In meinem heutigen Beitrag möchte ich euch den Brennwert und die Funktion eines Brennwertkessels erklären. Die Brennwerttechnologie wird für die Erzeugung von Wärme bei Heißwasserheizungen eingesetzt und ist ein sehr effizientes Verfahren, um den Wirkungsgrad eines Brennstoffes wie Erdgas oder Heizöl zu erhöhen.
Inhaltsverzeichnis
Was ist der Brennwert?
Der Brennwert eines Stoffes gibt die Wärmemenge an, die bei der Verbrennung eines brennbaren Stoffes freigesetzt wird. Dabei wird die Abkühlung der Verbrennungsgase ebenfalls berücksichtigt.
Warum ist das so wichtig? Ein brennbarer Stoff reagiert bei der Verbrennung unter Flammenbildung mit Sauerstoff. Da in den meisten Wärmeerzeugungsanlagen Kohlenwasserstoffe (Erdöl, Kohle, Erdgas) als Brennstoffe verwendet werden, entstehen beim Verbrennen der Kohlenwasserstoffe Abgase, welche neben Kohlenstoffdioxid 
und Stickstoff auch Wasserdampf 
enthalten.
Der Wasserdampf in den Abgasen bindet Wärme und setzt diese beim Abkühlen des Wasserdampfs durch Kondensation wieder frei. Nach dem Energieerhaltungssatz 
wird beim Kondensieren des Wasserdampfs genauso viel Energie freigesetzt, wie man für den Verdampfungsvorgang benötigt hätte. Man nennt diese latente (verborgene) Energie auch Kondensationswärme.
Die moderne Brennwerttechnik macht diese Kondensationswärme nutzbar und erhöht somit den Wirkungsgrad des Brennstoffes. Dieser Vorgang wird Brennwerteffekt genannt.
Dabei gilt: Je höher der Wasserstoffanteil im Brennstoff ist, desto höher ist der durch den Brennwerteffekt erzielte Wirkungsgrad. Der zusätzliche Nutzen durch den Brennwerteffekt, welcher der Energieeinsparung entspricht, ist folgender:
- Wasserstoff: ca. 18 %
- Erdgas: ca. 11 %
- Heizöl (leicht): ca. 6 %
- Kohle (theoretisch): 2 – 3 %
Nachfolgend habe ich euch eine kleine Liste von verschiedenen Brennstoffen mit den jeweiligen Brennwerten zusammengestellt:
- Erdgas: 10,83 kWh/kg
- Heizöl, schwer: 11,86 kWh/kg
- Heizöl, leicht: 9,5 kWh/l
- Steinkohle: 6,9 – 7,0 kWh/kg
- Braunkohle: 5,1 – 5,5 kWh/kg
Weitere Brennwertangaben zu verschiedenen Stoffen findet Ihr hier: Brennwert Tabellen – Wikipedia
Funktion von Brennwertkesseln
Um den Brennwerteffekt nutzen zu können, haben sich zwei gängige Systeme herauskristallisiert. Zum einen gibt es das Last- und Rücklauftemperaturunabhängige System (Vollbrennwerttechnik) und zum anderen das Last- und Rücklauftemperaturabhängige System (Niedrigtemperatur-Brennwerttechnik).
Vollbrennwerttechnik
Im Folgenden möchte ich euch die Brennwerttechnik anhand der Vollbrennwerttechnik erklären (siehe Abbildung 1). Im ersten Schritt wird dem Kessel über das Luft-Abgas-System frische Luft für den Verbrennungsvorgang zugeleitet. Diese Luft wird bereits im Heizkessel durch die heißen Abgase am zweiten Wärmetauscher erwärmt, sodass die Energie im System nicht verloren geht.
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Durch die Verbrennung von Gas entsteht Wärme, welche mit Hilfe des ersten Wärmetauschers an das Heizsystem übertragen wird. Das erwärmte Heizwasser wird anschließend mit Hilfe der Heizungspumpe in das Heizungssystem gepumpt.
Die Abgase werden durch das kältere Heizwasser im Rücklauf sowie der, im ersten Schritt beschriebenen, zum Verbrennungsvorgang benötigten kalten Luft abgekühlt. Daraufhin kondensiert der Wasserdampf in den Abgasen und gibt die freigesetzte latente Kondensationsenergie an den 2. Wärmetauscher ab. Diese Energie wird an das Heizwasser im Rücklauf abgegeben, sodass zur anschließenden Erwärmung des Heizwassers weniger Energie benötigt wird.
Das Kondensat der Abgase fließt in eine Neutralisationsbox und wird anschließend der Kanalisation zugeführt. Die restlichen Abgase werden von einem Abgasventilator über das Luft-Abgas-System abgeführt und geben, ähnlich wie bei einem Wärmetauscher, weitere Wärme an die Zuluft für den Verbrennungsvorgang ab.
Niedertemperatur-Brennwerttechnik
Bei Niedrigtemperatur-Brennwertgeräten wird der Brennwerteffekt durch vergleichsweise niedrige Systemtemperaturen oder der Reduzierung der Rücklauftemperatur erreicht. Die Abgase werden dann aufgrund der niedrigen Rücklauftemperaturen abgekühlt und kondensieren. Die Frischluft für den Verbrennungsvorgang wird hier nicht für den Brennwerteffekt nutzbar gemacht. Man nennt dieses System daher „Last- und Rücklauftemperaturabhängig“. Die Rücklauftemperaturen sind in diesen Fällen meist unter 30 °C und für Niedrigtemperatursysteme wie Fußbodenheizungen sehr interessant.
Voraussetzung für die Brennwerttechnik
Um den Brennwerteffekt nutzen zu können, ist es notwendig, dass die Abgase kondensieren. Dies geschieht jedoch nur, wenn diese ihre jeweilige Taupunkttemperatur unterschreiten. Der Taupunkt des Wasserdampfes in einem Abgas hängt dabei von der Zusammensetzung des Brennstoffes ab.
Die Abgas-Taupunkttemperatur von Heizöl liegt bei ca. 47 °C und von Erdgas bei ca. 57 °C. Das bedeutet, dass die Abgastemperatur im Heizsystem mindestens diese Taupunkttemperatur unterschreiten muss, damit der Wasserdampf in den Abgasen kondensieren kann und ein Brennwerteffekt zu verzeichnen ist.
Ein Hydraulischer Abgleich kann den Brennwerteffekt positiv beeinflussen und für niedrigere Systemtemperaturen sorgen.
Fazit
Die Brennwerttechnik ermöglicht es, zusätzliche Energie aus den Abgasen zu nutzen. Dieser zusätzliche Nutzen von ca. 11 % bei Erdgas und ca. 6 % bei Heizöl ist gleichzeitig die Energieeinsparung, die durch die Brennwerttechnologie möglich ist.
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Ich hoffe ich konnte euch in diesem kleinen Beitrag die Funktion eines Brennwertkessels näher bringen. Falls ihr Fragen, Anregungen oder Kritik zum Brennwertkessel habt, nutzt die Kommentarfunktion.
Viele Grüße! Martin
Weiterführende Links und Quellen:
Wikipedia – Stickstoff
Wikipedia – Kohlenwasserstoffe
Wikipedia – Verbrennung (Chemie)
Wikipedia – Brennwertkessel
Seilnacht Lexikon – Kohlenwasserstoffe
Kermut.ch – Neutralisationsbox für Kondensat
Asue – Brennwerttechnik – aktueller Stand
Junkers – Video zum Brennwerteffekt
Tabelle mit Brennwerten
Vollbrennwerttechnik
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