Entwicklung und Perspektiven der Holzenergie - Forum

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Forum Holz│Bau│Energie Köln 10
Entwicklung und Perspektiven der Holzenergie| Dr. Th. Nussbaumer
Entwicklung und Perspektiven der
Holzenergie
Dr. Thomas Nussbaumer
Prof.
Hochschule Luzern – Technik & Architektur
Horw, Schweiz
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Entwicklung und Perspektiven der
Holzenergie
1.
Vor- und Nachteile der Holzenergie
Holz weist spezifische Vor- und Nachteile im Vergleich zu fossilen Brennstoffen sowie anderen erneuerbaren Energieträgern auf.
Vorteile:
Holz ist erneuerbar und somit nahezu CO2-neutral, sofern der Holzanbau nachhaltig
erfolgt. Die Substitution von Öl und Gas und in Zukunft noch vermehrt von Kohle
durch Holz ist damit eine wirksame Massnahme zur Reduktion der fossilen Treibhausgasemissionen (Abbildung 1).
Der Anfall von Holz ist global gleichmässiger verteilt als Kohle, Erdöl, Gas und Uran.
Unter den erneuerbaren Energie ist Holz und andere stabile Biomasse die einzige direkt in speicherbarer Form anfallende Energie.
Biomasse ist heute global der wichtigste erneuerbare Energieträger mit einem Anteil
von rund 10% am Weltenergiebedarf und der Anteil kann noch mindestens verdoppelt
bis verdreifacht werden.
Nachteile:
Das Potenzial von Holz ist begrenzt und kann unter ökonomischen und ökologischen
Randbedingungen nur einen Teil des Weltenergiebedarfs decken, dies im Gegensatz
zur Solarenergie, deren Leistung rund dem 10'000-fachen des Weltenergiebedarfs
entspricht.
Holz weist als Energieträger Nachteile gegenüber Erdöl und Erdgas auf:
- Die Energiedichte ist deutlich geringer (pro Masse und noch mehr pro Volumen)
(Abbildung 2).
- Die Verbrennung ist komplexer, da Holz zuerst vergast wird und sowohl Gase als
auch Holzkohle vollständig oxidiert werden müssen. Entsprechend ist es technisch
anspruchsvoller, eine vollständige Verbrennung zu erzielen. Holzfeuerungen sind deshalb – und wegen der geringeren Energiedichte – wesentlich grösser, aufwändiger
und mit deutlich höheren Investitionskosten verbunden und sie verursachen zum Teil
hohe Emissionen an unverbrannten Stoffen (Abbildung 3), nämlich:
- unverbrannte gasförmige Schadstoffe (CO, Volatile Organic Compounds, VOC),
- unverbrannte kondensierbare Schadstoffe (Condensable Organic Compounds,
COC = Teere)
- unverbrannte partikuläre Schadstoffe (Russ, annähernd elementares C).
- Holz enthält anorganische Elemente (N, K, Mg, Ca, Cl, ...) welche die Verbrennung
stören (Asche, Schlackebildung, Korrosion) und auch bei vollständiger Verbrennung
zu Schadstoffemissionen führen (Stickoxide aus Holzstickstoff, anorganische Partikel
aus Asche und weitere Verbindungen).
Neutrale Eigenschaften:
Holz weist einen hohen Nutzwert als Rohstoff auf (ökonomisch und ökologisch zur Substitution fossiler Ressourcen). Aus diesem Grund soll die Nutzung von Holz aus ökonomischen und ökologischen Gründen gemäss dem Kaskadenprinzip erfolgen. Wenn mehr
Holz als Rohstoff genutzt wird, fällt gleichzeitig mehr Restholz für energetische Zwecke
an. Langfristig steht das verbaute Holz beim Abbruch als Altholz zur Verfügung, das in
geeigneten und mit Abgasreinigung ausgerüsteten Anlagen energetisch genutzt werden
kann. Ein Zielkonflikt zwischen Nutzung von Holz für Energie und als Rohstoff sollte vermieden werden.
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Eine starke Subventionierung der Holzenergie ohne gleichzeitige Förderung von Holzprodukten kann insgesamt kontraproduktiv bezüglich Klimaeffekt sein, wenn dadurch im
Energiesektor fossile Ressourcen substituiert werden, jedoch mehr nicht erneuerbare
Ressourcen für Produkte (zum Beispiel im Bau) genutzt werden. Die Holzenergie ist deshalb nur soweit zu unterstützen, als dass die Waldbewirtschaftung nachhaltig und die
Holznutzung nach dem Kaskadenprinzip erfolgt.
Abbildung 1: Kumulierter Energieaufwand und Treibhausgasemissionen
von Heizsystemen
Abbildung 2: Energiedichte verschiedener Brennstoffe
Abbildung 3: Ökobilanz von Heizsystemen
2.
Feinstaub aus Holzheizungen
Die Nutzung von Holzenergie gewinnt zunehmend an Bedeutung, da Holz als erneuerbarer Energieträger zum Ersatz fossiler Ressourcen dient und bei einer nachhaltigen Nutzung des Waldes nicht zu einer zusätzlichen CO2-Eintragung in die Atmosphäre führt. Bei
einer Nutzung von Energieholz gilt es zu beachten, dass die Vorteile ausgenützt werden
und gleichzeitig die Auswirkungen der Nachteile auf ein akzeptables Mass reduziert werden. Ein Schwerpunkt betrifft die erhöhten Schadstoffemissionen, die es durch Technik
und Betrieb zu vermeiden gilt. Entscheidend sind primäre Aerosole und Vorläuferstubstanzen von sekundären Aerosolen, die zusammen zum Feinstaub in der Umgebungsluft
beitragen. Daneben sind Stickoxide, organische Verbindungen und - vorab bei kontaminierten Sortimenten - Schwermetalle sowie HCl und Dioxine zu beachten.
Abbildung 4: Holznutzung und Beitrag zu Feinstaub
Abbildung 6: Arten der Emissionen und Hauptquellen
Abbildung 5: Vergleich der Mengen und Toxizität der
Staubemissionen von Holz und Diesel
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3.
Techniken zur Holzenergie-Nutzung
Die Nutzung von Holzenergie gewinnt zunehmend an Bedeutung, da Holz als erneuerbarer Energieträger zum Ersatz fossiler Ressourcen dient und bei einer nachhaltigen Nutzung des Waldes nicht zu einer zusätzlichen CO2-Eintragung in die Atmosphäre führt. Bei
einer Nutzung von Energieholz gilt es zu beachten, dass die Vorteile ausgenützt werden
und gleichzeitig die Auswirkungen der Nachteile auf ein akzeptables Mass reduziert werden. Ein Schwerpunkt betrifft die erhöhten Schadstoffemissionen, die es durch Technik
und Betrieb zu vermeiden gilt. Entscheidend sind primäre Aerosole und Vorläuferstubstanzen von sekundären Aerosolen, die zusammen zum Feinstaub in der Umgebungsluft
beitragen. Daneben sind Stickoxide, organische Verbindungen und - vorab bei kontaminierten Sortimenten - Schwermetalle sowie HCl und Dioxine zu beachten.
Prioritär ist die Erzielung einer annähernd vollständigen Verbrennung und dadurch einer
primärseitigen Reduktion von CO, VOC, COC und Russ.
Als technische Massnahme kommt eine gestufte Verbrennung zum Einsatz, bei der das
Holz mit Primärluft vergast wird und die brennbaren Gase anschliessend homogen mit
Sekundärluft zur vollständigen Oxidation in einer anschliessenden Nachbrennkammer
vermischt werden (Abbildung 7).
Abbildung 7: Zweistufiger Verbrennungsvorgang mit Primär- und Sekundärluft.
Dieses Prinzip ist heute Standard für Stückholzkessel, Pelletfeuerungen und automatische
Holzfeuerungen. Um eine ausreichende Vermischungsqualität zu erzielen und das Brennstoff/Luft-Verhältnis zu regulieren, werden Luft oder Abgas mechanisch gefördert und bei
aufwändigeren Feuerungen elektronisch geregelt, wozu entsprechende Sensoren (Temperaturmessung, Lambda-Sonde, Volumenstrommessung und andere) zum Einsatz kommen.
Abbildung 8 zeigt die technische Umsetzung der zweistufigen Verbrennung am Beispiel
eines Stückholzkessels mit unterem Abbrand. Bei Holzöfen sind die technischen Möglichkeiten dagegen beschränkt und es kommt meist ein konventionelles Verbrennungsprinzip
ohne erzwungene Luftzufuhr und separate Nachbrennkammer zum Einsatz.
Abbildung 8: Anwendung der zweistufigen Verbrennung am Beispiel eines Sturzbrandkessels.
Eine gute Verbrennungstechnik ist eine notwendige, aber keine hinreichende Voraussetzung, um tiefe Emissionen sicher zu stellen. Ebenso entscheidend ist im Fall von Kesseln eine geeignete hydraulische Einbindung der Anlagen. Zu Heizzwecken eingesetzte
Stückholzkessel müssen mit einem ausreichend dimensionierte Wärmespeicher ausgeführt werden, damit eine Drosselung der Leistung unter die zulässige Minimallast während des Betriebs ausgeschlossen wird, da dies zu drastisch erhöhten Emissionen an unverbrannten Stoffen führt (Abbildung 9).
Abbildung 9: Systemintegration einer Holzheizung mit Wärmespeicher und Solaranlage.
Bei automatischen Feuerungen kommen oft Zweikessel-Anlagen und/oder bivalente Systeme zum Einsatz. Ausserdem bietet sich oft ein technischer Wärmespeicher an, dank
dem die Anzahl Starts der Anlage reduziert wird.
Besonders wichtig im praktischen Einsatz ist die Verwendung eines geeigneten Brennstoffs sowie ein korrekter Betrieb der Feuerung. Dies gilt grundsätzlich für automatische
und handbeschickte Feuerungen. Bei handbeschickten Feuerungen ist allerdings der Einfluss der Betriebsweise besonders gross. Entscheidend ist ein korrektes Anfeuern, da die
Startphase mit erhöhten Emissionen verbunden ist und zum Teil auch den weiteren Verlauf des Abbrands bestimmt.
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Für konventionelle Holzöfen wird empfohlen, den Brennraum nicht zu überfüllen und den
Holzstapel von oben mit einem Anzündmodul anzufeuern. Im Weiteren dürfen die Luftklappen nicht ganz verschlossen werden, um den Holzabbrand mit einem Schwelbrand zu
verzögern, da dabei grosse Mengen an Schwelgasen entweichen. Selbstredend ist für
kleine Holzöfen nur naturbelassenes und luftrockenes Holz zu verwenden und auf eine
geeignete Stückgrösse zu achten (Abbildung 10).
Abbildung 10: Empfehlung "Richtig Anfeuern" für konventionelle
Holzöfen mit einstufiger Verbrennung (oberer Abbrand)
In automatischen Holzfeuerungen können die Bedingungen für einen annähernd vollständigen Ausbrand bei stationärem Betrieb in der Regel erreicht werden. Auch hier kommen eine erste Umwandlung mit Primärluft gefolgt von einer Gasphasenoxidation mit
Sekundärluft zum Einsatz (Abbildung 11).
Abbildung 11: Automatische Holzfeuerungen: Unterschub- und Rostfeuerung
Zur weiteren Optimierung der Feuerungsanlagen, etwa um auch einen guten Teillastbetrieb zu ermögichen, den Luftüberschuss weiter abzusenken (und damit die Wirkungsgrade zu erhöhen), kommen heute Verfahren zur Modellierung der Strömung mit Computational Fluid Dynamics (CFD) zum Einsatz. An der Hochschule Luzern – Technik & Architektur, werden begleitend dazu auch experimentelle Strömungsmessungen an Modellen
durchgeführt, um etwa das Auftreten von Turbulenz und Wirbeln korrekt zu erfassen
(Abbildung 12).
Abbildung 12: Strömungsoptimierung mit CFD und Strömungsexperimenten
Für grössere Leistungen bietet sich auch die Wirbelschichttechnik an, die sich durch hohe
Wärme- und Stoffaustauschraten auszeichnet und deshalb gute Ausbrandwerte bei tiefem Luftüberschuss ermöglicht. Dank kontrollierter Wärmeabfuhr aus dem Wirbelbett ist
zudem eine Entkopplung zwischen Wärme- und Stoffhausalt möglich, so dass unerwünschte Verschlackung durch Temperaturbegrenzung vermieden werden kann (Abbildung 13).
Abbildung 13: Wirbelschichtfeuerungen
Bei annähernd vollständiger Verbrennung führen anorganische Verbindungen im Holz zu
salzartigen Verbindungen, die im heissen Abgas teilweise dampfförmig und im kalten Abgas partikulär vorliegen. Bei handbeschickten Feuerungen und bei Pelletheizungen sind
die entsprechenden Staubgehalte meist gering. Automatische Holzfeuerungen verursachen dagegen hohe Emissionen an anorganischen Feststoffen. Während Russ und Teer
stark toxisch und karzinogen sind, sind Salze kaum toxisch oder karzinogen. Sie sind
aber als Feinstaub lungengängig und können so auch als Träger von Schadstoffen wirken
und möglicherweise entzündend wirken. Aus diesem Grund sind auch diese Staubemissionen zu vermindern und es wird in der Gesetzgebung bis anhin kein Unterschied
zwischen Partikeln verschiedener Zusammensetzung gemacht, sondern lediglich die Massenkonzentration begrenzt.
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Entwicklung und Perspektiven der Holzenergie| Th. Nussbaumer
Zur Staubminderung kommt für automatische Holzfeuerungen zunehmend Feinstaubascheider zum Einsatz. Verbreitet sind Elektroabscheider und Gewebefilter. Elektroabscheider sind teurer in der Anschaffung, jedoch robuster im Betrieb und sie verursachen
geringere Betriebskosten. Gewebefilter ermöglichen noch tiefere Reingaswerte, sie sind
jedoch anfällig auf Funken und Kondensat. Wegen der Zerstörung durch Kondensatanfall
werden sie für trockene Brennstoffe eingesetzt und sie bieten sich zum Beispiel für
Altholz an, da nebst Feinstaub gleichzeitig saure Schadgase wie HCl und HF durch Trockensorption sowie Dioxine durch Kokszugabe abgeschieden werden können (Abbildung
14). Obwohl durch die Feinstaubabscheidung zusätzliche Kosten entstehen, wird dies
heute durch verschärfte Grenzwerte ab einer bestimmten Leistungsklasse gefordert. Bei
Betrachtung der Gesamtkosten zeigt sich, dass der Einfluss auf die Wärmegestehungskosten bereits ab 200 kW bis 500 kW tragbar ist und deshalb zum Beispiel in der
Schweiz durch die verschärfte Luftreinhalte-Verordnung notwendig wird (Abbildung 15).
Abbildung 14: Prinzipien und Aufbau von Feinstaubabscheidern
Abbildung 15: Wärmegestehungskosten automatischer Holzheizwerke mit und ohne Feinstaubabscheider
4.
Holz als Kohlenstoff-Ressource und für Strom
Biomasse ist der einzige nicht-fossile Kohlenstoffträger. In einer post-fossilen Ära werden
deshalb sämtliche technischen Anwendungen von Kohlenstoff, die heute durch petrochemische Rohstoffe abgedeckt werden, durch Biomasse erfüllt werden müssen (Kunststoffe, Pharma, Dünger usw.). Dies deutet an, dass in ferner Zukunft Biomasse als Rohstoff noch dramatisch an Bedeutung gewinnen wird. In der Energietechnik wird Biomasse
dort zum Einsatz kommen müssen, wo sehr hohe Energiedichte unabdingbar ist. Dies
betrifft etwa den Flugverkehr, wo ein Ersatz von flüssigen oder gasförmigen Treibstoffen
nicht absehbar ist. Dies gilt im Gegensatz zum Bodenverkehr, wo eine sukzessive Elektrifizierung technisch möglich und als Alternative zu Biotreibstoffen denkbar ist.
Da sowohl die Landflächen als auch der gesamte Holzertrag begrenzt sind und der Bedarf
an Energie trotz Sparanstrengungen bis anhing ungebremst zunimmt, ist auch Holz mit
maximalem Wirkungsgrad zu nutzen. Dabei ist zu beachten, dass der Nutzen über die
gesamte Prozesskette mit Bewertung des kumulierten Energieaufwands bzw. dem Energie-Erntefaktor maximal sein soll und dass der Einsatz der Holzenergie so erfolgen soll,
dass eine maximale Substitutionswirkung für fossile Energieträger erzielt wird.
Derzeit wird Holz vor allem zur Wärmeerzeugung genutzt. Dabei kann ein hoher Erntefaktor und ein hoher Substitutionseffekt erzielt werden. Allerdings kann der Wärmebedarf
in Zukunft technisch noch drastisch reduziert werden, während gleichzeitig ein zunehmender Bedarf an Strom (auch für Wärmeeinsparungszwecke wie etwa kontrollierte Lüftung und Wärmepumpen) zu verzeichnen ist. Ausserdem wird der globale Bedarf an Kälte
in den kommenden Jahrzehnten drastisch steigen. Dieser wird hauptsächlich durch Strom
und untergeordnet durch Wärme-/Kälteprozesse (Absorptionskälte) gedeckt werden.
Da Strom technisch wertvoller ist als Wärme, kann Strom auch mittels Wärmepumpe ein
mehrfaches an Wärme erzeugen, wobei die Differenz als Umweltwärme genutzt wird. Aus
diesem Grund ist anzustreben, dass auch Holz in Zukunft vermehrt zu Strom umgewandelt wird. Für Holz kommen dazu verschiedene Techniken in Frage.
Heute etabliert sind die Dampfrafttechniken (Dampfturbine mit Wasserdampfkreislauf
sowie für Kleinanlagen mit organischen Medien im Organic Rankine Cycle, ORC). Diese
Techniken weisen eine ausgeprägte Economy of scale auf, so dass für kleine und mittlere
Leistungen nur geringe elektrische Wirkungsgrade bei sehr hohen spezifischen Kosten
erreicht werden. Aus diesem Grund sind neue Techniken von Interesse, mit welchen höhere Wirkungsgrade erzielt werden. Dies kann etwa durch Festbett-Holzvergasung und
Verbrennungsmotoren für kleinere Leistungen ermöglicht werden, welche allerdings bis
heute im Demonstrationsstadium verfügbar, aber kommerziell nicht etabliert und bis anhin unzuverlässig und teuer ist. Als noch längere Zeit sehr effektive Überganglösung bietet sich die Zufeuerung von Holz in Kohlekraftwerken an. Damit können die Vorteile der
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Grossanlagen ausgenutzt werden, weshalb Zufeuerung die ökonomischste Variante zur
Substitution fossiler CO2-Emissionen ist. Längerfristig kommt für Holz auch die Wirbelschichtvergasung zur Nutzung des Holzgases im Kombiprozess (Gas- und Dampfturbine) mit hohem Wirkungsgrad in Frage.
Via Vergasung ist technisch auch eine Umwandlung in Flüssigtreibstoff durch die FischerTropsch-Synthese möglich. Allerdings ist dies – solange fossile Ressourcen für Wärme
und Strom genutzt werden – aus Sicht der Ressourcenökonomie wenig sinnvoll, da ein
erheblicher Teil des Energieinhalts bei der Umwandlung zu Treibstoff verloren geht. Wenn
der entsprechende biogene Treibstoff zur Substitution von Diesel oder Benzin genutzt
wird, ergibt dies eine geringere Substitutionswirkung als wenn Holz zum Ersatz von Kohle
in Kraftwerken oder zum Ersatz von Heizöl oder Erdgas in Heizungen genutzt wird, weshalb diese Anwendungen für die nächsten Jahrzehnte zu favorisieren sind.
5.
Trends
Aufgrund der geschilderten Rahmenbedingungen werden für die Entwicklung der Holzenergie in den nächsten Jahrzehnten folgende Trends erwartet (Abbildung 16):
Die aktuelle Umweltschutz-Problematik betrifft in erster Linie die Reduktion der Feinstaubemissionen (aus Klein- und Grossfeuerungen), der organischen Stoffe (vor allem
aus Kleinfeuerungen) sowie in Zukunft wieder der Stickoxide.
Während Holz heute vorwiegend zur Wärmeerzeugung eingesetzt wird, ist ein Trend zu
Kraftwärmekopplung und zur Stromerzeugung zu erwarten. Dies wird zusammen mit den
verschärften Umweltvorschriften zur Folge haben, dass Holz vermehrt auch in grösseren
Anlagen genutzt werden wird. Für hohe Stromwirkungsgrade ist denkbar, dass sich die
Wirbelschichtvergasung mit Kombikraftwerk etabliert.
Im Sinne des Klimaschutzes wird Holz heute vorwiegend zur Substitution von Erdöl und
Erdgas eingesetzt. Effektiver ist allerdings die Substitution der noch CO2-intensiveren
Kohle in Kraftwerken. Aus diesem Grund wird Biomasse vermehrt zur Zufeuerung genutzt
werden. In Ergänzung zur CO2-Frage wird in den kommenden Jahren möglicherweise die
Klimawirkung von "Black carbon" (schwarzer Kohlenstoffs; Russ) vermehrt Beachtung
finden. Gemäss neuerer Abschätzung ist davon auszugehen, dass Russ in der Atmosphäre als zweit- oder (nach Methan) drittwichtigste Verbindung zum Temperaturanstieg
beiträgt. Hauptquelle von Black carbon ist die Verbrennung von Biomasse vorab durch
Brandrodungen und Steppenbrände, im Weiteren aber auch durch Kochen mit Holz und
kleine Holzfeuerungen.
Aus diesem Grund ist denkbar, dass die Reduktion der Russemissionen in absehbarer Zeit
zusammen mit CO2 als globale Strategie betrachtet wird, obwohl Partikel auch als Kondensationskeime für Wolken wirken, was wiederum einen kühlenden Effekt hat. Langfristig ist denkbar, dass Biomasse als Klimaschutzmassnahme mit vollständiger oder partieller Kohlenstoff-Sequestrierung genutzt wird. Nebst konventioneller Kraftwerkstechniken
mit CO2-Abtrennung ist denkbar, die aus dem Amazonas-Gebiet bekannte alte Technik
der schwarzen Erde (Terra preta) einzusetzen, indem Biomasse zu Koks und Gasen umgewandelt wird und der Koks als Bodenverbesserer dient, was einer partiellen Sequestrierung entspricht.
Abbildung 16: Trends der Holzenergie
6.
Literatur
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[10] Nussbaumer, T. 2004: Dioxin- und PAK-Emissionen der illegalen Abfallverbrennung,
Umwelt-Materialien Nr. 172, Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft, Bern
2004
[11] Nussbaumer, T. 2005: Dieselruss und Holzfeinstaub grundverschieden, HolzZentralblatt, 131. Jg., Nr. 70 (2005), 932–933
[12] Nussbaumer, T. 2007: Techno-economic assessment of particle removal in automatic wood combustion plants from 100 kW to 2 MW, 15th European Biomass Conference, International Conference Centre, Berlin 7–11 May 2007, Paper OE2.5, pp.
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[13] Nussbaumer, T. 2008: Feinstaub-Emissionsfaktoren von Holzheizungen: Übersicht
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September 2008, ETH Zürich, 2008, ISBN 3-908705-19-3, 129–156
[14] Nussbaumer, Th.; Baillifard, M.: Fluiddynamische Optimierung von Holzfeuerungen,
Holz-Zentralblatt, (46) 2008, 1307
[15] Nussbaumer, Th.; Good, J.: Kontrolle von Holzfeuerungen mit Feinstaubabscheidern: Vorschlag zum Vollzug der Luftreinhalte-Verordnung, Holz-Zentralblatt, (4)
2009 (123. Jg.), 89–90
[16] Nussbaumer, T.; Lauber, A.: Formation mechanisms and physical properties of particles from wood combustion for design and operation of electrostatic precipitators,
18th European Biomass Conference and Exhibition, Lyon, 3–7 May 2010, ETAFlorence
[17] Oser, M.; Nussbaumer, Th.: Low particle furnace for wood pellets based on advanced staged combustion, Science in Thermal and Chemical Biomass Conversion,
Volume 1, CPL Press, Newbury Berks (UK), 2006, ISBN 1-872691-97-8, 215–227
7.
Verdankung
Bundesamt für Energie
Bundesamt für Umwelt
Kommission für Technische Innovation (KTI)

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