Wirtschaftliche Wärmeerzeugung

Brennwertnutzung verbessert den Heizungswirkungsgrad

Wärmelieferanten im Bereich der Nahwärmeversorgung können durch Anwenden der Brennwerttechnik ihre Kosten senken und gleichzeitig einen Beitrag zum Umweltschutz leisten. Die Mehrkosten für den Brennwertkessel amortisieren sich in weniger als zwei Jahren.

12. April 2001

Bei der Brennwertnutzung wird dem Heizgas nicht nur die fühlbare Wärme, sondern teilweise auch die im Wasserdampf gebundene Verdampfungswärme entzogen und dem Heizsystem zugeführt. Das Heizgas muss dazu mit Wärmetauschern und Rücklaufwasser aus dem Heizsystem bis unter seinen Taupunkt abgekühlt und zur Kondensation gebracht werden. Durch die Brennwertnutzung lässt sich der betriebliche Nutzen im Bereich der Heizwärmeerzeugung erheblich steigern, denn im Vergleich zu konventionellen Heizkesseln lassen sich Brennstoffmenge und Schadstoffausstoß um mehr als 10 % reduzieren.

Angewendet wird die Brennwerttechnik heute oft für die Zentralheizung und Brauchwassererzeugung kleiner Wohneinheiten und Wohnhäuser. Unterschätzt wird jedoch das Potenzial, das im Bereich der Nahwärmeversorgung, in Heizzentralen für die Beheizung größerer Gebäude und Gebäudekomplexe liegt, also im Megawatt-Bereich.

Entscheidend für die Höhe der erzielbaren Brennwertnutzung sind das Heizungssystem und die tatsächlichen Betriebstemperaturen. Erforderlich sind Heizungssysteme, bei denen das Heizungswasser im direkten Kreislauf durch Kessel und Heizkörper umgewälzt wird. Im Weiteren sollte mit witterungsgeführter Kesselregelung für gleitende Kesselwasserregelung gefahren werden. Neu projektierte Fußbodenheizsysteme und großflächige Niedertemperaturheizkörper sind für Brennwertkessel und ganzjährigen Kondensationsbetrieb besonders geeignet.

Geeignet ist die Brennwerttechnik auch für viele Altanlagen, denn diese besitzen oft überdimensionierte Heizkörper. Dann lassen sich in der überwiegenden Zeit der Heizperiode die - für die Brennwertnutzung erforderlichen - geringeren Betriebstemperaturen fahren. Ebenfalls interessant ist der Einsatz in Gebäuden, bei denen aufgrund einer nachträglichen Wärmedämmung geringere Systemtemperaturen zum Heizen ausreichen. Das höchste Nutzungspotenzial für die Brennwerttechnik bietet Erdgas, denn es hat den höchsten Wassergehalt und den höchsten Abgastaupunkt. Im Vergleich zu leichtem Heizöl steht mehr Kondensationswärme auf höherem Kondensationsniveau zur Verfügung. Die durch Verbrennen entstehenden Heizgase sind nahezu ruß- und schwefelfrei. Der Aufwand für das Reinigen verschmutzter Heizflächen und die Kosten für das Entsorgen des Abgaskondensats sind gering. Für leichtes Heizöl ist die Brennwerttechnik nicht empfehlenswert, weil das Nutzungspotenzial vergleichsweise gering ist und außerdem die Heizflächen des Abgaskondensators häufig zu reinigen sind.

Brennwertheizkessel größerer Leistung werden aus technischen und finanziellen Gründen nicht komplett aus Edelstahl gefertigt. Sie werden mit einem separaten Edelstahl-Abgaskondensator ausgestattet, der in der Abgassammelkammer des Kessels oder einem getrennten Gehäuse integriert ist.

Der Abgaskondensator im separaten Gehäuse eignet sich besonders für Nachrüstungen. Anwendbar beispielsweise für einen Flammrohr-Rauchrohrkessel im Dreizugsystem mit vollkommen wasserumspülter hinterer Rauchgaswendekammer, wie ihn Loos International anbietet. Durch das günstige Runddesign ist dieser Heizkessel mit großer Strahlungsheizfläche des Flammrohres und reichlich Konvektionsheizfläche im zweiten und dritten Rauchgaszug ausgestattet. Bereits dadurch lassen sich - ohne Drallkörper in den Rauchrohren und ohne Nachschaltheizflächen - Normnutzungsgrade über 95 % erzielen. Bei Brennwertnutzung durchströmt der Heizsystemrücklauf zunächst den Abgaskondensator und wird erst vor Eintritt in den Kessel mit der Rücklauftemperaturhochhaltung auf die Mindestrücklauftemperatur von 50 °C mit Vorlaufwasser gemischt. Durch einen speziellen Injektor im Kesselscheitel erfolgt eine wirksame Durchströmung und Temperaturanhebung über den Abgastaupunkt. So bleiben die Kesselheizflächen bei Teillast trocken. Der Regelbereich zugeordneter Brenner - auch modulierender - kann voll ausgeschöpft werden. Selbst im Kleinstlastbereich ergeben sich lange Brennerlaufzeiten mit geringen Abgastemperaturen und höchste Brennwertnutzung.

Brennwerttechnik auch für Altanlagen geeignet

Kesselwassertemperaturen unterhalb vom Abgastaupunkt würden zur Vermeidung von Taupunktkorrosionen eine Trockenhaltung auf der Heizgasseite durch eine Brennermindestlastbegrenzung erfordern. Dann ergäben sich auch mit modulierenden Brennern im Kleinstlastbereich geringere Brennerlaufzeiten und längere Stillstandszeiten, die Brennwertnutzung würde erheblich beeinträchtigt.

Um den zeitweiligen Betrieb mit leichtem Heizöl ohne Brennwertnutzung zu ermöglichen, wird ein Kondensationswärmetauscher mit Abgasbypass eingesetzt, der motorisch angetriebene Klappen besitzt.

Durch die Brennwertnutzung ergeben sich äußerst geringe Abgastemperaturen bis herunter auf etwa 50 °C. Der natürliche Kaminzug reicht nicht aus, um die Abgase, wie sonst üblich, mit Unterdruck in den Abgaswegen wirtschaftlich abzuleiten. Die Abgasanlage einschließlich Kamin sollte deshalb abgasdicht, für abgasseitigen Überdruckbetrieb ausgelegt sein, um verringerte Querschnitte zu ermöglichen. Der Brenner beziehungsweise das Verbrennungsluftgebläse der Kesselfeuerung muss alle rauchgasseitigen Widerstände überwinden können. Abgaskondensator, Abgasleitungen und Kamin sind mit Einrichtungen zum Ableiten des Kondensats auszurüsten. Alle mit kondensierenden Abgasen in Berührung kommenden Abgaswege müssen abgasdicht aus korrosionsbeständigem Material hergestellt sein.

Abgaskondensat aus der Verbrennung von Erdgas hat einen pH-Wert zwischen 3,5 und 4,5 bei weniger als 50 °C. Für das Einleiten ins öffentliche Abwassernetz sind kommunale Abwasserbehörden zuständig. Von der Abwassertechnischen Vereinigung (ATV) wurde ein Merkblatt herausgegeben, das für Erdgasfeuerungen mit Brennwertnutzung ab 200 kW Heizleistung eine Neutralisationseinrichtung zur Einhaltung eines pH-Wertes größer 6 empfiehlt. Dazu können Brennwertkessel bis zu 2 MW mit Granulatboxen, größere mit Flüssig-Neutralisationseinrichtungen ausgerüstet werden.

Wegen des deutlich höheren Wirkungsgrades amortisieren sich die Mehrkosten für die Brennwerttechnik schnell. Beispielsweise sind für einen 2,3-MW-Brennwertkessel gegenüber einem konventionellen Heizkessel etwa 40.000 DM mehr aufzubringen, jeweils ohne Kamin gerechnet. Bei einer durchschnittlichen Last von 40 % sind diese Mehrkosten nach etwa 9.900 Betriebsstunden eingefahren, wenn ein um lediglich 11 % höherer Wirkungsgrad des Brennwertkessels und ein Erdgasmischpreis von 4 Pf/kWh angenommen werden. Bei einem 3,85-MW-Kessel würden sich die Mehrkosten (52.000 DM) sogar schon nach 7.700 Betriebsstunden amortisieren.

Dipl.-Ing. Hardy Ernst ist Key Account Manager bei Loos International, Gunzenhausen

Wirkungsgrade über 100 Prozent

Als Brennwert (Ho) bezeichnet man die Wärmemenge, die bei vollständiger Verbrennung eines Brennstoffes frei wird. Er schließt auch den Wärmeanteil ein, der als Verdampfungswärme in Form von Wasserdampf im entstandenen Heizgas enthalten ist. In konventionellen Heizkesseln wird dieser Wärmeanteil nicht genutzt, sondern mit den Abgasen durch den Schornstein abgeführt. Man spricht deshalb üblicherweise auch vom Heizwert (Hu) eines Brennstoffes und gibt damit nur die in den Heizgasen enthaltene fühlbare, nicht aber die im Wasserdampf gebundene Wärmemenge an. Auch alle Wirkungsgradangaben beziehen sich deshalb auf den Heizwert (Hu). Deshalb kann der Wirkungsgrad eines Brennwertkessels 100 % übersteigen.

Erschienen in Ausgabe: 05/2000