Was ist eigentlich eine Brennwertheizung?

Wie die Projekte unserer Handwerker des Monats zeigen, kombiniert man hierzulande Solarthermie häufig mit Brennwertheizungen. Doch was ist eigentlich eine Brennwertheizung? Wie funktioniert sie und was kann sie als Partner von Solarthermie leisten? Fragen, die ich in einer kleinen Artikelserie beantworten will.

Der Erklärung, was Brennwertheizungen sind, nähert man sich am besten Schritt für Schritt. Zunächst gilt es deshalb herauszustellen, was ein Brennstoff ist und was der Brennwert eines Brennstoffs ist.

Was ist ein Brennstoff?

Buchstäblich ist jeder chemische Stoff, der die in ihm gespeicherte Energie beim Verbrennen freisetzt, die sich dann in nutzbare Energie umwandeln lässt, ein sogenannter Brennstoff.

• Man unterteilt Brennstoffe zum Beispiel nach ihrem Aggregatzustand in feste, flüssige und gasförmige.
• Eine andere Unterteilung berücksichtigt die Herkunft der Brennstoffe: So gibt es natürliche, veredelte oder synthetische Brennstoffe.
• Und betrachtet man die Natur der Brennstoffe kategorisch, so unterscheidet man Brennstoffe organischer Natur (zum Beispiel Erdöl, Erdgas oder Kohle) von Brennstoffen anorganischer Natur (zum Beispiel Wasserstoff und Kohlenmonoxid).
• Auch die Art und Weise, wie ein Brennstoff seine Energie freisetzt, kann den Ausschlag für eine Unterteilung geben. Chemische Brennstoffe setzen ihre Energie mit Hilfe der Oxidation frei, so dass thermische Energie entsteht. Elektrochemische Brennstoffe kommen in Brennstoffzellen zum Einsatz, wo sie Strom erzeugen.
• Eine letzte Unterscheidungsmöglichkeit bei Brennstoffen ist die in fossile Brennstoffe (außer Kernbrennstoffe) und solche aus erneuerbaren (nachwachsenden) Rohstoffen.

Qualitativ lässt sich ein Brennstoff mit Hilfe des Brennwerts beurteilen. Womit wir uns der Brennwerttechnik erklärungstechnisch einen Schritt nähern.

Was ist der Brennwert?

Der Brennwert gilt als Maß für die materialspezifische thermische Energie, die ein Stoff enthält. Er nimmt Bezug auf die Bemessungseinheit. Gut zu wissen: Der Brennwert entspricht dem absoluten Betrag der mit einem negativen Vorzeichen versehenen Standardverbrennungsenthalpie der allgemeinen Thermodynamik.

Es geht beim Brennwert eines Brennstoffs wie Holz (Scheite oder Pellets), Gas oder Öl um die chemische Energie, die in ihm gebunden ist: die Reaktionsenthalpie. Denn sie wird beim Verbrennen des Brennstoffs und anschließendem Herunterkühlen der Verbrennungsgase  auf eine Temperatur von 25 Grad Celsius, wobei sie kondensieren, freigesetzt.

Dabei berücksichtigt der Brennwert zum einen die Energie, die zum Aufheizen der Verbrennungsluft und der Abgase nötig ist, und zum anderen die sogenannte Kondensationsenthalpie der Flüssigkeiten, die beim Abkühlen und infolgedessen Kondensieren der Verbrennungsgase entstehen.  Vor allem geht es hier um die Kondensationsenthalpie des Wassers, das beim Verbrennen wasserstoffhaltiger Brennstoffe entsteht. Anders ausgedrückt: Der Brennwert nimmt Rücksicht auf Nutzung der Kondensationswärme des Wassers, das als Dampf im Rauchgas steckt.

Exkurs: Der Brennwert ist nicht immer gleichzusetzen mit dem Heizwert

Der Brennwert ist nicht zu verwechseln mit dem Heizwert. Mit Heizwert bezeichnet man – in Bezug auf die eingesetzte Brennstoffmenge – die maximal nutzbare Wärmemenge einer Verbrennung, wobei es nicht zum Kondensieren des Wasserdampfes kommt, der in den Verbrennungsgasen enthalten ist. Landläufig nennt man den Heizwert „Energiegehalt“ oder „Energiewert“ eines Brennstoffs, gleichwohl dies nicht präzise ausdrückt, was der Heizwert tatsächlich ist: Das Maß, für die materialspezifische nutzbare Wärmemenge ohne Kondensationswärme. Man könnte auch sagen: Der Heizwert ist genau die Energie, die beim Verbrennen und anschließendem Abkühlen auf die Ausgangstemperatur des brennbaren Gemisches freigesetzt wird, wobei das Verbrennungswasser noch gasförmig vorliegt. Der Heizwert von Brennstoffen, die vergleichsweise hohe Anteile an Wasser besitzen ist deshalb deutlich geringer als deren Brennwert, und zwar um den Betrag der Kondensationsenthalpie des vorliegenden Wasserdampfes. Daraus folgt die Regel:

Brennwert > Heizwert

Nur bei Brennstoffen, die total trocken sind und in denen demzufolge kein Wasserstoff chemisch gebunden ist, haben einen Brennwert, der gleich dem Heizwert ist und umgekehrt.

Maßeinheit des Brennwerts

Der Brennwert wird je nach Aggregatzustand des Brennstoff (fest, flüssig oder gasförmig) in unterschiedlichen physikalischen Größen angegeben.

• Bei festen Brennstoffen (Steinkohle, Braunkohle, Holz) ist der Brennwert ein massen- beziehungsweise gewichtsbezogener Brennwert in Kilojoule (kJ) pro Gramm (g) oder Kilogramm (kg): kJ/g oder kJ/kg.
• Bei flüssigen Brennstoffen (Erdölderivate wie Benzin, Diesel, Heizöl und Biokraftstoffe) ist der Brennwert ein volumenbezogener Brennwert in Kilojoule pro Liter (l) oder auch in Kilojoule pro Kubikmeter: kJ/l oder kJ/m³.
• Bei gasförmigen Brennstoffen (Erdgas und Biogas) bezieht man den Brennwert ebenfalls auf das Volumen, allerdings unter Standardbedingungen (bei 101,325 kPa und 25 Grad Celsius), so dass man Angaben in Kilojoule pro Normkubikmeter macht: kJ/m³N. (i.N. steht für in Normbedingung).

Das Formelzeichen für den Brennwert ist demzufolge H_S oder B, wobei das tiefgestellte S für das lateinische Wort „superior“ steht, das man mit „höher“ ins Deutsche übersetzt. Damit kommen wir der Brennwerttechnik einen weiteren Schritt näher.

Verbrennung von Brennstoffen – ein Blick in den Verbrennungsprozess

Beim Verbrennen von Kohlenwasserstoffen, zum Beispiel Erdgas, Erdöl, Kohle oder Holz, verbindet sich Sauerstoff aus der Verbrennungsluft mit dem Wasserstoff, der im Brennstoff steckt, so dass Wasserdampf entsteht.

Herkömmliche Technik, insbesondere Heiztechnik, lässt das beim Verbrennen entstehende Abgas und damit den darin enthaltenen Wasserdampf und die in ihm steckende Energie ungenutzt durch den Schornstein entweichen. Und schon sind wir fast da, wo wir hin wollten: bei der Brennwerttechnik als einen modernen Standard von Heiztechnik.

Brennwerttechnik nutzt Brennwert des Brennstoffs fast komplett

Die moderne Brennwerttechnik hingegen ist in der Lage, den im Abgas enthaltenen Wasserdampf via einen geeigneten Wärmeübertrager kondensieren zu lassen, so dass die im Rauch enthaltene Kondensationswärme weitestgehend zurückgewonnen wird. Sogenannte Brennwertkessel nutzen demnach den “Energiegehalt“, besser: den Brennwert des Brennstoffs fast komplett. Sie kühlen das Abgas herunter und machen so die Kondensationswärme des Wasserdampfes im Rauchgas nutzbar. Sie hat einen besseren feuerungstechnischen Wirkungsgrad als herkömmliche, ältere Verbrennungstechnik. Mit ihr spart man Brennstoffe sowie daraus resultierende Heizkosten und man emittiert weniger  CO₂, säurebildende Gase und sonstige kondensationsfähige chemische Verbindungen. Schauen wir abschließend noch etwas genauer in die Prinzipien der Brennwerttechnik hinein:

Wie funktioniert eine Brennwertheizung?

Weil das beim Verfeuern der Brennstoffe entstehende saure Kondensat „unedle“ Materialien angreift und früher genutzte Heizkessel und Abzugsrohre dagegen nicht gefeit waren, sprich: korrodiert wären, baute man die Heizkessel so, dass im Kessel keine Kondensation stattfinden konnte. Das funktionierte dank hoher Kesseltemperaturen von 70 Grad Celsius und mehr. Und weil insbesondere lange Schornsteine infolge einer nachfolgenden Kondensation versottet wären, zielte man darauf ab, dass die  Abgase mindestens 120 Grad Celsius heiß waren, wenn sie den Schornstein passierten.

Das heißt: Kommt ein moderner Brennwertkessel in einem bestehenden Heizsystem zum Einsatz, muss der Abzug konstruktiv an die kühlere Natur des Abgases angepasst werden. Denn der kalte Schornstein würde wie ein Durchlaufkühler wirken, an dem das eh schon kühlere Abgas kondensiert. Infolgedessen könnte der Schornstein massiv leiden, er würde durchfeuchten, durchnässen und irreparablen Schaden nehmen.

Man stattet den alten Schornstein, mitunter auch Kamin genannt, beispielsweise mit einem säurebeständigen Rohr mit nichtsaugender, nichtporöser Oberfläche, zum Beispiel aus temperaturbeständigem Polypropylen-S bis 120  Grad Celsius, PTFE bis 160 Grad Celsius oder einem druckdichten Edelstahlrohr aus. Im Neubau kommen auch Abgasrohre mit säurebeständiger Keramikschicht zum Einsatz.

Sind brennwertgerechte Materialien im Schornstein verbaut, laufen die Rauchkondensate an der Innenwand des Kaminrohrs herunter. Sie werden zusammen mit dem Kondensat des Wärmetauschers kontrolliert abgeleitet. Die Säureanteile werden neutralisiert. So kann das Kondensat schlussendlich vorschriftsgemäß in die Kanalisation entsorgt werden.

Wissen muss man, dass der natürliche Kamin-Abzugseffekt in einem brennwerten System kaum mehr wirkt. Um dennoch einen sicheren und reibungslosen Abzug zu gewährleisten, kommt häufig ein Ventilator zum Einsatz, der die Abgase gen Schornstein drückt.

So, das reicht für heute an brennwerter Erklärung. Demnächst folgen noch ein Beitrag zu den Unterschieden von Brennwertkesseln und ein weiterer zur Partnerschaft von Brennwert- und Solarheizung. Bleibt dran!

Foto: Tim T. / photocase