Brennwertsysteme für Gas und Öl sind

Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Rogatty * Stand und Zukunftsperspektiven der Brennwerttechnik Gas und Öl werden noch für lange Zeit die wichtigsten Energieträger im Wärmemarkt bleiben. Begrenzte Ressourcen und die bei der Verbrennung frei werdenden CO 2 -Emissionen erfordern aber den möglichst sparsamen Umgang mit den fossilen Energieträgern. Mit der Brennwerttechnik steht dazu eine der effizientesten Technologien der Wärme erzeugung zur Verfügung. Innovative Weiterentwicklungen ermöglichen auch in Zukunft sicher, wirtschaftlich und klimaschonend mit Gas und Öl zu heizen. Brennwertsysteme für Gas und Öl sind heute eine anerkannte und bewährte Lösung. Sie sind technisch ausgereift, ihre Zuverlässigkeit hat sich in großer Zahl bewährt und ihre Energieeffizienz ist auf sehr hohem Niveau. Brennwert-Wärmeerzeuger sind außerdem mit Leistungen von knapp zwei Kilowatt bis weit über sechs Megawatt verfügbar, so dass für alle Anwendungen vom Einfamilienhaus, über große Wohngebäude, Gewerbebauten bis hin zum Einsatz in Nahwärmenetzen Lösungen vorhanden sind. Darüber hinaus eignet sich die Brennwerttechnik gleichermaßen sowohl für den Einsatz im Neubau wie im Gebäudebe - stand. Rund 14 Millionen Heizungsanlagen, das sind etwa 80Prozent des gesamten Bestandes, verfügen noch über ältere ineffiziente Technik, die neben hohen Brennstoffverbräuchen das Klima durch hohe CO 2 -Emissionen belastet. Sollen die Klimaziele der Politik erreicht werden 20 Prozent Einsparung fossiler Energie und eine Minderung des CO 2 -Ausstoßes um 40 Prozent bis 2020 so müssten von heute an jährlich 1,4 Millionen Heizungsanlagen modernisiert werden. Ein gewaltiges Potenzial für die Brennwerttechnik, die gegenüber anderen Technologien den Vorteil hat, dass der Austausch gegen den alten Heizkessel in der Regel problemlos möglich ist. Wird der ursprüngliche Energieträger Erdgas oder Heizöl beibehalten, so ist zum Beispiel in der Regel auch keine Änderung an der vorhandenen Systemtechnik (Tank, Pumpen, Rohrleitungen, Raum-Heizflächen usw.) erforderlich. * Dipl.-Ing. Wolfgang Rogatty, Technischer Redakteur der Viessmann Werke GmbH, Allendorf Telefax (0 64 52) 70-63 32; RgW@viessmann.de 1. Stand der Brennwerttechnik für Gas und Öl Die gezielt herbeigeführte Kondensation des im Heizgas enthaltenen Wasserdampfes macht den Unterschied der Brennwertgegenüber der herkömmlichen Heizwerttechnik aus. Letztere kann prinzipbedingt nur die Reaktionswärme aus der Verbrennung dem Heizungssystem zuführen. Die zusätzlich zur Reaktionswärme nutzbar gemachte Kondensationswärme führt bei der Gas- und Öl-Brennwerttechnik zu Nutzungsgraden bis 98Prozent (bezogen auf den Brennwert Hs des jeweiligen Brennstoffs). Das bedeutet, die im Brennstoff enthaltene Energie wird bis auf zwei Prozent, und somit bis fast an die physikalische Grenze, in nutzbare Wärme umgewandelt. Die moderne Brennwerttechnik ist deshalb eine der effizientesten Technologien zur Energiewandlung überhaupt. Aus der Vielzahl innovativer Entwicklungen, die am Erfolg der Brennwerttechnik beteiligt sind, sollen hier exemplarisch zwei näher erläutert werden, die den hohen technologischen Stand besonders gut widerspiegeln. Dies sind: 1.brennwertgerechte Kesselkonstruktionen und die 2.selbstkalibrierende Verbrennungsregelung. 1.1 Brennwertgerechte Kesselkonstruktionen Abb. 1 Kondensation ausdrücklich erwünscht: Die Brennwerttechnik nutzt die im Wasserdampf des Heizgases enthaltene Wärme energie. Während bei konventionellen Heizkesseln möglichst trockene Heizflächen angestrebt werden, um Korrosion zu vermeiden, werden Brennwertkessel auf maximale Kondensation ausgelegt. Konstruktion und Material der Wärmetauscher in Brennwertkesseln müssen deshalb ganz besonderen Anforderungen genügen. Eine brennwertgerechte Kesselkonstruktion stellt sicher, dass zwischen dem Heizgas und der Heizfläche stets ein intensiver Kontakt vorhanden ist. So kann die Wärme des Heizgases bestmöglich auf das Heizwasser übertragen werden, was hohe Kondensationsraten zur Folge hat. Damit die wirkungsvolle Wärmeübertragung auch dauerhaft gewährleistet ist, muss zudem das Kondenswasser ungehindert abfließen können, um Aufkonzentrationen zu verhindern. Brennwertgerechte Konstruktionen, wie zum Beispiel der Inox-Radial-Wärmetauscher aus Edelstahl Rostfrei (Abb. 2 und 3) bieten dem Kondenswasser keine Möglichkeit, sich anzusammeln. Stattdessen entsteht durch die senkrechten Flächen ein Selbstreinigungseffekt, da das ungehindert abfließende Kondenswasser die Heizflächen abspült und so sauber hält. Formgebung und gute Zugänglichkeit ermöglichen zudem eine einfache Reinigung. Eine ordnungsgemäße Wartung vorausgesetzt, behält dieser Wärmetauscher seine volle Wirksamkeit über die gesamte Nutzungsdauer des Brennwertgeräts. Abb. 2 Brennwertgerecht konstruierter Inox-Radial-Wärmetauscher aus Edelstahl Rostfrei für Gas- und Öl-Brennwertgeräte. HEIZUNGSJOURNAL 3 2011 49

F A C H B E I T R A G Durch die Wahl geeigneter Werkstoffe muss zudem sichergestellt werden, dass das entstehende Kondenswasser keine Korrosion am Wärmeerzeuger verursachen kann. Die Schwefelbestandteile im Erdgas bzw. im Heizöl bilden bei der Kondensation des im Heizgas enthaltenen Wasserdampfes Verbindungen, die bei ungeeigneten Werkstoffen und längerer Einwirkdauer zu Schäden führen. Deshalb müssen alle Wärmetauscherflächen, die von Kondenswasser berührt werden, aus Materialien bestehen, die unempfindlich sind gegen die verschiedenen Kondenswasserbestandteile. Hierfür hat sich Edelstahl Rostfrei besonders bewährt. Wärmetauscher aus Edelstahl Rostfrei widerstehen ohne weitere Oberflächenbehandlung dauerhaft der Korrosion. Die Erfahrungen haben gezeigt, dass auch nach langjährigem Gebrauch und unter schwierigen Bedingungen Edelstahloberflächen kaum zu Veränderungen neigen. Ein Abtragen des Materials ist ebenfalls nicht festzustellen. Die Oberflächen bleiben frei von Korrosionsprodukten, mit der Folge, dass eine langjährige effiziente Wärmeübertragung gewährleistet ist. Abb. 3 Schnittdarstellung des Inox-Radial- Wärmetauschers: Das Kondenswasser kann ungehindert nach unten abfließen und sorgt so für die Reinigung der Heizflächen. Abb. 4 Funktionsschema der selbstkalibrierenden Verbrennungs - regelung Lambda Pro Control. regelung stellt einen bedeutenden Meilenstein der Gas-Brennwerttechnik dar. Bereits heute wird Erdgas aus verschiedenen Lieferländern und mit unterschiedlicher Qualität in die Versorgungsnetze eingespeist. In Zukunft werden noch Flüssig - erdgas (Liquefied Natural Gas, LNG), Gase nach den EASEE-Spezifikationen (European Association for the Streamlining of Energy Exchange) sowie aus nachwach- senden Rohstoffen erzeugtes Bio-Erdgas hinzukommen. Dies führt zu einer großen Bandbreite an Gas-Qualitäten, mit denen Gas-Brennwertgeräte betrieben werden müssen, ohne dass sie dabei an Zuverlässigkeit und Effizienz verlieren. Die ideale Antwort auf diese Herausforderung ist eine selbstkalibrierende Verbrennungsregelung, wie zum Beispiel Lambda Pro Control, die Qualitätsschwankungen des Brennstoffs sofort erkennt und automatisch ausgleicht (Abb. 4). Lambda Pro Control nutzt die Ionisationselektrode der Flammüberwachung und misst damit ständig die elektrische Leitfähigkeit der Gasflamme. Diese gibt Auskunft über den Sauerstoffgehalt der Flamme bzw. über die aktuelle Luftzahl (λ). Verändert sich die Gas-Qualität, so verschiebt sich auch die Luftzahl, und Lambda Pro Control öffnet oder schließt entsprechend das Gasregelventil. Da die Gasmenge auch von der tatsächlichen Brennerleistung abhängig ist, wird auch die Gebläsedrehzahl erfasst und dient als Steuergröße für die Verstellung der Gasmenge. Die durch Lambda Pro Control kontinuierlich nachgeregelte Verbrennung gewährleistet so eine dauerhaft hohe Betriebssicherheit sowie einen gleichbleibend hohen Wirkungsgrad unabhängig von der momentan verwendeten Gasqualität. Darüber hinaus bietet eine Verbrennungsregelung, wie Lambda Pro Control noch weitere Vorteile: Eine verbrennungsseitige Geräteeinstellung ist bei der Inbetriebnahme nicht erforderlich. Der elektronische Gas-Luft- Verbund kalibriert sich selbstständig, das Brennwertgerät geht problemlos in Betrieb. Die Umstellung der Geräte bei einem Wechsel zwischen Erdgas L und H mittels Düsen oder Blenden entfällt. Für den Wechsel auf Flüssiggas reicht eine geringfügige Umstellung an der Regelung und am Gas-Kombiregler, ohne die Gasstrecke zu öffnen. Die Anpassung der Geräte an den Widerstand des jeweiligen Abgas - systems entfällt. Selbst nachträgliche Veränderungen im Abgassystem werden im laufenden Betrieb automatisch ausgeglichen. 1.2 Selbstkalibrierende Verbrennungsregelung Die Entwicklung einer selbstkalibrierenden, kontinuierlich arbeitenden Verbrennungs- Abb. 5 Moderne Öl-Brennwertkessel, wie der Vitoladens 300-C, können problemlos mit Bei mischungen von bis zu 10Prozent Bioöl zum Heizöl (Heizöl EL A Bio 10) betrieben werden. Für den Service müssen keine neuen Bauteile bereitgehalten werden, Lambda Pro Control nutzt bereits vorhandene und bewährte Komponenten (Ionisationselektrode). 50 HEIZUNGSJOURNAL 3 2011

2. Zukunftsperspektiven der Brennwerttechnik Abb. 6 Gas-Brennwert-Kompaktgerät Vitodens 343-F mit integriertem Solarspeicher und allen für den Anschluss von Solarkollektoren zur Trinkwassererwärmung benötigten Komponenten, wie Regelung, Solarkreispumpe usw. Die Gas- und Öl-Brennwerttechnik ist so, wie sie heute eingesetzt wird, eine Technologie, mit der sich auch in Zukunft sicher und wirtschaftlich heizen lässt. Dazu tragen auch die Möglichkeiten bei, sie zusammen mit regenerativen Energiesystemen zu betreiben sowie Weiterentwicklungen, die auf der Brennwerttechnik aufsetzen. 2.1 Zukunftssicher durch Ergänzung mit regenerativen Energiesystemen Die einfachste Art, Brennwert-Wärmeerzeuger mit regenerativen Energien zu verbinden, ist die Nutzung von Brennstoffen, die aus nachwachsenden Rohstoffen ge- Abb. 7 Scheitholz-Vergaserkessel, wie der Vitoligno 100-S, eignen sich besonders für den Einsatz in bivalenten Heizungs - anlagen. wonnen und dem herkömmlichen Heizöl bzw. Erdgas beigemischt werden. So können, zum Beispiel, moderne Öl-Brennwertkessel (Abb. 5) problemlos mit den bereits heute im Markt angebotenen, nach DIN 51603-6 standardisierten Gemischen aus Bioöl und Heizöl EL betrieben werden. Dieses Heizöl EL A Bio ist schwefelarmes Heizöl, dem ein flüssiger Brennstoff aus nachwachsenden Rohstoffen beigemischt ist. Heizöl EL A Bio mit mindestens 10 Prozent Bioanteil wird derzeit schon in einigen Regionen Deutschlands angeboten. Auch wenn mit Gas geheizt wird, kann Brennstoff aus nachwachsenden Rohstoffen zugemischt werden. Die Bundesregierung will prüfen, ob der Wärmemarkt für Biogas geöffnet werden soll. Geschieht das, wird zunehmend aufbereitetes Biogas in die Erdgasnetze eingespeist werden. Dabei werden heute Zumischungen von bis zu 10 Prozent zum Erdgas angestrebt. Moderne Gas-Brennwertgeräte mit einer selbstkalibrierenden Verbrennungsregelung, wie Lambda Pro Control, sind in der Lage, ein solches Gasgemisch problemlos und ohne vorherige Anpassung (z. B. durch den Austausch von Blenden) zu verbrennen. Darüber hinaus kann die Brennwerttechnik mit praktisch allen üblichen Systemen zur Nutzung regenerativer Energieformen kombiniert werden. Immer öfter finden sich in modernen Heizungsanlagen Gas- oder Öl-Brennwertkessel zusammen mit thermischen Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung, modernen Holzfeuerungen oder Wärmepumpen. Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung als Ergänzung zum Brennwertsystem sind weit verbreitet, denn mit ihrer Hilfe können in Ein- und Zweifamilienhäusern übers Jahr gerechnet bis zu 60 Prozent der für die Warmwasserbereitung benötigten Energie durch kostenlose Wärme von der Sonne bereitgestellt werden (Abb. 6). Der Anteil der Solaranlagen, die zusätzlich zur Trinkwassererwärmung auch die Heizung unterstützen, wächst kontinuierlich. Bis zu 35 Prozent (in optimal gedämmten Neubauten auch mehr) des gesamten Wärmebedarfs eines Hauses kann eine solche Solaranlage decken. Deshalb sollte bei der Planung einer Heizungsanlage im Neubau oder bei der Modernisierung immer geprüft werden, ob die kostenlose Sonnenenergie genutzt werden kann. Wird eine Solaranlage nicht gleich installiert, so sollte zumindest Vorsorge für die spätere Nachrüstung getroffen werden. Zum Beispiel, indem ein entsprechender Speicher installiert wird und die erforderlichen Rohr- und Fühlerleitungen bis zum Dach verlegt werden.

F A C H B E I T R A G 2.2 Innovative Weiterentwicklungen Konsequente Weiterentwicklungen der Gasund Öl-Brennwerttechnik sind Mikro-KWK- Systeme und gas- bzw. ölbetriebene Zeolith-Heizgeräte. Bei ihnen wird die bekannte Brennwerttechnik mit innovativen Technologien ergänzt, um so noch höhere Nutzungsgrade zu erzielen. 2.2.1 Mikro-KWK-System Abb. 8 In bivalenten Anlagen übernehmen Wärmepumpen bis zu 90 Prozent der Jahresheizarbeit. Auch die Kombination eines Festbrennstoffkessels (Pellet- oder Holzvergaserkessel) mit einem Brennwertgerät ist möglich und wird vielfach genutzt (Abb. 7). In solchen bivalenten Anlagen sorgt der Brennwertkessel im Sommer für die komfortable Trinkwassererwärmung und deckt in der Übergangszeit den Wärmebedarf für die Wohnraumbeheizung. Im Winter kann dann der Festbrennstoffkessel parallel zum Öl-/ Gas-Heizkessel betrieben werden und hilft so, den Verbrauch des fossilen Brennstoffs deutlich zu senken. Zugleich sorgt der Brennwertkessel für den gewohnten Komfort. So kühlen, zum Beispiel, auch bei längerer Abwesenheit der Bewohner die Räume nicht aus, weil kein Brennholz nachgelegt wurde. Auch mit einer Wärmepumpe lässt sich der Gas- oder Öl-Brennwertkessel kombinieren. In diesen Anlagen beträgt der Deckungsanteil der Wärmepumpe an der Jahresheizarbeit bis zu 90 Prozent, entsprechend sind die Einsparungen bei Öl bzw. Gas (Abb. 8). Als Wärmepumpe kommen für solche bivalenten Anlagen immer häufiger die preisattraktiven Luft/Wasser-Wärmepumpen in Split-Bauweise zum Einsatz (Abb. 9). Ihre Technik basiert auf den millionenfach bewährten Split-Klimageräten, wodurch sich die im Vergleich zu Wärmepumpen anderer Bauart geringen Anschaffungskosten ergeben. Hinzu kommt, dass die Außenluft als Wärmequelle ohne Aufwand erschlossen werden kann. Es sind weder kostenintensive Erdarbeiten erforderlich, noch müssen Zu- und Abluftkanäle verlegt werden. Lediglich zwei Kältemittelleitungen und der elektrische Anschluss sind aus dem Gebäude heraus zur Außeneinheit zu führen. Abb. 9 Preis - attraktive Split- Wärmepumpe für die Nutzung von Außenluft als Wärmequelle. Mikro-KWK-Systeme zur gleichzeitigen Erzeugung von Wärme und Strom stellen Kraft- Wärme-Kopplung in ihrer derzeit kompaktesten Form dar. Das von Viessmann ent - wickelte Mikro-KWK-System kombiniert einen Freikolben-Stirlingmotor mit einem hocheffizienten Gas-Brennwertgerät. Beide Komponenten sind gemeinsam in einem kom - pakten Wandgerät untergebracht (Abb. 10). Der Stirlingmotor erzeugt ein Kilowatt elektrischer und sechs Kilowatt thermischer Leistung. Damit können die Grundlasten an Strom und Wärme von Ein- und Zweifamilienhäusern gedeckt werden. Nicht benötigter Strom wird in das öffentliche Netz eingespeist. Sowohl der selbst genutzte als auch der eingespeiste Strom werden vergütet. Das Gas-Brennwertgerät dient zur Deckung der Wärmebedarfsspitzen an besonders kalten Tagen und für die schnelle Trinkwasser - erwärmung. Seine Leistung beträgt 20 Kilowatt. Der Gesamtwirkungsgrad des Geräts beträgt 96% (Hs). Nach umfangreichen Feldtests steht das System jetzt kurz vor der Markteinführung. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass die bei der Stromerzeugung anfallende Wärme genutzt wird. Dagegen wird bei dem auf herkömmliche Art im Kraftwerk erzeugten Strom die Wärme ungenutzt an die Umgebung abgegeben und so werden rund 60 Prozent der eingesetzten Primärenergie vergeudet. 2.2.2 Zeolith-Heizgeräte Zeolith-Heizgeräte sind Kombinationen aus einem Brennwertgerät und einer Adsorptions-Wärmepumpe. Das Wärmepumpenmodul deckt die Grundlast des Gebäude- Wärmebedarfs und nutzt dazu kostenlose Naturwärme. Für Bedarfsspitzen ist der Brennwertkessel zuständig. Wie bei dem Mikro-KWK-System, so sind auch bei dem von Viessmann entwickelten Zeolith-Kompaktgerät für Einfamilienhäuser beide Komponenten in einem Gehäuse vereint (Abb. 11). Neben einem gasbetriebenen wird derzeit auch an einer mit Öl betriebenen Ausführung gearbeitet. Bei dem Zeolith-Wärmepumpenmodul macht man sich die Eigenschaft des Mine- 52 HEIZUNGSJOURNAL 3 2011

Abb. 10 Die Mikro-KWK-Entwicklung von Viessmann ist eine Kombination aus Stirlingmotor und Gas-Brennwertgerät. rals Zeolith zunutze, Wasserdampf aufzunehmen, zu binden und dabei Wärme freizusetzen. Wasser wird unter sehr niedrigem Druck mit Hilfe von Naturwärme verdampft und anschließend vom Zeolith aufgenommen. Die dabei frei werdende Wärme wird an das Heizsystem abgegeben. Durch Wärmezufuhr mittels Gas- bzw. Öl- Verbrennung wird das gebundene Wasser anschließend wieder aus dem Zeolith ausgetrieben und verflüssigt. Der Wärme - pumpenprozess läuft deshalb bei einem Zeolith-Kompaktgerät zyklisch ab. Gegenüber herkömmlichen Brennwertgeräten senkt dieses völlig neuartige System den CO 2 -Ausstoß um ca. 17 Prozent und erhöht gleichzeitig den Norm-Nut- zungsgrad auf bis zu 125% (Hs). Derzeit befindet sich diese Innovation noch in der Erprobung. 3. Zusammenfassung Die Brennwerttechnik für Gas und Öl ist die wirtschaftlichste und effizienteste Techno logie zur Wärmeerzeugung. Mit Nutzungs - graden bis 98% (Hs) kommt sie an die Grenzen des physikalisch Möglichen heran. Zugleich ist die Brennwerttechnik ausgereift, sie hat sich millionenfach bewährt, und sie ist für alle Anwendungsfälle geeignet, vom Einfamilienhaus bis hin zu großen Objekten, und sowohl für Neubauten als auch für die Heizungsmodernisierung. Die Entscheidung für einen Brennwert- Wärmeerzeuger bedeutet nicht, von den fossilen Brennstoffen völlig abhängig zu sein, denn Gas und Öl erhalten bereits heute eine grüne Perspektive. Bioöl und Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen können heute schon dem fossilen Öl bzw. Gas beigemischt werden. Außerdem können Brennwertkessel auch nachträglich mit Solaranlagen, Holzkesseln und Wärmepumpen gut zu bi- oder multivalenten Heizungsanlagen erweitert werden, was den Verbrauch der fossilen Energieträger auf ein Minimum reduziert. Sind es bereits diese Möglichkeiten, die die Brennwerttechnik zukunftssicher machen, so tragen die Weiterentwicklungen Mikro-KWK-System und Zeolith-Heizgerät diese Technologie noch viel weiter in die Zukunft. Allerdings stehen diese Innovationen noch am Anfang ihrer Markteinführung und werden im Gegensatz zur bewährten Brennwerttechnik noch nicht für jede Anwendung geeignet sein. Abb. 11 Das Zeolith-Kompaktgerät kombiniert Brennwerttechnik mit einer Adsorptions-Wärmepumpe. Zeolith-Kompaktgerät: 1 Gas-Brennwertkessel 2 Nachschalt-Wärmetauscher Heizkreis 3 Nachschalt-Wärmetauscher Solekreis 4 Kondensator/ Sorber 5 Verdampfer 6 - Regelventil Die bessere Wahl. Hocheffizienzpumpen von Halm Mit über 30 Jahren Erfahrung in der Entwicklung und Produktion von Heizungsumwälzpumpen bietet Halm ein Höchstmaß an Fortschrittlichkeit und Qualität. Halm.effiziente Pumpentechnologie auf der ISH Frankfurt vom 15.03.-19.03.2011 Halle 9.1 Stand B33 Durch den Einsatz der Hocheffizienzpumpe HEP Plus wird der CO2-Ausstoß nachhaltig reduziert und damit ein erheblicher Beitrag zur Sicherung der Zukunft und dem Schutz der Umwelt geleistet. effiziente Pumpentechnologie aus Tradition. www.halm-pumps.de HEIZUNGSJOURNAL 3 2011 53