Für die Planung einer Feuerstätte und ihren richtigen Betrieb ist Basiswissen über den Ablauf von Verbrennungsprozessen und die Eigenschaften der jeweiligen Brennstoffe unverzichtbar. Die weitaus meisten Kaminöfen und Schwedenöfen werden mit Holz betrieben. Daher steht in diesem Beitrag neben einigen allgemeinen Fakten zu Brennstoffen und Verbrennung der Umgang mit dem Brennstoff Holz im Vordergrund.
Heizen mit Holz
Heizen mit Holz hat in den vergangenen Jahren eine regelrechte Renaissance erlebt. Eine wachsende Anzahl von Verbrauchern wertet ihre Räumlichkeiten irgendwann mit einem Kaminofen oder Schwedenofen auf.
Zwar können diese Ofentypen je nach Ausführung auch mit Braunkohle oder Erdgas betrieben werden, die meisten Besitzer von Kaminöfen und Schwedenöfen entscheiden sich jedoch für die Befeuerung mit Holz und damit für den ältesten Brennstoff überhaupt.
Holzfeuer spendeten schon in der Steinzeit Licht und Wärme, vor etwa 32.000 Jahren lernten die Menschen dann auch die Kunst des Feuermachens mit Feuerstein, Pyrit und Zunder. Seine Bedeutung als Brennmaterial hat Holz in den folgenden Jahrtausenden nie verloren, heute gilt es als natürlicher, energieeffizienter und besonders umweltfreundlicher Brennstoff. Voll zum Tragen kommen seine Eigenschaften jedoch nur dann, wenn das Heizen mit Holz fachkundig erfolgt.
Was sind Brennstoffe?
Brennstoffe sind chemische Stoffe, deren gespeicherte Energie sich im Rahmen von Verbrennungsprozessen in nutzbare Energie – Wärme, Licht oder Bewegungsenergie – verwandeln lässt. In allgemeiner Form lassen sie sich die zum Heizen verwendeten Brennmaterialien folgendermaßen unterscheiden:
- Natürliche feste Brennstoffe – Holz, Torf, Braun- und Steinkohle
- Veredelte feste Brennstoffe – Holz, Holzbriketts, Holzpellets, Braun- und Steinkohlenbriketts, Koks
- Flüssige Brennstoffe – leichte, mittelschwere und schwere Heizöle
- Gasförmige Brennstoffe (Brenngase) – Stadtgas, Erdgas, Propangas.
Mit Ausnahme von Holz sind sowohl die natürlichen festen Brennstoffe als auch die Grundstoffe von Heizöl und Brenngasen im Laufe von Jahrmillionen aus untergegangenen Pflanzen unter Luftabschluss und hohem Druck entstanden. Synthetisch hergestellt werden sie inklusive von Propangas nicht – letzteres ist ein Nebenprodukt der Erdgasförderung oder des Raffinierungsprozesses von Erdöl.
Aus dieser Klassifizierung ergibt sich unter anderem die Umweltfreundlichkeit der Verwendung von Holz als Brennstoff. Die globalen Ressourcen an Erdöl und Erdgas sind zwar bis auf weiteres nicht erschöpft, jedoch insgesamt begrenzt. Holz ist dagegen ein nachwachsender Rohstoff, der zudem nicht importiert werden muss, sondern zu den einheimischen Energiequellen zählt.
Was passiert bei der Verbrennung?
Welcher Brennstoff in einer Heizungsanlage zum Einsatz kommen kann, richtet sich nach dem jeweiligen Ofentyp. Die Qualität eines Brennstoffes wird durch den Brennwert sowie den Heizwert angegeben, in den auch die nutzbare Kondensationswärme des Wasserdampfs der Rauchgase eingerechnet wird. Bei absolut trockenen Brennmaterialien ohne Wasseranteil sind Heizwert und Brennwert identisch.
Der Heizwert der meisten Hölzer liegt bei ca. 4,2 bis 4,3 kWh/kg – zum Vergleich: Heizöl besitzt mit ca. 12 kWh/kg einen deutlich höheren Heizwert, belastet jedoch auch die Umwelt sowie das Budget des Heizungsbetreibers deutlich stärker.
Bei einer Verbrennung handelt es sich um einen chemischen Prozess, durch den Licht- und Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben wird. In der Chemie werden Verbrennungen als Reduktions-Oxidations-Reaktion (kurz: Redoxreaktion) bezeichnet. Der Sauerstoff der Luft wirkt dabei als Oxidator. Während des Verbrennungsprozesses werden Elektronen des Brennstoffs auf den Reaktionspartner – also den Sauerstoff – übertragen.
Holzverbrennung und Flammenbildung
„Klassische Verbrennungen“ – aber durchaus nicht alle Formen der Verbrennung – gehen unter Flammenbildung vor sich. Dabei handelt es sich um Lichtemissionen während des Verbrennungsprozesses. Voraussetzung für die Flammenbildung ist, dass diese Emissionen im Bereich des sichtbaren Lichtes mit Wellenlängen von 380 bis 780 Nanometern liegen.
Die Flammen eines offenen Feuers geben unter anderem Aufschluss über die Qualität des Abbrands. Unter anderem zeigen sie an, ob dabei größere Anteile von Ruß- und Teerpartikeln entstehen.
Holz gehört – im Gegensatz zu Kohle – zu den langflammigen Brennstoffen. Wenn diese Eigenschaft von Holz vollständig zum Tragen kommt, ist dies ein Hinweis auf einen optimalen, energieeffizienten und schadstoffarmen Abbrand. Hier spielen natürlich auch die unterschiedlichen Phasen der Verbrennung eine Rolle. Nach dem Anzünden des Feuers zeigen sich auch bei einem Holzfeuer zunächst kurze Flammen mit geringer Flammenfläche. Als Faustregel kann gelten, dass die Emissionsbildung gegenläufig zur Flammenfläche ist: Flammen mit großer Fläche brennen schadstoffarm und besitzen einen hohen Wirkungsgrad.
Holz verbrennt unter Bildung einer Diffusionsflamme, bei der der Brennstoff und der oxidierende Sauerstoff in einem nicht exakt definierten Verhältnis aufeinander treffen. (Das Gegenstück zu einer solchen Flamme ist beispielsweise die vorgemischte Flamme eines Bunsenbrenners, bei der das Verhältnis von Luft und Brennstoff während des gesamten Brennvorganges exakt gesteuert wird.)
Phasen der Holzverbrennung
Jede Verbrennung geht in verschiedenen Phasen vor sich. Damit die Verbrennungsreaktion beginnen und vollständig ablaufen kann, ist zunächst das Zünden des Feuers nötig. Hierdurch erhält das Feuer die Aktivierungsenergie, die es für den Beginn der Verbrennung braucht.
Sobald diese in Gang gekommen ist, wächst durch die Reaktion des Brennstoffs mit Sauerstoff auch die Menge der Aktivierungsenergie, so dass das Feuer durch seine eigene Energie aufrechterhalten wird. In der Chemie wird dieser Vorgang auch als thermische Kettenreaktion bezeichnet.
Holz gehört zu den schwer entzündlichen Stoffen. Der natürliche Brennpunkt des organischen Brennstoffs Holz liegt zwischen 130 und 150 Grad Celsius. Vor der eigentlichen Verbrennung beginnt bei Temperaturen zwischen 100 und 110 Grad Celsius die Trocknungsphase. Hierbei werden zunächst nur das im Holz enthaltene Wasser sowie leicht siedende Holzharze nach außen abgegeben. Durch die Erwärmung und Trocknung des Holzes wird seine Oberfläche allmählich poröser.
Die chemische Zusammensetzung des Holzes ändert sich dagegen erst, wenn der Brennpunkt erreicht und überschritten wurde. Hierdurch setzt sie sogenannte Pyrolyse – die Gasverbrennung – ein. Bei Temperaturen zwischen 130/150 und 300 Grad Celsius werden gasförmige Kohlenwasserstoffe mit hohem Energiegehalt freigesetzt und an der Holzoberfläche verbrannt. Wärmeenergie wird ab einer Temperatur von etwa 240 Grad Celsius an die Umgebung abgestrahlt.
An die Pyrolyse schließt sich die Ausbrandphase an – sie erfolgt im Temperaturbereich zwischen 500 und 800 Grad Celsius, wenn sich auf der Oberfläche des Holzes bereits Holzkohle gebildet hat. Bei einer vollständigen und störungsfreien Verbrennung wird diese Kohleschicht vollständig und ohne Bildung von Ruß verbrannt. Auch im Holz enthaltener fester Kohlenstoff verglüht.
Die Bildung von Holzkohle setzt bereits während der Pyrolyse ein und intensiviert sich mit dem Fortschreiten der Verbrennung. Durch ihre aufgelockerte, poröse Oberfläche und ihre damit verbundene hohe Absorptionsfähigkeit für Gase ist Holzkohle besonders leicht oxidierbar (brennbar) – ihre Bildung sorgt somit dafür, dass sich der Abbrand des Holzes intensiviert und damit die Menge der abgegebenen Wärmeenergie vergrößert.
Was ist eine stabile Verbrennung?
Bei der Verbrennung von Gasen wird der Verbrennungsprozess auch von der Strömungsrichtung und der Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Sauerstoff-Gemischs beeinflusst. Da bei der Holzverbrennung auch eine Gasverbrennung vor sich geht, ist diese Tatsache auch für Kaminöfen und Schwedenöfen relevant.
Die Strömungsgeschwindigkeit der Reaktionssubstanzen und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammen sind jeweils gegenläufig. Sofern sie sich gegenseitig aufheben, geht eine stabile Verbrennung vor sich. Bei zu geringer Strömungsgeschwindigkeit schlägt die Flamme zurück, bei zu hoher Strömungsgeschwindigkeit reißt die Flammenbildung ab.
Bei einem Kaminofen oder Schwedenofen lassen sich diese Vorgänge sowohl durch das allmähliche Nachlegen von Holz als auch durch die Luftzufuhr austarieren. Wünschenswert ist eine stabile Verbrennung, bei der der Abbrand des Brennstoffs und damit die Abgabe von Wärmeenergie relativ konstant erfolgen.
Vollständige und unvollständige Verbrennung
Wenn ein Verbrennungsprozess zu Heizzwecken – also zur Gewinnung von Wärmeenergie – dienen soll, werden normalerweise Kohlenwasserstoffe (beispielsweise Holz) und Sauerstoff zu einer Redoxreaktion gebracht.
In der Elementzusammensetzung besteht Holz zu etwa 51 Prozent aus Kohlenstoff, zu 42 Prozent aus Sauerstoff, zu sechs Prozent aus Wasser und zu einem bis zwei Prozent aus Stickstoff. Die wichtigsten Holzbestandteile sind Zellulose, Lignin (phenolische Makromoleküle, die in den Zellwänden von Pflanzen eingelagert werden und dort zur Verholzung führen), sowie geringere Mengen anderer Stoffe (Kohlenhydrate, Fette, Mineralien, Harze, Gerbstoffe …).
Bei einer optimalen Holzverbrennung werden als Abgase lediglich CO2, Wasser und Luftstickstoff abgeschieden. Als feste Verbrennungsrückstände entstehen nur geringe Mengen Ruß und Teer, sondern vorwiegend graue Asche. Voraussetzung dafür ist eine vollständige Holzverbrennung.
Bei einer unvollständigen Verbrennung werden weitere Substanzen emittiert.
Hierzu gehören Kohlenmonoxid, Teerdämpfe, Stickoxide sowie unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Eine verstärkte Bildung von Ruß und Teer erfolgt bei einem relativen Brennstoffüberschuss gegenüber dem oxidierenden Sauerstoff. Ein visueller Indikator dafür ist eine sogenannte „fette“ (wenig transparente, intensiv gelb-orangefarbene) Flamme.
Eine unvollständige Verbrennung sollte bei einem Kaminofen oder Schwedenofen grundsätzlich vermieden werden. Ein typischer Fehler mit dieser Folge ist die Drosselung der Luftzufuhr des Ofens während der Entgasungsphase. Eine ausreichende Luftzufuhr ist für das Verdampfen des im Holz enthaltenen Wasserdampfes sowie die Verbrennung der Holzgase unerlässlich.
Wenn sie gestoppt wird, können sich intensivere Ruß-, Teer- und Schadstoffemissionen und im ungünstigsten Fall ein Schwelbrand bilden. Die Flammenbildung eines solchen Feuers wird stark eingeschränkt oder vollständig unterbrochen. Zwar schreitet die Gasverbrennung auch bei einem solchen flammenlosen, schwelenden Feuer fort, jedoch wird dabei kaum noch Wärmeenergie erzeugt. Gedrosselt werden darf die Luftzufuhr bei einem Kamin- oder Schwedenofen erst dann, wenn das Feuer herunterbrennen soll.
Welches Holz eignet sich für einen Kaminofen oder Schwedenofen?
Ob in einem Kaminofen oder Schwedenofen als Brennstoff hartes oder weiches Holz Verwendung findet, ist für den Verbrennungsprozess unerheblich. Generell gilt, dass die Holzverbrennung zu einem sogenannten Zeitbrand führt. Durch die Pyrolyse entstehen in relativ kurzer Zeit größere Mengen an Wärmeenergie, die durch die Ofenkonstruktion gespeichert werden müssen.
Wichtig ist, dass in einem Kaminofen oder Schwedenofen möglichst trockenes Holz zum Einsatz kommt. Holz mit einer Restfeuchte von 20 Prozent besitzt einen doppelt so hohen Wirkungsgrad wie Holz mit einem Feuchtigkeitsanteil von 50 Prozent. Für einen hohen Wirkungsgrad und damit hohe Energieeffizienz sorgt außerdem eine möglichst kurze Anheizphase.
Die Holzmenge für einen Kaminofen oder Schwedenofen richtet sich nach dem Wärmebedarf des jeweiligen Tages. Häufiges Nachlegen, die Überwachung der Flammenbildung und der Luftzufuhrermöglichen eine optimale Energieausbeute und limitieren Ruß- und Schadstoffemissionen.
Wer seinen Holzofen mit der maximalen Brennstoffmenge füllt und bald nach dem Anheizen die Luftzufuhr reduziert, bewirkt nicht den eigentlich beabsichtigten stundenlangen Dauerbrand, sondern erzeugt ein emissionsintensives Schwelfeuer, das nur geringe Wärmemengen abgibt.
Unser Fazit
Das Heizen mit Holz in einem Kaminofen oder Schwedenofen ist energieeffizient und umweltfreundlich, wenn bei der Konstruktion und dem Betrieb des Ofens das Brandverhalten von Holz berücksichtigt wird.