Öl-Brennwerttechnik
Aus brand-feuer.de
Öl-Brennwerttechnik: Stand der Technik und Zukunftsperspektiven
1. Brennwertnutzen bei Heizöl
Nach der Definition der Energieeinsparverordnung (EnEV) ist ein Brennwertkessel „ein Heizkessel, der für die Kondensation eines Großteils des in den Abgasen enthaltenen Wasserdampfes konstruiert ist“. Die Temperatur der Verbrennungsgase sollte daher bei der Nutzung von Heizöl EL in einem Wärmetauscher bis unter die Taupunkttemperatur von ca. 47 °C abgesenkt werden, um eine weitgehende Kondensation zu erreichen. Der zusätzliche Wärmegewinn aus dieser Kondensation beträgt bei Heizöl theoretisch maximal 6 Prozentpunkte gegenüber der Niedertemperaturtechnik, bei der eine Kondensation im Heizkessel nicht erwünscht ist. Dies führt dazu, dass der auf den Heizwert bezogene Norm-Nutzungsgrad (nach DIN 4702-8) bei vollständiger Kondensation in Öl-Brennwertkesseln auf 102 % steigen kann im Vergleich zu ca. 96 % bei Niedertemperaturkesseln.
Zusätzlich werden die Abgastemperaturen verglichen mit der Niedertemperaturtechnik erheblich gesenkt. Bei Niedertemperaturkesseln muss die Kondensation an Heizflächen und im Abgassystem durch ein entsprechend hohes Abgastemperaturniveau vermieden werden. Bei der Brennwerttechnik dagegen ist die Kondensation erwünscht. Deshalb betragen die Abgastemperaturen nur noch ca. 40 °C statt etwa 160 °C bei der Niedertemperaturtechnik. Damit wird der Abgasverlust erheblich gesenkt, was zusätzlich zur Kondensationswärme zu einem weiteren Wärmegewinn von ca. 4 Prozentpunkten führt. Daraus ergibt sich für Öl-Brennwertkessel ein theoretisch erreichbarer Norm-Nutzungsgrad von insgesamt ca. 106 %. Die praktisch erreichbare zusätzliche Energieausbeute beträgt bei brennwertgerecht konstruierten, besonders effizienten Öl-Brennwertkesseln gegenüber der Öl-Niedertemperaturtechnik etwa 6 bis 8 Prozentpunkte, was zu Norm-Nutzungsgraden von 102 bis 104 % führt (Bild 1).
Auch für Öl-Brennwertkessel gilt allerdings, dass nicht mehr Wärme herauskommen kann, als zuvor in Form von Brennstoff hineingesteckt wurde. Die bei der Kondensation des Wasserdampfes frei werdende Wärme konnte früher nicht genutzt werden, da die technischen Möglichkeiten dafür noch nicht existierten. Für alle Nutzungsgrad-Ermittlungen wurde daher der Heizwert Hi (i für engl. inferior = niedriger, früher Hu = unterer Heizwert) des Brennstoffes als Bezugsgröße gewählt und in der Norm festgeschrieben. Im Gegensatz zum Brennwert Hs (s für engl. superior = höher, früher Ho = oberer Heizwert) berücksichtigt der Heizwert jedoch nicht die Kondensationswärme. Durch die zusätzliche Nutzung der Kondensationswärme in Brennwertkesseln und den nach wie vor von der Norm vorgeschriebenen Bezug auf Hi können somit Nutzungsgrade von über 100 Prozent entstehen.
In dem Bezug der Norm-Nutzungsgrade auf den Heizwert liegt auch die Erklärung für die Differenz zwischen den Nutzungsgraden von Gas- und Öl-Brennwertkesseln. Erdgas hat einen höheren Wasserstoffanteil als Heizöl. Bei der Verbrennung von Erdgas entsteht deshalb erheblich mehr Wasserdampf (ca. 140 g/kWh) als bei Heizöl (ca. 80 g/kWh). Damit sind die möglichen Kondensationsgewinne bei Öl geringer als bei Gas. Das bedeutet jedoch nicht zwangsläufig, dass damit auch die Energieeffizienz von Öl- gegenüber Gas-Brennwertgeräten geringer ist. Für die Effizienz zählt allein, wie viel vom gesamten Energieinhalt eines Brennstoffes als Heizwärme genutzt wird. Dabei ist es gleichgültig, ob die nutzbare Wärme aus dem sensiblen Anteil durch Abkühlung des Heizgases oder dem latenten Anteil aus der Kondensation des Wasserdampfes stammt. Bezogen auf den Brennwert Hs zeigt sich, dass die Brennwerttechnik für beide Brennstoffe gleich effizient ist (Bild 2).
2. Anforderungen an moderne Öl-Brennwertkessel
Um das Potenzial der Öl-Brennwerttechnik umweltschonend, zuverlässig und wirtschaftlich nutzen zu können, werden an einen modernen Öl-Brennwertkessel eine Reihe von Anforderungen gestellt:
- – geringe Emissionen
- – hohe Effizienz
- – zuverlässiger Betrieb
- – Langlebigkeit
- – einfache Wartung
- – kompakte Abmessungen
2.1 Geringe Emissionen
Moderne Blaubrenner sorgen für eine schadstoffarme, rußfreie und effiziente Verbrennung (Bild 3). Außerdem gewährleisten sie einen ausreichenden Förderdruck für die Abgasführung durch moderne Abgas-/Zuluftsysteme. Mehrstufige oder modulierende Blaubrenner helfen, die Leistung an den tatsächlichen Wärmebedarf anzupassen.
Wichtig ist, dass Maßnahmen zur Geräuschminderung ergriffen werden, um die Verbrennungsgeräusche niedrig zu halten, z. B. durch Verwendung eines Abgas-Schalldämpfers oder der vollständigen Kapselung des Kessels. Es bietet sich an, den Schalldämpfer in den Kessel zu integrieren, da so kein zusätzlicher Platzbedarf hinter dem Kessel entsteht.
2.2 Hohe Effizienz
Eine hohe Effizienz wird vor allem durch eine brennwertgerechte Konstruktion des Kessels erreicht. Heizgase sollten im Kessel möglichst vollständig kondensieren und ihre Wärme an das Heizwasser abgeben. Dazu müssen die Heizgase mit den wärmeübertragenden Flächen des Wärmetauschers möglichst intensiv und vollständig in Kontakt gebracht werden. Dies kann auf zwei Wegen erreicht werden:
Turbulente Strömung
Die Heizflächen sind so gestaltet, dass das Heizgas ständig verwirbelt wird, so dass sich keine Kernströme mit höheren Temperaturen ausbilden können (Bild 4). Durch Umlenkstellen wird eine turbulente Strömung erzeugt, die so stark verwirbelt ist, dass die Heizgase ihre Wärme gleichmäßig und nachhaltig an die Wärmetauscherflächen abgeben können. Zur Herstellung effizienter Heizflächen ist Edelstahl Rostfrei besonders gut geeignet.
Laminare Strömung
Die andere Möglichkeit ist, ein laminares Wärmeübertragungsprinzip zu realisieren. In diesem Fall nutzt man eine Wärmetauscherkonstruktion, deren heizgasseitige Durchtrittsöffnung so gestaltet ist, dass die Wärme gleichmäßig über den gesamten Querschnitt auf die Wärmetauscher-Wandungen übertragen werden kann, ohne das sich eine unerwünschte Kernströmung ausbilden kann.
Ein Beispiel hierfür ist der Inox-Radial-Wärmetauscher, der durch sein spiralförmig aufgewickeltes Wärmetauscherrohr besonders kompakt ist (Bild 5). Anstelle eines Rohres mit rundem Querschnitt wird ein Vierkant-Edelstahlrohr spiralförmig gewickelt. Über präzise Einpressungen wird ein konstanter Spalt von 0,8 mm über die gesamte Spaltlänge erreicht. Dieser auf die speziellen Strömungsverhältnisse des Heizgases abgestimmte Abstand sorgt dafür, dass ein besonders effektiver Wärmeübergang zwischen Heizgas und Wärmetauscher stattfinden kann. Die ca. 900 °C heißen Heizgase können auf einer Spaltlänge von nur 36 mm auf deutlich unter 50 °C abgekühlt werden (Bild 6). Im günstigsten Fall erreichen die Heizgase am Kesselaustritt eine Temperatur, die nur weniger als 4 K über der Rücklauftemperatur des Heizkreises liegt.
Für alle Brennwert-Heizflächen ist wichtig, dass das entstandene Kondenswasser so schnell wie möglich abgeführt wird. Deshalb sollten die Heizflächen so konstruiert sein, dass das Kondenswasser mit der Schwerkraft ungehindert nach unten fließen kann und dieser Vorgang durch die Strömungsrichtung der Heizgase – ebenfalls von oben nach unten – unterstützt wird. Dadurch wird ein permanenter Selbstreinigungseffekt erzeugt und eine Aufkonzentration des Kondenswassers vermieden.
2.3 Zuverlässiger Betrieb
Gerade für moderne Brennwertgeräte stellt schwefelarmes Heizöl (Schwefelanteil ≤ 50 ppm) den idealen Brennstoff für einen langfristig zuverlässigen und umweltschonenden Betrieb dar. Denn sie sind auf die brennstoffspezifischen Anforderungen abgestimmt. Die Verfügbarkeit von schwefelarmem Heizöl hat dazu geführt, dass auch für Öl-Brennwertgeräte bis 200 kW analog zu Gas-Brennwertgeräten die direkte Einleitung des Kondenswassers zugelassen ist. Bis zu dieser Leistungsgrenze und bei ausschließlicher Verwendung von schwefelarmen Heizöl kann die Neutralisation des Kondenswassers in einer separaten Neutralisationseinrichtung entfallen.
Darüber hinaus wird durch die stark abgesenkten Abgastemperaturen auch die Verwendung einfacher und dauerhaft haltbarer Abgas-/Zuluft-Systeme aus Kunststoff für die Abgasführung möglich.
2.4 Langlebigkeit
Edelstahl Rostfrei bringt die Eigenschaften mit, die Brennwerttechnik braucht: Er ist korrosionsbeständig, temperaturstabil und resistent gegen Kondenswasser und damit auch besonders langlebig. Mit seiner glatten Oberfläche ist Edelstahl Rostfrei ideal für den Einsatz in der Brennwerttechnik: So wird der Selbstreinigungseffekt zusätzlich unterstützt, denn das Kondenswasser läuft schnell ab, Verbrennungsrückstände und Schmutz können nicht anhaften.
Neben der brennwertgerechten Konstruktion und der Wahl des richtigen Materials gehört auch ein entsprechendes Fertigungs-Know-how dazu, um moderne effiziente und langlebige Öl-Brennwertkessel herstellen zu können (Bild 7). Gerade bei der Verarbeitung von Edelstahl kommt es auf Details an, denn das Gesamtsystem ist nur so gut wie seine schwächste Stelle.
2.5 Einfache Wartung
Kesselintegrierte Wärmetauscher, an denen eine Kondensation stattfindet, sind sowohl den hohen Temperaturen der Flamme ausgesetzt als auch durch unvermeidbare Ablagerungen u. a. aufgrund des Schwefelanteils im Heizöl belastet. Im Betrieb sollte schwefelarmes Heizöl EL eingesetzt werden, um so die Ablagerungen zu reduzieren. So sind Langlebigkeit, energetische Qualität und hohe Effizienz auch dann gesichert, wenn nur einmal jährlich eine Reinigung durchgeführt wird
Für Öl-Brennwertkessel mit nachgeschaltetem Kondensations-Wärmetauscher kann auch Standard-Heizöl EL (bis 2000 ppm) zum Einsatz kommen, da Verbrennung und Kondensation räumlich getrennt voneinander ablaufen. Die entstehenden Verbrennungsrückstände, die auch die Reaktionsprodukte des Schwefels enthalten, lagern sich an den Wärmetauscherflächen im leicht zu reinigendem Brennraum ab. Dort entsteht aber aufgrund der angepassten Temperaturführung kein Kondenswasser. Erst im nachgeschalteten Wärmetauscher findet ein praktisch ablagerungsfreier Kondensationsprozess statt.
2.6 Kompakte Abmessungen
Die kompakte Bauweise des Wärmeerzeugers ist für viele Anlagenbetreiber zu einem wichtigen Kaufkriterium geworden. Im Neubau wird immer häufiger auf einen Keller verzichtet. Der Heizkessel muss platzsparend zum Beispiel im Hauswirtschaftsraum untergebracht werden. Und auch bei der Modernisierung soll der neue Heizkessel möglichst kleiner sein als sein Vorgänger. Der seit einigen Jahren bei der Gas-Heiztechnik zu beobachtende Trend zu kompakter Bauweise und zu komplett ausgestatteten Geräten mit hohem Vormontagegrad gilt inzwischen auch für Öl-Heizkessel.
Mittlerweile gibt es Produkte, die den Kondensations-Wärmetauscher unmittelbar mit der Niedertemperatur-Heizfläche verbinden. So lassen sich die Vorteile der räumlichen Trennung von Verbrennung und Kondensation bei kompakten Abmessungen erreichen (Bild 10).
Wie bei der Gas-Brennwerttechnik sind jetzt auch Öl-Brennwert-Kompaktgeräte verfügbar, die komplett vormontiert ausgeliefert werden und den Wärmeerzeuger zusammen mit einem Speicher-Wassererwärmer sowie allen weiteren erforderlichen Systemkomponenten in einem kompakten Gehäuse vereinen
Bild 11: Besonders kompaktes Öl-Brennwertgerät mit integriertem 130 Liter Speicher-Wassererwärmer.
3. Zukunftssicherheit der Öl-Brennwerttechnik
Die sparsame Verwendung von Heizöl verbunden mit moderaten Anschaffungskosten gewährleisten, dass sich die Investition in einen Öl-Brennwertkessel schon nach wenigen Jahren amortisiert hat. Die Fähigkeit, zum Teil aus nachwachsender Biomasse gewonnene Bio-Heizöle verbrennen zu können, macht die moderne Öl-Brennwerttechnik darüber hinaus auch zukunftssicher.
Heizöl, dem bis zu 5 % Bio-Öl (FAME nach DIN EN 14214) zugemischt wurde, wird bereits auf dem Markt angeboten. Dieses standardisierte Heizöl mit Biokomponente kann in modernen Öl-Brennwertkesseln problemlos eingesetzt werden, steht jedoch noch nicht flächendeckend zur Verfügung. Eine Alternative dazu stellt die so genannte Bio-Box dar, die eine automatisierte Zumischung von Bio-Öl zum fossilen Heizöl in bestehenden sowie neuen Öl-Heizungsanlagen ermöglicht (Bild 12). Neben dieser Bio-Box ist lediglich ein separater Tank für die Bevorratung des Bio-Brennstoffs erforderlich. An den gesetzlichen Rahmenbedingungen, die diese Art der Bio-Öl-Zumischung regeln, wird derzeit gearbeitet.
Eine weitere zukünftige Option für sicheres und wirtschaftliches Heizen mit Öl-Brennwertsystemen sind Biomass-to-liquids (BtL). Bei der Herstellung von BtL kann die gesamte Pflanze (Blätter, Stängel und Früchte) verwendet werden. Schätzungen gehen davon aus, dass auf einem Hektar landwirtschaftlicher Nutzfläche umgerechnet etwa 3900 Liter BtL-Brennstoffe erzeugt werden können, was dem dreifachen Ertrag von Rapsöl entspricht (bei Rapsöl wird nur die Frucht verwertet). Ein weiterer Vorteil von BtL-Brennstoffen wird sein, dass sie genau mit den gewünschten Eigenschaften hergestellt werden können. So werden BtL-Brennstoffe problemlos auch unvermischt in den heute üblichen Heizungsanlagen einsetzbar sein. Die Technik zur Herstellung von BtL befindet sich derzeit jedoch noch im Entwicklungsstadium, der Brennstoff ist deshalb noch nicht marktverfügbar. Es existieren zur Zeit einige Versuchsanlagen, in denen BtL-Brennstoffe im Größenmaßstab von einigen hundert Litern am Tag hergestellt werden, an einer ersten großtechnischen Fertigungsanlage wird momentan gearbeitet.
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