft voraussichtlich weiter verschärft werden. In diesem Projekt soll ein kostengünstiger Staubabscheider für Kleinfeuerungsanlagen entwickelt werden, um den gegenwärtigen und zukünftigen Grenzwerten gerecht zu werden.
Das Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik der Universität Stuttgart (IFK) hatte bereits in Zusammenarbeit mit der LK Metallwaren GmbH in Schwabach und mit Unterstützung des externen Beraters Oskar Winkel Filtertechnik einen Entwurf eines Gewebefilters mit allen notwendigen Komponenten für einen Filterbetrieb an einem Biomassekessel entwickelt (FNR-Projekt FKZ 22031611). Die gewählte Abreinigungsmethode erwies sich jedoch als unzureichend, weshalb in Zusammenarbeit mit der Hochschule Rottenburg (HFR) alternative Abreinigungsmethoden erprobt werden.
Zunächst werden die Abreinigungsmethoden Jet-Pulse-Abreinigung (IFK) und Ultraschallreinigung (HFR) an kleinen Feuerungen erprobt. Die Jet-Pulse-Abreinigung mittels Druckluftstößen ist eine bewährte Technologie, welche erst noch, in Kombination mit Gewebefiltern, auf kleine Biomassefeuerungen angepasst werden muss. Die Reinigung mittels Ultraschall ist eine in der Industrie ebenfalls bewährte Technik, welche in diesem Projekt erstmals zur Filterreinigung von Feinstaubfiltern getestet und optimiert werden soll.
Dazu werden am IFK verschiedene Metallgewebe und unterschiedliche Reinigungsparameter getestet, um diese Methode für Kleinfeuerungen zu optimieren. An der HFR liegt der Fokus auf verschiedenen Ultraschallbedingungen sowie die Untersuchung der Abfallstoffe hinsichtlich Verwendungs- und Deponiermöglichkeiten. Die Tests erfolgen an beiden Standorten mithilfe von kleineren Biomassekesseln, die sowohl für Hackgut als auch für Pellets geeignet sind. Die Methoden sollen hinsichtlich Abscheidegrad, Betriebssicherheit und Energieeffizienz optimiert werden und der Anwendungsbereich hinsichtlich der Brennstoffe eingegrenzt werden.
Nach der Optimierung der beiden Methoden sollen die Ergebnisse analysiert und unter Abwägung aller Aspekte zum Bau eines Prototypen für die 200kW-Feuerung der HFR verwendet werden. Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse und anhand von aussagekräftigen Langzeitversuchen soll als letzter Schritt ein Vorserienmodell des Filters entwickelt werden.
Die erhöhten Feinstaubemissionen von Biomassefeuerungen im Geltungsbereich der 1. BImSchV stellen nach wie vor eine technische Herausforderung dar, da kostengünstige, robuste und langzeitstabile Lösungen, z. B. für kleine Elektrofilter, derzeit nicht auf dem Markt sind. Hier hat sich mittlerweile der Handlungsdruck erhöht, da ab 2015 die 2. Stufe der im Jahr 2010 novellierten 1. BImSchV für einige Anlagenbauarten greift. Dies hat Ende 2012 wichtige Kesselhersteller dazu bewogen, politisch aktiv zu werden und auf eine Verschiebung oder Änderung der Grenzwerte ab 2015 hinzuwirken. Letztlich kann aber der immissionsseitige Konflikt einer einerseits gewünschten erhöhten Biomassenutzung und andererseits der hierdurch verursachten Staubemissionen nur technisch gelöst werden. Die in der Praxis ereichten Abscheideleistungen bei kleinen Elektrofiltern für Biomassefeuerungen liegen deutlich unter den Prüfstandswerten. Unter Labor- und Prüfbedingungen können die meisten Konstruktionen eine zufriedenstellende Leistung vorweisen, beim Einsatz an realen Feuerungen liegt die Abscheideleistung teilweise deutlich darunter. Je nach vorherrschenden Verbrennungsbedingungen kommt es zu massiven Schwankungen und auch immer wieder starken Einbrüchen der Abscheideleistung. Dies betrifft bisher durchweg sämtliche Konstruktionen bei den Kleinelektrofiltern. Die Zusammenhänge sind hier noch ungeklärt, so dass ohne Erlangung von grundlegendem Wissen hierzu auch keine baldige Lösung zur Erreichung konstant hoher Staubabscheideleistungen und damit niedriger Emissionswerte zu erwarten ist. In eigenen durchgeführten Messungen an verschiedenen elektrostatischen Staubabscheidern und nach Literaturangaben zeigt der Abscheidegrad eine deutliche Abhängigkeit zur Eingangsstaubkonzentration und sinkt mit zunehmender Staubkonzentration deutlich, was unerwünscht ist, da höhere Staubkonzentrationen effektiv gemindert werden sollten. Die Ursache für den sinkenden Abscheidegrad bei höheren Staubkonzentrationen ist bisher noch nicht geklärt. Einerseits könnte dies an einer Änderung der Staubeigenschaften liegen oder an der Zunahme der Partikelanzahlkonzentration bei hohen Staubkonzentrationen, ggf. an einer Kombination dieser beiden Möglichkeiten. Inwieweit hier noch eine Leistungssteigerung der Abscheider erreicht werden kann, ist aufgrund der nicht geklärten Zusammenhänge nicht abschätzbar. Diese Lücke zu schließen und grundlegendes Wissen über die Zusammenhänge zwischen Abscheideleistung, Verbrennungsbedingungen und Partikeleigenschaften zu erlangen ist Motivation dieses Projekts. Die Ergebnisse sollen zur Steigerung der Abscheideleistung von Kleinelektrofiltern beitragen und den Stand der Technik insgesamt voranbringen.
Ziel des Gesamtvorhabens ist es ein kompaktes und modulares Biomasse-basiertes Reststoff-Verwertungssystem mit sauberen Verbrennungstechnologien für die Wärmeerzeugung zu generieren, welches sowohl feste und gasförmige Brennstoffe als auch Abwärme nutzen kann. Die generierte Nutzwärme soll in nachgeschalteten Industrieprozessen und bei der dezentralen Versorgung Gemeinden Anwendung finden. Im Teilprojekt soll ein Partikelabscheider mit verbesserten Eigenschaften bzgl. Temperaturbeständigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen abrasive Stoffe entwickelt werden. Dabei ist ein Kompromiss aus Robustheit, geringe Druckverluste, hoher Abscheidegrad und Kosten zu finden. Mit Hilfe von numerischen Berechnungen, Materialuntersuchungen und praktischen Versuchen soll die Funktionsfähigkeit gewährleistet und die Überführung zur Realanwendung vorbereitet werden. Ergebnis des Teilprojektes wird eine modulare und standardisierte Hochtemperatur-Partikelabscheideeinheit sein, die mit den anderen Komponenten der Projektpartner zum BioClinc System kombiniert und effizient betrieben werden kann.