ENDBERICHT EMISSIONSFAKTOREN FÜR FESTE BRENNSTOFFE J. SPITZER, P. ENZINGER, G. FANKHAUSER, W. FRITZ, F. GOLJA, R. STIGLBRUNNER

ENDBERICHT

EMISSIONSFAKTOREN FÜR FESTE BRENNSTOFFE J. SPITZER, P. ENZINGER, G. FANKHAUSER, W. FRITZ, F. GOLJA, R. STIGLBRUNNER

INSTITUT FÜR ENERGIEFORSCHUNG ELISABETHSTRASSE 5, A-8010 GRAZ TEL. (0316) 876/1338 FAX (0316) 876/1320

INSTITUT FÜR ANGEWANDTE STATISTIK UND SYSTEMANALYSE STEYRERGASSE 25A, A-8010 GRAZ TEL. (0316) 876/1561 FAX (0316) 876/1563

Projekt Nr.: IEF.95.017 Bericht Nr.: IEF-B-07/98 50 Seiten

Endbericht

EMISSIONSFAKTOREN FÜR FESTE BRENNSTOFFE J. SPITZER, P. ENZINGER, G. FANKHAUSER, W. FRITZ, F. GOLJA, R. STIGLBRUNNER

DEZEMBER 1998

Finanziert durch Bundesministerium für Umwelt, Jugend und Familie Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft Bundesministerium für wirtschaftliche Angelegenheiten Bundesministerium für Wissenschaft und Verkehr Land Burgenland Land Kärnten Land Niederösterreich Land Oberösterreich (Abteilung Umweltschutz, Agrar- und Forstrechtsabteilung und Abteilung Gewerbe) Land Salzburg Land Steiermark (Abteilung für Wissenschaft und Forschung, Fachabteilung 1a und LandesEnergieVerein Steiermark) Land Tirol Land Vorarlberg Stadt Wien (Magistratsabteilung 22, Fernwärme Wien Gesellschaft m.b.H)

Projekt Nr.:

IEF.95.017

Bericht Nr.:

IEF-B-07/98

Freigegeben:

Graz, am 04.12.1998

J. Spitzer Institutsleiter

J. Spitzer Projektleiter

ABSTRACT Ziel des Projektes war die Ermittlung der durchschnittlichen Emissionsfaktoren für die Schadstoffe SO2, CO, NOx, org-C und Staub von Festbrennstoff-Feuerungsanlagen (Holz und Kohle) im Sektor Kleinverbrauch, welche für den derzeitigen österreichischen Anlagenbestand (1997/98) gültig sind. Die Feuerungsanlagen wurden in vier Gruppen (Einzelofen-Holz, Einzelofen-Kohle, ZentralheizungHolz und Zentralheizung-Kohle) eingeteilt. Auf der Basis eines statistischen Stichprobenmodells wurden 180 Feuerungsanlagen für Feldmessungen ausgewählt, die von fünf Meßteams in der Heizperiode 1997/98 durchgeführt wurden. Die Feuerungsanlagen wurden vom Benutzer nach seinen Gewohnheiten betrieben. Die Meßdauer erstreckte sich vom Einheizen bis zum Erlöschen des Feuers. In Abständen von sechs Sekunden wurden die Konzentrationen von O2, CO2, CO, NOx, org-C im Verbrennungsgas sowie die Temperatur und die Geschwindigkeit des Verbrennungsgases aufgezeichnet. Die Staubmessungen wurden in Halbstundenintervallen über die gesamte Meßdauer durchgeführt. Darüber hinaus wurde die jährlich eingesetzte Brtennstoffmenge erfaßt. Mit den gemessenen und erhobenen Daten wurden die Emissionsfaktoren berechnet. Von den 180 Messungen konnten 173 verwertet werden. Die Emissionsfaktoren für SO2 wurden aufgrund von Literaturangaben des Brennstoffschwefelgehalts berechnet. Die in der folgenden Tabelle angeführten Emissionsfaktoren (mg/MJ) stellen die durchschnittlichen Schadstoffemissionen (mg) bezogen auf die eingesetzte Brennstoffenergie (MJ) im Jahresmittel dar. Sie gelten für österreichische Festbrennstoff-Feuerungsanlagen im Sektor Kleinverbrauch für den Anlagenbestand 1997/98.

Gruppe

Einzelofen

Einzelofen

Schadstoff

Holz

Kohle

Holz

Kohle

CO

4.463

3.705

4.303

4.206

95%-Vertrauensbereich

2.916 6.010 ± 35%

2.120 5.290 ± 43%

3.519 5.088 ± 18%

3.311 5.100 ± 21%

NOx

106

132

107

78

95%-Vertrauensbereich

70

140 ± 34%

78

185 ± 41%

Zentralheizung Zentralheizung

79

136 ± 26%

org-C

664

341

448

95%-Vertrauensbereich

255 1.073 ± 62%

184 497 ± 46%

338 559 ± 25%

Staub

148

153

90

95%-Vertrauensbereich

80

SO2*) 95%-Vertrauensbereich

217 ± 46%

11 -

230 ± 50%

67

340 -

-

76

207 472 ± 39%

61

288 143

43

11

145 ± 54%

543 -

-

432 ± 50%

94

112 ± 26%

-

94 ± 22%

471

615 ± 13%

95%-Vertrauensbereich (absolut und relativ): Bereich, in dem der wahre Wert mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% liegt *) Holz: Wert berechnet mit einem Schwefelgehalt aus der Literatur - daher kein Vertrauensbereich; Kohle: Wert berechnet mit den Schwefelgehalten verschiedener Kohlen aus der Literatur und dem Schwefelgehalt des bei den Feldmessungen zugefeuerten Holzes.

JOANNEUM

Endbericht "Emissionsfaktoren für feste Brennstoffe" RE SE AR CH

Seite II

ZUSAMMENFASSUNG

Einleitung

Ziel des Projektes "Meßprogramm zur Ermittlung der Emissionsfaktoren für die Schadstoffe SO2, CO, NOx, org-C und Staub bei Feuerungsanlagen für feste Brennstoffe

im

privaten

Sektor"

war

die

Ermittlung

durchschnittlicher

Emissionsfaktoren, welche für den österreichischen Anlagenbestand zum Zeitpunkt der Messungen (Heizperiode 1997/98) gültig sind. Dies sollte durch Messungen an Feuerungsanlagen die sich in praktischen Betrieb befinden ("Feldmessungen") erreicht werden.

Das Projekt wurde in zwei Phasen und in vier Arbeitsschritten durchgeführt. Die Arbeitsinhalte wurden wie folgt aufgeteilt:

Erste Projektphase: Arbeitsschritt 1:

Durchführung von Vorversuchen zur Entwicklung einzelner Meßmethoden

Zweite Projektphase: Arbeitsschritt 2:

Koordination und Organisation der Messungen

Arbeitsschritt 3:

Durchführung der Messungen

Arbeitsschritt 4:

Auswertung der Meßergebnisse und Ermittlung der Emissionsfaktoren sowie deren Vertrauensbereiche

Die Finanzierung des Projektes erfolgte im Rahmen der Bund/BundesländerKooperation auf dem Gebiet der Rohstoff-, Energie- und Umweltforschung durch vier Bundesministerien (BMUJF, BMLF, BMWA, BMWV) und die neun Bundesländer unter Federführung des BMUJF. Von den vier Bundesministerien und den neun Bundesländern wurden je 50% der Kosten getragen, wobei die Anteile der einzelnen Bundesländer im Verhältnis der Bevölkerungszahlen festgelegt wurden. Zur Vorbereitung des Projektes wurde im Auftrag des Umweltbundesamtes eine Vorstudie /A/ erstellt, in welcher grundsätzliche Überlegungen zu Durchführung JOANNEUM

Endbericht "Emissionsfaktoren für feste Brennstoffe" RE SE AR CH

Seite III

dieses Projektes angestellt wurden. Da die zur Erreichung der Ziele der in Projektphase 1 notwendigen Arbeiten über den ursprünglich vorgesehenen Umfang hinausgingen, hat das Umweltbundesamt zusätzliche Arbeiten und Meßgeräte finanziert.

Erste Projektphase

Arbeitsschritt 1 - Durchführung von Vorversuchen zur Entwicklung einzelner Meßmethoden

Es wurden Versuche zur • Bestimmung des Verbrennungsgas-Volumenstomes und zur • Messung der org-C-Emissionen durchgeführt.

Ziel der Versuche war • die Entwicklung einer Meßmethode zur Bestimmung des VerbrennungsgasVolumenstromes bei den Feldmessungen und • die Anpassung von konventionellen Meßmethoden (org-C-Messung) an die Anforderungen des Meßprogramms. Es sollte nachgewiesen werden, daß eine "kalte" FID-Messung (d.h. Meßgasförderung von der Entnahmestelle zum Analysator über Waschflaschen und unbeheizte Meßgasleitung) der org-CEmissionen zu denselben Ergebnissen wie eine nach den entsprechenden Regeln der Technik durchgeführten org-C-Messung ("warme" FID-Messung nach VDI 3481/1, d.h. Verwendung beheizter Meßgasleitung) führt.

Um

die

Versuche

zur

Bestimmung

des

Verbrennungsgas-Volumenstromes

durchführen zu können, wurde eine Versuchsstrecke errichtet und Versuche mit der SF6-Tracergas-Methode /A/, einem Thermischen Anemometer, der CO2-TracergasMethode (Vorschlag und Leitung der Versuche: DI R. Ellinger) und einem FlügelradAnemometer (Vorschlag und Leitung der Versuche: Prof. H. Braun) durchgeführt. JOANNEUM

Endbericht "Emissionsfaktoren für feste Brennstoffe" RE SE AR CH

Seite IV

Für die Versuche zur org-C-Messung wurde ein Einzelofen mit Holz bzw. Kohle befeuert und die org-C-Emissionen nach beiden Meßverfahren ("kalte" und "warme" FID-Messung) gleichzeitig gemessen.

Die Versuche führten zu folgenden Ergebnissen: • Bestimmung des Verbrennungsgas-Volumenstromes Von den getesteten Verfahren sind nur die CO2-Tracergas-Methode und die Geschwindigkeitsmessung

mit

dem

Flügelrad-Anemometer

für

die

Feldmessungen geeignet. Bei den Feldmessungen wurden beide Verfahren gleichzeitig

eingesetzt,

um

die

jeweiligen

Schwachstellen

der

beiden

Meßverfahren auszugleichen.

Die CO2-Tracergas-Methode besteht darin, dem Verbrennungsgas unmittelbar nach der Feuerungsanlage definierte Mengen CO2 gepulst (Einspeisedauer 1 Minute, Pausendauer

3

Minuten)

beizumengen.

Dieser

CO2-Puls

bewirkt

nach

entsprechender Durchmischung mit dem Verbrennungsgas eine zeitlich begrenzte Erhöhung der CO2-Konzentration im Verbrennungsgas, welche mit einem üblichen CO2-Analysator gemessen wird. Aus der Kenntnis der eingespeisten CO2-Menge

und

der

kurzzeitigen

Erhöhung

der

CO2-Konzentration

im

Verbrennungsgas kann der Verbrennungsgas-Volumenstrom berechnet werden. • Org-C-Messung Der Nachweis der "Gleichwertigkeit" der beiden Methoden konnte mit den durchgeführten

Versuchen

nicht

eindeutig

erbracht

werden.

Für

die

Feldmessungen wurde daher die "warme" FID-Messung (beheizte Meßgasleitung entsprechend VDI 3481/1) eingesetzt.

Basierend auf den Ergebnissen der Vorversuche wurde ein Pflichtenheft erstellt, welches Grundlage für die Ausschreibung der Feldmessungen war. Damit war die erste Projektphase abgeschlossen. Die Ergebnisse sind im Detail im Endbericht über die erste Projektphase /B/ dokumentiert. JOANNEUM

Endbericht "Emissionsfaktoren für feste Brennstoffe" RE SE AR CH

Seite V

Zweite Projektphase

Arbeitsschritt 2 - Koordination und Organisation der Messungen

Die

zu

diesem

Arbeitsschritt

durchgeführten

Arbeiten

betrafen

folgende

Schwerpunkte: • Auswahl der Anlagen zur Durchführung der Feldmessungen Der erste Schritt zur Auswahl der Anlagen zur Durchführung der Feldmessungen war die Modifikation eines bereits im Vorprojekt /A/ erstellten Statistikkonzeptes. Ursprünglich war die Durchführung von 210 Feldmessungen (unterteilt in sechs Gruppen zu je 35 Messungen) vorgesehen. Während der Projektbearbeitung wurde festgestellt, daß eine Unterteilung in vier Gruppen (Einzelofen-Holz, EO-H; Einzelofen-Kohle,

EO-K;

Zentralheizung-Holz,

ZH-H;

Zentralheizung-Kohle,

ZH-K) ausreichend ist, wodurch die Anzahl der Feldmessungen auf 180 reduziert werden konnte: je 35 für EO-H und EO-K und je 55 für ZH-H und ZH-K. Diesen Gruppen wurden dann einzelne Gemeinden zugeordnet. Im nächsten Schritt wurden über die Landesinnungen der Rauchfangkehrer die für diese Gemeinden "zuständigen" Rauchfangkehrer ermittelt, und um die Übermittlung von jeweils drei Adressen von Feuerungsanlagenbetreiben der entsprechenden Gruppe zur Durchführung einer Feldmessung mittels Erhebungsbogen ersucht. Inklusive abermaliger

Aussendung

und

telefonischer

Kontaktaufnahme

mit

den

Rauchfangkehrern konnten auf diese Weise ca. 60% der erforderlichen Adressen ermittelt werden. Die restlichen Adressen wurden durch die Meßteams vor Ort und über persönliche Kontakte ermittelt. • Festlegung und Beauftragung der Meßteams Die zur Durchführung der Feldmessungen eingesetzten Meßteams wurden mit Hilfe einer öffentlichen Interessentensuche (Anzeige im Amtsblatt der Wiener Zeitung vom 15. September 1995) und der Kontaktaufnahme mit bekannten Firmen ermittelt. Die an der Durchführung von Feldmessungen interessierten Firmen wurden mittels Ausschreibung vom 11. 11. 1996 zur Abgabe eines Anbotes auf der

Basis

des

in

der

ersten

Projektphase

erstellten

Pflichtenheftes

JOANNEUM

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Seite VI

(Ausschreibung nach ÖNORM A2050 - Verhandlungsverfahren) eingeladen. Aus den neun eingelangten Anboten sind nach einer Anbotsbewertung sechs Meßteams in die engere Wahl gekommen. • Maßnahmen zur Qualitätssicherung Zur Sicherstellung der erforderlichen Qualität der Feldmessungen wurden mehrere

Maßnahmen

Vergleichsmessungen

ergriffen. an

einer

Es

wurden

von

Versuchsanlage

jedem

Meßteam

(Einzelofen)

sowie

Staubvergleichsmessungen und Vergleichsmessungen betreffend die CO2Tracergas-Methode durchgeführt. Die Bewertung der Vergleichsmessungen erfolgten gemeinsam mit einem nicht der JOANNEUM RESEARCH angehörenden Experten. Aufgrund der Ergebnisse der Vergleichsmessungen wurden fünf Meßteams mittels Werkvertrag mit der Durchführung von Feldmessungen beauftragt. Für diese Meßteams wurde eine "Anleitung" zur Durchführung der Feldmessungen erstellt. Der geplante zeitliche Ablauf der Durchführung der Feldmessungen

durch

die

jeweiligen

Meßteams

wurde

im

voraus

der

Projektleitung bekanntgegeben. Die von den Meßteams vorausgewerteten Daten wurden auf Diskette oder per e-mail übermittelt und einer Plausibilitätskontrolle unterzogen.

Arbeitsschritt 3 - Durchführung der Feldmessungen

Im Zeitraum vom 20. Juni 1997 bis 25. Juni 1998 wurden 180 Feldmessungen (29 EO-H, 22 EO-K, 79 ZH-H, 50 ZH-K) durchgeführt. Die Abweichung der jeweiligen Anzahl von der geplanten Anzahl ergab sich zum Teil aus Problemen bei der Anlagenauswahl und zum Teil aus falschen Angaben der Anlagenart und des verwendeten

Brennstoffes,

d.h.

das

Meßteam

hat

eine

andere

Anlagen/Brennstoffkombination als angegeben vorgefunden.

Die Feldmessungen erstreckten sich in der Regel über eine gesamte Ofenreise d.h. vom Einheizen bis zum Erlöschen des Feuers. Dabei wurden folgende Größen in Abständen von 6 Sekunden gemessen und in einem Datenfile aufgezeichnet: JOANNEUM

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Seite VII

Sauerstoff-, Kohlendioxid-, Kohlenmonoxid-, Stickstoffoxid- und org-C-Konzentration im Verbrennungsgas sowie die Temperatur und die Geschwindigkeit des Verbrennungases an der Meßstelle. Die Staubmessung (Gravimetrisches Verfahren) wurde in Halbstundenintervallen durchgeführt. Die Meßstelle lag so nahe an der Feuerungsanlage, wie dies aus technischen und praktischen Gründen möglich war. Die während der Messung verfeuerte Brennstoffmenge wurde gewogen und es wurden Proben zur Ermittlung der Wassergehalt nach der Trockenschrankmethode gezogen. Zusätzlich zu den Meßdaten wurden vor Ort Daten, betreffend den durchschnittlichen

jährlichen

Brennstoffeinsatz,

die

technischen

Daten

der

Feuerungsanlage, des Kamins (Fang) und des Gebäudes erhoben und in einem Erhebungsblatt dokumentiert.

Arbeitsschritt 4 - Auswertung der Meßergebnisse und Ermittlung der Emissionsfaktoren sowie deren Vertrauensbereiche

Die Daten der Feldmessungen wurden von den Meßteams der Projektleitung per email oder auf Disketten übermittelt. Anschließend wurden alle Meßergebnisse auf Vollständigkeit und Plausibilität geprüft. Aus den vorliegenden Meßergebnissen wurden die spezifischen Emissionswerte für jede Feldmessung ermittelt. Da eine direkte SO2-Messung, aufgrund der bekannten Querempfindlichkeiten der übliche Analysatoren, nicht möglich war, wurden die SO2-Emission aufgrund von in der Literatur /C/ angegebenen Schwefelgehalte der verfeuerten Brennstoffe errechnet. Dabei wurde angenommen, daß der gesamte Schwefel als SO2 emittiert wird.

JOANNEUM

Endbericht "Emissionsfaktoren für feste Brennstoffe" RE SE AR CH

Seite VIII

Die spezifischen Emissionswerte einer Feldmessung wurden wie folgt berechnet:

SE

Abkürzungen:

Indizes:

SE... spezifische Emissionswerte [mg/MJ] c...... Konzentration [mg/mn³] V..... Volumenstrom [mn³/s] m..... Masse [kg] Hu... Heizwert [MJ/kg] ∆t....... Zeitintervall [6 Sekunden]

k...... Schadstoffkomponente 1 bis 4 (CO, NOx, org-C, Staub) l....... Summenindex 1 bis L L...... Anzahl der Meßwerte Br.... Brennstoff VG... Verbrennungsgas

Diese spezifischen Emissionswerte wurden zusammen mit dem durchschnittlichen jährlichen Brennstoff- bzw. Endenergieeinsatz, zur Ermittlung der Emissionsfaktoren für jede der vier Gruppen herangezogen. Der Emissionsfaktor wurde entsprechend nachstehender Formel berechnet.

SE

Abkürzungen:

Indizes:

EF... Emissionsfaktor [mg/MJ] SE... spezifische Emissionswerte [mg/MJ] EE... Endenergieeinsatz pro Jahr [MJ/a]

k...... Schadstoffkomponente 1 bis 4 (CO, NOx, org-C, Staub) j....... Gruppe von Feuerungsanlagen 1 bis 4 (EO-H, EO-K, ZH-H, ZH-K) i....... Einzelmessungen an Feuerungen 1 bis nj nj..... Anzahl der Messungen pro Gruppe

JOANNEUM

Endbericht "Emissionsfaktoren für feste Brennstoffe" RE SE AR CH

Seite IX

Da es sich hier um einen aus einer Stichprobe ermittelten Wert handelt, ist es notwendig

für

den

ermittelten,

durchschnittlichen

Emissionsfaktor

einen

Vertrauensbereich anzugeben, in dem der in der Realität tatsächlich vorhandene Wert

mit

einer

Sicherheitswahrscheinlichkeit

von

95%

liegt

(95%-

Vertrauensbereich). Der Vertrauensbereich wird unter Anwendung des zentralen Grenzwertsatzes für Mittelwerte unter einer Normalverteilungsannahme berechnet /D/.

Ergebnisse Zur

Ermittlung

der

Emissionsfaktoren

wurden

die

Ergebnisse

von

173

Feldmessungen herangezogen. Sieben Feldmessungen konnten nicht verwertet werden. Der Grund dafür lag in der nicht möglichen Bestimmung des zeitlichen Verlaufes des Volumenstromes und dem Fehlen von Meßwerten in wichtigen Emissionsphasen. Die in der folgenden Tabelle angeführten Emissionsfaktoren (mg/MJ) gelten für die derzeit (1997/98) vorhandene Anlagenverteilung im Sektor Kleinverbrauch in Österreich und stellen die durchschnittlichen Schadstoffemissionen (mg) bezogen auf die eingesetzte Brennstoffenergie (MJ) im Jahresmittel dar.

JOANNEUM

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Seite X

Tabelle: Durchschnittliche Emissionsfaktoren (mg/MJ) österreichischer Festbrennstoff-Feuerungsanlagen im Sektor Kleinverbrauch für den Anlagenbestand 1997/98 Gruppe

Einzelofen

Einzelofen

Schadstoff

Holz

Kohle

Holz

Kohle

CO

4.463

3.705

4.303

4.206

95%-Vertrauens-

2.916

6.010

2.120

5.290

Zentralheizung Zentralheizung

3.519

5.088

3.311

5.100

bereich

± 35%

± 43%

± 18%

± 21%

NOx

106

132

107

78

95%-Vertrauens-

70

140

78

185

79

136

61

94

bereich

± 34%

± 41%

± 26%

± 22%

org-C

664

341

448

288

95%-Vertrauens-

255

1.073

184

497

338

559

143

432

bereich

± 62%

± 46%

± 25%

± 50%

Staub

148

153

90

94

95%-Vertrauens-

80

217

76

230

67

112

43

145

bereich

± 46%

± 50%

± 26%

± 54%

SO2*)

11

340

11

543

95%-Vertrauens-

-

bereich

-

207

472

± 39%

-

-

-

471

615 ± 13%

-

95%-Vertrauensbereich (absolut und relativ): Bereich, in dem der wahre Wert mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% liegt *) Holz: Wert berechnet mit einem Schwefelgehalt aus der Literatur - daher kein Vertrauensbereich; Kohle: Wert berechnet mit den Schwefelgehalten verschiedener Kohlen aus der Literatur und dem Schwefelgehalt des bei den Feldmessungen zugefeuerten Holzes.

Die angeführten Emissionsfaktoren sind für Berechnung der gegenwärtigen Gesamtemissionen von Feuerungsanlagen für feste Brennstoffe für Österreich geeignet.

Sie

dürfen

nicht

für

die

Charakterisierung

einzelner

Anlagen

herangezogen werden und geben auch keine Auskunft über den derzeitigen Stand der Technik bei neuen Festbrennstofffeuerungen.

JOANNEUM

Endbericht "Emissionsfaktoren für feste Brennstoffe" RE SE AR CH

Seite XI

Literatur

/A/ Stiglbrunner R., Golja F., Gölles J., Spitzer J.: "Vorprojekt für ein Meßprogramm zur Ermittlung der Emissionsfaktoren für die Schadstoffe SO2, CO, NOx, org-C und Staub bei Feuerungsanlagen für feste Brennstoffe im privaten Sektor", JOANNEUM RESEARCH, Graz, Dezember 1994

/B/ Stiglbrunner R., Golja F., Spitzer J.: "Emissionsfaktoren für feste Brennstoffe: Erste Phase - Durchführung von Vorversuchen zur Entwicklung einzelner Meßmethoden", Endbericht; JOANNEUM RESEARCH, Graz, Oktober 1996

/C/ Geißler S., Bertsch E.: "GEMIS-Österreich-Anpassung: Primärenergie und Graue Energie", Österreichisches Ökologie-Institut, Wien, November 1996

/D/ Hartung J.: "Statistik", Oldenbourg Verlag München Wien, 1989

/E/ Energiebericht 1996 der österreichischen Bundesregierung, Bundesministerium für wirtschaftliche Angelegenheiten

JOANNEUM

Endbericht "Emissionsfaktoren für feste Brennstoffe" RE SE AR CH

Seite XII

ABSTRACT

II

ZUSAMMENFASSUNG

III

INHALTSVERZEICHNIS

XIII

1 Einleitung

1

2 Koordination und Organisation der Feldmessungen

3

2.1 Auswahl der Anlagen

3

2.2 Festlegung und Beauftragung der Meßteams

4

2.3 Maßnahmen zur Qualtätssicherung

5

2.3.1 Organisation und Durchführung von "Parallelmessungen"

5

2.3.2 Laufende Überwachung und Plausibilitätskontrolle der Feldmessungen

6

3 Durchführung der Feldmessungen

7

4 Auswertemethodik

9

4.1 Ermittlung der spezifischen Emissionswerte einer Feldmessung

9

4.1.1 Ermittlung der Verbrennungsgas-Volumenstromes

9

4.1.2 Ermittlung der spezifischen Emissionswerte für CO, NOx und org-C

10

4.1.3 Ermittlung der spezifischen Emissionswerte für Staub

12

4.1.4 Ermittlung der spezifischen Emissionswerte für SO2

12

4.2 Ermittlung der Emissionsfaktoren einer Gruppe und deren Vertrauensbereiche

13

4.3 Ermittlung des indirekten Wirkungsgrades der Feuerungsanlagen

14

4.3.1 Methoden der Wirkungsgradbestimmung

14

4.3.2 Ermittlung der Verluste

15

5 Ergebnisse

17

JOANNEUM

Endbericht "Emissionsfaktoren für feste Brennstoffe" RE SE AR CH

Seite XIII

5.1 Charakterisierung der gemessen Feuerungsanlagen

17

5.2 Spezifischen Emissionswerte und indirekter Wirkungsgrad

18

5. 3 Statistische Darstellung

24

5.3.1 Boxplot-Darstellungen

24

5.3.2 Brennstoffenergiemengen

26

5.3.3 Spezifische Emissionswerte für die Schadstoffe CO, NOx, org-C, Staub und SO2

27

5.3.4 Indirekter Wirkungsgrad

31

5.4 Durchschnittliche Emissionsfaktoren

31

5.4.1 Ergebnisse

31

5.4.2 Gültigkeitsbereich

33

5.4.3 Vergleich mit den Emissionsfaktoren 1995

34

6 Literatur

36

JOANNEUM

Endbericht "Emissionsfaktoren für feste Brennstoffe" RE SE AR CH

Seite XIV

1 EINLEITUNG

Das Projekt "Meßprogramm zur Ermittlung der Emissionsfaktoren für die Schadstoffe SO2, CO, NOx, org-C und Staub bei Feuerungsanlagen für feste Brennstoffe im privaten Sektor" wurde in zwei Phasen und vier Arbeitsschritten abgewickelt.

Erste Projektphase (dokumentiert in /2/): Arbeitsschritt 1:

Durchführung von Vorversuchen zur Entwicklung einzelner Meßmethoden

Zweite Projektphase (dokumentiert in /1/ und im gegenständlichen Bericht): Arbeitsschritt 2:

Koordination und Organisation der Messungen;

Arbeitsschritt 3:

Durchführung der Messungen;

Arbeitsschritt 4:

Auswertung der Meßergebnisse und Ermittlung der Emissionsfaktoren sowie deren Vertrauensbereiche.

Der Endbericht über die Projektphase 2 besteht aus einem Zwischenbericht /1/ (Arbeiten von Oktober 1996 bis Oktober 1997) und dem vorliegenden Bericht samt Datenband

(Arbeiten

von

November

1997

bis

Dezember

1998).

In

der

Zusammenfassung am Anfang dieses Berichtes werden auch die in /1/ und /2/ dargestellten Ergebnisse behandelt. Im Datenband sind Angaben zu jeder Feldmessung, in anonymisierter Form, sowie tabellarische Zusammenstellungen der Feldmessungen, die Protokolle der Beiratssitzungen und nähere statistische Erläuterungen enthalten.

Die Finanzierung des Projektes erfolgte im Rahmen der Bund/BundesländerKooperation auf dem Gebiet der Energie-, Rohstoff- und Umweltforschung durch vier Bundesministerien (BMUJF, BMLF, BMwA, BMWV), alle neun Bundesländer unter Federführung des BMUJF und eines Zusatzauftrages durch das Umweltbundesamt. Von den vier Bundesministerien und den neun Bundesländern werden je 50% der Kosten getragen, wobei die Anteile der einzelnen Bundesländer im Verhältnis der Bevölkerungszahlen festgelegt sind. JOANNEUM

Endbericht "Emissionsfaktoren für feste Brennstoffe" RE SE AR CH

Seite 1

Zur Vorbereitung dieses Projektes wurde im Auftrag des Umweltbundesamtes (UBA) ein

Vorprojekt

/3/

durchgeführt,

worin

grundsätzliche

Überlegungen

zur

Durchführung des gegenständlichen Projektes angestellt wurden.

JOANNEUM

Endbericht "Emissionsfaktoren für feste Brennstoffe" RE SE AR CH

Seite 2

2 KOORDINATION UND ORGANISATION DER FELDMESSUNGEN

Über die durchgeführten Arbeiten wurde bei den vom UBA regelmäßig einberufenen Beiratssitzungen berichtet.

2.1 Auswahl der Anlagen

Die Ermittlung von Adressen zur Durchführung der Feldmessungen, basierend auf einem im Vorprojekt /3/ erstellten Statistikkonzept, gestaltete sich schwieriger als ursprünglich

angenommen.

Einerseits

war

der

eingeschlagene

Weg

der

Adreßermittlung über die örtlichen Rauchfangkehrer nur zum Teil erfolgreich, andererseits war aufgrund von örtlichen Gegebenheiten die Durchführung von Feldmessungen nicht möglich (z.B. ist im Bundesland Salzburg laut Bauordnung keine Putzöffnung im Kamin am Dachboden erlaubt).

Dies hatte zur Folge, daß zusätzlich andere Wege zur Ermittlung von Adressen eingeschlagen werden mußten. Ein Teil der erforderlichen Adressen wurde von den Meßteams vor Ort ermittelt, ein weiter Teil von Adressen wurde über persönliche Kontakte ermittelt. Die dann noch immer fehlenden Adressen wurden aus den von kooperationsbereiten Rauchfangkehrern übermittelten Adressen abgedeckt, indem von den drei für eine Feldmessung übermittelten Adressen eine weitere Adresse ("Zweitadresse") verwendet wurde.

Von den insgesamt erforderlichen 180 Adressen für Feldmessungen wurden 103 von den Rauchfangkehrern (inklusive 17 "Zweitadressen"), 50 von den Meßteams und 27 über private Kontakte ermittelt.

Die Schwierigkeiten bei der Adressermittlung führten zu einer teilweisen Verschiebung der ursprünglich im Statistikkonzept vorgesehenen Orte und Anlagenarten. Da aber auch die Zugänge zu den Adressen über die Meßteams und private

Kontakte

weitgehend

zufällig

erfolgten,

ist

keine

wesentliche

Beeinträchtigung der Repräsentativität der Ergebnisse gegeben. JOANNEUM

Endbericht "Emissionsfaktoren für feste Brennstoffe" RE SE AR CH

Seite 3

2.2 Festlegung und Beauftragung der Meßteams

Die zur Durchführung der Feldmessungen einzusetzenden Meßteams wurden aufgrund einer öffentlichen Interessentensuche (Anzeige im Amtsblatt der Wiener Zeitung vom 15. September 1995) und der Kontaktaufnahme mit bekannten Firmen ermittelt. Die aufgrund dieser Interessentensuche an der Durchführung von Feldmessungen interessierten Firmen wurden mittels Ausschreibung vom 11. 11. 1996 zur Abgabe eines Anbotes auf der Basis des Pflichtenheftes (Ausschreibung nach ÖNORM A2050 - Verhandlungsverfahren) eingeladen. Aus den neun eingelangten Anboten sind nach einer Anbotsbewertung sechs Meßteams in die engere Wahl gekommen.

Von diesen Meßteams wurden Vergleichsmessungen an einer Versuchsanlage (Einzelofen) sowie Staubvergleichsmessungen und Vergleichsmessungen betreffend die

CO2-Tracergas-Methode

Vergleichsmessungen

wurden

durchgeführt. fünf

Aufgrund

Meßteams

mittels

der

Ergebnisse

Werkvertrag

der

mit

der

Durchführung von Feldmessungen beauftragt (in alphabetischer Reihenfolge): − ARGE EFFENBERGER-BIUTEC (Zvilingenieurbüro Dr. H. Effenberger / Fa. BIUTEC

Biotechnologie-

und

Umwelttechnologie

Forschungs-

und

Entwicklungsges.m.b.H.), Wien; − Bundesanstalt für Landtechnik, Wieselburg; − FTU Forschungsgesellschaft Technischer Umweltschutz, Wien; − Institut für Verfahrenstechnik, Brennstofftechnik und Umwelttechnik, TU Wien; − Zivilingenieur Dr. J. Wildburger, St. Pölten.

Die Aufteilung der durchgeführten Messungen ist in Tabelle 2.1 dargestellt. Die Reihenfolge der mit den Buchstaben A bis F bezeichneten Meßteams entspricht nicht der alphabetischen Reihenfolge. Ein sechstes, ursprünglich vorgesehenes, Meßteam (B) wurde nicht beauftragt.

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Seite 4

Tabelle 2.1: Anzahl der durchgeführten Messungen pro Meßteam Meßteam

A

C

D

E

F

Anzahl der Messungen

44

54

10

42

30

2.3 Maßnahmen zur Qualitätssicherung

Wie bereits im Zwischenbericht /1/ dokumentiert wurden Maßnahmen zur Sicherstellung der geforderten Qualität der Ergebnisse getroffen. Seit Erstellung des Zwischenberichtes wurden im Wesentlichen die unten angeführten Arbeiten in diesem Bereich durchgeführt.

2.3.1 Organisation und Durchführung von Parallelmessungen

Zur Abschätzung des Einflusses der Entfernung der Meßstelle von der Feuerungsanlage im Hinblick auf die org-C Emissionen wurden Parallelmessungen durchgeführt.

Bei

einer

"Parallelmessung"

wird

zusätzlich

zur

normalen

Feldmessung (in diesen Fällen am Putztürl am Dachboden) ein zweiter FID und ein zweiter CO2-Analysator (zur Normierung der gemessenen org-C Emissionen erforderlich) so nahe wie möglich an der Feuerungsanlage installiert. Insgesamt wurden vier Parallelmessungen durchgeführt. Die Anzahl war deshalb so gering, weil

es

aufgrund

der

örtlichen

Gegebenheiten

sehr

schwierig

war,

Feuerungsanlagen zu finden, an denen dies technisch möglich war und außerdem aufgrund der gerätetechnischen Ausstattung nur ein Meßteam in der Lage war, diese durchzuführen. Drei Messungen wurden an Zentralheizungskesseln (zwei mit Koks und eine mit Holz befeuert) und eine an einem Einzelofen (befeuert mit Holz und

Braunkohlebriketts)

durchgeführt.

Damit

ist

ein

Vergleich

der

org-C

Konzentrationen an den beiden Entnahmestellen möglich. Die Spezifikation Parallelmessung ist im Zwischenbericht /1/ enthalten.

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Bei den betrachteten Koks-Zentralheizungen lagen die auf 13% Sauerstoff normierten org-C Emissionen im Bereich von wenigen bis 350 mg/mn3, die Kohleeinzelofenheizung im Bereich von einigen hundert mit einer Spitze bis 3.000 mg/mn3 und ähnlich die Holzzentralheizung mit Spitzen bis 4.000 mg/mn3. Der Vergleich zwischen den org-C Konzentrationen an den beiden Meßstellen zeigte unterschiedliche Verläufe (org-C nahe der Feuerungsanlage sowohl darüber als auch darunter). Die Verläufe der org-C Konzentrationen bei den Parallelmessungen sind als Diagramm im Datenband dargestellt.

Aufgrund der wenigen Parallelmessungen sind aus diesen Ergebnissen keine allgemein gültigen Aussagen abzuleiten (siehe auch statistische Anmerkungen zu den Parallelmessungen im Zwischenbericht /1/).

2.3.2 Laufende Überwachung und Plausibilitätskontrolle der Feldmessungen

Von den Meßteams wurden die unmittelbar bevorstehenden Feldmessungen bekanntgegeben. Dadurch war ständig ein Überblick über den Stand der Feldmessungen gegeben.

Die von den Meßteams vorausgewerteten Daten wurden auf Diskette oder per e-mail übermittelt. Die Plausibilitätskontrollen wurden derart durchgeführt, daß die zeitlichen Verläufe in Diagrammen dargestellt wurden. Dies ermöglichte das Erkennen offensichtlicher Probleme oder Fehler bei den Feldmessungen. Bei unvollständigen bzw. unplausiblen Daten erfolgte eine Kontaktaufnahme mit dem betroffenen Meßteam um die Ursache abzuklären. In den meisten Fällen konnten die vermuteten Probleme geklärt werden. In sieben Fällen konnten die Messungen nicht verwertet werden (siehe Kapitel 5.1).

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3 DURCHFÜHRUNG DER FELDMESSUNGEN

Die 180 Feldmessungen wurden von fünf Meßteams im Zeitraum vom 20. Juni 1997 bis 25. Juni 1998 durchgeführt. Die Dauer einer Feldmessung erstreckte sich normalerweise über eine gesamte Ofenreise (d.h. vom Einheizen bis zum Erlöschen des Feuers).

Es wurden folgende Größen in Abständen von 6 Sekunden gemessen und in einem Datenfile aufgezeichnet: Sauerstoff-, Kohlendioxid-, Kohlenmonoxid-, Stickstoffoxidund org-C-Konzentration im Verbrennungsgas sowie die Temperatur und die Geschwindigkeit des Verbrennungases an der Meßstelle. Die Staubmessung wurde in Halbstundenintervallen durchgeführt. Die Meßstelle lag so nahe an der Feuerungsanlage, wie dies aus technischen und praktischen Gründen möglich war. Die während der Messung verfeuerte Brennstoffmenge wurde gewogen und es wurden Proben zur Ermittlung der Wassergehalt nach der Trockenschrankmethode gezogen. Zusätzlich zu den Meßdaten wurden vor Ort Daten, betreffend den durchschnittlichen jährlichen Brennstoffeinsatz, technische Daten der Feuerungsanlage (z.B. Leistung, Baujahr, Fabrikat, etc.), des Kamins und des Gebäudes (z.B. Größe,

Baujahr,

beheizte

Fläche)

erhoben

und

in

einem

Erhebungsblatt

dokumentiert.

Die Anzahl der durchgeführten Feldmessungen aufgeteilt nach Anlagengruppen und Bundesländern ist in Tabelle 3.1 dargestellt. Die Zuordnung der gemessenen Feuerungsanlagen zu den Anlagengruppen erfolgte aufgrund der Anlagenart und des während der Feldmessung verfeuerten Brennstoffes.

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Tabelle 3.1: Anzahl der durchgeführten Feldmessungen aufgeteilt nach Anlagengruppen und Bundesländern Anlagengruppe Bundesland

EO-H

EO-K

ZH-H

ZH-K

Summe

Burgenland

1

0

3

0

4

Kärnten

2

2

6

7

17

Niederösterreich

8

0

24

10

42

Oberösterreich

6

5

21

11

43

Salzburg *)

0

2

0

0

2

Steiermark

5

2

19

18

44

Tirol

1

1

2

1

5

Vorarlberg

0

0

3

3

6

Wien

6

10

1

0

17

Summe

29

22

79

50

180

*)

Aufgrund der geltenden Bauordnung konnten nur zwei geeignete Feuerungsanlagen für Feldmessungen gefunden werden

Im Statistikkonzept waren je 35 Feldmessungen in den Gruppen EO-H und EO-K bzw. je 55 Feldmessungen in den Gruppen ZH-H und ZH-K vorgesehen. Wie aus Tabelle 3.1 ersichtlich, kam es zu einer Verschiebung der Anzahl der Feldmessungen

zwischen

den

Anlagengruppen.

Die

Gründe

für

diese

Verschiebungen hängen zum Teil mit den Problemen bei der Auswahl der Anlagen (siehe Kapitel 2.1) zum Teil mit falschen Angaben der Anlagenart und des verwendeten Brennstoffes zusammen, d.h. das Meßteam hat eine andere Anlagen/Brennstoff-Kombination als angegeben vorgefunden. Ein Grund hierfür dürfte in der zeitlichen Entwicklung des Anlagenbestandes (starke Abnahme von Einzelofen-Heizanlagen allgemein) und der starke Rückgang bei der Verwendung des Brennstoffes Kohle liegen (Mikrozensus 1997: Rückgang der Anzahl der Wohnungen gegenüber 1990 um 56%). Die geringe Anzahl der Messungen im Bundesland Salzburg ist dadurch bedingt, daß laut geltender Bauordnung eine Putzöffnung im Kamin am Dachboden verboten ist, und somit keine geeignete Meßstelle vorhanden war. JOANNEUM

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4 AUSWERTEMETHODIK

Die theoretischen Grundlagen wurden bereits im Vorprojekt /3/ erarbeitet. In diesem Kapitel wird die Auswertung im Detail beschrieben.

4.1 Ermittlung der spezifischen Emissionswerte einer Feldmessung

Der spezifische Emissionswert einer Feldmessung ist die auf die eingesetzte Energiemenge (Brennstoffenergie) bezogene Schadstoffemission. Die Emissionswerte der Feldmessungen einer Gruppe bilden die Ausgangsbasis zur Ermittlung der Emissionsfaktoren für diese Gruppe.

4.1.1 Ermittlung des Verbrennungsgas-Volumenstromes

Um die emittierten Schadstoffmengen ermitteln zu können, ist neben der Konzentration der Schadstoffe die Kenntnis des Verbrennungsgas-Volumenstromes erforderlich.

Da es zur Ermittlung des Verbrennungsgas-Volumenstromes bei im praktischen Betrieb befindlichen Kleinfeuerungsanlagen keine "Standardverfahren" gibt, wurde in der ersten Phase des Projektes ein Verfahren zur Bestimmung des Verbrennungsgas-Volumenstromes entwickelt. Es handelt sich dabei um ein Tracergasverfahren nach einem Vorschlag von DI R. Ellinger, bei welchem CO2 als Tracergas verwendet wird. Da auch im Verbrennungsgas CO2 enthalten ist, wird das Tracergas

nicht

kontinuierlich

sondern

gepulst

aufgegeben

(eine

Minute

Einspeisung, drei Minuten Pause). Dadurch ist es möglich, den "natürlichen" CO2Untergrund abzuziehen und den "wahren" CO2-Peak zu ermitteln. Aus dem Summenintegral der Peakwerte und der Kenntnis der eingespeisten CO2-Menge wird der Verbrennungsgas-Volumenstrom berechnet. Da es sich bei dieser Methode um ein diskontinuierliches Verfahren handelt (nur ein Wert alle vier Minuten), wurde zusätzlich eine Geschwindigkeitsmessung mittels Flügelrad (vorgeschlagen von JOANNEUM

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Seite 9

Prof. H. Braun) durchgeführt, welche allerdings bei niedrigen Geschwindigkeiten (< ca. 0,5 m/s), wenn überhaupt möglich, sehr unzuverlässig ist. Eine genaue Dokumentation der Bestimmung des Verbrennungsgas-Volumenstromes ist in /2/ enthalten.

Die

Ermittlung

des

Verbrennungsgas-Volumenstroms

wurde

mit

dem

Statistiksoftwarepaket SAS durchgeführt. In einem ersten Schritt wurden die Start und Endpunkte der CO2-Peaks nach einem in SAS programmierten Algorithmus automatisch bestimmt. Durch die unterschiedliche Höhe, den teilweise schwer erkennbaren CO2-Peaks und den CO2-Meßschwankungen war es notwendig, die automatisch ermittelten CO2-Peaks zu überprüfen und interaktiv zu korrigieren. War der

Verbrennungsgas-Volumenstrom

über

die

CO2-Tracergasmethode

nicht

auswertbar, mußte die Flügelradmessung, zur Bestimmung des VerbrennungsgasVolumenstroms herangezogen werden (Niveaukorrektur über die sich in der Nähe befindlichen auswertbaren CO2-Peaks).

4.1.2 Ermittlung der spezifischen Emissionswerte für CO, NOx und org-C Die spezifischen Emissionswerte werden mit der in Abbildung 4.1 dargestellten Formel berechnet.

SE

Abkürzungen:

Indizes:

SE... spezifische Emissionswerte [mg/MJ] c...... Konzentration [mg/mn³] V..... Volumenstrom [mn³/s] m..... Masse [kg] Hu... Heizwert [MJ/kg] ∆t....... Zeitintervall [6 Sekunden]

k...... Schadstoffkomponente 1 bis 4 (CO, NOx, org-C, Staub) l....... Summenindex 1 bis L L...... Anzahl der Meßwerte Br.... Brennstoff VG... Verbrennungsgas

Abbildung 4.1: Formel zur Berechnung der spezifischen Emissionswerte

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Die Werte der Schadstoffkonzentrationen (mg/mn3) für CO, NOx und org-C liegen im Datenfile als 6-Sekunden-Meßwerte vor. Das Produkt aus Schadstoffkonzentration und Verbrennungsgas-Volumenstrom (konstanter 4 Minuten Wert in mn3/s) ergibt die emittierte Schadstoffmenge (mg/s). Summiert man die Schadstoffmengen über die Dauer einer Ofenreise auf, erhält man die während der gesamten Ofenreise absolut emittierten Schadstoffmengen. Dividiert man anschließend diese absolut emittierten Schadstoffmengen durch die während der Ofenreise eingesetzten BrennstoffEnergie so erhält man die spezifischen Emissionswerte (mg/MJ).

Fehlende Werte wurden unter Verwendung statistischer Methoden interpoliert. In Einzelfällen mußten empirisch nach fachlichem Wissen Ergänzungen vorgenommen werden.

Zum besseren Verständnis ist diese Vorgangsweise in Abbildung 4.2 am Beispiel org-C-Messung graphisch dargestellt.

m. org-C 6

v.; org-C 480

400

5

320

4

240

3

160

2

80

1

0

0 00

01

02

Volumenstrom (mn³/s) * 10-4

03

04

Konzentration org-C (mg C/mn³)

05

Minuten 06

Massestrom org-C (mg C/s)

Abbildung 4.2: Berechnung der Schadstoffemission am Beispiel einer org-CMessung

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In der Abbildung 4.2 ist über einen Zeitraum von 6 Minuten der Verlauf der gemessenen Konzentration von org-C (mg/mn3), der berechneten VerbrennungsgasVolumenstrom (mn3/s) und der daraus berechnete Massenstromes der org-CEmission (mg/s) dargestellt. Jedes schwarze Quadrat ist ein 6-Sekunden-Meßwert der

org-C-Konzentration.

aufeinanderfolgende

Die

drei

4-Minuten-Werte

dicken des

horizontalen

Linien

sind

drei

Verbrennungsgas-Volumenstromes.

Multipliziert man die Quadrate mit den dicken Linien, so ergibt sich der Massenstrom der org-C-Emission, dargestellt als dünne Linie. Somit ergibt die Fläche unter der dünnen Linie die emittierte absolute Schadstoffmenge (mg C).

4.1.3 Ermittlung der spezifischen Emissionswerte für Staub

Da bei Feldmessungen keine kontinuierliche Staubmessung möglich ist, wurden diskrete Staubmessungen, jeweils über eine Dauer von ca. 30 Minuten, durchgeführt. Jeder Staubwert ist daher ein Integral der Staubemissionen in diesem Zeitraum. Die zwischen den Staubmessungen vorhandenen "Lücken" wurden durch lineare Interpolation geschlossen. Die weitere Ermittlung des Emissionswertes erfolgt analog wie bei den anderen Schadstoffen.

4.1.4 Ermittlung der spezifischen Emissionswerte für SO2

Aufgrund der bekannten Querempfindlichkeiten der "normalen" SO2-Analysatoren war eine direkte Messung der SO2-Konzentration nicht zielführend. Der SO2Emissionswert

wurde

Elementaranalysen

der

daher

mittels

verfeuerten

in

der

Literatur

Brennstoffe

/4/

ermittelt.

angegebenen Dabei

wurde

angenommen, daß der gesamte im Brennstoff vorhandene Schwefel als SO2 emittiert wird. Der SO2-Emissionswert errechnet sich somit als Quotient des im Brennstoff vorhanden Schwefels (umgerechnet auf SO2) und der eingesetzten Brennstoffenergie. Daraus folgt, daß es für Holz nur einen konstanten Wert für den spezifischen Emissionswert für SO2 gibt, da der Schwefelgehalt im Holz als konstant angenommen wurde. Etwas anders ist die Situation bei den Kohlefeuerungen. Zum JOANNEUM

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Seite 12

Einem haben die verschiedenen Kohlearten unterschiedliche Schwefelgehalte, zum Anderen wird beim praktischen Betrieb der Feuerungsanlagen mehr oder weniger Holz zugefeuert bzw. zum Anheizen verwendet. Daraus resultieren unterschiedliche spezifische Emissionswerte für SO2 und es kann auch ein Vertrauensbereich ermittelt werden.

4.2 Ermittlung der Emissionsfaktoren einer Gruppe und deren Vertrauensbereiche

Die Berechnung der Emissionsfaktoren für die vier Gruppen erfolgte über die Gewichtung der spezifischen Emissionswerte mit dem durchschnittlichen, jährlichen Endenergieeinsatz (MJ/a) der jeweiligen Feuerungsanlagen. Der Endenergieeinsatz wird aus der durchschnittlich jährlich verfeuerten Brennstoffmenge (kg/a), der im Rahmen der Feldmessungen erhoben wurde, und über den Heizwert (MJ/kg) errechnet.

Der

Wassergehaltes

Heizwert des

wurde

unter

Brennstoffes

Berücksichtigung

(siehe

Kapitel

3)

des

ermittelten

berechnet.

Die

Berechnungsformel ist in Abbildung 4.3 dargestellt. Das heißt, es wird ein durchschnittlicher

Emissionsfaktor

gebildet,

der

sich

auf

den

Gesamtjahresdurchschnitt für Österreich bezieht.

SE

Abkürzungen:

Indizes:

EF... Emissionsfaktor [mg/MJ] SE... spezifische Emissionswerte [mg/MJ] EE... Endenergieeinsatz pro Jahr [MJ/a]

k...... Schadstoffkomponente 1 bis 4 (CO, NOx, org-C, Staub) j....... Gruppe von Feuerungsanlagen 1 bis 4 (EO-H, ZH-H, EO-K, ZH-K) i....... Einzelmessungen an Feuerungen 1 bis nj nj..... Anzahl der Messungen der Gruppe j

Abbildung 4.3: Formel zur Berechnung der durchschnittlichen Emissionsfaktoren

JOANNEUM

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Da es sich hier um eine Stichprobenanalyse handelt, ist es notwendig zum erhaltenen durchschnittlichen Emissionsfaktor einen Vertrauensbereich anzugeben, in dem der in der Realität tatsächlich vorhandene Wert mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% liegt. Die Größe des Vertrauensbereich hängt in erster Linie von der Verteilung der Emissionswerte und der Brennstoffenergiemenge, von der Anzahl der Messungen und von der Genauigkeit der Messungen ab. Der Vertrauensbereich wird unter Anwendung des zentralen Grenzwertsatzes für Mittelwerte unter einer Normalverteilungsannahme berechnet /6/.

4.3 Ermittlung des indirekten Wirkungsgrades der Feuerungsanlagen

Die Ermittlung des indirekten Wirkungsgrades der Feuerungsanlagen hängt nicht unmittelbar

mit

den

Projektziel

der

Ermittlung

der

durchschnittlichen

Emissionsfaktoren zusammen. Da aber aus den Feldmessungen die erforderlichen Daten zur Ermittlung des indirekten Wirkungsgrades vorliegen, wurde auch dieser ermittelt. Dazu ist anzumerken, daß eine exakte indirekte Wirkungsgradbestimmung nur für stationäre Betriebszustände der Feuerungsanlagen möglich ist. Da bei den durchgeführten

Feldmessungen

stationäre

Betriebszustände

praktisch

nicht

vorkommen und sich außerdem die Meßstelle in einer mehr oder weniger großen Entfernung von der Feuerungsanlage befunden hat, sind die angegebenen indirekten Wirkungsgrade mit großer Vorsicht zu interpretieren.

4.3.1 Methoden der Wirkungsgradbestimmung

Zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Feuerungsanlagen gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten: • Direkter Wirkungsgrad Der direkte Wirkungsgrad wird durch Messung der erzeugten Wärmemenge (z.B. mittels Wärmemengenzähler bei Kesselanlagen) und der eingesetzten Brennstoffenergie errechnet. Indirekter Wirkungsgrad JOANNEUM

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Seite 14

Der indirekte Wirkungsgrad wird aufgrund der theoretischen Bestimmung von Verlusten (aufgrund der Messung einiger Parameter) errechnet. Der Wirkungsgrad ergibt sich durch Subtraktion der Verluste von 1 bzw. 100%.

In diesem Fall wird der indirekte Wirkungsgrad der Feuerungsanlagen aufgrund der Berechnung des Abgasverlustes (qa) und der Verluste durch unverbrannte Gase (CO-Verluste, qu) in Anlehnung an DIN 4702 T2 ermittelt /5/. Die sonstigen Verluste wie durch brennbare Rückstände und durch Strahlung und Konvektion bleiben unberücksichtigt. Dies ist zulässig, weil der Abgasverlust den weitaus größten Anteil bei den Verlusten darstellt. Anzumerken ist, daß der Abgasverlust auf die jeweilige Meßstelle bezogen ist, d.h. das die Wärmegewinne durch den (warmen) Kamin den Abgasverlust reduziert und der Wirkungsgrad der Feuerungsanlage alleine geringer als der hier angegebene Wirkungsgrad ist. Der Wirkungsgrad wird für jeden 6 Sekunden Wert ermittelt und anschließend über die gesamte Meßdauer gemittelt. Unplausible Werte, z.B. gegen Ende der Ofenreise bei sehr niedrigem CO2-Gehalt des Verbrennungsgases, bleiben bei der Mittelwertbildung unberücksichtigt.

4.3.2 Ermittlung der Verluste

Abgasverlust Der Abgasverlust ergibt sich aus der Differenz des Wärmeinhaltes des Verbrennungsgases an der Meßstelle und der Verbrennungsluft. Dazu ist die Messung

des

CO2-

oder

O2-Gehaltes

des

Verbrennungsgases,

der

Verbrennungsgas- und der Verbrennungslufttemperatur notwendig. In der Folge wird der gemessene CO2-Gehalt (nach Abzug der CO2-Peaks welche durch die CO2Beimengung zur Messung der Verbrennungsgasmenge verursacht werden) für die Berechnung des Wärmeinhaltes des Verbrennungsgases herangezogen.

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Verlust durch unverbrannte Gase (CO-Verlust) Der CO-Verlust ergibt sich dadurch, daß bei der Verbrennung von CO zu CO2 noch Energiemengen (12,64 MJ/mn³) freigesetzt werden. Sind also größere Mengen (im Prozentbereich) CO im Verbrennungsgas enthalten, führt dies zu einer merklichen Verschlechterung des Wirkungsgrades. Dieser Verlust wird aus der gemessenen CO-Konzentration errechnet.

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5 ERGEBNISSE

5.1 Charakterisierung der gemessenen Feuerungsanlagen

Die

bei

den

Feldmessungen

erhobenen

Daten

betreffend

Brennstoff,

Feuerungsanlage, Gebäude usw. sind im Detail im Datenband enthalten. Im folgenden sind die Verteilungen von zwei wichtigen, die Anlagen beschreibenden, Größen dargestellt.

Der Zustand der Feuerungsanlagen wurde von den Meßteams bewertet (gut - mittel - schlecht). In Tabelle 5.1 ist die Verteilung in Prozenten dargestellt. Gesamt betrachtet zeigt sich ein positives Bild. Rund 72% der Anlagen befanden sich in einem guten Zustand.

Tabelle 5.1: Verteilung der Zustände der gemessenen Feuerungsanlagen Zustand

EO-H

EO-K

ZH-H

ZH-K

Gesamt

gut

59%

67%

70%

86%

72%

mittel

38%

33%

25%

12%

25%

schlecht

3%

0%

5%

2%

3%

Die Altersverteilung der Feuerungsanlagen ist Tabelle 5.2 zu entnehmen. Vor allem bei Einzelöfen war das Alter häufig nicht zu bestimmen. Es ist zu vermuten, daß der Großteil dieser Anlagen älteren Datums ist. Tabelle 5.2: Verteilung des Alters der gemessenen Feuerungsanlagen Baujahr der Feuerungsanlage

EO-H

EO-K

ZH-H

ZH-K

Gesamt

vor 1970

24%

27%

5%

8%

12%

1971-1980

17%

5%

22%

32%

22%

1981-1990

7%

27%

39%

44%

34%

1991-1997

24%

14%

30%

12%

22%

unbekannt

28%

27%

4%

4%

11%

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5.2 Spezifische Emissionswerte und indirekter Wirkungsgrad

Die Ergebnisse der Berechnungen der spezifischen Emissionswerte und des indirekten Wirkungsgrades sind für jede Feldmessung in Tabelle 5.3 bis Tabelle 5.6 nach Gruppen geordnet zusammengestellt. Sieben Messungen waren nicht auswertbar, die fehlenden Werte sind mit "." eingetragen.

Tabelle 5.3: Spezifische Emissionswerte, indirekter Wirkungsgrad und jährlich umgesetzte Brennstoff-Energiemenge für Einzelofen-Holz (EO-H) für 29 Feldmessungen Spezifische Emissionswerte indirekter jährlicher (mg/MJ) Wirkungsgrad Energieeinsatz Meß-Nr. CO NOx org-C Staub SO2 (%) (MJ) 2 1.970 95 109 154 11 84 10.249 4 5.367 97 848 234 11 87 21.053 8 13.421 447 4.049 903 11 60 25.557 14 2.745 75 127 171 11 82 43.517 30 3.190 122 229 46 11 70 24.714 31 7.232 10 1.431 184 11 52 41.827 35 2.578 190 95 161 11 71 31.912 42 4.341 75 484 63 11 91 5.916 43 2.743 206 410 100 11 46 25.719 63 1.651 12 143 21 11 90 18.957 84 3.017 106 130 80 11 78 25.557 88 2.860 176 162 21 11 54 25.557 101 6.286 78 744 112 12 60 52.182 102 2.957 80 367 114 11 60 21.606 103 5.458 121 469 152 11 66 42.105 112 3.650 102 187 151 11 60 10.743 117 4.882 85 328 73 11 84 13.494 118 . . . . . 0 . 119 6.152 99 872 331 11 88 13.736 120 3.575 92 392 106 11 79 30.571 128 3.350 24 238 40 11 95 22.191 143 2.142 93 113 24 11 63 5.022 144 2.337 67 143 120 11 64 21.715 156 893 65 47 29 11 76 36.306 163 5.538 118 721 105 11 65 25.612 166 14.454 99 3.873 384 11 61 25.557 170 2.840 92 522 111 11 56 32.257 177 2.230 70 109 51 11 81 43.494 180 3.696 78 468 82 11 93 18.479

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Tabelle 5.4: Spezifische Emissionswerte, indirekter Wirkungsgrad und jährlich umgesetzte Brennstoff-Energiemenge für Einzelofen-Kohle (EO-K) für 22 Feldmessungen

Meß-Nr. 1 3 5 6 7 9 10 23 28 29 36 37 39 41 44 48 61 108 132 134 135 137

Spezifische Emissionswerte indirekter (mg/MJ) Wirkungsgrad CO NOx org-C Staub SO2 (%) 3.112 387 93 191 436 88 2.928 126 443 545 407 79 2.873 181 89 93 475 71 2.102 90 47 63 605 76 3.988 221 178 174 246 84 1.766 94 6 74 312 81 6.234 37 1.480 1.051 181 80 5.020 85 1.061 35 165 93 5.489 194 232 95 220 61 5.372 109 1.087 874 428 70 4.218 110 622 149 182 73 3.793 181 311 397 244 51 2.413 133 213 171 139 68 2.413 198 391 66 649 81 3.771 150 760 75 157 . 3.503 109 381 133 437 53 8.289 0 4 15 709 93 9.296 220 1.202 192 257 78 1.036 46 111 13 113 92 1.089 64 73 15 216 88 758 50 95 25 281 76 123 55 95 26 232 87

jährlicher Energieeinsatz (MJ) 32.529 16.132 16.903 21.186 4.237 13.488 4.297 12.595 36.724 19.614 16.649 29.683 37.298 29.805 37.879 38.287 46.241 24.646 24.646 47.800 22.248 9.336

Tabelle 5.5: Spezifische Emissionswerte, indirekter Wirkungsgrad und jährlich umgesetzte Brennstoff-Energiemenge für Zentralheizung-Holz (ZH-H) für 79 Feldmessungen

Meß-Nr. 11 12 13 15 19 20 21 22 32 33

Spezifische Emissionswerte indirekter (mg/MJ) Wirkungsgrad CO NOx org-C Staub SO2 (%) 8.917 85 1.523 418 11 77 3.327 150 580 628 11 68 4.496 60 183 169 11 75 1.179 152 36 95 11 75 7.167 87 1.408 270 11 80 5.616 99 441 57 11 86 7.108 111 530 40 11 86 7.901 115 1.185 242 11 65 5.690 50 651 151 11 61 163 87 22 29 11 86

jährlicher Energieeinsatz (MJ) 198.986 91.441 79.909 270.753 38.143 203.542 210.024 123.271 40.796 119.412

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Tabelle 5.5 Fortsetzung 1: Spezifische Emissionswerte, indirekter Wirkungsgrad und jährlich umgesetzte Brennstoff-Energiemenge für Zentralheizung-Holz (ZH-H) für 79 Feldmessungen Spezifische Emissionswerte indirekter jährlicher (mg/MJ) Wirkungsgrad Energieeinsatz Meß-Nr. CO NOx org-C Staub SO2 (%) (MJ) 34 5.619 86 560 233 11 73 118.611 40 10.159 206 2.365 205 11 71 11.577 45 13.368 66 2.499 26 11 79 172.068 46 3.807 107 246 12 11 74 160.792 49 5.146 98 463 63 11 73 102.991 51 9.839 74 1.215 77 11 66 107.623 52 4.533 57 443 166 11 69 167.055 53 7.543 84 790 141 11 73 69.959 54 5.391 100 236 166 11 63 105.559 58 3.231 24 564 69 11 94 32.216 59 2.405 27 498 121 11 91 24.162 62 4.961 26 540 99 11 90 27.008 64 3.983 44 364 84 11 87 64.933 65 3.508 33 380 77 11 89 112.375 66 2.493 82 1.104 237 11 82 162.390 67 7.702 49 733 216 11 85 81.251 68 . . . . . 78 . 69 6.097 66 1.110 244 11 65 134.255 71 5.368 84 537 608 11 52 97.007 74 2.177 80 87 85 11 83 188.501 75 5.995 100 452 157 11 79 245.816 78 11.204 53 1.180 40 11 76 191.967 81 2.812 68 236 16 11 75 238.047 82 2.463 114 69 24 11 86 555.767 85 5.816 57 652 83 11 82 76.986 86 3.456 100 255 38 11 87 427.557 87 8.288 45 449 72 11 62 297.888 89 2.644 84 41 19 11 84 103.867 90 3.841 105 155 19 11 50 82.350 91 5.808 82 424 47 11 64 103.734 93 3.505 78 188 55 11 59 88.777 97 6.959 77 706 151 11 78 149.088 100 5.585 67 749 67 11 85 117.115 110 1.925 97 68 74 11 80 470.079 113 . . . . . 90 . 114 2.918 103 399 39 11 85 218.650 121 657 290 838 34 11 73 300.435 122 1.870 43 320 121 11 67 55.261 124 1.340 74 71 8 11 96 164.607 125 10.354 46 1.178 33 11 97 152.097 JOANNEUM

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Tabelle 5.5 Fortsetzung 2: Spezifische Emissionswerte, indirekter Wirkungsgrad und jährlich umgesetzte Brennstoff-Energiemenge für Zentralheizung-Holz (ZH-H) für 79 Feldmessungen

Meß-Nr. 129 130 131 133 141 142 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 157 158 159 160 161 162 164 165 167 168 176 178

Spezifische Emissionswerte indirekter (mg/MJ) Wirkungsgrad CO NOx org-C Staub SO2 (%) 2.476 40 102 17 11 79 7.559 72 416 16 11 82 6.416 33 714 40 11 89 2.897 73 353 29 11 93 1.161 320 10 66 11 74 3.917 58 840 43 11 74 3.543 154 218 86 11 67 1.886 130 86 37 11 82 4.246 97 453 72 11 70 5.273 104 339 54 11 73 3.629 102 229 34 11 67 2.920 56 225 25 11 88 1.418 128 98 65 11 . 646 188 23 24 11 73 981 306 18 46 11 71 4.656 126 367 115 11 48 5.085 43 254 20 11 87 3.282 80 269 65 11 78 3.763 108 457 62 11 63 6.017 110 752 74 11 72 7.155 66 1.305 128 11 75 5.996 92 119 223 11 71 2.195 172 67 35 11 75 4.381 99 794 83 11 72 5.098 87 713 128 11 71 2.158 196 144 58 11 82 4.799 99 403 64 11 69 4.322 61 629 89 11 92 3.151 96 184 44 11 93

jährlicher Energieeinsatz (MJ) 158.034 165.645 110.267 69.004 379.238 116.021 215.309 256.694 104.771 138.391 67.645 152.036 158.034 158.201 160.860 69.835 107.634 72.322 189.716 64.617 134.543 223.746 133.836 140.837 108.353 99.135 160.175 161.841 162.361

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Tabelle 5.6: Spezifische Emissionswerte, indirekter Wirkungsgrad und jährlich umgesetzte Brennstoff-Energiemenge für Zentralheizung-Kohle (ZH-K) für 50 Feldmessungen Spezifische Emissionswerte indirekter (mg/MJ) Wirkungsgrad Meß-Nr. CO NOx org-C Staub SO2 (%) 16 3.896 87 334 41 589 84 17 4.461 68 11 15 797 93 18 4.989 69 233 159 549 89 24 3.617 64 156 32 538 82 25 3.146 47 668 78 544 85 26 2.338 98 2 34 705 93 27 9.574 70 1.159 317 500 97 38 . . . . . 80 47 4.543 135 306 55 604 90 50 3.182 94 242 . 367 78 55 585 43 5 12 709 95 56 1.676 42 59 50 526 91 57 . . . . . . 60 1.429 10 1 2 709 97 70 5.586 139 428 29 397 65 72 2.252 72 92 26 607 91 73 4.127 69 151 22 648 94 76 3.379 165 164 49 530 81 77 5.629 121 294 174 399 74 79 2.635 89 164 27 590 80 80 4.420 76 662 13 119 88 83 4.008 99 211 73 376 74 92 3.812 141 181 27 241 . 94 4.025 140 379 87 509 61 95 7.933 130 1.405 471 294 74 96 4.122 66 619 141 475 85 98 2.809 104 146 18 675 82 99 2.623 72 73 21 596 82 104 4.873 97 414 215 391 87 105 4.947 138 281 86 291 81 106 5.529 82 418 401 444 84 107 4.991 102 353 26 530 72 109 3.229 99 390 42 262 56 111 5.117 72 7 186 705 90 115 . . . . . 97 116 . . . . . 87 123 2.507 116 242 141 911 95 126 7.419 35 187 20 643 98 127 2.140 30 190 20 525 92 136 5.077 54 306 30 515 95

jährlicher Energieeinsatz (MJ) 195.699 89.697 133.214 178.075 79.032 164.809 147.110 . 81.487 111.368 171.061 107.412 . 118.317 183.271 155.197 133.066 152.114 94.834 103.297 57.196 81.542 94.097 57.894 255.054 55.384 119.003 126.030 144.286 127.449 107.750 112.445 93.787 182.179 . . 38.224 66.758 56.513 172.596

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Tabelle 5.6 Fortsetzung 1: Spezifische Emissionswerte, indirekter Wirkungsgrad und jährlich umgesetzte Brennstoff-Energiemenge für Zentralheizung-Kohle (ZH-K) für 50 Feldmessungen Spezifische Emissionswerte indirekter (mg/MJ) Wirkungsgrad Meß-Nr. CO NOx org-C Staub SO2 (%) 138 5.889 19 1 59 709 94 139 7.924 7 1 7 709 98 140 4.928 17 2 9 709 98 169 5.089 139 616 440 707 80 171 2.238 52 120 28 637 95 172 2.407 45 85 30 595 95 173 . 12 343 21 357 94 174 4.143 49 5 8 709 95 175 1.364 20 127 34 530 90 179 3.690 36 490 80 440 96

jährlicher Energieeinsatz (MJ) 100.122 106.843 123.651 110.589 120.238 113.992 190.498 162.765 153.189 134.642

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5. 3 Statistische Darstellung

In

diesem

Kapitel

sind

die

erhobenen

Brennstoffenergiemengen

und

die

spezifischen Emissionswerte unter Verwendung statistischer Hilfsmittel dargestellt.

5.3.1 Boxplot-Darstellungen

Als grafische Darstellung für die Verteilung der spezifischen Emissionswerte und der Brennstoffeinsätze wurde der sogenannte Boxplot verwendet. Zu jedem Boxplot existiert eine Tabelle mit den zugehörigen statistischen Kennzahlen.

Tabelle zu den Boxplots Der Aufbau der Tabelle sieht folgendermaßen aus: Anzahl Meßgröße (Einheit)

Mittelwert

Median

Minimum

Maximum

25%Quantil

75%Quantil

EO-H EO-K ZH-H ZH-K

Anzahl..........................Anzahl der zur Berechnung verwendeten Werte Mittelwert .....................arithmetisches Mittel Median.........................50%-Quantil; jener Wert, der die nach der Größe geordneten Meßwerte in zwei Hälften teilt. Minimum......................kleinster Wert Maximum.....................größter Wert 25% Quantil .................25% der Werte liegen unter dem 25% Quantilswert 75% Quantil .................75% der Werte liegen unter dem 75% Quantilswert

Boxplot Der Boxplot ist eine graphische Darstellungsform der exploratorischen Statistik und dient zur Strukturierung und damit einer besseren Visualisierung von Daten. Der Aufbau des hier verwendeten Boxplots ist in Abbildung 5.1 skizziert. In einer der Größe nach geordneten Beobachtungsreihe wird zunächst ein Kasten (Box) gezeichnet, der durch die Quantile x75 und x25 begrenzt ist. Er beinhaltet also jenen Bereich, in dem 50% der Daten liegen. Anschließend wird mit x25 - 1.5 s und x75 + 1.5 s, wobei s die Spanne |x75 - x25| bedeutet, der sogenannte innere Zaun JOANNEUM

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Seite 24

(inner-fence)

gebildet.

Weiters

wird

der

jeweils

größte

bzw.

kleinste

Beobachtungswert im oberen bzw. unteren inner-fence Bereich (die sogenannten adjacent values) mit den Boxenenden verbunden. Werte außerhalb der „inneren Eingrenzung“ betrachtet man als Ausreißer und werden mit „o“ gekennzeichnet. Die Linie innerhalb der Box stellt den Median.

o o

Abbildung 5.1: Aufbau eines Boxplots An einem Boxplot läßt sich die Struktur der Verteilung einer Beobachtungsreihe sehr gut erkennen. Liegt der Median in der Boxmitte, so hat man es mit einer symmetrischen Verteilung zu tun, wobei (im Falle von Symmetrie) im Bereich der inneren Begrenzung ca 95% der Daten liegen. Aus der Lage des Medians und der Unsymmetrie der Länge der Verbindungslinien läßt sich auch die Schiefe einer Verteilung erkennen. Liegt der Median wie in Abbildung 5.1 im unteren Bereich der Box, so hat man es mit einer „rechtsschiefen Verteilung“ (mehr niedrige Werte weniger hohe) zu tun. Existieren Werte, die außerhalb liegen, deutet dies auf Ausreißer hin, bzw. auf eine heterogene Verteilung.

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5.3.2 Brennstoffenergiemengen

In

den

Abbildung

5.2

sind

die

erhobenen,

jährlich

umgesetzten

Brennstoffenergiemengen der gemessenen Feuerungsanlagen, getrennt nach Gruppen, dargestellt. Naturgemäß zeigt sich hier eine hohe Variabilität der Werte innerhalb der Gruppen (große Wertebereiche). In den Urdaten enthaltene unplausible Brennstoffmengenangaben wurden durch den Mittelwert der jeweiligen Gruppe ersetzt.

Anzahl 28 22 77 46

Mittelwert 25 557 24 646 150 396 123 126

Median 25 557 23 447 134 255 118 660

Minimum 5 022 4 237 11 577 38 224

Maximum 52 182 47 800 555 767 255 054

60 000

600 000

55 000

550 000

50 000

500 000

45 000

450 000

Brennstoff (MJ/Jahr)

Brennstoff (MJ/Jahr)

Brennstoff EO-H (MJ/Jahr) EO-K ZH-H ZH-K

40 000 35 000 30 000 25 000 20 000

400 000 350 000 300 000 250 000 200 000

15 000

150 000

10 000

100 000

5 000

50 000

0 N=

25%Quantil 75%Quantil 18 598 32 171 16 132 36 724 90 775 176 176 94 097 153 189

0 28

22

EO-H

EO-K

N=

Gruppe

77

46

ZH-H

ZH-K

Gruppe

Abbildung 5.2: Jährlich umgesetzte Brennstoffenergiemengen

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Seite 26

5.3.3 Spezifische Emissionswerte für die Schadstoffe CO, NOx, org-C, Staub und SO2

Die spezifischen Emissionswerte sind in Abbildung 5.3 bis Abbildung 5.7 dargestellt. Folgende Anmerkungen sind zu den einzelnen Schadstoffen zu machen: • CO (siehe Abbildung 5.3): Sowohl bei Einzelofen-Holz als auch bei Zentralheizung-Holz existieren extreme Werte. Dies kommt dadurch zustande, daß die Population der definierten Gruppen

in

sich

sehr

unterschiedlich

ist.

Die

Kombination

von

alter

Feuerungsanlage, schlechter Kaminzustand etc. ist ebenso enthalten wie neuere Anlagen. Für die Hochrechnung auf einen Gesamtmittelwert müssen die Extremwerte voll berücksichtigt werden, da die zu den Werten zugehörigen Anlagen Bestandteil der definierten Gruppe sind. Diese Aussage gilt auch für die anderen Schadstoffe. Auffallend bei Einzelofen-Holz ist die etwas linksschiefe Verteilung (d.h. Werte über dem Median streuen breiter, als unterhalb - daher ist die obere Boxhälfte breiter). • NOx (siehe Abbildung 5.4) Auch beim Schadstoff NOx ist zu erkennen, daß bei den Holzfeuerungen mehr aus der Box fallende Werte vorhanden sind, als bei Kohleheizungen. Die Breite der Box bei Einzelofen-Kohle ist in Relation zu den anderen Gruppen groß. Dies kann dadurch zustande kommen, da die Anzahl der Messungen in dieser Gruppe im Vergleich zu den anderen kleiner ist (einzelner Meßwert hat mehr Gewicht). • org-C (siehe Abbildung 5.5) Ähnlich wie bei CO existieren auch hier bei den Holzfeuerungen Extremwerte. Speziell bei Einzelofen Holz liegen zwei Werte um 4000 mg/MJ (Median: 347 mg/MJ), welche den Mittelwert für den durchschnittlichen Emissionsfaktor erheblich beeinflussen und den zugehörigen 95%-Vertrauensbereich auch dementsprechend vergrößern (siehe Tabelle 5.7)

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• Staub (siehe Abbildung 5.6) Die Staubwerte zeigen einen großen Streubereich und liegen bei Einzelöfen höher als bei Zentralheizungen. • SO2 (siehe Abbildung 5.7): Zu beachten ist, daß die SO2 Werte nicht gemessen sondern über Literaturwerte berechnet wurden, daher ergibt sich für den Brennstoff Holz ein einheitlicher Schwefelgehalt von 11 mg/MJ. Die Streubreite bei Kohleheizungen ergibt sich aus den Schwefelgehalten verschiedener Kohlen und dem Schwefelgehalt des bei den Feldmessungen zugefeuerten Holzes.

CO (mg/MJ)

EO-H EO-K ZH-H ZH-K

Anzahl 28 22 77 45

Mittelwert 4 341 3 618 4 641 4 095

Median 3 270 3 308 4 322 4 025

Minimum 893 123 163 585

Maximum 14 454 9 296 13 368 9 574

25%Quantil 2 619 2 102 2 770 2 632

75%Quantil 5 435 5 020 5 996 5 013

16 000 14 000

CO (mg/MJ)

12 000 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 0 N=

28

22

77

45

EO-H

EO-K

ZH-H

ZH-K

Gruppe

Abbildung 5.3: Verteilung der spezifischen Emissionswerte CO

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NOx (mg/MJ)

EO-H EO-K ZH-H ZH-K

Anzahl 28 22 77 46

Mittelwert 106 129 96 77

Median 93 110 85 72

Minimum 10 0 24 7

Maximum 447 387 320 165

25%Quantil 75 64 61 45

75%Quantil 115 181 106 102

500 450 400

NOx (mg/MJ)

350 300 250 200 150 100 50 0 N=

28

22

77

46

EO-H

EO-K

ZH-H

ZH-K

Gruppe

Abbildung 5.4: Verteilung der spezifischen Emissionswerte NOx

org.C (mg/MJ)

EO-H EO-K ZH-H ZH-K

Anzahl 28 22 77 46

Mittelwert 636 408 523 277

Median 347 222 424 200

Minimum 47 4 10 1

Maximum 4049 1480 2499 1405

25%Quantil 133 93 187 85

75%Quantil 671 622 713 379

4 500 4 000

org.C (mg/MJ)

3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 500 0 N=

28

22

77

46

EO-H

EO-K

ZH-H

ZH-K

Gruppe

Abbildung 5.5: Verteilung der spezifischen Emissionswerte org-C J OANNEUM

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Staub (mg/MJ)

EO-H EO-K ZH-H ZH-K

Anzahl 28 22 77 45

Mittelwert 147 203 103 86

Median 109 94 67 34

Minimum 21 13 8 2

Maximum 903 1051 628 471

25%Quantil 54 35 38 21

75%Quantil 159 191 128 87

1 100 1 000 900

Staub (mg/MJ)

800 700 600 500 400 300 200 100 0 N=

28

22

77

45

EO-H

EO-K

ZH-H

ZH-K

Gruppe

Abbildung 5.6: Verteilung der spezifischen Emissionswerte Staub

SO2 (mg/MJ)

EO-H EO-K ZH-H ZH-K

Anzahl 28 22 77 46

Mittelwert 11 322 11 542

Median 11 252 11 541

Minimum 11 113 11 119

Maximum 12 709 12 911

25%Quantil 11 182 11 440

75%Quantil 11 436 11 675

1 000 900 800

SO2 (mg/MJ)

700 600 500 400 300 200 100 0 N=

28

22

77

46

EO-H

EO-K

ZH-H

ZH-K

Gruppe

Abbildung 5.7: Verteilung der spezifischen Emissionswerte SO2 J OANNEUM

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5.3.4 Indirekter Wirkungsgrad

Die hier dargestellten Werte unterliegen den in Kapitel 4.3 angeführten Einschränkungen und sind mit entsprechender Vorsicht zu interpretieren. Die allgemein sehr hohen Wirkungsgrade hängen wesentlich von der Entfernung der Meßstelle von der Feuerungsanlage ab (d.h.: Die "Wärmegewinne" durch den Kamin sind im Wirkungsgrad der Feuerungsanlage berücksichtigt).

ind. Wirkungsgrad (%)

Anzahl 28 21 78 48

EO-H EO-K ZH-H ZH-K

Mittelwert 72 77 77 87

Median 71 79 76 90

Minimum 46 51 48 56

Maximum 95 93 97 98

25%Quantil 60 71 71 81

75%Quantil 84 87 85 95

100

indirekter Wirkungsgrad (%)

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 N=

28

21

78

48

EO-H

EO-K

ZH-H

ZH-K

Gruppe

Abbildung 5.8: Verteilung der indirekten Wirkungsgrade

5.4 Durchschnittliche Emissionsfaktoren

5.4.1 Ergebnisse

Zur

Ermittlung

der

Emissionsfaktoren

wurden

die

Ergebnisse

von

173

Feldmessungen herangezogen. 7 Feldmessungen konnten nicht zur Ermittlung der spezifischen Emissionswerte herangezogen werden. Der Grund dafür lag in der J OANNEUM

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Seite 31

nicht möglichen Bestimmung des zeitlichen Verlaufes des Volumenstromes und dem Fehlen von Meßwerten in wichtigen Emissionsphasen. Die in der Tabelle 5.7 angeführten Emissionsfaktoren (mg/MJ) gelten für die derzeit (1997/98)

vorhandene

durchschnittlichen

Anlagenverteilung

in

Schadstoffemissionen

Österreich

bezogen

und

auf

die

stellen

die

eingesetzte

Brennstoffenergie im Jahresmittel dar.

Tabelle 5.7: Durchschnittliche Emissionsfaktoren (mg/MJ) österreichischer Festbrennstoff-Feuerungsanlagen im Sektor Kleinverbrauch für den Anlagenbestand 1997/98 Gruppe

Einzelofen

Einzelofen

Schadstoff

Holz

Kohle

Holz

Kohle

CO

4.463

3.705

4.303

4.206

95%-Vertrauens-

2.916

6.010

2.120

5.290

Zentralheizung Zentralheizung

3.519

5.088

3.311

5.100

bereich

± 35%

± 43%

± 18%

± 21%

NOx

106

132

107

78

95%-Vertrauens-

70

140

78

185

79

136

61

94

bereich

± 34%

± 41%

± 26%

± 22%

org-C

664

341

448

288

95%-Vertrauens-

255

1.073

184

497

338

559

143

432

bereich

± 62%

± 46%

± 25%

± 50%

Staub

148

153

90

94

95%-Vertrauens-

80

217

76

230

67

112

43

145

bereich

± 46%

± 50%

± 26%

± 54%

SO2*)

11

340

11

543

95%-Vertrauensbereich

-

-

207

472

± 39%

-

-

471

615 ± 13%

95%-Vertrauensbereich (absolut und relativ): Bereich, in dem der wahre Wert mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% liegt *) Holz: Wert berechnet mit einem Schwefelgehalt aus der Literatur - daher kein Vertrauensbereich; Kohle: Wert berechnet mit den Schwefelgehalten verschiedener Kohlen aus der Literatur und dem Schwefelgehalt des bei den Feldmessungen zugefeuerten Holzes.

Die angeführten Emissionsfaktoren sind für Berechnung der gegenwärtigen Gesamtemissionen von Feuerungsanlagen für feste Brennstoffe im privaten Sektor für Österreich geeignet. Sie dürfen nicht für die Charakterisierung einzelner Anlagen J OANNEUM

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herangezogen werden und geben auch keine Auskunft über den derzeit möglichen Stand der Technik bei neuen Festbrennstofffeuerungen.

Bemerkung zu den Vertrauensbereichen: Der 95%-Vertrauensbereich wird über die Standardabweichung (= Maß für die Streuung der Werte, d.h. je weiter die Werte auseinanderliegen, desto größer ist die Standardabweichung) und den Quantilen der Normalverteilung berechnet /6/. Die weitgestreuten, spezifischen Emissionswerte und Brennstoffenergiemengen (siehe Kapitel 5.2 und 5.3) sind daher die Hauptursache für die relativ großen Vertrauensbereiche.

Der 95%-Vertrauensbereich bei den Gruppen der Einzelöfen zeigt im Unterschied zu den Zentralheizungen größere Vertrauensbereiche. Dies kommt unter anderem auch dadurch zustande, daß von den ursprünglich 35 geplanten Messungen pro Gruppe schließlich 29 (EO-H) bzw. 22 (EO-K) realisiert werden konnten. Durch den relativ geringen Anteil am Gesamtenergieverbrauch (im privaten Sektor) von vorwiegend mit Holz bzw. Kohle befeuerten Einzelofenanlagen (13% bzw 4% - aus Mikrozensus 1997 und aus eigenen Berechnungen ermittelte Werte) wirkt sich diese größere Ungenauigkeit für Berechnungen von Gesamtemissionen nicht sehr stark aus.

5.4.2 Gültigkeitsbereich

Die angeführten Emissionsfaktoren sind für Berechnung der gegenwärtigen Gesamtemissionen von Feuerungsanlagen für feste Brennstoffe im Sektor Kleinverbrauch für Österreich geeignet. Sie dürfen nicht für die Charakterisierung einzelner Anlagen herangezogen werden und geben auch keine Auskunft über den derzeitigen Stand der Technik bei neuen Festbrennstofffeuerungen. Die spezifischen, ungewichteten Emissionswerte zeigen die Verteilung der Schadstoffemissionen

einzelner

Ofenreisen

und

können

bedingt

für

Einzelbetrachtungen herangezogen werden.

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Seite 33

5.4.3 Vergleich mit den Emissionsfaktoren 1995

Zur Ermittlung der neuen Emissionsfaktoren wurde ein speziell dafür ausgerichtetes Meßprogramm nach einem statistischen Modell durchgeführt. Die so erhaltenen Emissionsfaktoren beziehen sich auf vier Gruppen (EO-H, EO-K, ZH-H, ZH-K), während die im Energiebericht 1996 /7/ angegebenen Emissionsfaktoren nach 3 Anlagengruppen

(Einzelofen,

Etagenheizung,

Zentralheizung)

und

mehreren

Brennstoffarten (z.B.: Hackgut trocken, Hackgut feucht, Steinkohle, usw.) gegliedert sind. Die Grundlage für die Emissionsfaktoren 1995 war eine von JOANNEUM RESEARCH erstellte Studie aus dem Jahre 1994 /8/.

Ein direkter Vergleich von "alt" und "neu" ist also nicht möglich.

Als weiteren Unterschied beinhalten alle neu ermittelten Emissionsfaktoren auch die Emissionen der Anheizphase (das heißt, bei Kohlefeuerungen auch Emissionen aus der Holzverbrennung wegen des zugefeurten Holzes).

In den Tabellen 5.8 bis 5.10 sind die Werte der bisher verwendeten Emissionsfaktoren 1995 (Energiebericht 1996 /7/), nach Einzelofen - Etagenheizung - Zentralheizung gruppiert, dargestellt.

Tabelle 5.8: Durchschnittliche Emissionsfaktoren 1995 für Einzelöfen (Energiebericht 1996) Brennstoff Scheitholz (sonstige Öfen) Scheitholz (Kachelofen) Holz-Briketts Steinkohle Steinkohle-Briketts Steinkohlekoks Braunkohle Braunkohle-Briketts

CO (mg/MJ)

NOx (mg/MJ)

org-C (mg/MJ)

Staub (mg/MJ)

SO2 (mg/MJ)

8.100 3.100 8.100 9.900 5.700 7.900 11.000 4.600

40 40 40 110 90 110 70 30

2.700 190 2.700 1.500 550 110 1200 700

30 30 30 310 150 50 270 80

11 11 11 640 640 700 530 600

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Tabelle 5.9:

Durchschnittliche Emissionsfaktoren 1995 für

Etagenheizungen (Energiebericht 1996) Brennstoff Scheitholz Hackgut trocken Holz-Briketts Steinkohle Steinkohle-Briketts Steinkohlekoks Braunkohle Braunkohle-Briketts

CO (mg/MJ)

NOx (mg/MJ)

org-C (mg/MJ)

Staub (mg/MJ)

SO2 (mg/MJ)

6.000 1.400 6.000 6.600 3.800 6.600 5.100 2.900

40 110 40 190 160 140 80 65

1.300 30 1.300 930 340 65 1.100 400

30 70 30 310 150 50 270 100

11 11 11 640 640 700 530 600

Tabelle 5.10: Durchschnittliche Emissionsfaktoren 1995 für Zentralheizungen (Energiebericht 1996) Brennstoff Scheitholz Hackgut trocken Hackgut feucht Holz-Briketts Steinkohle Steinkohle-Briketts Steinkohlekoks Braunkohle Braunkohle-Briketts

CO (mg/MJ)

NOx (mg/MJ)

org-C (mg/MJ)

Staub (mg/MJ)

SO2 (mg/MJ)

2.400 1.400 1.400 2.400 5.100 2.900 5.100 5.100 2.900

85 110 130 85 190 160 140 170 140

85 30 35 85 930 340 65 910 330

35 70 70 35 310 150 50 320 150

11 11 12 11 640 640 700 530 600

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6 LITERATUR

/1/ Stiglbrunner R., Enzinger P., Fankhauser G., Fritz W., Golja F., Spitzer J.: "Emissionsfaktoren für feste Brennstoffe: Zwischenbericht Zweite Phase"; JOANNEUM RESEARCH, Graz, November 1997

/2/ Stiglbrunner R., Golja F., Spitzer J.: "Emissionsfaktoren für feste Brennstoffe: Erste Phase - Durchführung von Vorversuchen zur Entwicklung einzelner Meßmethoden", Endbericht; JOANNEUM RESEARCH, Graz, Oktober 1996

/3/ Stiglbrunner R., Golja F., Gölles J., Spitzer J.: "Vorprojekt für ein Meßprogramm zur Ermittlung der Emissionsfaktoren für die Schadstoffe SO2, CO, NOx, org-C und Staub bei Feuerungsanlagen für feste Brennstoffe im privaten Sektor", JOANNEUM RESEARCH, Graz, Dezember 1994

/4/ Geißler S., Bertsch E.: "GEMIS-Österreich-Anpassung: Primärenergie und Graue Energie", Österreichisches Ökologie-Institut, Wien, November 1996

/5/ Recknagel H., Sprenger E., Hönmann W.: "Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik", Oldenbourg Verlag München Wien, 1990

/6/ Hartung J.: "Statistik", Oldenbourg Verlag München Wien, 1989 /7/ Energiebericht 1996 der österreichischen Bundesregierung, Bundesministerium für wirtschaftliche Angelegenheiten /8/ Stanzel W., Jungmeier G., Spitzer J.: "Emissionsfaktoren und energietechnische Parameter für die Erstellung von Energie- und Emissionsbilanzen im Bereich Raumwärmeversorgung", JOANNEUM RESEARCH, Graz, Juni 1995

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