Holz ist gespeicherte Sonnenenergie!
Von allen irdischen Lebewesen sind nur die grünen Pflanzen in der Lage, Sonnenenergie aufzunehmen und chemisch zu speichern. Dieser Vorgang wird Photosynthese genannt.
Kohlendioxid und Wasser wird durch Zufuhr von Sonnenenergie in Zuckerverbindungen umgewandelt. Aus diesen werden die Bestandteile des Holzes gebildet. Das Chlorophyll der Blätter und Nadeln lässt CO2 und Wasser miteinander reagieren.
Die bei der Photosynthese wirksame Sonnenenergie ist messbar. Zur Bildung von Glukose (C6H12O6 )werden 2.872 kJ (0,8 kWh) gebraucht und somit gespeichert.
Als Nebenprodukt dieses Vorgangs fällt Sauerstoff an.
Photosynthese
Bei der Verbrennung von Holz wird der Prozess der Photosynthese umgekehrt. Aus Zellulose entsteht wieder Wasser und CO2 . Ein geschlossener Kreislauf!
Verbrennungsablauf:
Der komplette Kreislauf in der Natur lässt zeitgleich Biomasse entstehen und wieder in die Einzelteile zerlegen. Die fossilen Energieträger Öl, Kohle und Gas sind vor Millionen von Jahren durch die Bindung von CO2 entstanden. Der damalige CO2 Gehalt der Luft ließ kein menschliches Leben zu. Durch die Deponierung von Kohlenstoff unter Sauerstoffabschluss sank der CO2 Gehalt in der Atmosphäre. Seit 100 Jahren verbrennen wir diese Kohlenstoffvorräte, dabei entsteht zusätzliches CO2 , das nicht in demselben Maße wieder eingebaut werden kann. Dieser damit verbundene Anstieg des CO2 Gehaltes in der Atmosphäre bewirkt den sogenannten Treibhauseffekt , die erhöhte Absorbierung der Sonnenenergie in der Atmosphäre und dadurch deren Erwärmung. Klimatische Veränderungen und Naturkatastrophen sind die Folgen.
Kreislauf
Aus den folgenden Elementen besteht Holz:
Chemische Zusammensetzung von Holz | ||
---|---|---|
Kohlenstoff | C | ca. 50% |
Sauerstoff | O | ca. 42% |
Wasserstoff | H | ca. 6% |
Stickstoff | N | ca. 1% |
+ Mineralstoffe |
in Form von: | |
---|---|
Zellulose | ca. 50% |
Lignin | ca. 25 – 30% |
Polysaccharide (Hemizellulosen) | ca. 20% |
+ Harze, wachse, Fette, Öle |
Holz besteht zu fast 50% aus Zellulose, die dem Holz die Struktur verleiht und die zusammen mit der Hemizellulose das Traggerüst darstellt. Das Lignin als Bindemitteln ist in diese Struktur eingebettet. Holz kann man sich ähnlich wie Stahlbeton vorstellen, die Zellulose stellt den Stahl und das Lignin ist den Zement.
Der Heizwert des Holzes
Als Heizwert (Hu) – im Unterschied zum theoretischen Brennwert - eines Brennstoffes wird jene Wärmemenge angegeben, die der Brennstoff in der Lage ist abzugeben. Der Heizwert des Holzes ist im wesentlichen von 2 Einflussgrößen abhängig:
- Wassergehalt
- Gewicht je Raumeinheit (Dichte)
Der Heizwert in Abhängigkeit vom Wassergehalt:
Je mehr Wasser im Holz enthalten ist, desto geringer wird sein Heizwert, da das Wasser im Verlauf des Verbrennungsvorganges verdampft und dabei Wärme verbraucht wird. Der Wassergehalt (w) des Holzes ist die in Prozenten angegebene Masse an Wasser bezogen auf die Gesamtmasse (Frischgewicht).
Beispiel: "Waldfrisches Holz", das je zur Hälfte seines Gewichtes aus reiner Holzmasse und Wasser besteht, hat somit einen Wassergehalt von 50% (100% Holzfeuchte).
Aus dem Diagramm kann der Heizwert (Hu) in Abhängigkeit des Wassergehaltes direkt entnommen werden. Der nutzbare Energieinhalt sinkt mit zunehmendem Wassergehalt deutlich.
Beispiel: Bei einem Wassergehalt von w=20 % liegt der Heizwert bei 4,0 kWh pro kg Holz.
Die folgende Grafik zeigt die Abhängigkeit des unteren Heizwertes von der Holzfeuchtigkeit bei Nadelholz und Laubholz:
Bezogen auf die Masse (Gewicht) des Holzes ist der Unterschied der einzelnen Holzarten im Heizwert vernachlässigbar gering.
Das folgende Säulendiagramm stellt den Heizwert verschiedener Baumarten bei 25% Wassergehalt im Vergleich zu Buche dar. Die Basis des Vergleichs ist das Gewicht! Holzbriketts oder Pellets werden nach Gewicht gehandelt. Es wird deutlich, dass Nadelhölzer aufgrund des höheren Harzanteils einen höheren Heizwert je Gewichtseinheit als die Laubhölzer haben.
Relativer Heizwertvergleich verschiedener Holzarten nach Gewicht
Der Vergleich nach Volumeneinheit ergibt bei einem Wassergehalt von 25% ein anderes Bild . Die Pappel hat bei der Volumenbetrachtung nur 60% des Heizwertes im Vergleich zur Buche, bei der Gewichtsbetrachtung jedoch nahezu den gleichen Heizwert.
Stufen der Holzverbrennung
Die Verbrennung von Holz ist ein komplexer Vorgang, der in mehreren Stufen abläuft. Die Verbrennung beginnt mit der Trocknungs- und Entgasungsphase. Das Holz gibt zunächst das Wasser ab. Da für die Verdampfung des Wassers Energie gebraucht wird, verringert sich der Heizwert mit steigendem Wassergehalt. In dieser Phase steigt die Temperatur des Holzes kaum über 100°C. Wenn das auf der Oberfläche anhaftende und in den Zellen befindliche Wasser verdampft ist, steigt die Temperatur.
Bereits ab 60°C werden aus der Holzsubstanz die ersten organischen Abbauprodukte in Spuren freigesetzt. Die eigentliche thermische Zersetzung beginnt bei 160 – 180°C (Pyrolyse und Entgasungsphase). Mit steigender Temperatur nehmen die Abbaureaktionen immer stärker zu. Ab einer Temperatur von 250°C nimmt der Zersetzungsvorgang stark zu. Jetzt erzeugen die Zersetzungsreaktionen mehr Wärme als sie verbrauchen. In dieser Phase sind die Pyrolysereaktionen stark exotherm. Dann hat das Holz rund 85% seiner Masse in Form von Wasser, Kohlenstoff und brennbaren gasförmigen Produkten verloren. Es bleibt die energiereiche Holzkohle.
Die eigentliche Verbrennung von Holz gliedert sich in 4 Stufen. Oft laufen diese Stufen parallel ab.
Stufen der Holzverbrennung | |
---|---|
Austreibung der Restfeuchte | < 100 °C |
Beginnende Zersetzung | 100 – 200°C |
Verbrennung von Holzgas | 250 – 1.100°C |
Verbrennung von Holzkohle | 500 – 800°C |
Holzfeuer brauchen zweimal Luft
- ca. 80% Primärluft für Zersetzung (Pyrolyse), Holzgasbildung und Holzkohleabbrand
- ca. 20% heiße Sekundärluft für vollständigen Ausbrand der Holzgase
Während der Entgasungsphase werden 70% des Heizwertes von Holz freigesetzt. Das bei der Entgasung gebildete Gas enthält als brennbare Bestandteile vor allem Kohlenmonoxid, Wasserstoff und organische Verbindungen. Das Gas ist sehr reaktiv und reagiert unter Flammenbildung in Gegenwart von Luft zu CO2 und H2O durch Freisetzung von Wärme. Werden die Verbrennungsvorgänge an dieser Stelle z.B. durch Wärmeentzug gestört, dann entsteht ein schadstoffreiches und geruchsintensives Gas, dass mit schwer flüchtigen organischen Verbindungen, Ruß und Teer beladen ist.
Bei den Reaktionen in der Flamme mit der Verbrennung der Brenngase ist es notwendig ausreichend Luftsauerstoff zuzuführen und mit dem Brenngas gut zu vermischen, sowie ausreichend lang reagieren zu lassen.
Verbrennungsvorgangs entstehen Holzgase und Holzkohle. Die Holzgase stellen ca. 2/3 des Energieanteils, die Holzkohleumsetzung hingegen stellt ca. 1/3 Energieanteil.
Verbrennungsablauf:
Reaktionsverlauf bei der Holzverbrennung:
Das Endprodukt der Pyrolyse (Entgasung) von Holz ist die Holzkohle. Dieser kohlenstoffreiche Rückstand (ca. 90% C) verbrennt bei Temperaturen von über 600°C mit einer kleinen Flamme. Die Oxidation von Holzkohle setzt nochmals ca. 30% des Heizwertes von Holz frei. Am Ende der Verbrennung verbleibt die Asche mit einem Massenanteil von ca. 0,5-1%.
Holzkohle verbrennt weniger heftig. Luftsauerstoff muß die Oberfläche der Holzkohle erreichen. Es entsteht zuerst CO, das dann weiter mit Luftsauerstoff zu CO2 reagiert.
Schnittbild der Verbrennungszonen
Reaktionsverlauf bei der Holzverbrennung
Die erste Stufe der Verbrennung ist das noch im Holz enthaltene Wasser. Wichtig ist, dass schnell hohe Temperaturen erreicht werden und die Vergasung einsetzen kann. Bei zu feuchtem Holz oder ungenügender Luftzufuhr wird der Verbrennungsvorgang gestört – die Folge sind hohe Emissionen.