Technik eines Gasbrennwertkessels

Der Gasbrennwertkessel hat einen höheren Wirkungsgrad als die Heizkessel, die vor seiner Einführung üblich waren. Ein Gasheizkessel setzt gebundene chemische Energie in Wärme um. Dazu wird das eingeführte Erdgas durch eine Brennflamme verbrannt. Die Flamme erwärmt einen Wärmetauscher, in dem Wasser zirkuliert. Das erwärmte Wasser fließt durch die Heizkörper der Wohnung und macht so das ganze Haus mollig warm. Bei früheren Versionen des Gaskessels wie dem Niedertemperaturkessel strömten die Abgase, die beim Verbrennen entstehen, einfach nach außen. Die immer noch weit über hundert Grad heißen Gase gingen so ungenutzt in die Atmosphäre. Durch einen Trick schafft es der Gasbrennwertkessel diese heißen Abgase ebenfalls für die Erwärmung des Hauses zu nutzen.

Grundsätzlich besteht ein Gasbrennwertkessel beziehungsweise ein Gas-Brennwertgerät aus einem Brenner, Brennraum sowie einem Wärmeübertrager und Abgasrohr. Um der Feuchtigkeit und Korrosion standzuhalten, wird bei der Herstellung dieser Elemente häufig entweder eine Aluminium-Silizium-Legierung oder Edelstahl verwendet. Nach der Verbrennung im Brenner wird die Wärme über den Wärmeübertrager an das Heizwasser abgegeben. Über das entsprechende Rohrsystem und eine Umwälzpumpe gelangt die Wärme in die Heizkörper.

Entscheidend für den Verbrennungsprozess ist eine sichere Luftzufuhr. Das ermöglicht einen störungsfreien Betrieb der Anlage. Für ein Gas-Brennwertgerät ist sowohl ein raumluftabhängiger als auch ein raumluftunabhängiger Betrieb möglich. Letztgenannter ist dann relevant, wenn im Gebäude kein Heizraum oder Keller zur Verfügung steht. In diesem Fall ist das Gas-Brennwertgerät vergleichsweise klein. Ein raumluftunabhängiger Betrieb hat den Nachteil, dass Anlagenbesitzer einen Raumverlust im Wohnbereich hinnehmen müssen. Zudem führt der kleinere Speicher zu Einschränkungen in der Warmwasserbereitstellung. Hingegen müssen Wärme und Warmwasser in der Regel kürzere Wege zurücklegen. Somit geht weniger Wärme verloren.

Der zweitgrößte Energieträger, der neben dem gebundenen Kohlenstoffgas im Erdgas enthalten ist, ist der Wasserdampf. Dieser kommt auf zwei Arten in das Erdgas. Wasserdampf ist von Natur aus als Restfeuchte im Erdgas enthalten. Es tritt bereits in den Lagerstätten auf und wird zusätzlich durch die langen Transportwege und die Verdichterstationen mit beigemengt. Ein leichter Wasseranteil ist bei der Lieferung und Verarbeitung von Erdgas deshalb unvermeidlich. Zusätzlich entsteht Wasserdampf, wenn das Erdgas verbrannt wird. 

Erdgas besteht zum größten Teil aus Methan, welches die chemische Formel CH₄ besitzt. Wenn ein Methan-Molekül, also CH₄ mit zwei Sauerstoff-Molekülen, also 2 x O₂ verbrannt wird, dann entstehen ein Kohlendioxid-Molekül CO₂ und zwei Wasser-Moleküle H₂O. Da das Wasser in einer Verbrennung entstanden ist, ist es voll mit expandierendem und heißem Dampf, in dem sehr viel Energie steckt.

Um sich über einen alternativen Brennstoff für Gasbrennwertkessel zu informieren, lesen Sie unseren Artikel zum Thema Biogas.

Der Trick beim Gas-Brennwertkessel besteht nun darin, das heiße Abgas so lange durch Wärmetauscher (Abgaswärmetauscher) zu leiten, bis der gebundene Wasserdampf kondensiert und abgeschieden ist. Dabei macht sich der Gasbrennwertkessel einen ganz entscheidenden physikalischen Effekt zu Nutze: Beim Erreichen des Taupunkts gibt das vorher gasförmige Wasser bei der Kondensation Energie ab. Dies ist praktisch der umgekehrte Effekt der Verdunstungsenergie und -kälte: Geht man an einem noch so heißen Tag schwimmen, kühlt der Körper beim Verlassen des Wassers spürbar ab. Grund dafür ist das verdampfende Wasser auf der Haut, welches beim Wechsel des Aggregatzustands von flüssig zu gasförmig seiner Umgebung Wärmeenergie entzieht. Geht das Wasser nun aber den umgekehrten Weg, von gasförmig zu flüssig, dann gibt es seine gespeicherte Wärmeenergie wieder an die Umgebung ab.

Der Gasbrennwertkessel leitet das heiße Rauchgas vom Brenner durch einen zweiten Wärmetauscher, der vom zurückströmenden Heizungswasser soweit abgekühlt wird, dass das Abgas kondensiert und Wärme freigibt. Das ohnehin zu erwärmende Heizwasser wird dadurch vorgewärmt und der Wirkungsgrad erhöht. Das Kondenswasser tropft vom Wärmetauscher ab und fließt in die Kanalisation.

Was sich technisch kompliziert anhört, ist in der Umsetzung sehr einfach. Dafür ist der Zugewinn an Effizienz aber beachtlich: Satte acht Prozent mehr Wärmeenergie kann der Gasbrennwertkessel aus dem gelieferten Erdgas extrahieren. Dies ist ein enormer Wert, der den Wirkungsgrad des Gas-Brennwertgerätes auf bis zu 98 Prozent erhöht.

Ein Heizwert von 98 Prozent ist nicht weiter zu steigern. Was man jedoch tun kann, ist die Abwärme von einem Gasbrennwertkessel zur Erzeugung von Energie zu nutzen. Mit der KWK - der Kraft-Wärme-Kopplung - kann durch die Hilfe eines Stirlingmotor die Abwärme erst in Bewegungsenergie und anschließend durch den angeschlossenen Generator in Elektrizität umgewandelt werden. Diese technisch hocheffizienten Lösungen stehen bereits für Einfamilienhäuser zur Verfügung.

Die vergleichsweise kühlen Abgase eines Gasbrennwertkessels können Umbaumaßnahmen notwendig machen. Dies gilt vor allem für den Schornstein. Besonders ältere Gebäude, bei denen weder eine Zentralheizung noch ein Heizkessel mit Brennwerttechnik eingesetzt wurde, müssen bei der Umrüstung durch einen Schornsteinfeger untersucht werden. In der Regel muss das Abgas durch ein wärmeisoliertes und feuchteunempfindliches Rohr geführt werden, welches bei älteren Häusern nachgerüstet werden muss. Dies ist notwendig, da es andernfalls zur Versottung des Schornsteins kommen kann. 

Eine umfassende Fassaden- und Dachdämmung sowie moderne Fenster können den Heizenergiebedarf weiter senken. In Kombination mit einer Solarthermieanlage ist ein Pufferspeicher unverzichtbar. Damit die Brennwerttechnik überhaupt funktionieren kann, muss das Rücklaufwasser möglichst kühl sein. Erreichen lässt sich das mit großflächigen Heizkörpern oder einer Fußbodenheizung. Auch ein hydraulischer Abgleich ist eine sinnvolle Maßnahme für einen Gasbrennwertkessel.