Die Technik eines Gasbrennwertkessel

Der Gasbrennwertkessel als Bestandteil der Gasheizung hat einen circa 8 % höheren Wirkungsgrad als die Heizkessel, die vor seiner Einführung üblich waren. Die primäre Aufgabe von einem Gasheizkessel ist das Umsetzen von gebundener, chemischer Energie in Wärme. 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 für Gas, flossen 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.

Wasserdampf als zweiter Energieträger

Der zweitgrößte Energieträger im Erdgas ist, neben dem gebundenen Kohlenstoffgas, der Wasserdampf. Dieser kommt auf zwei Arten in das Erdgas:

Aufbau eines Gasbrennwertkessels

Wasserdampf ist als Restfeuchte natürlich 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 Verarbeitung und Lieferung von Erdgas deshalb unvermeidlich. Wasserdampf entsteht zusätzlich, wenn 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 H₂0. Da das Wasser in einer Verbrennung entstanden ist, ist es voll expandierter und heißer Dampf, in dem sehr viel Energie gespeichert ist.

Der Trick mit dem zweiten Wärmetauscher

Der Trick beim Gasbrennwertkessel besteht nun darin, das heiße Abgas so lange durch Wärmetauscher 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 (Wasserdampf ist schließlich auch nur ein Gas) beim Wechsel des Aggregatszustands zu flüssig, seine Energie ab. Dies ist praktisch der umgekehrte Effekt der Verdunstungskälte: Geht man an einem noch so heißen Tag schwimmen, wird der Körper beim Verlassen des Wassers kalt. 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 großen, zweiten Wärmetauscher. Darin kühlt sich das Rauchgas soweit ab, bis das Wasser abgeschieden wird. Das im Wärmetauscher befindliche Wasser wird so erwärmt und kann für die Beheizung der Wohnung genutzt werden. Die Effizienz wird vom Gasbrennwertkessel zusätzlich dadurch gesteigert, dass der große Wärmetauscher für die energetische Nutzung des Wasserdampfs, dem Wärmetauscher am Gasbrenner vorgeschaltet ist. Das Wasser wird dadurch vorgewärmt und der Wirkungsgrad um einen weiteren Faktor erhöht. Das Kondenswasser tropft vom Wärmetauscher ab und fließt in die Kanalisation.

Was bringt der Gasbrennwertkessel?

Was sich technisch kompliziert anhört, ist in der Umsetzung sehr einfach. Dafür ist der Zugewinn an Effizienz aber beachtlich: Satte 8 % mehr Wärmeenergie kann der Gasbrennwertkessel aus dem gelieferten Erdgas extrahieren. Dies ist ein enormer Wert, der den Wirkungsgrad vom Gasbrennwertkessel auf insgesamt 98 % erhöht.

Kann man den Wirkungsgrad weiter steigern?

98 % sind bereits ein beachtlicher Wert. Der Heizwert an sich 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 Stirling-Motors die Abwärme erst in Bewegungsenergie und durch den angeschlossenen Generator in Elektrizität umgewandelt werden. Diese technisch hocheffizienten Lösungen stehen bereits für Einfamilienhäuser zur Verfügung.

Notwendige und sinnvolle Ergänzungen für einen Gasbrennwertkessel

Die vergleichsweise kühlen Abgase von einem Gasbrennwertkessel können Umbaumaßnahmen notwendig machen. Dies gilt vor allem für den Schornstein. Besonders ältere Gebäuden, bei denen keine Zentralheizung oder ein alter Heizkessel ohne Brennwerttechnik eingesetzt wurde, müssen bei der Umrüstung durch einen Schornsteinfeger untersucht werden. In der Regel muss das Abgas durch ein wärmeisoliertes Rohr geführt werden, welches bei älteren Häusern nachgerüstet werden muss. Dies ist lebensnotwendig, da es andernfalls zu Rückstaus im Schornstein kommen kann, bei dem das verbrannte Abgas ins Haus zurück fließt. Eine umfassende Fassaden- und Dachdämmung sowie moderne Fenster können den Heizenergiebedarf um ein Weiteres senken. Mit einem Wärmepuffer und einem Stromspeicher können die Auslastung von Gasbrennwertkessel und BHKW weiter optimiert werden. Der Wärmepuffer kann zudem durch solarthermische Module ergänzt werden.