Meten en rapporteren van emissies en energie-efficiëntie

Bij het interpreteren van cijfers over emissies en energie-efficiëntie van huishoudelijke houtverbranding, moet rekening gehouden worden met een aantal factoren die de resultaten van metingen beïnvloeden, in het bijzonder met de gebruikte testcondities en monstername- en meetmethoden. Ook de eenheden en de referentiecondities waarbij de emissies worden uitgedrukt verdienen aandacht.

Gebruikte testcondities

De verbrandingscondities in het toestel op het moment van de meting beïnvloeden in zeer belangrijke mate de emissies en de energie-efficiëntie. Hierbij kan gedacht worden aan de kwaliteit/vochtgehalte van de gestookte houtbrandstof, de fase van het verbrandingsproces, het werken bij nominaal vermogen versus bij deellast enzoverder. De invloed van deze factoren op de emissies en de energie-efficiëntie wordt besproken in Factoren die de verbrandingskwaliteit en de emissies beïnvloeden.

Om emissies en energie-efficiëntie van toestellen voor huishoudelijke houtverwarming te bepalen, worden verschillende testprotocollen gebruikt:

• Metingen in labo’s volgens genormeerde testprocedures
• Metingen in labo’s met aangepaste testprotocollen, bv. om praktijksituaties te simuleren
• Metingen ter plekke in reële praktijkomstandigheden

Metingen in labo’s volgens Europese of nationale genormeerde testprocedures worden uitgevoerd om conformiteit met normen of labels aan te tonen. Emissies worden gemeten bij nominale warmteafgifte, en indien passend, bij deellast. Staalnames tijdens de opstartperiode, wanneer emissies vaak hoger zijn, zijn niet voorzien. Ook wordt tijdens de test gewerkt met een voorgeschreven kwaliteit van brandstof en met een toestel dat correct geplaatst en ingesteld is (bv. vast ingestelde onderdruk, voorverwarmd toestel, aanwezigheid van een optimaal gloeiend koolbed en op het thermisch vermogen afgestemde hoeveelheid en afmeting van de brandstof). Bij het ontwerp van nieuwe toestellen, richten fabrikanten zich op de te respecteren normen, waardoor toestellen als het ware ontworpen worden om goed te presteren onder de testcondities in de normen.

Omdat omstandigheden in de praktijk sterk kunnen afwijken van de omstandigheden in de protocollen uit  Europese of nationale normen, wordt voor onderzoek naar de reële emissies van huishoudelijke houtverbranding gebruik gemaakt van andere testprotocollen. Het kan zowel gaan om metingen in labo’s onder gesimuleerde praktijkomstandigheden waarbij bv. de volledige cyclus wordt gesimuleerd, en ook bij deellast wordt gemeten, als om werkelijke ‘veldmetingen’ bij toestellen die bij huishoudens geïnstalleerd en gebruikt worden.  Dergelijke metingen zijn niet bedoeld of geschikt om conformiteit met Europese normen of labels te controleren. Wel zijn de resultaten van deze metingen in vergelijking met metingen volgens de Europese of nationale normen beter geschikt voor het opstellen van emissiefactoren, om de totale en reële uitstoot door huishoudelijke houtverbranding in te schatten. Maar ook zij vormen wellicht nog een onderschatting van de werkelijke emissies door huishoudelijke houtverwarming, omdat ze geen rekening houden met foutief stookgedrag, wat in de praktijk steeds zal voorkomen.

Meetmethodes voor stof

Voor stof vormt de meetmethode een bijzonder aandachtspunt. Zoals beschreven in Emissievorming bij houtverbranding bestaan deeltjesemissies van huishoudelijke houtverbranding deels uit COC (condenseerbare organische stoffen). Deze  worden gevormd bij afkoeling van de rookgassen in het rookgaskanaal, waardoor de aanwezige condenseerbare organische stoffen condenseren. In de testprotocollen gebeurt de staalname traditioneel in de hete rookgassen en de stofbepaling door middel van een verwarmd filter (= methode met ‘verwarmd filter’). De fractie COC worden in dit geval niet of slechts beperkt meebepaald. Er zijn alternatieve methoden ontwikkeld, waarbij de stofbepaling gebeurt na afkoeling, met de bedoeling de COC wel mee te bepalen (methodes met ‘met gebruikmaking van natuurlijke trek, volledige stroomverdunningstunnel en filter bij omgevingstemperatuur’ of ‘met gebruikmaking van een vaste trek van 12 Pa, volledige stroomverdunningstunnel en filter bij omgevingstemperatuur of elektrostatische stofvanger’. Ook bij deze methoden zal de temperatuur bij de meting nog hoger zijn dan een typische buitentemperatuur in de winter, waardoor er waarschijnlijk nog een deel COC niet meegemeten worden. In de Ecodesign normen voor kachels (EU/2015/1185) wordt voor de meting van fijn stof (PM) bij kachels de keuze gelaten tussen 3 methodes. Afhankelijk van de gekozen methode zijn wel andere normen van toepassing. In de Ecodesign normen voor ketels (EU/2015/1189) wordt voorgeschreven dat alle zwevende deeltjes die door gasvormige organische verbindingen worden gevormd wanneer rookgassen in aanraking komen met omgevingslucht, uitgesloten moeten worden bij de stofmeting.

In (Schön & Hartmann, 2018) werd onderzocht welke invloed diverse variaties in meetmethodes hebben op de gemeten stofwaarden. Er werd vastgesteld dat bij hoge COC concentraties (typisch gelinkt aan slechte verbrandingscondities) de gemeten stofwaarden stijgen naarmate de filtratietemperatuur lager is, en dat een niet homogene en niet constante filtratietemperatuur, samen met een aantal andere factoren, een grote onzekerheid creëert op de meetwaarden bij de meetmethode met verwarmd filter, vooral bij hoge COC concentraties. Het gebruik van een stroomverdunningstunnel introduceert dan weer een groot aantal andere onzekerheden, waardoor het gebruik van deze methode volgens (Schön & Hartmann, 2018) af te raden is voor typekeuring van toestellen, maar wel zinvol kan zijn voor wetenschappelijke studies waarin gekeken wordt naar afmetingen en distributie van deeltjes en voor bepaling van emissiefactoren. Verder onderzoek voor harmonizering en standaardisering van de meetmethoden voor stof is lopende. Zo werd in het kader van het Europees EN-PME-TEST onderzoeksproject (Fraboulet, 2016) een methode ontwikkeld die ter validatie wordt geëvalueerd door CEN TC295 ‘Residential solid fuel burning appliances’.

Eenheden

Emissies van huishoudelijke houtverbranding worden uitgedrukt in verschillende eenheden, waarbij ofwel de hoeveelheid / energieinhoud het gebruikte hout ofwel het rookgasvolume als referentie gebruikt wordt. Enkele voorbeelden van gebruikte eenheden zijn:

Eenheden gerelateerd aan rookgasvolume:

• mg/Nm³
• ppm
• vol%

Eenheden gerelateerd aan energie-input:

• g/kg droog hout
• g/GJ

Eenheden gerelateerd aan de geproduceerde warmte:

• g/GJ

Eenheden gerelateerd aan rookgasvolume worden gebruikt in normen en labels voor het stellen van emissie-eisen waaraan toestellen moeten voldoen. Eenheden gerelateerd aan energie-input worden vooral gebruikt voor het opstellen van emissiefactoren voor emissie-inventarissen, om de bijdrage van  huishoudelijke houtverwarming aan emissies in te schatten.

In het Europese richtlijnenboek voor de opmaak van nationale emissieinventarissen worden rekenregels uitgewerkt voor het omrekenen tussen beide vormen van meetwaarden (European Environment Agency, 2019). Hierbij wordt voor hout uitgegaan een stoechiometrisch rookgasvolume van 253 m³/GJ energie-input, en een energie-inhoud van 17,3 GJ/t (voor droog hout). Bovendien moet een correctie gebeuren voor het referentiezuurstofgehalte waarbij de emissieconcentratie is uitgedrukt. Voor de omrekening van een emissiewaarde (E)  uitgedrukt in mg/Nm³ naar een emissiefactor (EF)  in g/GJ is de formule:

EF (g/GJ) = E (mg/Nm³) x 253/1000 x (20,9/(20,9-%O₂Ref))

Bij een referentiezuurstofgehalte van 13% (kachels) geldt:

EF (g/GJ) = E (mg/Nm³) x 0,66933

Bij een referentiezuurstofgehalte van 10% (ketels) geldt:

EF (g/GJ) = E (mg/Nm³) x 0,48511

Referentiecondities

Wanneer cijfers voor emissies of het energetisch rendement gegeven worden, zou in principe steeds duidelijk moeten zijn wat de bijhorende referentiecondities zijn.

Naast de gebruikte testprotocollen en meetmethoden (zie hoger), zijn ondermeer het regime (nominale belasting of deellast), en het referentiezuurstofgehalte, -vochtgehalte, druk en temperatuur van belang. 

Wanneer het regime niet gespecifieerd wordt, gaat het doorgaans (bij testen volgens Europese of nationale normen) om cijfers bij nominale warmteafgifte. Als cijfers bij deellast gerapporteerd worden, wordt dit meestal uitdrukkelijk vermeld. Er wordt ook gewerkt met seizoensgebonden emissies of energie-efficiënties, dit zijn gewogen gemiddelden van meetwaarden bij nominale warmteafgifte en bij deellast.

Wanneer emissies van verbrandingsprossen worden uitgedrukt in relatie tot het rookgasvolume (bv. in mg/Nm³), dan gebeurt dat bij een referentiezuurstofgehalte, zodat gecorrigeerd wordt voor de verdunningseffecten door luchtovermaat. Voor kachels wordt in de Europese normen een referentiezuurstofgehalte van 13% gehanteerd, voor ketels 10%. Verder worden emissies omgerekend naar standaardcondities van vochtgehalte (droog gas), druk (1013 mbar) en temperatuur (273K). De meeste emissiecijfers gerelateerd aan rookgasvolume zijn bij deze referentieomstandigheden uitgedrukt.

Ook wanneer emissies worden uitgedrukt in relatie tot energie-input (bv. in mg/MJ of mg/kg) is het van belang dat duidelijk gespecifieerd is waarnaar precies gerefereerd wordt (bv. kg droge stof versus kg houtbrandstof).