Auswirkung der Holzverbrennung auf die Luftqualität in Wohngebieten

Auswirkung der Holzverbrennung auf die
Luftqualität in Wohngebieten
Cornelius Oertel
8. Semester Geoökologie
Fakultät für Geowissenschaften, Geotechnik und Bergbau
Technische Universität Freiberg
Abstract. Im Zuge der teurer werdenden Brennstoffe Gas und Öl, stieg in den
letzten Jahren die Zahl der Haushalte mit Holzöfen. Die bei der Holzverbrennung
entstehenden Abgase sind abhängig von der Art des Ofens, dem Brennmaterial
und der Luftzufuhr während des Brennvorgangs. Die Abgase enthalten partikuläre
und zahlreiche gasförmige Emissionen, wie zum Beispiel VOC’s und PAK’s, welche
Auswirkungen auf die Gesundheit des Menschen haben. In einer Studie von
Glasius et al. (2006) wurden in einem Wohngebiet mit Holzfeuerung in einer dänischen
Stadt erhöhte Konzentrationen an PM2.5 festgestellt. Diese Konzentrationen
waren signifikant höher als im Umland und konnten mit den Werten einer
stark befahrenen Straße in Kopenhagen, mit 70.000 Autos pro Tag, verglichen
werden.
Einleitung
Holz ist einer der ältesten erneuerbaren Rohstoffe, welcher als Heizquelle verwendet
wird (Boman et al. 2006). Auch heute ist die Verbrennung von Holz zu
Heizzwecken während des Winters in vielen Ländern verbreitet. Dies gilt zum
Beispiel für Gebiet mit kaltem Klima wie Dänemark oder Schweden (Glasius et
al. 2006). In Deutschland findet Holzverbrennung vorwiegend im ländlichen
Raum statt. Die Nachfrage für Holz als Brennstoff ist in den letzten Jahren auf
Grund der ansteigenden Preise für fossile Brennstoffe gestiegen (Molnar et al.
2005). Des Weiteren ist die Verbrennung von Holz CO2-neutral (Raymer 2006).
Das heißt bei der Verbrennung gelangt nur das CO2 in die Atmosphäre, welches
beim Pflanzenwachstum im Holz fixiert wurde. In Deutschland wird deshalb die

2 Cornelius Oertel
Holzverbrennung durch Subventionen gefördert. Dies geschieht durch das Bundesamt
für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle. Gefördert werden beispielsweise
Scheitholz-, Pellet- und Hackgutkessel (BAFA 2007). Neben diesen Vorteilen
müssen bei der Holzverbrennung die partikulären und gasförmigen Schadstoffemissionen
kritisch betrachtet werden. Diese können zu einer Verschlechterung
der Luftqualität in Wohngebieten, in denen mit Holz gefeuert wird, führen (Glasius
et al. 2006). Für die dort wohnenden Menschen besteht neben Geruchsbelästigungen
ein erhöhtes Risiko an Asthma, Atemwegs- und Gefäßkrankheiten und
Krebs zu erkranken (Molnar et al. 2005). Art und Menge der Emissionen sind unter
anderem abhängig vom Typ des Holzofens und von Art und Feuchtigkeit des
verwendeten Holzes (McDonald et al. 2000). In Deutschland stieg die Nachfrage
an Biomasse (vor allem Holz) im Jahr 2006 um 10% (Böhme und Dürrschmidt
2007). In Dänemark hat sich die Zahl der Holzöfen im letzten Jahrzehnt verdoppelt
(Glasius et al. 2006). Es ist somit davon auszugehen, dass die Emissionen
durch Holzverbrennung steigen werden.
Entstehende Schadstoffe bei der Holzverbrennung
Abhängigkeiten der Schadstoffemissionen
Die entstehenden Emissionen während der Holzverbrennung sind abhängig von
der Art des verwendeten Ofens. Bei herkömmlichen handbeschickten Holzöfen
dominiert eine unvollständige Verbrennung. Dies führt zu relativ großen Durchmessern
der Partikelemissionen (5 µm-100 µm) (Nussbaumer and Hasler 1999).
Wohingegen bei modernen Holzöfen, in denen zum Beispiel Holzpellets verbrannt
werden können, die Verbrennungsart mehr in Richtung vollständige Verbrennung
tendiert, als bei alten Holzöfen. Holzpellets sind unter hohem Druck verfestigte
Holzreste wie zum Beispiel Sägemehl, Hobelspäne oder Waldrestholz (Hansen
2006). Bei der Holzverbrennung in modernen Öfen entstehen jedoch vorwiegend
Partikel mit kleineren Durchmessern, welche schwer abgeschieden werden können
(Nussbaumer and Hasler 1999). Die Partikelemissionen herkömmlicher Holzöfen
gegenüber modernen Pelletöfen können um bis zu 50mal höher sein (Johansson et
al. 2004). Dies wird in Tabelle 1 am Beispiel Methanemissionen sichtbar. Methanemissionen
moderner Pelletöfen sind wesentlich geringer, als die Emissionswerte
eines herkömmlichen Holzofens. Diese übersteigen sogar teilweise die Emissionswerte
für Methan während eines Waldbrandes. Grund für die geringeren
Emissionen ist, dass in modernen Holzöfen eine kontrollierte Verbrennung stattfindet,
indem die Verbrennungsbedingungen jederzeit automatisch auf ein Optimum
eingestellt werden (Hansen 2006). Des Weiteren werden die Emissionen der
Holzverbrennung durch den Feuchtigkeitsgrad des verwendeten Holzes beeinflusst.
Je höher der Feuchtigkeitsgrad, desto höher die Emissionen (McDonald et

Auswirkung der Holzverbrennung auf die Luftqualität in Wohngebieten 3
al. 2000). Außerdem werden hohe Emissionen durch niedrige Temperaturen und
geringe Luftzufuhr gefördert (Johanssons et al. 2004; Nussbaumer und Hasler
1999). Holzpellets besitzen beispielsweise einen deutlich geringeren Feuchtigkeitsgrad,
als Stückholz, weshalb dessen Emissionswerte auch geringer sind (Hansen
2006). Emissionen aus Holzverbrennung halten sich länger in Orten auf, welche
sich in Tallagen befinden (Johnson 2006). Eine weitere Einflussgröße ist die
Art des verwendeten Holzes. Weichhölzer, zu denen unter anderem Nadelbäume,
Linden, Weiden und Pappeln gehören, weißen wesentlich geringere Emissionen
auf, als Harthölzer, zu denen zum Beispiel Buchen, Eichen und Eschen gehören
(Tabelle 2).
Tabelle 1. Vergleich der Methanemissionen für verschiedene Verbrennungsvarianten (Olsson
und Kjällstrand 2006)
Feuerungsart Methanemission in g pro kg Brennstoff
Pelletofen

4 Cornelius Oertel
che leichtflüchtige Kohlenwasserstoffe, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe
(PAK’s) und Kohlenmonoxid in den Holzabgasen enthalten. In Abb. 1 sind
einige bei der Holzverbrennung entstehenden PAK’s aufgeführt und mit den Emissionen
von Autoabgasen verglichen.
Abb. 1. Vergleich der Emissionen and PAK’s von Autoabgasen in einem Tunnel und
Holzabgasen. Die angegebenen Prozentzahlen beziehen sich auf die Gesamtmenge an
PAK’s (Kocbach et al. 2006)
Hierbei wird ersichtlich, dass die Werte vieler PAK’s bei Holzabgasen höher liegen,
als bei Autoabgasen. Dies gilt zum Beispiel auch für Benzo[a]pyren. Dieser
Stoff ist für Lebewesen krebserregend (McDonald et al. 2006). Auch der Gesamtgehalt
an Kohlenstoff und der Gehalt an organischem Kohlenstoff sind bei Autoabgasen
geringer, als bei Holzabgasen (Tabelle 3).
Tabelle 3. Vergleich von Autoabgasen mit Holzabgasen hinsichtlich Gesamtkohlenstoffgehalt
(TC) und Gehalt an organischem Kohlenstoff (OC) (Kocbach et al. 2006)
Abgasart TC in % OC in %
Holz 82.6 ± 5.8 35.4 ± 5.1
Autoverkehr in einem Straßentunnel 51.0 ± 3.8 24.4 ± 2.0
Gesundheitsgefahren durch Holzrauch
Neben Geruchsbelästigungen, abnehmender Lungenfunktion und Hustenreiz
(Johnson 2006, Zelikoff et al. 2002) können Emissionen, die bei der Holzverbren-

Auswirkung der Holzverbrennung auf die Luftqualität in Wohngebieten 5
nung entstehen, auch Krankheiten auslösen. Hierfür sind vor allem lungengängige
Partikelemissionen (PM2.5) verantwortlich (Boman et al. 2006). Neben Atemwegserkrankungen
wie chronischer Bronchitis und Asthma können auch Erkrankungen
wie zum Beispiel Lungenkrebs entstehen (Molnar et al. 2005; Zelikoff et
al. 2002). Besonders anfällig hierfür sind Kinder, Alte, Asthmatiker, Diabetiker
und Personen mit Lungen- und Herzkrankheiten (Delgado et al. 2005). Nach
Schätzungen der WHO sterben jährlich rund 2.7-3 Millionen Menschen weltweit
durch den langjährigen Aufenthalt in Gebieten mit Holzverbrennung (Hine et al.
2007). In einer Studie von Delgado et al. 2005 aus Mexiko wurden 62 Lungenkrebspatienten
untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass rund 39% der Patienten
Lungenkrebs bekamen, da sie jahrelang Abgasen der Holzverbrennung ausgesetzt
waren. Zu diesen Patienten zählten vorwiegend Frauen aus ländlichen Gegenden.
Des Weiteren wird durch das Einatmen von Holzabgasen das Immunsystem geschwächt
(Zelikoff et al. 2002).
Studien über die Luftqualität in Wohngebieten
Einfluss der Holzverbrennung auf den Partikelgehalt in einem
Wohngebiet in Dänemark
Die Untersuchung der Luftqualität in Wohngebieten besitzt eine große Bedeutung,
da die Leute einen Großteil ihrer Zeit dort verbringen. In der Studie von Glasius et
al. 2006 wurden die Auswirkungen der Holzverbrennung in einem Wohngebiet
auf die lokalen und regionalen Partikelgehalte in der Luft untersucht. Hierfür wurde
die dänische Stadt Gundsomagle ausgewählt, welche rund 2500 Einwohner hat.
38% der Häuser in Gundsomagle werden mit Holzheizungen beheizt und 53% besitzen
eine elektrische Heizung. Im Umfeld der Stadt, die sich etwa 30 km von
Kopenhagen befindet, wird Landwirtschaft betrieben. Die Messungen erfolgten in
einer Höhe von 5 m in der Mitte des Wohngebietes (Abb. 2). Die Messzeiträume
erstreckten sich vom 6. November 2002 – 18. Dezember 2002 und vom 14. November
2003 – 6. Februar 2004 (Glasius et al. 2006). Die Werte der Silvesternacht
wurden, auf Grund der erhöhten Werte durch Feuerwerk, aus der Datenreihe entfernt.
Zu Vergleichszwecken wurden Messungen an einer Straße in Kopenhagen
(70.000 Autos pro Tag), am Ort Lille Valby, welcher sich 5 km von Gundsomagle
befindet und an einer Station mit städtischem Hintergrund in Kopenhagen durchgeführt.
In der Studie von Glasius et al. (2006) wurden die Halbstundenmittelwerte
von PM2.5, NO, NOx, CO und die Gehalt an elementarem und organischem
Kohlenstoff in PM10 gemessen. Des Weiteren standen die meteorologischen Daten
der Gegend zur Verfügung, um die Effekte der Wetterlage auf die gemessenen
Konzentrationen mit einbeziehen zu können.

6 Cornelius Oertel
Abb. 2. Karte des untersuchten Wohngebietes in Gundsomagle (Glasius et al. 2006)
Die Ergebnisse der Messungen zeigten besonders in kalten Winternächten erhöhte
Werte an PM2.5 und elementarem Kohlenstoff. Abb. 3 zeigt einen Wochenverlauf
der gemessenen Werte für PM2.5 und elementaren Kohlenstoff. Hierbei sind jeweils
Peaks am Morgen und Abend zu finden, welche durch den Tagesrhythmus
der Bevölkerung entstehen. Die Variationen der Peakhöhen entstehen unter Anderem
durch unterschiedliche atmosphärische Schichtungen. Die Konzentration an
PM2.5 ist an der Messstation im Wohngebiet um 4.4 µg/m³ höher als an der 5 km
entfernten Messstation im Umland. Die Unterschiede dieser beiden Stationen im
Verlauf des Messzeitraumes sind in Abb. 6 dargestellt. In Abb. 5 werden die gemessenen
PM2.5-Werte an den verschiedenen Messstationen an einem Arbeitstag
verglichen. Der Kurvenverlauf für die stark befahrene Straße hat die höchsten
Konzentrationen am Morgen während des Berufsverkehrs. Im Laufe des Tages
bleibt die Konzentration erhöht. Das Minimum liegt in der Nacht. Die Werte der
Stationen im Umland sind signifikant geringer als die Werte im Wohngebiet und
an der Straße in Kopenhagen. Die Durchschnittskonzentrationen an PM2.5 liegen
im Wohngebiet mit 16.0 µg/m³ im Bereich der stark befahrenen Straße, welche einen
Durchschnittswert von 15.6 µg/m³ aufweist. Vom Mittelwert der PM2.5-
Konzentration im Wohngebiet wurde der Anteil des Verkehrs abgezogen. Dieser
Wert betrug 0.2 µg/m³. Als Indikator hierfür wurde NOx verwendet, welches stärker
durch Autoabgase, als durch Holzverbrennung entsteht, dessen Abgase im Gegensatz
zu Autoabgasen ein sehr hohes PM/NOx-Verhältnis besitzen.

Auswirkung der Holzverbrennung auf die Luftqualität in Wohngebieten 7
Abb. 3. PM 2.5 und elementarer Kohlenstoff (EC) im Wochenverlauf. Der 10.12.2002 ist ein
Dienstag (Glasius et al. 2006)
Abb. 4. Vergleich der gemessenen PM 2.5 –Werte im Wohngebiet, an der Straße, an der
Messstation mit städtischem Hintergrund und der Messstation im Umland des Wohngebietes
(Glasius et al. 2006)

8 Cornelius Oertel
Abb. 5. Unterschied der PM 2.5-Konzentrationen im Messzeitraum zwischen Wohngebiet
mit Holzheizungen und der Messstation im Umland (5km vom Wohngebiet entfernt). Die
rote Linie zeigt die durchschnittliche Abweichung (Glasius et al. 2006)
Abb. 6. Verteilung der Partikeldurchmesser im Wohngebiet (rot) und der Messstation mit
städtischem Hintergrund (Glasius et al. 2006)
Die Höhe der gemessenen PM2.5-Werte wurde von der Windgeschwindigkeit beeinflusst.
Innerhalb des Messzeitraumes lag sie im Bereich von 0.5-12 m/s. Bei
Windgeschwindigkeiten von weniger als 5 m/s kommt es auf Grund des geringen
Transports der Abgaspartikel zu erhöhten Konzentrationen innerhalb des Wohngebietes.
Vergleicht man die Partikeldurchmesser der Messung innerhalb des
Wohngebietes mit denen der Messstation mit städtischem Hintergrund, ist festzustellen,
dass im Wohngebiet größere Partikeldurchmesser auftreten, da die Holzverbrennung
eine unvollständige Verbrennung ist (Abb. 6). Die Verbrennung des
Treibstoffes bei Fahrzeugen ist hingegen vollständiger.

Auswirkung der Holzverbrennung auf die Luftqualität in Wohngebieten 9
Einfluss der Holzverbrennung auf die Partikellevel in einer schwedischen
Stadt
In einer Studie von Molnar et al. (2006) wurde die Auswirkung der Holzverbrennung
in der schwedischen Stadt Hagfors auf die Spurenelementgehalte innerhalb
des PM2.5 untersucht. In der Stadt mit 5.600 Einwohnern dominieren Holzöfen in
den Häusern und es befindet sich keine Industrie oder eine stark befahrenen Straße
in der Nähe. Das Messprogramm umfasste 9 Tage im Winter 2003. Die Messungen
wurden innerhalb von Häusern mit Holzöfen und außerhalb der Häuser
durchgeführt. Des Weiteren wurden Testpersonen mit Partikelsammlern ausgestatte,
um festzustellen, welchen Emissionen die Menschen ausgesetzt sind. Als Testpersonen
wurden nur Leute aus Nichtraucherhaushalten ausgewählt. Die Durchschnittskonzentration
für PM2.5, welcher die Testpersonen ausgesetzt waren, lag in
der Studie von Molnar et al. (2006) bei 14.1 µg/m³. Dieser Wert entspricht etwa
den Durchschnittswerten für PM2.5 in der Studie von Glasius et al. (2006) innerhalb
des untersuchten Wohngebietes. Der Durchschnittswert der PM2.5-
Konzentration im Innenbereich der Wohnhäuser mit Holzheizung lag bei 10.3
µg/m³. Der Grund dafür, dass der Wert der Konzentration im Innenbereich geringer
ist als der Wert der an den Testpersonen gemessen wurde liegt unter anderem
daran, dass die von den Testpersonen verwendeten Holzöfen handbeschickt waren.
Während des Nachlegens von Holz waren die Testpersonen einer höheren
Konzentration an Schadstoffen ausgesetzt. Des Weiteren wurden im Bereich der
Testpersonen erhöhte Konzentrationen an Cl, K, Ca, Cu und Zn festgestellt.
Schlussfolgerungen
Die Verwendung von regenerativen Rohstoffen, wie zum Beispiel Holz, ist aus
Sicht des Klimaschutzes zu befürworten, denn diese Rohstoffe sind CO2-neutral.
Da die Anzahl derer steigt, die eine Holzheizung besitzen, sollten jedoch auch die
Nachteile des Heizens mit Holz berücksichtigt werden, da hierdurch zahlreiche
Gefahren für die Gesundheit der in den Wohngebieten lebenden Menschen entstehen.
Dies zeigt auch die Studie von Glasius et al. (2006), welche erhöhte Konzentrationen
an PM2.5 in Wohngebieten mit Holzheizungen festgestellt hat. Um dennoch
die Vorteile des Rohstoffes Holz nutzen zu können, sollte die Anwendung
schadstoffarmer moderner Holzheizungen, wie zum Beispiel Pelletöfen, ausgebaut
werden. In einem Arbeitsentwurf zur 1. BImSchV ist deshalb festgelegt wurden,
dass Öfen in Deutschland, die ab 2010 gebaut werden, eine Einrichtung zur Staubabscheidung
besitzen müssen. Ab 2014 sollen dann sukzessive Anlagen, welche
Grenzwerte nicht einhalten, in Abhängigkeit vom Zeitpunkt der Errichtung außer
Betrieb genommen werden (Storm 2007).

10 Cornelius Oertel
Referenzen
BAFA (2007): Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle: http://www.bafa.de
Böhme D, Dürrschmidt W (2007) Entwicklung der erneuerbaren Energien im Jahr 2006 in
Deutschland. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit:
http://www.erneuerbareenergien.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/hintergrund_zahlen2006.pdf
Boman C, Forsberg B, Sandstrom T (2006) Shedding new light on wood smoke: a risk factor
for respiratory health. European Respirator Journal 27: 446-447
Delgado J, Martinet L.M, Sanchez T.T, Ramirez Am Iturria C, Gonzalez-Avila G (2005)
Lung cancer pathogenesis associated with wood smoke exposure. CHEST official publication
of the American College of Chest Physicians 128: 124-131
Glasius M, Ketzel M, Wahlin P, Jensen B, Monster J, Berkowicz R, Palmgren F (2006)
Impact of wood combustion on particle levels in a residential area in Denmark. Atmospheric
Environment 40: 7115-7124
Hansen H (2006): Holzpellets. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., tangram documents,
Bentwisch
Hine D.W, Marks A.D.G, Nachreiner M, Gofford R, Heath Y (2007) Keeping the home
fires burning: The affect heuristic and wood smoke pollution. Journal of Environmental
Psychology 27: 26-32
Johansson L.S, Leckner B, Gustavsson L, Cooper D, Tullin C, Potter A (2004) Emission
characteristics of modern and old-type residential boilers fired with wood logs and
wood pellets. Atmospheric Environment 38: 4183-4195
Johnson P.R.S (2006) In-Field Ambient Fine Particle Monitoring of an Outdoor Wood
Boiler: Public Health Concerns. Human and Ecological Risk Assessment 12: 1153-
1170
Kocbach A, Johansen B.V, Schwarze P.E, Namork E (2005) Analytical electron microscopy
of combustion particles: a comparison of vehicle exhaust and residential wood
smoke. Science of the Total Environment 346: 231-243
Kocbach A, Li Y, Yttri K.E, Cassee F.R, Schwarze P.E, Nomork E (2006) Physicochemical
characterisation of combustion from vehicle exhaust and residential wood smoke. Particle
and Fibre Toxicology 3: Article number 1
Mc Donald J, Zielinska B, Fujita E, Sagebiel J, Chow J, Watson J (2000) Fine Particle and
Gaseous Emission Rates from Residential Wood Combustion. Environmental Science
& Technology 34: 2080-2091
Molnar P, Gustafson P, Johannesson S, Boman J, Barregard L, Sallsten G (2005) Domestic
wood burning and PM2.5 trace elements: Personal exposures, indoor and outdoor levels.
Atmospheric Environment 39: 2643-2653
Nussbaumer T, Hasler P (1999) Bildung und Eigenschaften von Aerosolen aus Holzfeuerung.
Holz als Roh- und Werkstoff 57: 13-22
Olsson M, Kjällstrand J (2006) Low emissions from wood burning in an ecolabeled residential
boiler. Atmospheric Environment 40: 1148-1158
Raymer A.K (2006) A comparison of avoided greenhouse gas emissions when using different
kinds of wood energy. Biomass and Energy 30:605-617
Storm P.C (2007) Umweltrecht. Deutscher Taschenbuchverlag, München
Zelikoff J.T, Chen L.C, Cohen M.D, Schlesinger R.B (2002) The toxicology of inhaled
woodsmoke. Journal of Toxicology and Environmental Health 5: 269-282