Holz besteht aus den Elementen Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O), Wasserstoff (H) und Stickstoff (N), die als Polymere in Form von Cellulose, Hemicellulose und Lignin auftreten. Da Holzpellets zu fast 100 % aus zerkleinertem, naturbelassenem Holz hergestellt werden, verfügen sie über die gleichen chemischen Eigenschaften.
Cellulose und Hemicellulose bilden als langkettige, lineare Moleküle das Grundgerüst von Pflanzen. Im Gegensatz dazu ist Lignin ein dreidimensional vernetztes Polymer, das zur Stabilität des Gerüstet die Zwischenräume füllt. Das Zusammenwirken von Lignin und Zellulose kann mit Stahlbeton verglichen werden.
Die Verbrennung von Holzpellets ist eine rasche, unter Flammbildung verlaufende chemische Reaktion, bei der sich der Brennstoff, unter Wärmeabgabe, mit Sauerstoff verbindet. Dabei wird Energie in Form von Wärme und Licht frei. Bei einer sauberen, vollständigen Verbrennung werden die Holzbestandteile Cellulose, Hemicellulose und Lignin in Kohlendioxid, Wasser und Asche umgewandelt.
Der Verbrennungsvorgang setzt sich aus drei Phasen zusammen: In der ersten Phase bei Temperaturen bis 150 °C erfolgt die Erwärmung und Trocknung der Holzpellets. Die gespeicherte Restfeuchte und sonstige flüchtige Bestandteile verdampfen. In der zweiten Phase bis 600 °C wird der Brennstoff thermisch zersetzt. Dieser Vorgang wird als Pyrolyse bezeichnet. Dabei werden die gasförmigen Verbindungen des Holzes freigesetzt. Es entsteht ein Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen. Vom Holz verbleibt in diesem Stadium nur Holzkohle. Bei Temperaturen ab 400 °C bis 1300 °C findet die eigentliche Verbrennung statt. Die in den ersten beiden Phasen gebildeten Gase und die Holzkohle werden unter Beigabe von Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser verbrannt. Sonnenenergie, die durch Photosynthese im Holz gespeicherte wurde, wird als Wärme und Licht an die Umgebung abgegeben. Von den Holzpellets bleibt lediglich Holzasche übrig.
Die „Dreiphasenverbrennung“ wird durch eine sogenannte Lambda-Sonde überwacht. Dieses Steuerungsinstrument steuert kontinuierlich den Restsauerstoffgehalt des Rauchgases. Für eine optimale, umweltfreundliche Verbrennung von Holzpellets wird eine bestimmte Menge Sauerstoff benötigt, um den enthaltenen Kohlenstoff vollständig zu Kohlendioxid zu verwandeln. Luftmangel im Brennraum führt zu einer unvollständigen Verbrennung. Dabei entstehen neben den Abgasverlusten schädliche Rauchgase mit hohem Kohlenmonoxid- und Rußpartikelgehalt.
