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Brennwertkessel

Die meisten Brennstoffe enthalten Wasserstoff oder Wasser, so dass bei der Verbrennung ein Abgas entsteht, welches Wasser (H₂O) enthält. Viele Heizkessel führen dieses Wasser in gasförmiger Form (als Wasserdampf) ab. Dann liegt der erreichbare Wirkungsgrad stets unter dem (unteren) Heizwert des Brennstoffs. Das Abgas transportiert also allein schon dadurch Energie in Form latenter Wärme aus dem Heizkessel, dass es das Wasser in gasförmiger Form abführt.

Ein Brennwertkessel (oft als kompakte Brennwerttherme ausgeführt, siehe Abbildung 1) kann einen höheren Wirkungsgrad erzielen, indem er die Abgastemperatur so stark absenkt (z. B. auf 40 °C), dass ein Großteil des Wasserdampfs im Kessel kondensiert. (Man spricht deswegen auch von Kondensationskesseln.) Das Kondenswasser (Kondensat) wird als Abwasser abgeführt – wenn nötig, über eine kleine Pumpe. Die Folge der Kondensation ist, dass zusätzlich zum Heizwert die Kondensationswärme (latente Wärme) nutzbar wird. Der Wirkungsgrad kann dann bei Volllast, aber auch im Teillastbetrieb (mit modulierendem Brenner) etwas oberhalb von 100 % bezogen auf den Heizwert liegen, weil fast der ganze Brennwert genutzt wird.

Da das Kondensat häufig sauer und relativ korrosiv ist, müssen Brennwertkessel innen mit korrosionsbeständigen Materialien wie Edelstahl oder Keramik verkleidet sein. Auch das gesamte Abgassystem (siehe unten) muss feuchteunempfindlich und korrosionsbeständig sein. Andererseits muss es längst nicht so hohe Abgastemperaturen aushalten wie ein konventioneller Schornstein – weswegen es sogar deutlich kostengünstiger sein kann.

Das Brennwert-Prinzip kann auch mit einem herkömmlichen Heizkessel in Verbindung mit einem zusätzlichen Abgas-Wärmeübertrager realisiert werden (auch durch Nachrüsten eines solchen Wärmeübertragers).

Brennwert-Heizkessel erreichen regelmäßig sehr hohe Volllast-Wirkungsgrade und vor allem auch hohe Jahresnutzungsgrade (typisch über 90 %), die die Werte älterer Typen von Heizkesseln erheblich übertreffen, und werden diesbezüglich von keiner anderen Heizkesseltechnologie übertroffen. Jedoch nutzen auch sie prinzipbedingt die im Brennstoff erhaltene Exergie nur sehr unvollständig, indem sie nur Niedertemperaturwärme erzeugen. Deswegen erlauben Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung eine deutlich höhere Systemeffizienz, selbst wenn der Gesamtwirkungsgrad der Anlage deutlich niedriger ist. Ebenfalls effizienter sind Gas-Absorptions- oder Adsorptionswärmepumpen, die z. B. Solarthermie zusätzlich nutzen. Da jedoch die Kraft-Wärme-Kopplung und Absorptionswärmepumpen für kleine Leistungen (etwa für Einfamilienhäuser) nur schwer realisierbar sind und auch Anlagen mit Adsorptionswärmepumpen deutlich teurer sind, ist ein Brennwertkessel häufig die effizienteste der praktikablen Optionen.

Es gibt bereits Brennwertthermen, die auch für die Nutzung von Wasserstoff geeignet sind. Allerdings dürfte dies an den wenigsten Standorten nützlich sein, da Wasserstoff wenig verfügbar ist und andernfalls auch besser nutzbar wäre, beispielsweise zur Stromerzeugung mit Brennstoffzellen.

Einfluss der Abgastemperatur

Die Kondensation von Wasser aus dem Abgas setzt voraus, dass die Abgastemperatur den Taupunkt unterschreitet, der z. B. bei Erdgas bei knapp 60 °C liegt. Es ist nun aber nicht so, dass unterhalb dieses Punkts der gesamte Wasserdampf kondensiert; vielmehr kondensiert nur jeweils so viel, bis der Sättigungsdampfdruck von Wasser bei der jeweiligen Temperatur erreicht ist. Abbildung 2 zeigt den Grad der Kondensation in Abhängigkeit von der Abgastemperatur für unterschiedliche Verbrennungsluftverhältnisse. Die tieferen (ungünstigeren) Kurven gelten für höhere Werte, d. h. für stärkeren Luftüberschuss. Dies liegt daran, dass die aus der Verdünnung resultierende größere Abgasmenge mehr Wasserdampf mit sich tragen kann.

Abbildung 3 zeigt den sich daraus ergebenden Kessel-Wirkungsgrad, bezogen auf den Brennwert (bei Annahme vollständiger Kondensation des Wasserdampfs).

Man erkennt, dass der Wirkungsgrad unterhalb des Taupunkts als Folge der Kondensation schneller ansteigt. Im Idealfall wird ein Großteil des Wasserdampfs kondensiert, und die Energieausnutzung ist nahezu vollständig.

Bei vielen Brennwertkesseln erfolgt die Abkühlung des Abgases ausschließlich in einem Wärmeübertrager, in dem das Heizwasser aufgeheizt wird. Wenn beispielsweise die Vorlauftemperatur des Heizkessels bei 50 °C liegt und die Rücklauftemperatur bei 40 °C, wird die Abgastemperatur sicherlich über 40 °C liegen, unter Umständen auch deutlich höher. Die volle Energieausnutzung wird im Heizkessel dann noch nicht erreicht, vor allem weil die Kondensation unvollständig ist. Jedoch kann bei Einsatz eines Luft-Abgas-Systems (siehe unten) zusätzliche Kondensation im Abgassystem erreicht werden und zur Vorbereitung der Verbrennungsluft beitragen. Dann ist eine sehr hohe Energieausnutzung auch dann möglich, wenn die Kesseltemperatur nicht ideal niedrig liegt – was bei Zentralheizungen mit Heizkörpern (Radiatoren) eher geschieht als mit Fußbodenheizung oder anderen Flächenheizungen.

Es gibt andererseits sogenannte Voll-Brennwertkessel, die einen zusätzlichen Wärmeübertrager enthalten, der weitere Wärme auf die zugeführte Verbrennungsluft überträgt (Prinzip der Rekuperation). Da die Temperatur der zugeführten Frischluft in aller Regel deutlich unterhalb der Rücklauftemperatur des Heizsystems liegt, ist damit eine stärkere Abkühlung des Abgases und somit auch eine vollständige Kondensation und entsprechend höhere Energieeffizienz möglich. Dieser Vorteil ist besonders wichtig, wenn die Rücklauftemperatur des Heizsystems relativ hoch liegt. Allerdings ist dies dadurch zu relativieren, dass wie oben erwähnt diese Funktion auch ein Luft-Abgas-System übernehmen kann – nur dass dort vermutlich die Wärmeverluste im Abgassystem etwas größer sind. Deswegen dürfte die Energieeffizienz eines Voll-Brennwertkessels in der Praxis nicht unbedingt wesentlich höher liegen als bei einem konventionellen Brennwertkessel mit Luft-Abgas-System.

Abbildung 3 zeigt ebenfalls, dass der Wirkungsgrad gerade im Bereich etwas unterhalb des Taupunkts erheblich vom Verbrennungsluftverhältnis abhängt. Es sollte also wie bei konventionellen Heizkesseln der Luftüberschuss möglichst klein gewählt werden. Hierzu ist eine automatische Regelung der Luftmenge mit Verwendung einer Lambdasonde hilfreich.

Bei Heizöl sind die Verhältnisse ungünstiger: Der Taupunkt liegt etwas niedriger (z. B. bei 47 °C), und der Einfluss der Kondensation ist schwächer, weil der Wasserdampfgehalt des Abgases geringer ist. Entsprechend wichtiger wird es hier, eine Voll-Brennwerttechnik zu realisieren – ggf. mit Hilfe eines Luft-Abgas-Systems.

Abgassysteme für Brennwertkessel

Die Anforderungen, die ein Brennwertkessel an ein Abgassystem stellt, sind wesentlich anders als bei herkömmlichen Heizkesseln:

• Das gesamte Abgassystem muss feuchteunempfindlich sein, und es darf durch aggressive Substanzen wie Schwefeldioxid und Stickoxide, die im kondensierten Wasser angereichert sind, nicht geschädigt werden.
• Andererseits sind die Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit weitaus geringer, da die Abgastemperatur kaum über 60 °C ansteigen kann.
• Ein Kamineffekt tritt kaum auf und wird von Brennwertkesseln auch nicht benötigt; ein Gebläse sorgt für den erforderlichen Luftdurchsatz. Die Abgasleitung muss dicht ausgeführt sein.

Aus diesen Gründen ist die geeignete Lösung nicht ein konventioneller Schornstein, sondern eine feuchteunempfindliche Abgasleitung. Wenn ursprünglich ein Schornstein vorhanden ist, kann dieser oft umgerüstet werden durch Einziehen einer geeigneten Abgasleitung – meistens in Form eines Kunststoffrohrs.

Häufig wird ein sogenanntes Luft-Abgas-System installiert, bei dem die Verbrennungsluft außerhalb der Abgasleitung (z. B. durch den Zwischenraum zwischen Abgasleitung und Schornsteinwand) zugeführt wird (anstatt über den Aufstellungsraum). Dies ermöglicht einen raumluftunabhängigen Betrieb sowie eine zusätzliche Wärmerückgewinnung aus dem Abgas mit Vorwärmung der Frischluft; man hat auf diese Weise im Prinzip ebenfalls eine Voll-Brennwerttechnik realisiert. Damit sind hohe Grade der Kondensation und somit sehr hohe Wirkungsgrade selbst dann möglich, wenn die Vorlauf- und Rücklauftemperatur der Heizungsanlage nicht besonders niedrig sind.

Der außenluftunabhängige Betrieb eines Brennwertkessels mit einem Luft-Abgas-System ist vor allem auch für Etagenheizungen sehr vorteilhaft.

Bei neuen Gebäuden kann gleich auf einen Schornstein verzichtet werden und eine viel kostengünstigere Abgasleitung eingebaut werden. Allerdings würde ein Schornstein doch benötigt, wenn z. B. noch ein Kachelofen gewünscht wird.

Gas-Brennwertkessel

Besonders häufig werden Gas-Brennwertkessel eingesetzt, die mit Erdgas betrieben werden. Hier liegt der Brennwert um ca. 10 % höher als der Heizwert. Der auf den Heizwert bezogene Wirkungsgrad kann im Idealfall ca. 110 % erreichen. (Da bei konventionellen Kesseln der Wirkungsgrad aus dem Heizwert berechnet wird, geschieht dies zwecks guter Vergleichbarkeit auch bei Brennwertkesseln.) Wegen der sehr kompakten Bauart dieser Kessel (mit integriertem meist modulierendem Gasbrenner) sind die Bereitschaftsverluste recht gering, so dass auch der Jahresnutzungsgrad wesentlich höher liegen kann als bei älteren Gaskesseln oder Ölkesseln. Auch die Bereitstellung von Warmwasser über einen separaten oder im Gehäuse integrierten Warmwasserspeicher oder Durchlauferhitzer ist meist relativ effizient.

Das entstehende Kondensatwasser ist nur leicht sauer und kann meist ohne weitere Behandlung als Abwasser abgeführt werden (außer bei hohen Kesselleistungen). Wenn der Ablauf höher liegt als der Kessel, wird eine kleine Kondensatpumpe benötigt.

Wegen ihrer besonders kompakten Bauart sind Gas-Brennwertthermen auch als in Wohnungen untergebrachte Etagenheizungen gut realisierbar. In manchen Fällen erübrigt sich sogar die Erstellung eines gewöhnlichen Schornsteins, wenn das (nur noch lauwarme) Abgas auf andere verträgliche Weise ins Freie gelangen kann.

Bei großen Heizkesseln kommt es auch vor, dass ein konventioneller (nicht kondensierender) Kessel mit einem zusätzlichen externen Wärmeübertrager für die Brennwertnutzung kombiniert wird (siehe unten, "Große Brennwertkessel").

Öl-Brennwertkessel

Auch für den Betrieb mit Heizöl sind Brennwertkessel (in der Regel mit integriertem Ölbrenner) erhältlich. Die Wärmeübertragerflächen im Kessel müssen gegen das saure Kondensat (aufgrund des Schwefelgehalts des Heizöls) beständig sein. Der Gewinn an Kondensationswärme ist etwas geringer als bei Gas-Brennwertkesseln, da der Brennwert nur um ca. 7 % höher liegt als der Heizwert. Wiederum dürfte aber der erreichte Jahresnutzungsgrad wesentlich höher liegen als bei konventionellen Ölkesseln, weil auch sonstige Energieverluste minimiert werden.

Falls der Kessel nicht mit schwefelarmem Heizöl betrieben wird, muss das saure Kondensatwasser neutralisiert werden, bevor es in die Kanalisation eingeleitet werden kann. Der notwendige regelmäßige Ersatz des Neutralisationsmittels (meist einem Granulat) zusammen mit der sonstigen Wartung erhöht die Wartungskosten geringfügig.

Holzpellet-Brennwertkessel

Seit relativ kurzer Zeit sind auch Brennwertkessel für die Verbrennung von Holzpellets erhältlich. Für größeren Leistungen gibt es separate Module als Ergänzung für konventionelle Pelletkessel. In ihnen wird das vom Pelletkessel kommende Abgas noch weiter abgekühlt.

Tendenziell ist die Brennwertnutzung bei Holz technisch anspruchsvoller als mit Gas oder Öl, da sich im Wärmeübertrager wesentlich mehr Rückstände von unvollständiger Verbrennung ablagern können. Dies sind teils auch recht korrosiv.

Große Brennwertkessel

Es gibt Brennwertkessel nicht nur für die Beheizung einzelner Gebäude, sondern in hohen Leistungsbereichen von mehreren Megawatt. Hier wird häufig ein konventioneller Heizkessel ergänzt um einen zusätzlichen Wärmeübertrager, in dem die Kondensation stattfindet. Ein solches Gerät lässt sich auch z. B. bei einem Blockheizkraftwerk einsetzen.

Im Idealfall werden an den zusätzlichen Niedertemperaturwärmeübertrager solche Wärmeverbraucher angeschlossen, die besonders niedrige Temperaturen benötigen. Beispielsweise kann ein Schwimmbad eines Hotels damit beheizt werden, während die höhere Kesseltemperatur für Heizkörper genutzt wird.

Bei großen Abgasmengen kann es ein Problem sein, dass das relativ kühle Abgas von der Schornsteinöffnung aus kaum mehr hochsteigt, sondern in der näheren Umgebung bleiben kann.

Fehler beim Betrieb von Brennwertkesseln

Brennwertkessel werden leider nicht immer unter optimalen Bedingungen betrieben. Im Folgenden nennen wir einige Beispiele hierfür:

• In manchen Fällen wird versäumt, ein Luft-Abgas-System wie oben beschrieben zu installieren. Dann ist eine effiziente Brennwertnutzung nur möglich, wenn die geforderte Vorlauftemperatur recht niedrig ist, z. B. meistens unter 40 °C, oder wenn es sich um einen Voll-Brennwertkessel handelt.
• Wenn eine unnötig hohe Vorlauftemperatur eingestellt wird, wirkt sich dies natürlich nachteilig aus.
• Auch eine niedrige Rücklauftemperatur ist vorteilhaft. Ungünstig ist es deswegen, die Rücklauftemperatur beispielsweise durch Verwendung eines Vier-Wege-Mischers unnötig zu erhöhen; jede Art von Rücklaufanhebung ist ungünstig. Manchmal ist ein solcher Mischer von einer alten Heizungsanlage noch vorhanden; er sollte beim Umstieg auf eine Brennwertheizung entfernt werden, zumal er damit in der Regel unnötig ist. Sollte für einen zweiten Heizkreis (beispielsweise für eine Fußbodenheizung) eine niedrigere Temperatur benötigt werden, so muss ein dafür eingerichteter Mischer so eingerichtet sein, dass er die Rücklauftemperatur nicht erhöht.
• Auch ein fehlender oder fehlerhafter hydraulischer Abgleich einer Zentralheizungsanlage kann unnötig erhöhte Rücklauftemperaturen zur Folge haben.
• Wenn ein Wärmeübertrager in einem Warmwasserbereiter verwendet wird, kann dessen Verkalkung im Lauf der Jahre den Wärmeübergang stark behindern. Dies kann eine erhöhte Vorlauftemperatur nötig machen und auch die Rücklauftemperatur erhöhen.
• Wenn die Umwälzpumpe bei einem Warmwasser-Zirkulationssystem pausenlos läuft, ist dies ungünstig, denn die Wärmezufuhr muss dann stets auf dem hohen Temperaturniveau des Warmwassers erfolgen.

Eine gute Kontrolle der Effizienz der Brennwertnutzung ist möglich, indem man die pro Kubikmeter Gas anfallende Menge des Kondenswassers ermittelt. (Dies ist oft relativ einfach möglich, indem man das sonst in einen Abfluss fließende Kondenswasser mit einem Schlauch in einen Eimer umleitet sowie vor und nach der Messung den Gaszähler abliest.) Im Idealfall entstehen bis zu ca. 1,6 Liter pro Kubikmeter Erdgas. Wenn gemäß einer Messung beispielsweise weniger als die Hälfte dieser Menge erhalten wird, sollte man die Ursache hierfür finden und beheben.

Auch wenn man in der Praxis häufig findet, dass die Brennwertnutzung recht unvollständig ist (jedenfalls ohne Luft-Abgas-System), bedeutet dies keineswegs, dass die Verwendung eines Brennwertkessels sinnlos ist. Im Vergleich zu alten Gaskesseln sparen moderne Brennwertkessel nämlich vor allem auch durch niedrigere Bereitschaftsverluste sehr viel Energie ein. Die in der Praxis erreichbare Energieeinsparung ist deswegen auch oft wesentlich höher, als man vom Verhältnis der maximalen Kesselwirkungsgrade her erwarten würde.

Siehe auch: Heizkessel, Wirkungsgrad, Jahresnutzungsgrad, Brennwert, Wasserdampf, Verdampfungswärme und Kondensationswärme, latente Wärme, Abgasleitung, Luft-Abgas-System, Schornstein