Sauber mit System

Damit die Wärme- und Energiewende gelingt, ist eine moderne und effiziente Heiztechnik mitentscheidend. Mit „CleanEco“ und „CleanVario“ hat ebm-papst zwei Komplettsysteme zur Verbrennungsregelung im Portfolio, die in diesem Zusammenhang einen wichtigen Beitrag leisten. Davon hat nicht nur die Umwelt etwas, sondern auch Hersteller, Installateure – und natürlich der Endverbraucher.

Wenn es um die „klimaneutrale Zukunft“ geht, ist in der breiten Öffentlichkeit meist von Solarenergie oder Windkraft die Rede. Dabei gibt es noch einen weiteren Sektor, der jede Menge Energie „schluckt“ und in der weltweiten CO₂-Bilanz negativ zu Buche schlägt: Wärme. Allein in Deutschland macht dieser Posten mehr als 25 Prozent des gesamten Energieverbrauchs aus, in privaten Haushalten liegt der Anteil sogar bei 90 Prozent. Hinzu kommt, dass allein hierzulande knapp zwölf Millionen Heizungen älter als zehn Jahre sind und damit häufig eine unbefriedigende Energiebilanz haben. Global gesehen dürfte der Nachholbedarf noch viel höher sein. Sprich: Soll die Energiewende gelingen, braucht es eine Wärmewende. Einen wichtigen Beitrag dazu leistet die inzwischen etablierte, energieeffiziente Gas-Brennwerttechnik, die in den vergangenen 20 Jahren stetig weiterentwickelt und verfeinert wurde.

Entscheidend für die Effizienz dieser Brennwertgeräte ist die Verbrennung: Nur mit einem optimalen Mischungsverhältnis von Luft und Gas ist die Energieausbeute perfekt. Ein zu hoher Gasanteil führt zum Beispiel zu schädlichen Emissionen wie Ruß und Kohlenstoffmonoxid (CO), zu viel Luft verschlechtert den Wirkungsgrad der Verbrennung. Daher ist es entscheidend, dass die Komponenten des Gas-Luft-Verbunds perfekt aufeinander abgestimmt sind. Seit Jahren hat sich dafür in der Praxis die pneumatische Verbrennungsregelung bewährt. Als zukunftsfähige Alternative gesellt sich die elektronische Verbrennungsregelung hinzu, langfristig dürfte sie die pneumatische Lösung sogar ablösen. Bis dahin werden aber beide Systeme parallel am Markt laufen. Für den Einsatz in Gas-Brennwertgeräten in Wohngebäuden bietet ebm-papst beide Varianten als Komplettlösung an: „CleanEco“ (pneumatisch) und „CleanVario“ (elektronisch). Mit seinem Lieferprogramm deckt der Hersteller dabei vier Leistungsklassen ab: 2 bis 35 kW, 4,5 bis 50 kW, 9 bis 80 kW und 15 bis 150 kW.

Das pneumatische Verbundsystem „CleanEco“ besteht aus Gebläse, Venturi, Gasventil und der Steuereinheit („Boiler Control Unit – BCU“). Das Prinzip (Abb. 1): Das Gebläse saugt die Luft an, durch die Verjüngung des Venturis entsteht dabei ein Unterdruck, der die Gaszufuhr über das Ventil steuert. Richtig eingestellt, entsteht so die optimale Mischung aus Sauerstoff und Brennstoff. Das Gas-Luft-Gemisch bleibt dabei unabhängig von Gegendruck und verändertem Abgaswiderstand stabil. Über die Jahre haben die Ingenieure von ebm-papst das System so weit optimiert, dass inzwischen Modulationsgrade von 1:10 möglich sind und damit die Leistung des Heizgeräts sich viel präziser an den tatsächlich benötigten Wärmebedarf anpasst. Doch so bewährt und robust der pneumatische Verbund auch ist: Er ist abhängig von einer konstanten Gasqualität, da das Ventil genau auf die jeweilige Gasart eingestellt ist, die am Ort der Installation eingespeist wird.

Flexible Reaktion auf Gasqualitäten

Und genau hier findet gerade ein großer Umbruch statt. Der Blick nach Europa macht dies deutlich: Große Gasfelder, wie zum Beispiel in den Niederlanden, sind nahezu erschöpft und neue Quellen müssen gefunden werden. Dazu gehören auch alternative Brennstoffe. Neben Erdgas (Methan) strömen künftig unter anderem Wasserstoff (H₂), Biomethan oder „Windgas“ aus Power-to-Gas-Anlagen durch die Leitungen. Das hat zur Folge, dass die Brennwertgeräte der Zukunft entsprechend flexibel reagieren und trotz dieser Schwankungen eine konstante Heizleistung erbringen müssen. Es ist also ein System notwendig, das gasadaptiv ist. Die Antwort auf diese Herausforderung gibt es bereits: den elektronischen Gas-Luft-Verbund, der bei ebm-papst unter dem Namen „CleanVario“ läuft (Abb. 2).

Beim Blick auf die Komponenten ist zunächst kein großer Unterschied erkennbar. Gebläse, Venturi, Steuereinheit und Gasventil gibt es auch hier, doch das Zusammenspiel ist ein anderes (Abb. 3). Das Mischverhältnis wird hier nicht über den Unterdruck gesteuert, sondern durch die elektronische Ansteuerung des Gasventils. Die Gasventile bei „CleanVario“ haben daher einen Schrittmotor, über den präzise die Zufuhr geregelt werden kann. Doch damit das Ventil weiß, wie viel Gas es für die Mischung mit der Luft zur Verfügung stellen soll, benötigt es eine Kenngröße, die signalisiert, wenn die Mischung perfekt ist. In der Theorie liegt für die vollständige Verbrennung die ideale Mischung von Brennstoff und Luft bei einem Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1. Liegt der Wert unter eins, ist der Sauerstoffgehalt zu gering, ist er größer als 1, dann existiert ein Luftüberschuss. Doch wie messen, ob die Verbrennung optimal verläuft? Am besten in der Flamme selbst.

Die Flamme ist entscheidend

Bei „CleanVario“ setzt ebm-papst dabei auf die sogenannte Ionisationstechnologie. Diese macht sich zu Nutze, dass die Flamme elektrisch leitfähig ist. Wenn eine Spannung angelegt wird, kann eine Elektrode direkt an der Flamme den sogenannten Ionisationsstrom messen. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die Brennqualität ziehen: Ist der Strom zu klein, bekommt das Ventil das Signal, mehr Gas zu liefern, ist er zu hoch, soll es drosseln (Abb. 4). Somit ist es möglich, die Verbrennung unabhängig vom Brennstoff zu steuern, das System kann sich damit ohne Einstellungsänderungen am Ventil an die Gasart selbstständig anpassen und eine saubere Verbrennung liefern. Das funktioniert – Stand jetzt – auch, wenn bis zu 30 Prozent H₂ beigemischt werden. Die große Herausforderung ist dabei jedoch, den Ionisationsstrom genau zu messen, da dieser im Mikroamperebereich liegt. Die Entwickler von ebm-papst haben daher viel Know-how in den Flammverstärker gesteckt, der, wie der Name schon sagt, die vom Sensor empfangenen Signale verstärkt. Wichtig ist, dass dabei Störsignale wie Netzbrummen herausgefiltert werden.

Intelligenz für die Zukunft

Ohne intelligente Software wären die so gewonnenen Daten jedoch wertlos. Sowohl bei den pneumatischen als auch in den elektronischen Komplettsystemen sitzt die Intelligenz in der „Boiler Control Unit“, der zentralen Steuereinheit. Sie regelt alle elektronischen Sicherheits- und Steuerfunktionen der Brennwerttherme. Beim elektronischen System „CleanVario“ kann sie die durch die kontinuierliche Verbrennungsüberwachung gewonnenen Daten sammeln und auswerten, um letztlich im Sinne eines selbstlernenden Systems den Gerätebetrieb zu optimieren – ganz im Sinne von „GreenIntelligence“. So können zum Beispiel die gespeicherten Abschaltzustände beim nächsten Start genutzt werden, um schnell auf optimale Startbedingungen zu kommen. Auch hinsichtlich einer vorausschauenden Wartung bietet der elektronische Gas-Luft-Verbund einen großen Vorteil, da sehr viel mehr Informationen über den Betrieb vorliegen. So deutet beispielsweise ein immer kleiner werdendes Flammsignal darauf hin, dass die Elektrode an der Flamme ausgetauscht werden muss.

Fazit

Mit „CleanVario“ haben Heizgeräte-Hersteller die größtmögliche Flexibilität: Bei der Kesselkonstruktion gibt es für die Entwickler mehr Spielraum, weil das Ventil lageunabhängig im Gerät eingebaut werden kann. Da die Geräte gasadaptiv arbeiten, ist das nicht nur ein Vorteil hinsichtlich schwankender Gasbeschaffenheiten. Auch die Bedienung globaler Märkte ist deutlich einfacher, da das Gasventil nicht mehr an die spezifischen Gegebenheiten des jeweiligen Landes angepasst werden muss. Installateure haben es ebenfalls deutlich einfacher, da sie das Gerät nur noch montieren müssen, ganz ohne aufwändige Konfiguration. Der Endkunde schließlich besitzt ein Gerät, das über die gesamte Lebensdauer eine saubere und zuverlässige Verbrennung liefert.