Innovativer Kaminofen: Kompakter Alleskönner

Foto: Spartherm

Kein Holzfeuer brennt ohne Rauch. Die Abgase, die ein innovativer Kaminofen der Firma Spartherm in die Luft entlässt, sind jedoch erfreulich sauber. Ein in den Ofen integriertes Abscheide- und Wärmetauschermodul vermindert den Ausstoß gesundheitsschädlicher Feinstaubpartikel um bis zu 60 Prozent. Zugleich steigt der Wirkungsgrad der Feuerung. Das belegt ein von der Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe geförderter Praxistext. Für bestehende Feuerungen ist der Feinstaubfilter inzwischen auch als Aufsatz zur Nachrüstung erhältlich.

erschienen in „Tolle Ideen“ – Magazin der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR)

Auf den ersten Blick wirkt der Kaminofen der Firma Spartherm aus Melle wie ein klassisches Modell – wäre da nicht anstatt des Warmhaltefachs eine kleine Türe aus Metall. Dahinter verbirgt sich raffinierte Technik, die die Verbrennung von Scheitholz nicht nur sauberer, sondern auch effizienter macht: „Wir haben einen Kaminofen entwickelt, der serienmäßig eine elektrostatische Feinstaubabscheidung und einen Wärmetauscher enthält. Die Kombination ist bisher weltweit einmalig“, erklärt dazu Volker Schmatloch, Gesamtentwicklungsleiter bei Spartherm.

Der Physiker weiß, wovon er spricht. Bei der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) in der Schweiz hat sich Schmatloch schon ab 1999 mit Elektrofiltern für Feinstaub befasst – gut sechs Jahre, bevor der Staubausstoß von Holzfeuerungen in Deutschland überhaupt erstmals öffentlich diskutiert wurde. Denn mit dem Aufkommen komfortabler Öl- und Erdgasheizungen und der wachsenden Zahl von Gebäudemodernisierungen waren Scheitholzöfen bei uns zunächst aus der Mode gekommen. Massive Preissteigerungen bei Öl und Gas und das wachsende Klimabewusstsein haben das Heizen mit Holz jedoch wieder attraktiv gemacht. Anders als bei fossilen Energien wird beim Verfeuern von Holz nur so viel klimaschädliches Kohlendioxid frei, wie der Baum im Laufe seines Wachstums zuvor aus der Luft gebunden hat. Im Jahr 2009 lieferte Holz bereits 75 Prozent der erneuerbar erzeugten Wärme.

Der Boom des klimaneutralen Brennstoffs in Deutschland hat jedoch ein Manko: Pro Jahr stoßen die Feststofffeuerungen von privaten Haushalten und kleineren Betrieben mittlerweile so viel Feinstaub aus, wie alle Motoren von Autos, Lastwagen und Motorräder zusammen. Die mikroskopisch kleinen Staubpartikel dringen tief in die Atemwege ein. Von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) werden sie für Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen verantwortlich gemacht. Innerhalb der EU gilt seit Januar 2005 für Feinstaubemissionen deshalb ein verbindlicher Grenzwert. Trotz Fahrverboten und der Einführung von Umweltzonen und Dieselpartikelfiltern ist die Luftbelastung in vielen deutschen Städten jedoch weiterhin zu hoch.

Eine Möglichkeit, Emissionen aus kleinen Feststofffeuerungen einzudämmen, ist der Einsatz moderner Entstaubungssysteme. Für Kraftwerke und Industrieanlagen sind sie schon länger vorgeschrieben. Die Rauchgaswäscher, Gewebefilter und Elektroabscheider halten Feinstäube zum großen Teil zurück, lassen sich aber bei kleinen Holzheizanlagen nicht ohne weiteres wirtschaftlich betreiben. Die Geschäftsleitung von Spartherm entschied sich deshalb vor sechs Jahren, einen Feinstaubfilter speziell für Kaminöfen zu entwickeln.

„Für den Einsatz in kleinen Holzfeuerungen ging es darum, die Filtertechnik so anzupassen, dass die Handhabung für Verbraucher einfach und die Kosten so gering wie möglich ausfallen“, erläutert Schmatloch, der 2005 von der EMPA zu Spartherm wechselte. Aufgrund früherer Forschungsarbeiten war für den Physiker klar, dass sich die gewünschten Ergebnisse am besten mit einem elektrostatischen Partikelabscheider erzielen lassen würden. „Bei handbeschickten kleinen Anlagen muss man immer mit unbedachten Besitzern rechnen, die auch mal problematische Stoffe verbrennen. Wäre dann beispielsweise ein Gewebefilter im Einsatz, wären gefährliche Blockaden im Abgasweg durchaus möglich“, so seine Erfahrung.

Um einerseits große Abscheideflächen für den Feinstaub zu erhalten und andererseits den Filter im engen Baukörper des Kaminofens bequem unterzubringen, entschied sich Schmatloch für eine innovative Lösung: In ein Kaminofenmodell mit neun Kilowatt Leistung packte der Physiker zwischen Brennraum und Schornstein ein Modul mit acht Abgaskanälen, das gleichzeitig als Wasserwärmetauscher und elektrostatischer Feinstaubfilter fungiert. Das Abscheideprinzip des Elektrofilters beruht auf einem physikalischen Phänomen, das jeder kennt, der zuhause noch ein altes Röhrenfernsehgerät benutzt. Der statisch aufgeladene Bildschirm zieht durch seine Ladung den Staub aus der Umgebung förmlich an. Nicht viel anders funktioniert der elektrostatische Feinstaubfilter.

Allerdings ist noch etwas technische Nachhilfe im Spiel: Mithilfe einer Sprühelektrode werden die Staubteilchen im Abgas zunächst negativ aufgeladen, eine positiv geladene Niederschlagselektrode fängt die im Luftstrom bewegten Teilchen anschließend ein. Zwischen den Elektroden liegt dabei eine Hochspannung, die zwischen 20 und 100 Kilovolt betragen kann. Strömt das heiße Abgas im Kaminofen nun aus dem Brennraum in Richtung Kamin, gibt es seine Wärme im Wärmetauscher an das Brauchwasser ab. Gleichzeitig schlägt sich der elektrostatisch aufgeladene Feinstaub an diesen Wärmeübertragungsflächen nieder. Nach rund 100 Betriebsstunden lässt sich der angesammelte Staub vom Ofenbesitzer ganz unkompliziert mit einem Haushaltsstaubsauger entfernen.

Und noch einen Vorteil hat die ungewöhnliche Kombination: Durch den Einbezug des Wasserwärmetauschers können die Feinstaubteilchen nicht nur durch Elektrostatik sondern zudem durch so genannte Thermophorese abgeschieden werden. Durch diesen physikalischen Effekt bewegen sich Staubteilchen innerhalb eines Temperaturgefälles automatisch von warm nach kalt, das heißt zu den Wärmetauscherflächen hin.

Was im Labor tadellos funktioniert, muss seine Alltagstauglichkeit erst noch beweisen. Die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe förderte 2007 daher einen Praxistest. Fachleute der TÜV NORD Systems GmbH & Co. KG in Hannover maßen bei einem Prototyp des Spartherm-Kaminofens die Staubemissionen. Zur gleichen Zeit testeten Schmatloch und sein Team ein Gerät im Labor und drei weitere in Privathaushalten. „Sowohl die Staubmessungen im Labor als auch die Feldversuche zeigten klar, dass der Kaminofen unter Praxisbedingungen dauerhaft funktioniert.

Das Elektrofiltermodul scheidet zuverlässig ab, ohne dass es zu Störungen bei der Feuerung oder im Aufstellraum kommt“, so das Fazit. Die Abscheidung des Filters lag insgesamt bei etwa 60 Prozent; der auf dem TÜV-Prüfstand erzielte Wert betrug 56 Prozent. Von der nutzbaren Wärmemenge des Ofens konnten 29 bis 40 Prozent ins Wasser eingespeist werden. Die gesamte Stromaufnahme des Filters im regulären Betrieb liegt bei niedrigen 20 Watt.

Um die Staubabscheidung bei Elektrofiltern weiter zu verbessern, wird meist einfach die Spannung erhöht. „Bei kleinen Öfen ohne jede Regelung kann das aber zu Störungen führen“, sagt Schmatloch. Durch die Parallelschaltung von acht Röhren stellte sich die Abscheidefläche als groß genug heraus, um auch mit einer geringeren Spannung gute Ergebnisse zu erzielen.

Rein technisch gesehen, hätte Ende 2007 damit nichts mehr einer Serienfertigung des innovativen Kaminofens im Wege gestanden. Doch mangels gesetzlicher Feinstaubgrenzen für kleine Holzfeuerungen in Deutschland war die Verbrauchernachfrage nach Filterlösungen damals noch zu gering. Seit März 2010 hat sich das geändert: Die Bundesregierung hat die 1. Bundes-Immissionsschutzverordnung verschärft und für neue Holzfeuerungen im Leistungsbereich bis ein Megawatt strenge Feinstaubgrenzwerte gesetzt. Ab dem Jahr 2015 trifft es auch Altanlagen, die von ihren Besitzern noch betrieben werden. Viele Feuerungen, die die Staubgrenzwerte nicht einhalten, müssen zeitlich gestaffelt je nach Anlagenalter ausgetauscht oder mit einem Feinstaubfilter nachgerüstet werden.

Der potenzielle Markt für Feinstaubabscheider ist dann plötzlich groß: Etwa 17 Prozent der deutschen Haushalte verfügen über die Möglichkeit, Holz zu verbrennen. Nach Angaben des Bundesumweltministeriums könnten ab dem Jahr 2015 bis zu 4,5 Millionen Altanlagen von einer Nachrüstung mit Staubfiltern oder einem Austausch der Feuerung betroffen sein.

Auch für Nachrüstungswünsche ist man bei Spartherm inzwischen gewappnet: Für ältere Holzöfen bis 20 Kilowatt Leistung ist der Feinstaubfilter mittlerweile auch als Aufsatzmodul ohne wasserführenden Teil erhältlich. Durch spezielle Anschlussadapter lässt sich der „Airbox“ getaufte Partikelabscheider auf den Feuerraum montieren und wird anschließend optisch ansprechend mit Putz oder Kacheln verkleidet. Auch die umweltfreundliche Ausrüstung von Großmutters geliebtem antikem Kachelofen dürfte dann kein größeres Problem mehr sein.

Almut Bruschke-Reimer

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