Mit dem Brennwertkessel Energie vollständig nutzen

Der Name Brennwertkessel ist ein technischer Ausdruck. Er weist auf eine besonders gute Ausnutzung von Erdgas oder Heizöl bei der Wärmeerzeugung hin. Möglich wird das durch den Einsatz hochwertiger und vor allem korrosionsbeständiger Materialien für Wärmetauscher und Abgasrohre. Warum ist der Brennwertkessel so effizient und was ist an der Technik so anspruchsvoll?

Der Brennwertkessel und die Messgrößen Brennwert und Heizwert

Innenansicht eines Brennwertkessel Thermodynamik heißt eine Wissenschaft, die sich mit den Vorgängen bei der Verbrennung zum Zweck der Energiegewinnung oder Krafterzeugung befasst. Sie benutzt den Begriff Brennwert, um die gesamte Energie zu messen, die bei der Verbrennung einer definierten Menge eines bestimmten Stoffs frei wird. Dagegen misst der Heizwert die Energie, die derselbe Stoff in der gleichen Menge in einem konventionellen Heizofen liefert. Der Unterschied dieser beiden Werte ist eine Folge der höheren Abgastemperatur bei der konventionellen Heizung.

Entscheidend ist nicht die Abgastemperatur, sondern das Wasser

Die Abgastemperatur selbst hat aber nur einen geringen Einfluss. Entscheidend ist hingegen das Wasser, das bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entsteht. Zu den Kohlenwasserstoffen gehören auch die brennbaren Bestandteile von Erdgas und Erdöl. Wie der Name sagt, enthalten sie Kohlenstoff- und Wasserstoffatome. Diese werden bei der vollständigen Verbrennung mit dem Sauerstoff aus der Luft zu CO2 und Wasser (H2O) oxidiert.

Wasser verdampfen braucht besonders viel Energie

Eine der technisch interessanten Eigenschaften des Wassers ist seine besonders hohe Verdampfungsenthalpie. Das ist die Wärmemenge, die für das vollständige Verdampfen einer bestimmten Menge Wasser benötigt wird und die der Wasserdampf beim Kondensieren wieder frei gibt. Sie ist höher als die aller anderen bekannten Flüssigkeiten und liegt bei rund 2256 kJ/kg, das sind rund 0,63 kWh/kg. Das bedeutet, für das vollständige Verdampfen von einem Liter kochendem Wasser sind etwa 0,63 kWh nötig. Ein Wasserkocher mit 1.300 Watt Leistung benötigt dafür ungefähr eine halbe Stunde.

Der Taupunkt als kritische Grenze

Eine konventionelle Heizung, wie sie bis in die 1990er Jahre Standard war, kühlt das Rauchgas nur bis zu einer Temperatur oberhalb des Taupunkts ab. Das heißt, das bei der Verbrennung entstandene Wasser geht als Dampf, also noch gasförmig, durch den Schornstein. Genutzt wird nur der Heizwert des Brennstoffs. Der wird gerade unter entsprechenden Umständen ermittelt, durch eine Abkühlung der Verbrennungsgase auf eine Temperatur oberhalb des Taupunkts. Für die Ermittlung des Brennwerts kühlt man dagegen bis unterhalb des Taupunkts ab. Das Wasser im Abgas kondensiert aus und die Verdampfungsenthalpie von rund 630 Watt pro Kilogramm Wasser im Rauchgas wird zusätzlich zum Heizwert frei. Genau das passiert auch in einem Brennwertkessel.

Brennwertkessel brauchen zusätzlichem Korrosionsschutz

Beim Auskondensieren des Wassers im Abgas des Brennwertkessels entstehen keine reinen Wassertropfen. So entstehen bei der Verbrennung aus im Brennstoff enthaltenem Schwefel sowie aus Stickstoff Schwefel- und Stickoxide, die mit dem kondensierenden Wasser Schwefel- und Salpetersäure bilden können. Die Bildung von Schwefelsäure lässt sich verhindern, indem man den Schwefel bei der Herstellung aus dem Brennstoff entfernt. Beim Stickstoff ist das leider nicht möglich, weil es der natürliche Hauptbestandteil der Umgebungsluft ist. Die im Kondenswasser enthaltenen Säuren sind jedoch sehr aggressiv. Sie verursachen Schäden in Schornsteinen und in den Wärmetauschern, die nicht entsprechend säurefest ausgelegt sind.

Abbildung der Funktionsweise der Brennwerttechnik

Funktionsweise der Brennwerttechnik

Brennwertkessel werden zum Teil vollständig aus Edelstahl hergestellt

Beim Brennwertkessel müssen daher sowohl die Kamine als auch die Feuerräume stärker vor Korrosion geschützt werden. Das geschieht einerseits durch geeignete Materialien, vor allem Edelstahl. Es kann aber gerade bei den Wärmetauscherflächen auch noch durch konstruktive Maßnahmen unterstützt werden. Geeignete konstruktive Mittel sind zum Beispiel Trockenkammern, Zweikreiskessel oder Beschichtungen. Beim Brennwertkessel kommen zusätzlich sogenannte modulierende Brenner (Pulsationsbrenner) zum Einsatz. Auch nachgeschaltete Wärmetauscher aus Kunststoff, die in Zonen mit Abgastemperaturen unter 60 °Celsius liegen, werden eingesetzt. Brennwertkessel werden zum Teil auch als Kondensationskessel vollständig aus Edelstahl hergestellt.

Der Rauchgasabzug beim Brennwertkessel

Der zweite Grund, warum Heizkessel früher mit höheren Abgastemperaturen arbeiteten, ist der Rauchgasabzug. Damit der Brennstoff im Kessel genügend Sauerstoff für die Verbrennung erhält, muss das Abgas abziehen und durch Frischluft ersetzt werden. Ist das Rauchgas am Kamineintritt noch heiß genug, zieht es von alleine hinaus, da es leichter ist als die umgebende Luft bei Raumtemperatur. Dieses Phänomen wird auch Kamineffekt genannt.

Eine aktive Entlüftung durch ein Gebläse nötig

Beim Brennwertkessel hat das Abgas am Eintritt in den Schornstein nur noch eine Temperatur um die 35 °Celsius. Damit es zuverlässig durch den Kamin abzieht, ist eine aktive Entlüftung durch ein Gebläse nötig. Die erforderliche Anschlussleistung des Lüfters ist allerdings deutlich niedriger als die zusätzliche Energie, die durch die Abkühlung unter den Taupunkt gewonnen wird, sodass der Kessel trotzdem Energie spart.

Philipp Hermann

Fazit von Philipp Hermann

Brennwertkessel sind besonders effizient und nutzen die eingesetzten Primärenergieträger besser aus, als konventionelle Heizkessel. Sie stellen aber auch höhere Anforderungen an den Korrosionsschutz, weil sie das Rauchgas bis unter den Taupunkt abkühlen und dadurch aggressive Bestandteile im Abgas die Wärmetauscherflächen und Kamine belasten.

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