mini|Brennwertkessel Ein Brennwertkessel ist ein Heizkessel für Warmwasseranlagen, der zumeist als Gas- oder Ölkessel konzipiert ist. Die Heizflächen sind so ausgelegt, dass das Abgas auf einem geringen Temperaturgradienten (Grädigkeit) bis auf die Vorlauftemperatur des Heizungswassers abgekühlt wird. Bei hinreichend geringen Temperaturen wird auch ein Teil der Kondensationsenthalpie des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes für den Wärmeübergang zum Heizungswasser genutzt. Niedertemperaturkessel bilden die technische Generation von Heizkesseln vor der Markteinführung von Brennwertkesseln. Diese sind so ausgelegt, dass keine Kondensation von Wasserdampf in dem Abgassystem und Schornstein auftritt. Der Brennwert ho eines Brennstoffes entspricht dem Heizwert hu zuzüglich der Kondensationsenthalpie. Der Begriff Brennwert wurde daher für die Heizkessel verwendet, die die Kondensation für die Wärmeerzeugung ausnutzen.
Der Anteil der Kondensationenthalpie am Brennwert nimmt mit steigendem Wasserstoffgehalt des Brennstoffes zu; er beträgt bei der Verbrennung von Wasserstoff 18 %, Erdgas 11 % und Heizöl EL 6 %. Da das Abgas nicht unter die Außentemperatur abgesenkt wird und alle an sich trockenen Gase im Abgas einen Teil der Verbrennungswärme (über ihre Wärmespeicherkapazität) abführen, kann nur die Kondensationswärme aller kondensierbaren Stoffe (Wasserdampf, entstandene schwefelhaltige Säuren, Teerstoffe bei Holzverbrennung oder -vergasung) für den Wärmetausch genutzt werden. Feuchte im Brennstoff wird verdampft (und kann dabei die Flammentemperatur unerwünscht senken) und kann bei der Brennwertnutzung ohne Warmegewinn kondensiert werden, ein „Zuviel“ kann aber Verdampfungswärme binden ohne wiedergewinnbar zu sein. Mit Brennwertkesseln kann aber gebundene Wärme aus Luftfeuchte (die ja bereits dampfförmig vorliegt) aus der Außenluft, Innenluft oder nach Trocknung feuchter Wäsche oder baufeuchter Wände im Keller wiedergewonnen werden.
Der Feuerungswirkungsgrad von Heizkesseln wird auf den Heizwert bezogen. Daher können Feuerungswirkungsgrade von über 100 % erzielt werden, wenn die Kondensation mit genutzt wird.
Entstehung von Wasserdampf im Abgas Der Wasserdampf im Abgas hat drei Quellen: Wasserstoffatome von Kohlenwasserstoffen und sonstigen organischen Verbindungen, die bei der Verbrennung mit Sauerstoff zu H2O reagieren; Produktfeuchte der Brennstoffe (beispielsweise rohes Biogas, Stückholz, Kohle, frisch gelöschter Koks, Getreide (siehe Getreideverbrennung), Altbrot, sonstige Biomasse, Abfälle), wobei derzeit im Kleinfeuerungsbereich vor allem nur Brennwertkessel für Gasheizungen, Ölheizungen und Pelletheizungen am Markt zu finden sind. bereits dampfförmig vorliegende Luftfeuchte oder flüssig vorliegender Nebel
Bei der Verbrennung von Methan entstehen aus einem Molekül CH4 ein Molekül CO2 und 2 Moleküle H2O, aus einem Mol (rund 16 g) CH4 entstehen somit zwei Mol (rund 36 g) H2O, also ungefähr die 2,25-fache Masse an Wasser(dampf). Bei der Umsetzung von C zu CO2 und von H zu H2O wird Energie frei. Die Reaktionsgleichung lautet (siehe auch die Seite Verbrennung (Chemie)):
Die geringe Feuchte in Erdgas ist dabei vernachlässigbar, die Feuchte in festen Brennstoffen nicht. Die Hauptwassermenge entsteht durch die Oxidation der Wasserstoffatome des Brennstoffs. Bei der Verbrennung langkettigerer (meist flüssiger) Kohlenwasserstoffe (am Beispiel Oktan C8H18 ersichtlich) ist das Verhältnis der Wärmeenergie liefernden Kohlenstoffatome zu den Wasserdampf ergebenden Wasserstoffatomen erhöht, so dass entsprechend weniger Wasserdampf (pro Mol Brennstoff) entsteht.
Dies hat folgende Auswirkungen: Der Wasserdampftaupunkt in Rauchgas bei der Verbrennung von Erdgas liegt bei ca. 59 °C und bei der Verbrennung von Heizöl bei ca. 48 °C (genaue Angaben sind nicht möglich, da Erdgase und Heizöle variable Zusammensetzungen aufweisen). Der Taupunkt bei der Holzverbrennung liegt je nach Feuchtegehalt zwischen 20 und 60 °C.neutrale Firmenwebpräsentation (PDF; 1,2 MB) Bei Erdgas-Brennwertkesseln ist die Brennwertnutzung bei höheren Rücklauftemperaturen möglich als bei Heizöl-Brennwertkesseln. Erdgas-Brennwertkessel erzeugen mehr Kondensat als Heizöl-Brennwertkessel (bei Abkühlung des Abgases beispielsweise auf 40 °C). Erdgas-Brennwertkessel liefern mehr Brennwerteffekt bezogen auf den Heizwert als Heizöl-Brennwertkessel. Die Verluste in Folge der nicht genutzten Kondensationsentalpie liegen bei konventionellen Niedertemperaturheizkesseln beim Verbrennen von Erdgas bei maximal etwa 11 Prozent des Brennwertes, beim Verbrennen von Heizöl EL bei maximal etwa 6 Prozent. Im Brennstoff vorhandene Schwefelverbindungen verbrennen zu SO2 und SO3, die mit dem Wasserdampf im Abgas zu schwefliger Säure und Schwefelsäure weiterreagieren. Der Säuretaupunkt schwefelhaltiger Brennstoffe liegt im Bereich 120 bis 150 °C. Je weiter der Taupunkt abgesenkt wird, desto mehr wird das saure Kondensat durch Kondenswasser aus dem Rauchgas verdünnt. Entsprechend dem Korrosionsverhalten der Kondensate können bei Wärmetauschern je nach Kondensationszone unterschiedliche Materialien zum Einsatz kommen.
Grundlagen Bei der Benennung des spezifischen Energiegehalts von Brennstoffen unterscheidet man die Begriffe Heizwert und Brennwert. Der Heizwert Hi (früher Hu) bezieht sich auf die bei vollständiger Verbrennung gewinnbare Wärme; darüber hinaus beinhaltet der Brennwert Hs (früher Ho) zusätzlich die Kondensationsenthalpie des im Abgas enthaltenen Wasserdampfs. Die Wirkungsgrade von Heizkesseln beziehen sich auf den Heizwert Hi. Dadurch können Brennwertgeräte bei sehr niedrigen Abgastemperaturen einen Wirkungsgrad von über 100 % erreichen. Die Ausnutzung des Brennwertes kann nie ganz erreicht werden, da immer ein endlicher Wasserdampfpartialdruck im Abgas auftritt.
Der maximal erreichbare Wirkungsgrad bezogen auf den Heizwert Hi ist vom Brennstoff abhängig. Erdgas ermöglicht einen theoretischen Wirkungsgrad von 111 % bezogen auf Hi, während bei Heizölfeuerungen aufgrund des geringeren Wasserstoffanteils nur eine geringere theoretische Steigerung bis auf 106 % möglich ist. Bei aktuellen Heizölbrennern wird das Heizöl vorgewärmt, um bei der Zerstäubung nach der Brennerdüse eine Verdampfung zu erreichen (Blaubrenner), wodurch gegenüber konventionellen Gelbbrenner eine schadstoffarmere Verbrennung mit reduzierter Rußbildung erzielt wird.
Separat vom Heizkessel oder fest eingebaut wird hinter dem Brenner das Abgas durch einen Abgaswärmetauscher geleitet, der die Abgase ganz oder teilweise unter den Taupunkt kühlt. Hierdurch kondensiert sowohl das neben Kohlendioxid hauptsächlich anfallende Verbrennungsprodukt Wasser als auch sonstige Stoffe (siehe dazu den Artikel Kondensat (Heizungstechnik)). Beispielsweise Dämpfe von Säuren aus dem Abgas, vor allem Salpetersäure/salpetrige Säure aus der Verbrennung (Stickoxide NOx) und Schwefelsäure/schwefelige Säure aus den Anteilen von im Brennstoff enthaltenen Schwefel. mini|Feuerungswirkungsgrad (bezogen auf die Feuerungswärmeleistung) von Brennwertkesseln in Abhängigkeit der Abgastemperatur, Brennstoff: Erdgas H, λ = 1,1 Die Nutzung der Kondensationsenthalpie der kondensierbaren Stoffe im Abgas verbessert den feuerungstechnischen Wirkungsgrad. Das reduziert den Verbrauch der Brennstoffe (Stichwort Energiesparen) und damit den Ausstoß von CO2, aber auch den Ausstoß von säurebildenden Gasen und sonstigen kondensierbaren Verbindungen (s. u.). So wird neben der Brennwertnutzung noch zusätzlich verhindert, dass kondensierbare Verbindungen und mit dem Kondensat abscheidbare Stäube die Luft verschmutzen und die sauren Bestandteile in die Atmosphäre gelangen und als saurer Regen niedergehen.
Technik mini|Bauarten von Brennwertkesseln - links: Kessel mit separatem Kondensationswärmeübertrager und Abgasgebläse - rechts: kombinierter Wärmeübertrager mit Sturzbrenner und Verbrennungsluftgebläse 1: Brenngas, 2: Verbrennungsluft, 3: Abgas 4: Heizungsrücklauf, 5: Heizungsvorlauf Der erreichbare Wirkungsgrad einer Brennwertkesselanlage hängt von der Rücklauftemperatur der an den Kessel angebundenen Heizungsanlage ab. Alternativ kann der Rauchgasstrom nach der Erwärmung des Heizungswassers noch für die Vorwärmung von Brauchwasser oder die Vorwärmung der Verbrennungsluft genutzt werden. Fußbodenheizungen sind geeignet für niedrige Vor- und Rücklauftemperaturen. Eine weitere Energieeinsparung kann durch einen hydraulischen Abgleich der Heizkörper einer Heizungsanlage erreicht werden. Bei einem Niedertemperaturkessel mit 140 °C Abgastemperatur und einer Luftzahl λ = 1,2 wird bei optimaler Verbrennung ein Wirkungsgrad bezogen auf den Heizwert von 94 % erreicht. Ein Brennwertkessel mit einer Abgastemperatur von 50 °C und Optimierung der Luftzahl auf λ = 1,05 durch CO-Regelung erreicht einen Wirkungsgrad von 102 % und bei 40 °C von 105 %. Der Rücklauf des Heizmediums muss etwas höher als die Abgastemperatur angesetzt werden (ca. 10 °C), um das Temperaturgefälle im Wärmeübertrager zu berücksichtigen. Neue Brennwertkessel werden modulierend über einen weiten Leistungsbereich betrieben, so dass Verluste durch Vorbelüften des Verbrennungsraumes durch Abschaltzyklen zusätzlich verringert werden. Nach dem gezeigten Beispiel kann eine Erhöhung des Wirkungsgrades von 8 bis 11 % angesetzt werden, wenn ein Niedertemperaturkessel gegen einen Brennwertkessel ausgetauscht wird. In wird je nach vorhandener Kesseltechnologie auf ein Einsparpotential von 2 bis 15 % hingewiesen und bei Austausch eines Niedertemperaturkessels gegen einen Brennwertkessel wird ein Einsparpotential von bis zu 12 % genannt, wenn die Peripherie (hydraulischer Abgleich, geregelte Umwälzpumpen) eingesetzt werden.
Kesselkonstruktion mini|Schema Das bei der Verbrennung anfallende Kondensat ist sauer und greift deshalb unedle Werkstoffe an. Früher verwendete Kesselmaterialien und Kaminrohre waren hierfür nicht korrosionsgeeignet. Durch die Kesselkonstruktion wurde die Kondensation im Kessel deshalb absichtlich verhindert, was nur mit hohen Kesselwassertemperaturen (>70 °C) möglich war. Eine nachfolgende Kondensation in langen Schornsteinen hätte Versottung bewirkt, darum war man bestrebt, eine Abgastemperatur von rund 120 °C nicht zu unterschreiten. In Brennwertkesseln sind zumindest die nachgeschalteten Heizflächen, an denen Wasserdampfkondensation oder Säurebildung stattfinden kann, aus nicht rostenden Stählen (Ni-Cr-Stähle) gefertigt und haben einen separaten Abgaswärmetauscher. An aktuellen Kesseln bestehen die Heizflächen vollständig aus korrosionsbeständigem Edelstahl. Diese Flächen sind so angeordnet, dass das anfallende Kondensat abgeführt werden kann.
Brennwertkessel mit Modulation der Leistung mini|Viessmann Vitodens 200 Brennwerttherme (Wandgerät) mit Ladepumpe für die Warmwassererzeugung und Heizkreis mit hydraulischer Weiche und Kreiselpumpe