IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 20/2002, Seite 43 ff.



Leistungsgewinn durch Brennwertnutzung bei Öl und Gas

Dipl.-Ing. Gerd Böhm*

Öl-Brennwertnutzung wird im Vergleich zur längst etablierten Gas-Brennwertnutzung meist als weit weniger effektiv angesehen. Es ist die Frage, ob eine solche Einschätzung im Rahmen umfassender Bemühungen zur Brennstoffeinsparung und im Licht der Energieeinsparverordnung noch haltbar ist. Abgesehen davon beruht diese Meinung auf einer viel zu kurz greifenden Bewertung, allein den latenten Wärmegewinn (durch die Kondensation des Abgases) zu betrachten. Aus energetischer Sicht ist Brennwertnutzung eine radikale Reduzierung des Abgasverlustes im Ganzen, also der sensiblen (temperaturabhängigen) und latenten Verlustwärme.

Die sensible Abgas-Verlustwärme

Darunter ist der fühlbare, temperaturgeprägte Wärmeinhalt der Kesselabgase zu verstehen. Vor Ort ist er mit wenig Aufwand messtechnisch zu bestimmen und hat deshalb auch Eingang in gesetzliche Vorgaben gefunden (Tabelle 1). Der Nachweis erfolgt mittels der bekannten Formel

qAS = sensibler Abgasverlust in %

JA = Abgastemperatur in C

JL = Verbrennungslufttemperatur in C

CO2 = Volumenanteil im Abgas in %

A1 = 0,5 für Heizöl, 0,37 für Erdgas

B = 0,007 für Heizöl, 0,009 für Erdgas

Ein Ölheizkessel mit JA = 245C, 12% CO2 und 20C Verbrennungslufttemperatur hätte demnach

sensiblen Abgasverlust. Bei Nennleistung größer 50 kW müsste er entsprechend Tabelle 1 bis zum 1.11.2002 auf zumindest 9% nachgebessert werden.

Die latente Abgas-Verlustwärme

Die Kondensationswärme des bei der Öl- oder Gasverbrennung gebildeten Wasserdampfs wird als latenter Abgasverlust bezeichnet. Brennwertnutzung bedeutet die teilweise Kondensation des Wasserdampfs und damit eine Verringerung des latenten Verlustes, bzw. - aus anderer Sicht - einen energetischen Gewinn. Der verbliebene Restverlust bestimmt sich mit Hilfe der Beziehung

qAL = latenter Abgasverlust in %

HS = Brennwert -> für Heizöl 10,6 kWh/L, für Erdgas E 11,5 kWh/m3

HI = Heizwert -> für Heizöl 10,0 kWh/L, für Erdgas 10,4 kWh/m3

a = Kondensationsfaktor;

a = 0 für einen nicht kondensierenden Kessel

a zwischen 0 und 1 für einen Brennwertkessel

Der latente Abgasverlust eines nicht kondensierenden Ölkessels beträgt somit

und der eines Gaskessels entsprechend 10,6%. Der um den Faktor 1,8 höhere Latentverlust bei Gas lässt Brennwertnutzung hier besonders erstrebenswert und energetisch vorteilhaft erscheinen. Dies relativiert sich aber bei Betrachtung des Gesamtabgasverlustes

qA = qAS + qAL

Damit ergibt sich in Fortführung des Beispiels für Heizöl

qA = 11 + 6 = 17%

und Erdgas, bei Annahme eines gleich großen sensiblen Verlusts

qA = 11 + 10,6 = 21,6%

Die Gesamt-Abgasverluste unterscheiden sich nur mehr um den Faktor 1,27. Der sensible Abgasverlust hat eben einen wesentlichen energetischen Anteil am Gesamtverlust. Da Brennwertnutzung bei wirklich effizienten Brennwertkesseln immer auch eine weitestgehende Minderung der sensiblen Verlustkomponente bedeutet, steht bei Heizöl ein dem Erdgas durchaus vergleichbares Einsparpotenzial zur Verfügung. Vergleicht man den realen Gesamt-Abgasverlust mit den gesetzlichen Vorgaben nach Tabelle 1, steht die Sinnhaftigkeit einer generellen Brennwertnutzung kaum mehr in Frage.

Tabelle 1: Abgasverlust-Grenzwerte und Übergangsfristen.

Mit Einbezug des latenten Abgasverlustes in die energetische Bewertung eliminiert sich allerdings der Heizwert als Bezugsgröße, da dieser den latenten Brennstoff-Energieanteil ja definitionsgemäß ausschließt. Um den Latent-Anteil und damit auch den energetischen Zugewinn eines Heizkessels in absoluter Größe benennen zu können, ist der Gesamt-Abgasverlust auf Brennwert zu beziehen.

Der Gesamt-Abgasverlust auf Brennwert bezogen

Auf Brennwert bezogen ergibt sich für den Gesamt-Abgasverlust

und in Fortführung des Beispiels

100 = 16%

100 = 19,5%

Damit unterscheidet sich das angebotene Einsparpotenzial von Öl und Gas nur noch um den Faktor 1,22.

Vier Schritte zum Brennwertkessel

Die bis hier ermittelten Gesamt-Abgasverluste werden durch Umsetzen in praxisgerechte absolute Größen greifbarer. Bezogen auf 100 kW mit dem Brennstoff zugeführter Feuerungsleistung sind die Prozentgrößen zahlengleich und als Verlustleistung zu werten. Das bedeutet 16 kW Verlust für einen Ölkessel und 19,5 kW für einen Gaskessel. Was von diesem Potenzial als Nutzleistung zugewinnbar ist, sollen folgende vier Besserungsschritte vermitteln:

1. Minderung des sensiblen Abgasverlustes von qS = 11% auf den für 100 kW vorgeschriebenen Grenzwert von 9%,

2. weitere Minderung auf den Vergleichswert eines modernen Niedertemperaturkessels,

3. weitere Minderung auf einen, noch ohne Kondensation erreichbaren minimalen sensiblen Abgasverlust von ca. 1,7%,

4. weitere Minderung durch Brennwertnutzung, Heizkurve 75/55C.

Das Ergebnis dieser schrittweisen Veränderung zeigt Bild 1, jeweils für Öl und Gas. Dargestellt sind die ermittelten Gesamt-Abgasverluste, wie auch deren sensible und latente Komponenten.

Bild 1: Vier Verbesserungsschritte zum Brennwertkessel.

Die Schritte 1 und 2 dürften ohne weiteres nachvollziehbar sein. Schritt 3 geht von einer 13 K über dem Taupunkt gefahrenen Abgastemperatur aus, für Öl -> JA = 47C + 13C = 60C. Schritt 4 sind 50C jahresdurchschnittliche Abgastemperatur zugrunde gelegt, gültig etwa für die Heizkurve 75/55C.

Fazit

Das Energiepotenzial "Abgasverlust" wird allein durch dessen sensible Komponente völlig unzureichend beschrieben. Bedauerlich, denn der Abgasverlust des Heizkessels ist die einzige in einem Haushalt quantitativ ausgewiesene energetische Verlustgröße. Das Wissen, dass statt 11 Prozent in Wirklichkeit 16 oder gar 19 Prozent des eingesetzten Brennstoffs durch den Schornstein gehen, wäre für eine Modernisierungsentscheidung bestimmt förderlich. Auch würde der gesamte - in 20 Jahren stattlich angewachsene - Bestand an Niedertemperaturkesseln, für den es ja bei noch gegebener Funktionstüchtigkeit kaum eine Argumentation zum Austausch gibt, ins Blickfeld geraten.

Bild 2: Aus einem Niedertemperaturkessel wird mit einem nachgeschalteten Kondensationswärmetauscher ein Brennwertkessel.

Die weitgehende Minderung des Abgasverlustes zeichnet sich somit als eine zukunftsträchtige Aufgabenstellung ab. Die in Bild 1 aufgezeigten Relationen legen dabei unterschiedliche Bewertungskriterien für Öl und Gas nahe. So macht der hohe Latentanteil bei Gas die Brennwertnutzung weit dringlicher als bei Öl. Bei Öl liegt das entscheidende Minderungspotenzial in der sensiblen Komponente. Damit ist Schritt 3 eine bei Öl durchaus interessante Alternative zur Brennwertnutzung - vor allem wenn dadurch größere Zusatzkosten entfallen. Mit auf 50 mg/kg entschwefelten Heizöl sind diese Zusatzkosten jedoch nicht höher zu erwarten als bei Gas. Vergleicht man die noch verbliebenen Rest-Abgasverluste und damit die Qualität der Brennstoffausnutzung, zeigt sich ein leichter - keinesfalls entscheidender - Vorteil für Gas. Selbst bei der für Öl-Brennwertnutzung relativ ungünstigen Heizkurve 75/55C ist nur eine Differenz von 1,7 kW, bzw. 1,7% bezogen auf 100 kW Feuerungsleistung, gegeben.


*) Dipl.-Ing. Gerd Böhm, Buderus Heiztechnik Wetzlar


B i l d e r :   Buderus Heiztechnik GmbH, Wetzlar


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