Flüssiggasbetriebene Heizungsanlagen im Emissionstest

In Regionen mit geringer Besiedelungsdichte stehen nicht alle Energieträger flächendeckend zur Verfügung. Viele Verbraucher sind hier auf leitungsungebundene Energieträger wie Flüssiggas, Heizöl oder Pellets angewiesen. Eine aktuelle Studie des Instituts für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK) der Universität Stuttgart hat die Schadstoffemissionen dieser Optionen verglichen und liefert erstmals öffentlich verfügbare Daten zu den Emissionen von flüssiggasbetriebenen Geräten.

Im ländlichen Raum besteht oft kein Zugang zum Erdgas- oder Fernwärmenetz – die geringe Bevölkerungsdichte lässt die im Verhältnis hohen Investitionen in die nötige Infrastruktur für die leitungsgebundene Versorgung wenig rentabel erscheinen. Die Verbraucher haben hier die Wahl zwischen verschiedenen leitungsunabhängigen Alternativen zur Energieversorgung, darunter Flüssiggas, Heizöl und Biomasse, insbesondere Holzpellets.
Bei mit Flüssiggas betriebenen Heizungsanlagen handelt es sich in der Regel um Gasgeräte, die für zwei Gasarten geeignet sind (Gasgeräte der Kategorie II). Die passende Düsenkonfiguration und Geräteeinstellung vorausgesetzt, können sie wahlweise mit Erdgas oder Flüssiggas betrieben werden. Für diese Heizungsanlagen lagen jedoch bisher keine öffentlich zugänglichen Emissionsdaten für den Realbetrieb mit Flüssiggas vor. Der Deutsche Verband Flüssiggas e. V. (DVFG) hat daher das IFK beauftragt, das Emissionsverhalten von mit Flüssiggas betriebenen Heizungssystemen unter praxisnahen Bedingungen auf dem Prüfstand zu analysieren.

Umsetzung der Messungen
Die Emissionen wurden an drei Geräten untersucht. Jedes dieser Geräte repräsentiert dabei eine unterschiedliche Klasse an Geräten mit unterschiedlicher Technologiereife und daher potenziell unterschiedlicher Emissionscharakteristik. Bei den Geräteklassen handelt es sich um:

• einen nicht modulierenden Niedertemperatur-Gas-Heizkessel mit einstufigem Vormischbrenner,
• einen Gas-Brennwertkessel mit modulierendem Gasbrenner und
• eine stromerzeugende Heizung als Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsgerät (Mikro-KWK-Gerät) auf Stirling-Basis.

Für die Untersuchungen an den Heizgeräten für Flüssiggas wurde im Technikum des IFK ein Versuchsstand aufgebaut. Zur Versorgung der Heizgeräte während der Untersuchungen wurde ein Flüssiggastank aufgestellt. Das gelieferte handelsübliche Flüssiggas wurde anhand einer Brennstoffanalyse charakterisiert.
Im Mittelpunkt der Untersuchung standen die gasförmigen Emissionen von Kohlenstoffmonoxid (CO), flüchtigen organischen Verbindungen (volatile organic compounds – VOC) und Stickstoff­oxiden (NOX). Zudem wurden die Emissionen von Staub (einschließlich Feinstaub) sowie Schwefeloxiden (SOx) bestimmt.
Gemessen wurde sowohl mit realitätsnahen charakteristischen Wärmebelas­tungen als auch bei Nennwärmebelas­tung im Dauerbetrieb. Für die realitätsnahe Erhebung sollte der Wärmebedarf für die zu untersuchenden Heizsysteme durch Wärmebedarfskurven simuliert werden, die auf idealisierten realen Verbrauchsverläufen basieren – typisch etwa für ein Einfamilien- oder Reihenhaus. Dabei wurden zwei Wärmebedarfskurven verwendet: Die erste Wärmebedarfskurve gab den Wärmebedarf eines Gebäudes an einem kalten Wintertag wieder. Bei einer Betriebszeit von 16 Stunden pro Tag und einer Spitzenlastanforderung über eine halbe Stunde zu Beginn des Heizzyklus wurde eine mittlere Kesselauslas­tung von 44 % erreicht. Die zweite Wärmebedarfskurve beschrieb einen vergleichsweise milden Übergangstag. Bei einer Betriebszeit von ebenfalls 16 Stunden täglich wurde keine Spitzenlast abgefordert und auch die sonstige Wärmeanforderung blieb typischerweise unter 20 %, sodass eine mittlere Kesselauslas­tung von 14 % zu verzeichnen war. Speziell die Emissionen beim taktenden Betrieb von KWK-Gerät und Niedertemperaturkessel sollten hier ermittelt werden. Als Vergleichsbasis wurden zusätzlich die Emissionen der Heizgeräte im ungestörten Dauerbetrieb bei Nennwärmeleis­tung gemessen. Die Lastprofile wurden jeweils mehrmals pro Versuchszyklus durchfahren, um zufällige Streuungen zu minimieren und zu repräsentativen Ergebnissen – insbesondere mit Blick auf die im weiteren Verlauf erläuterte Staubmessung – zu kommen.
Die Einbindung der Heizgeräte in das simulierte Gesamtsystem eines Einfamilien- oder Reihenhauses erfolgte über einen entsprechend dimensionierten und bedarfsgerecht ansteuerbaren Pufferspeicher, dem die Wärmeleistung des Testgerätes zugeführt und aus dem die Wärmeleistung über ein Kältenetz gezielt wieder entnommen werden konnte. So wurde sichergestellt, dass die Geräte realitätsnahen Betriebsbedingungen unterworfen waren. Speziell beim KWK-Gerät, bei dem in der Realität möglichst lange Betriebszeiten des Stirlingmotors zur Strom­erzeugung angestrebt werden, konnten auf diese Weise auch die Schwankungen der Temperaturen des Pufferspeichers abgebildet werden. Diese Messsystematik hatte das IFK bereits in früheren Fällen bei Untersuchungen mit vergleichbarer Zielrichtung angewendet, sodass eine Vergleichbarkeit zu früheren Messungen gegeben war.
Neben den Konzentrationen von CO2 bzw. O2 wurden kontinuierlich die Emissionskonzentrationen von CO, VOC und NOX gemessen. Hierfür setzte das IFK Standard-Gasanalysatoren ein. Diskontinuierlich erfasst wurden integrativ über die Versuchszeit die emittierten Massen an Staub und SOX. Die Staubmessung erfolgte gravimetrisch. Der Staub wurde auf einem Planfilter gesammelt und anschließend gewogen. Das IFK rechnete bei den Flüssiggasgeräten mit sehr geringen Staubkonzentrationen. Weil eine Mindestmasse an Staub für eine Wägung nötig ist, wurden daher für die flüssiggasbetriebenen Geräte lange Probenahmezeiten angesetzt.
Die Ermittlung der SOX-Konzentrationen erfolgte nasschemisch durch Absorption in einer wässrigen Lösung. Anschließend wurde der Schwefel durch induktiv gekoppelte Plasma-Atom-Emissionsspektrometrie analysiert. Die Schwefelgehalte im Abgas und im Kondensat bei Brennwertbetrieb ergeben sich in der Summe direkt aus dem Schwefelgehalt des eingesetzten Brennstoffs, da Schwefel nur aus dem Brennstoff stammt und nicht bei der Verbrennung gebildet werden kann. Die Schwefelgehalte im analysierten Flüssiggas lagen jedoch unter der Nachweisgrenze von 5 mg/kg, sodass ein Vergleich zwischen dem berechneten Schwefelgehalt im Abgas und den Analysewerten des Brennstoffes nicht möglich war. Im Vergleich der Energieträger untereinander spielen Schwefeloxide durch den Umstieg auf schwefelarmes Heizöl nur noch bei den Pelletkesseln eine gewisse Rolle.
Alle Messergebnisse wurden in energiebezogene Größen umgerechnet – z. B. als mg/MJ – und mit den veröffentlichten Emissionsfaktoren für Anlagen im Geltungsbereich der Ersten Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (1. BImSchV) ver­glichen. Um einen Vergleich zu anderen leitungsunabhängigen Energieträgern herzustellen, wurden zudem die ermittelten Emissionsfaktoren der flüssiggasbetriebenen Heizgeräte bereits vorliegenden Untersuchungsergebnissen zu Heizkesseln für leichtes Heizöl (Heizöl EL) und für Holzpellets gegenübergestellt. Diese Daten waren vom IFK im Rahmen früherer Studien unter vergleichbaren Randbedingungen erhoben worden.

Die Ergebnisse: Schadstoffreduktion im Vergleich zu Heizöl und Pellets
Die Emissionsfaktoren für VOC unterscheiden sich für alle aufgeführten Geräteklassen nur wenig. Die geringsten Emissionen treten im Dauerbetrieb auf, die höchsten im Lastprofil „mild“. Dies ist eine direkte Folge davon, dass die Geräte bei zu geringer Leistungsanforderung in die Taktung übergehen, das heißt periodische Ein- und Ausschaltvorgänge notwendig werden. Beim Einschaltvorgang können geringe Mengen unverbrannter Kohlenwasserstoffe entweichen, die sich direkt in den VOC-Emissionen bemerkbar machen. Bei den neueren Geräten Brennwertkessel und Mikro-KWK ist dies erwartungsgemäß seltener der Fall, da es sich hier um modulationsfähige Geräte handelt: Diese können bei geringen Las­ten unter Teillast laufen, sodass sie seltener abschalten müssen.
Für die Emissionen an CO ergibt sich eine größere Bandbreite: Hier liegen alle ermittelten Emissionsfaktoren der Flüssiggasgeräte – außer beim Mikro-KWK – unter 10 mg/MJ, während die Pelletkessel im modulierenden Betrieb das 20- bis 100-Fache an CO pro Leistung emittieren. Im Dauerbetrieb ist es immerhin noch das 3- bis 70-Fache an CO. Hier zeigt sich die bessere Regelbarkeit der Verbrennung bei gasförmigen Brennstoffen im Vergleich zu Festbrennstoffen.
Der Emissionsfaktor für Staub liegt bei den Flüssiggasgeräten bei 0,019 mg/MJ. Hierbei handelt es sich um einen Mittelwert für alle untersuchten Geräte und Lastprofile. Dieser liegt wesentlich niedriger als bei den Pelletkesseln, bei denen der Mittelwert aller untersuchten Kessel und Lastprofile 27 mg/MJ beträgt.
In den älteren Untersuchungen, die zum Vergleich herangezogen wurden, waren Stickoxide nur an einem Niedertemperaturkessel mit Heizöl EL (Standardqualität) im Dauerbetrieb ermittelt worden. Beim gleichwertigen Gasgerät liegen die NOX-Emissionen auf einem ähnlichen absoluten Niveau. Im gemessenen Fall allerdings weist der Flüssiggas-Niedertemperaturkessel einen um etwa 40 % geringeren Emissionsfaktor im Dauerbetrieb gegenüber dem Niedertemperaturkessel mit Heizöl EL auf. Im Vergleich der Flüssiggasgeräte untereinander zeigen sich beim Mikro-KWK geringfügig höhere spezifische NOX-Emissionen. Dies lässt sich mit dem komplexeren Aufbau der Anlage erklären. Aus diesem Grund wird diesem Anlagentyp auf europäischer Ebene gemäß Verordnung (EU) Nr. 813/2013 auch ein um 25 % höherer NOX-Grenzwert zugestanden.

Einordnung der Ergebnisse: Gestaltung des Wärmemarktes
Aktuell macht der Anteil von mit Flüssiggas betriebenen Heizungssystemen in den Haushalten Deutschlands rund 3 % aus. Es wird damit gerechnet, dass die Nutzung des Energieträgers zu Heizzwecken und zur Warmwassererzeugung in Haushalten, aber auch im Gewerbe, im Handel oder im Dienstleistungsbereich in Zukunft an Bedeutung gewinnen wird. Flüssiggas steht versorgungssicher zur Verfügung und das Preisniveau für Inves­tition und Unterhalt ist im Vergleich zu Heizöl und Pellets wettbewerbsfähig. Eine Nutzung mit verbreiteten und effizienten Heizungstechnologien, die auch für Erdgas eingesetzt werden, ist problemlos möglich. Hier sind nicht nur die Gas-Brennwertheizung und das Blockheizkraftwerk zu nennen, sondern auch Varianten, die Erneuerbare Energien nutzen, wie die Gaswärmepumpe oder aber eine Kombination aus Flüssiggas‐Brennwertheizung und Solarthermie. Es stehen Geräte in allen Leis­tungsklassen und für die unterschiedlichsten Wärmebedarfe zur Verfügung. Die Nutzbarkeit mit effizienten und umweltschonenden Technologien, die sich optimal in die schrittweise Gestaltung der Energiewende im Wärmemarkt einfügen, erhöht die Attraktivität bei den Anwendern. Aus energie- und umweltpolitischer Sicht unterstreicht der in der IFK-Studie festgestellte Beitrag zur Luftreinhaltung das Potenzial von Flüssiggas insbesondere für den ländlichen Raum. Die Messergebnisse zeigen, dass die untersuchten Geräte auch im Realbetrieb die Anforderungen an eine emissionsarme Technologie voll erfüllen. Wo kein Zugang zum Erdgas- bzw. Fernwärmenetz besteht, bietet sich Flüssiggas bei Sanierungsmaßnahmen als die sauberere und zugleich wirtschaftliche Alternative an. Künftig wird zudem biogenes Flüssiggas eine Rolle spielen, mit dessen Markteinführung in Deutschland für das Jahr 2018 gerechnet wird.

Autor: Diplom-Ingenieur Markus Lau, Fachreferent Technik beim Deutschen Verband Flüssiggas e. V. (DVFG)

Bilder, sofern nicht anders angegeben: IFK