Elektrofilter
Beschrijving
Een elektrofilter, ook wel elektrostratische filter (afgekort ESP – Electrostatic Precipitator) genoemd, kan toegepast worden als een secundaire end of pipe maatregel om de uitstoot afkomstig van houtverbranding te reduceren. Met een ESP kunnen vaste deeltjes, dat wil zeggen roet en organisch - en mineraal fijn stof (inclusief (primaire) organische aerosolen), uit rookgassen worden afgescheiden door deze een elektrostatische lading te geven voordat de rook het rookgaskanaal verlaat.
In het rookgaskanaal wordt een elektrode geplaatst in de vorm van een metalen draad of een bolletje. Hierop wordt een gelijkspanning van enkele tientallen kilovolts aangebracht d.m.v. een hoogspanningsgenerator. Rondom de elektrode ontstaat een sterk elektrisch geladen veld (corona). Het fijn stof dat bij de verbranding ontstaat en in dit veld terecht komt, wordt negatief geladen en beweegt naar de positief geladen metalen kachelpijp of rookgaskanaalwand die fungeert als tweede elektrode. Het werkingsprincipe wordt in onderstaande Figuur 1 schematisch weergegeven:
- Fijn stof partikels stromen mee met het hete rookgas
- Een hoogspanningselektrode geeft elektroden vrij
- De elektronen worden naar de wanden van het rookgaskanaal getrokken. Fijnstof partikels zijn elektrisch geladen en worden ook aangetrokken door de wanden van het rookgaskanaal of de schoorsteen
- De fijne stofdeeltjes verzamelen zich op de binnenwanden en vormen grotere vlokken. Deze afzetting wordt vervolgens verwijderd (dit kan manueel of automatisch)
Figuur 1: Werkingsprincipe van een ESP (Leveranciersinformatie elektrofilter, 2019)
Belangrijk voor de correcte werking van de ESP is dat de elektrode zelf vrij blijft van stof, dit om twee redenen. Ten eerste om te voorkomen dat de sterkte van het elektrisch veld verminderd wordt (hoe meer stof aan de electrode, hoe zwakker het elektrisch veld en dus hoe lager het verwijderingsrendement). Ten tweede kan stof op de elektrode een spanningsbrug doen ontstaan met vonkoverslag tot gevolg (zie ook paragraaf milieuvoordeel)
De migratiesnelheden van deeltjes in de ESP nemen toe naarmate de spanning op de elektrode verhoogt. In de praktijk wordt de veldsterkte beperkt door vonken. Bij hoge veldsterkten kan een geïoniseerd pad (elektrische boog) tussen de elektrode en de kachelpijp of rookgaskanaalwand ontstaan. Om overbelasting van de transformator te voorkomen en om de elektrische potentiaal te herstellen, moeten dergelijke elektrische bogen worden gedoofd. Dit wordt gedetecteerd door het regelsysteem van de ESP en zal de spanning doen dalen door de stroom voor een moment uit te schakelen. Nadat de elektrische boog is gedoofd, zal de spanning tussen de elektroden hersteld worden. De frequentie van vonkoverslag neemt toe met de elektrische veldsterkte. Bij vonkoverslag gaat de veldsterkte tijdelijk verloren en kunnen vonken het stof losmaken van de verzameloppervlakken, waardoor de efficiëntie van het verzamelen wordt verminderd. Dat wil zeggen dat het verwijderingsrendement van een ESP verhoogt bij hogere spanning tussen elektroden totdat de frequentie van vonken te hoog wordt. Het regelsysteem van een ESP kan een vooraf ingestelde waarde van de gewenste vonken per minuut gebruiken bij het regelen van de spanning.
Een ESP die als retrofit maatregel wordt toegepast heeft twee varianten: op de schouwmond (Figuur 2) of direct in het rookgaskanaal kort na het toestel (Figuur 3). De montage in het rookgaskanaal kan op twee manieren: door het maken van een gat in de buis waar vervolgens de ESP in wordt geplaatst en vastgemaakt met een dichtingsring en spanband, of met een T-stuk waarin de ESP geïntegreerd is. In Vlaanderen wordt de ESP o.a. aangeboden door Polvo (model Oekotube) en Dutry (Kutzner + Weber model Airjekt).
Figuur 2: Weergave van een ESP gemonteerd op de monding van de schouw (Leveranciersinformatie elektrofilter, 2019)
Figuur 3: ESP gemonteerd in het rookgaskanaal (3 varianten) (Leveranciersinformatie elektrofilter, 2019)
Voor het onderhoud van ESP systemen vinden we toestellen met automatische reiniging en manuele reiniging.
Het automatisch reinigen gebeurt in twee stappen: eerst moet het geaccumuleerde fijn stof op de wanden van het rookgaskanaal of de schoorsteen losgemaakt worden, daarna moet het losgemaakte fijn stof uit het toestel verwijderd worden. Het losmaken van het fijn stof kan op drie manieren, meer bepaald d.m.v.:
- een ingebouwde borstel
- een magnetische vibrator gekoppeld aan veren van de binnenwand
- water injectie in het rookgaskanaal (na meting van een bepaalde drukval)
Het fijn stof (of slurry in geval van water injectie) valt vervolgens in een opvangbak die de gebruiker manueel moet ledigen. De reststoffen moeten als afvalstoffen worden afgevoerd. In sommige gevallen moet de automatische reiniging wel manueel geïnitieerd worden. (Obernberg & Mandl, 2011)
Bij manueel te reinigen ESP systemen moet het fijn stof dat tegen de binnenwand van de schoorsteen of het rookgaskanaal wordt vastgehouden regelmatig door schoorsteenvegers verwijderd worden. Moderne ESP toestellen meten continue de afstand tussen elektrode en schouw wand, en geven d.m.v. signalen aan wanneer onderhoud nodig is. De reinigingsfrequentie en onderhoud zijn sterk afhankelijk van type kachel, de asrest van de brandstof, het stookgedrag en de stookfrequentie. In het algemeen wordt geschat op één tot twee keer per jaar. (Obernberg & Mandl, 2011), (Leveranciersinformatie elektrofilter, 2019)
Toepasbaarheid
Algemeen geldende beperkingen:
Een ESP is technisch toepasbaar op alle type toestellen voor huishoudelijke houtverwarming: haarden, kachels, en ketels. Het is echter wel afgeraden om een ESP te installeren bij rookgassen die veel vetten bevatten (door de verhoogde kans op een schouwbrand), zoals bijvoorbeeld op rookgassen van ovens gebruikt in restaurants. Deze toestellen vallen echter buiten de scope van deze BBT-studie.
Bij de installatie van de ESP wordt de transformator afgesteld op basis van de eigenschappen van het toestel en de schouw. Bij latere vervanging van het toestel (bv. door een nieuwer toestel met doorgaans lager vermogen) wordt de transformator aangepast en moet de ESP hiervoor dus niet vervangen worden.
Beperkingen voor ESP’s op de monding van de schouw:
De schouwdiameter moet bepaalde afmetingen hebben en is afhankelijk van de fabrikant en het gewenste model. Bij een te brede diameter wordt het verwijderingsrendement te klein. Zonodig kan de schouw bovenaan wel verkleind/versmald worden.
Daarnaast zijn er nog enkele technische beperkingen om de goede werking van de ESP te garanderen:
- Om schade aan de ESP te vermijden, mag de rookgastemperatuur maximaal 250°C-400°C bedragen op het uiteinde van de schouw, afhankelijk van het type ESP.
- Het rookgaskanaal moet een recht verticaal kanaal hebben van minimaal 38-160 cm, afhankelijk van het type ESP. Dit is de lengte van het lint dat als elektrode fungeert en het benodigde oppervlak om alle soorten fijn stof te laden. Hoe langer het resterende rookgaskanaal na de ESP, hoe beter de afzetting van fijn stof op de wanden. Bovendien moet fijn stof zich onderin het rookgaskanaal kunnen verzamelen.
- Voor pelletkachels- en ketels voldoet een recht verticaal stuk van 50cm omdat de input van het hout gecontroleerd wordt en het benodigde oppervlak om de partikels te laden kleiner is.
- Schoorstenen die meer dan 1,5 m boven het platte dak uitsteken alsook schuine daken bemoeilijken de installatie en het onderhoud van het systeem door de slechte bereikbaarheid voor de installateur en de schoorsteenveger. Dit betreft het merendeel van de schouwen en in deze gevallen zal er voor de installatie met een hoogtewerker gewerkt moeten worden. De schoorsteenreiniging kan eventueel ook van onderuit gebeuren.
Beperkingen voor ESP’s in het rookgaskanaal kort na het toestel:
- De pijp moet van een positief geladen materiaal zijn om de negatief geladen partikels aan te trekken. Metalen pijpen zijn hiervoor geschikt, maar ook keramische rookkanalen en gemetselde schouwen op voorwaarde dat ze geaard zijn.
- De ESP moet in een goed bereikbaar en zichtbaar deel van het rookgaskanaal kunnen gemonteerd worden. Hierdoor is deze uitvoering enkel toepasbaar bij ketels en kachels waar de rookgasbuis bereikbaar is, of bij moeilijk bereikbare rookgaskanalen zoals bij inbouwkachels met behulp van een inspectieluik. Bovendien moet er een recht verticaal kanaal zijn van minimaal 50cm voor pelletkachels- en ketels.
- De ESP in het rookgaskanaal is beperkt geschikt voor oude ketels en kachels vanwege mogelijke condensatie van teer op de elektrode. (Obernberg & Mandl, 2011)
- In de studie van TU Graz (Obernberg & Mandl, 2011) werd geschat dat er in 2011 zo’n 1900 ESP toestellen in omloop waren (1200 Zumikon + 700 OekoTubes). In België zijn volgens Polvo anno 2019 ca. 140 OekoTube toestellen geïnstalleerd.
Milieuvoordeel
Het milieuvoordeel van een ESP is het verwijderen van partikels die elektrisch geladen kunnen worden, zoals roet en organisch- en mineraal fijn stof, maar hebben echter geen effect op geurdeeltjes. De verwijderingsrendementen die gerapporteerd worden in de literatuur zijn zeer uiteenlopend, gaande van 11% tot >90%. De grote range heeft enerzijds te maken met het feit dat stof kan agglomereren op de wanden en later weer vrijkomen, en anderzijds omdat de verbrandingscondities, merken van toestellen, en duur van de tests onderling vaak verschillen.
Om een beter zicht te krijgen op de verwijderingsrendementen van ESP toestellen, werden verschillende bronnen gescreend (o.a. (Obernberg & Mandl, 2011), (Hartmann, Turowski, & Kiener, 2010), (Van Poppel, Baeyens, Aerts, & Divi-Divi), 2018)). Het onderzoek van TU Graz Survey on the present state of particle precipitation devices for residential biomass combustion with a nominal capacity up to 50 kW in IEA Bioenergy Task32 member countries bevat nuttige onafhankelijke informatie over de stand der techniek van ESP toestellen. Tabel 25geeft een overzicht van de verwijderingsrendementen van verschillende ESP toestellen volgens de verschillende bronnen:
Tabel: Overzicht van fijn stof verwijderingsrendementen van een ESP
|
Naam ESP |
Plaatsing |
Verbrandingstoestel |
Gemiddelde verwijderings-rendement fijn stof |
Type en duurtijd van test |
Reinigingsmethode |
Bron informatie |
|
ResidentialESP
|
Schouw
|
Oude houtkachel Oude houtkachel
Multi stoker ketel Moderne stoof Oude stoof |
54%-61% 85%-99%
80% 69% |
Veld, 61 dagen Lab, 250 min
Lab, duur onbekend |
Manueel |
TU Graz |
|
Carola-KIT |
Rookgaskanaal
|
Moderne stoof Houtpelletketel |
87% 82% |
Lab, duur onbekend |
Automatisch |
TU Graz |
|
Zumikron |
Rookgaskanaal |
Houtketel Moderne stoof Oude stoof |
41% 17% 11% |
Veld, 545 uur
|
Manueel |
TU Graz |
|
OekoTube |
Schouw |
Moderne pelletketel |
97% |
Lab, 5 uur |
Manueel |
TU Graz |
|
Bosch |
Rookgaskanaal |
Moderne pelletketel |
70% |
Lab, 860 uur |
Automatisch |
TU Graz |
|
RuFF-Kat |
Schouw |
Moderne houtketel |
>70% |
Lab, duur onbekend |
Automatisch |
TU Graz |
|
AL-Top – Schräder |
Rookgaskanaal |
Moderne houtketel |
48%-82% |
Lab, duur onbekend |
Automatisch |
TU Graz |
|
SF20 – Spanner |
Rookgaskanaal |
Moderne ketel Oude houtketel |
60% |
Veld, 410 uur Veld, 2.900 uur |
Automatisch |
TU Graz |
|
Airbox |
Boven verbrandingskamer |
Houtkachel |
60%-80% |
Lab, duur onbekend |
Manueel |
TU Graz |
|
Kamin-Feinstaubkiller |
Schouw |
Oude houtketel |
64% |
Lab, 30 uur |
Automatisch |
TU Graz |
|
OekoTube |
Rookgaskanaal |
Moderne kachel |
34%-55% |
Lab, duur onbekend |
Manueel |
Divi-Divi-VITO |
|
Residential |
Schouw |
Oude kachel Moderne kachel |
55% 69% |
Veld, duur onbekend |
Manueel |
Hartmann (2010) |
|
SF20 Spanner |
Rookgaskanaal |
Pelletketel |
80% |
Veld, duur onbekend |
Automatisch |
Hartmann (2010) |
Globaal gezien kunnen we stellen dat op oude verbrandingstoestellen en bij lange duur praktijk (veld) testen een lager verwijderingsrendement behaald wordt dan bij korte laboratorium opstellingen. De redenen hiervoor kunnen zijn dat storingen minder snel verholpen worden, en de startfase van de stook telkens een verhoogde emissie met zich meebrengt. Tijdens laboratorium testen wordt de uitstoot van het verbrandingstoestel meestal pas gemeten wanneer de verbranding maximaal is en de ESP volledig functioneel. Het is moeilijk om uit deze resultaten duidelijke conclusies te trekken, temeer omdat de verbrandingscondities, merken van toestellen, en duur van de test onderling vaak verschillen. Ook de methode om fijn stof te meten kan verschillen per test. De reële verwijderingsrendementen bij de mensen thuis gedurende een volledig seizoen zullen wellicht vergelijkbaar zijn met de resultaten van de veld testen. We vroegen een vijftal onafhankelijke ESP gebruikers om hun ervaring te delen[2]. Hieruit bleek dat de kleur van de rook zichtbaar lichter werd na plaatsing van de ESP, wat wijst op een zichtbare verminderde roet uitstoot.
Voor oude, vervuilende toestellen moet in elk geval een afweging gebeuren tussen de aankoop van een nieuw performanter toestel (met niet alleen lagere emissies, maar ook een hogere energie-efficiëntie) en het plaatsen van een ESP.
Cross media effecten:
Storingen:
Uit de gescreende literatuur (zie bovenstaande Tabel) bleek dat laboratorium testen vaak een hoger verwijderingsrendement behaalden dan veldtesten, omdat in de praktijk nog vaak storingen bij de ESP optreden die minder snel opgelost worden, en dus het gemiddelde rendement naar beneden halen. Enkele storingen die werden gerapporteerd (Hartmann, Turowski, & Kiener, 2010) zijn de volgende:
- Uitval van de luchtstroom rond de elektrode
- Springen van zekering als gevolg van storingen en kortsluitingen (vooral wanneer de vuilvracht significant is en op de elektroden blijft plakken)
- Elektrodebreuken: dit wordt vaak veroorzaakt door een foutieve reiniging van de elektrode (bvb wanneer er krassen gemaakt worden bij het reinigen met een stalen borstel)
- Spanningsverlies bij de elektroden
- Schoorsteentrekproblemen (aandachtspunt bij probleemsituaties waar er al een probleem met de shouwtrek is)
- Binnendringen van regenwater
Bij oude huishoudelijke verbrandingstoestellen, met een hoge initiële concentratie fijn stof in de rookgassen, wordt een aanzienlijke hoeveelheid vuilvracht verzameld op de elektroden en de isolatie (zie ook Figuur 4 hieronder). Dit kan leiden tot storingen en kortsluitingen wanneer de elektrode niet tijdig gereinigd wordt. Voor sommige ESP’s geïnstalleerd op oude ketels met een slechte verbranding is daarom een bypass nodig in de opstartfase van de verbranding, dit om roet depositie te vermijden wat aanleiding geeft tot kortsluitingen (Obernberg & Mandl, 2011)
Figuur 4: Elektrodeklem van de Zumikon ESP, gedemonteerd voor reiniging na gebruik (Hartmann, Turowski, & Kiener, 2010)
Een groot deel van deze storingen kan volgens de fabrikant vermeden worden door een correcte montage en periodiek onderhoud van de ESP. Uit de bevraging van enkele onafhankelijke ESP gebruikers in Vlaanderen[3] bleken nog geen gevallen van vonkoverslag noch storingen te hebben plaatsgevonden die het verwijderingsrendement zouden kunnen verlagen, dit gedurende het eerste jaar na installatie. Ervaringen over het gebruik van meer dan één jaar zijn niet gekend.
Elektriciteitsverbruik:
Het vermogen van een ESP situeert zich tussen 10W en 100W, en is afhankelijk van het vermogen van de brander, de schouwdiameter, en het stookgedrag van de gebruiker. Om een inschatting te krijgen van het jaarlijks verbruik nemen we twee type gebruikers als voorbeeld: enerzijds de “sfeer- of bijverwarmers” en anderzijds de “hoofdverwarmers”.
“Sfeer- of bijverwarmers” zetten hun kachel of haard aan om sfeer te maken. We veronderstellen hier een gebruik van 10 uur per week, 4 maanden lang (18 weken). Het totaal verbruik voor 180 uur/jaar aan 10-100 W komt overeen met een range van 1,8-18 kWh/jaar.
“Hoofdverwarmers” gebruiken de ketel, kachel of haard als enige of belangrijkste bron van verwarming; hier veronderstellen we een gebruik van: 4uur x 5 dagen per week + 2x12uur in het weekend = 44 uur/week, 5 maanden lang (22 weken). Dit komt overeen met een totaal gebruik van 968 uur/jaar aan 10-100 Wh en een elektriciteitsverbruik van zo’n 9,6 tot 96 kWh/jaar afhankelijk van het vermogen van de ESP.
Geluid:
Door de afzetting van roet en as op een hoogspanningselektrode kan er vonkoverslag ontstaan, hetgeen aanleiding kan geven tot geluidshinder. Uit de studie van TU Graz en Hartmann werden tijdens alle veld testen klachten ontvangen van geluidshinder, enerzijds van de gebruikers zelf door de ingebouwde ventilator, en anderzijds van buren door de vonkoverslag). Volgens fabrikanten kan vonkoverslag vermeden worden door een correcte installatie en adequaat onderhoud. VITO heeft in het kader van deze BBT-studie de ervaring van een vijftal onafhankelijke ESP gebruikers bevraagd en zij hebben geen gevallen van geluidshinder gerapporteerd gedurende het eerste jaar na installatie. Ervaringen van het gebruik langer dan één jaar zijn niet beschikbaar.
Veiligheid:
Bij toepassingen op huishoudelijke houtverwarming zijn er geen indicaties dat een ESP de kans op een schouwbrand verhoogt. Dit is wel het geval bij rookgassen die veel vetten bevatten (bvb restaurants) of héél hoge temperaturen hebben (bvb pizza ovens), maar dit valt buiten de scope van deze studie.
Afvalstoffen:
Het stof dat wordt afgescheiden door de ESP is een afvalstof. De hoeveelheid en samenstelling van het stof is afhankelijk van de hoeveelheid en kwaliteit van het stof dat vrijkomt bij de verbranding, en is daardoor ook gelinkt aan de aard van het gebruikte toestel en de verbrandingscondities. Verontreiniging die aanwezig zijn in de rookgassen (bv PAKs) zullen ook teruggevonden worden in het afgescheiden stof.
Financiële aspecten
Investeringskost:
De aanschafkosten voor een elektrostatisch filter zijn circa 1.500 – 2.200 euro inclusief installatie en plaatsing (Obernberg & Mandl, 2011). Er wordt geadviseerd om de installatie door een professionele installateur te laten uitvoeren en dus niet als doe-het-zelf-klus. Voor slecht beloopbare daken of schoorstenen die meer dan 1,50 m uitsteken zal een hoogtewerker ingeschakeld moeten worden voor de montage, met een extra kost van ca. 150 euro. (Leveranciersinformatie elektrofilter, 2019)
Werkingskost:
De werkingskost van een ESP komt voornamelijk van het elektriciteitsverbruik van de elektroden en de ventilator. Met een vermogen van 10W-100W bedraagt de kost 0,39-3,9 eurocent per uur (met een kostprijs van € 0,39/kWh (VREG, 2019)) dat het toestel aanstaat. Voor de ‘sfeerverwarmers’ komt dit neer op een kost van € 0,70-7,0 /jaar. Voor de ‘hoofdverwarmers’ komt dit neer op een kost van € 4-40 /jaar
Onderhoudskost:
Volgens distributeurs moet een manuele elektrofilter 1 à 2 keer per jaar gereinigd worden, afhankelijk het type toestel en het gebruik ervan. De kostprijs voor een onderhoudsbeurt ligt rond de 100-150 euro, afhankelijk van het aantal rookkanalen dat gekuist moet worden. Het onderhoud van de elektrode gebeurt gewoonlijk samen met de jaarlijkse (in sommige gevallen verplichte, zie ook Hoofdstuk 2) schouwreiniging, en heeft in geen noemenswaardige extra kost. Belangrijk hier is dat er geen stalen borstel gebruikt wordt aangezien deze de elektrode kan beschadigen.
[1] 25% zonder bypass tijdens de startfase, 80% met bypass tijdens de startfase. Voor ketels met een slechte verbranding is een bypass nodig voor de opstartfase. Als er geen bypass is, wordt overmatig roet verzameld op de elektroden en dit kan kortsluitingen veroorzaken.
| Milieuvriendelijke techniek | Technische aspecten | Milieuaspecten | BBT | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Bewezen | Algemeen toepasbaar | Interne veiligheid | Kwaliteit | Globaal - technisch | Afvalwater | Stof | Geur | VOS+PAK | CO | Afval | Energie - rendement | Energie - elektriciteitsverbruik | Globaal - milieu | Economisch | ||
- Legende
1 Het plaatsen van een elektrofilter is technisch toepasbaar onder bepaalde randvoorwaarden (bv diameter rookgaskanaal) . De goede werking van de techniek is sterk afhankelijk van gebruikersgedrag (bv. regelmatig onderhoud én correct stookgedrag), en daarom enkel geschikt voor gebruikers die bereid zijn de nodige inspanningen hiervoor te leveren.
2 De techniek heeft een significante meerkost (€1.500 – 2.200 incl. installatie), die afhankelijk van het profiel van de gebruiker (bv. aantal uren dat men het toestel wil gebruiken, tijd/moeite die men wil investeren in correct stookgedrag, onderhoud enzoverder) en van het type (ketel, haard of kachel) en de leeftijd/milieuprestaties van het toestel, wel of niet in een redelijke verhouding staat tegenover de verbeterde milieuprestaties. Voor oude, vervuilende toestellen moet in elk geval een afweging gebeuren tussen de aankoop van een nieuw performanter toestel (met niet alleen lagere emissies, maar ook een hogere energie-efficiëntie) en het plaatsen van een ESP (zie bespreking onder paragraaf 5.2.5).