Damit die Welt­ge­mein­schaft den Klima­wandel stoppen oder zumin­dest verlang­samen kann, muss der Wärme­sektor seinen CO₂-Ausstoß massiv redu­zieren. Einen wich­tigen Beitrag können dabei effi­zi­ente Heiz­thermen aber auch klima­freund­liche Brenn­stoffe wie Wasser­stoff leisten. Die Bestim­mungen vari­ieren von Land zu Land, doch es scheint sich in Europa abzu­zeichnen, dass künftig nur noch Geräte instal­liert werden dürfen, die prin­zi­piell auch mit hundert Prozent Wasser­stoff betrieben werden können.

In Groß­bri­tan­nien soll es bereits 2025 so weit sein, dort ist auch eine Vorgabe, dass bei der Umstel­lung keine hohen Zusatz­kosten entstehen dürfen. Neue Brenn­wert­ge­räte lassen sich heute bereits mit 20 bis 30 Prozent Wasser­stoff­an­rei­che­rung betreiben, doch für 100 Prozent Wasser­stoff fehlte bislang ein massen­taug­li­cher Gas-Luft-Verbund für die Verbren­nung.

Opti­males Verhältnis von Luft zu Brenn­stoff

Gene­rell gilt für die Verbren­nung von Wasser­stoff dasselbe wie für andere Gasarten auch: Nur bei einem opti­malen Verhältnis von Luft und Brenn­stoff arbeitet die Brenn­wert­therme effi­zient. Das ist immer dann der Fall, wenn das Verhältnis bei λ= 1,3 liegt. Um das zuver­lässig zu errei­chen, ist es wichtig, dass die Kompo­nenten des Gas-Luft-Verbunds perfekt aufein­ander abge­stimmt sind. Zwei Prin­zi­pien haben sich dafür durch­ge­setzt: der mecha­nisch-pneu­ma­ti­sche Verbund und der elek­tro­ni­sche Verbund.

Beide Verbund­sys­teme bestehen aus Gebläse, Venturi, Gasventil und der Bren­ner­steue­rung. Wich­tigster Unter­schied ist, dass sich das Gasventil beim elek­tro­ni­schen Verbund im Gegen­satz zum pneu­ma­ti­schen Verbund aktiv ansteuern lässt. Das hat den Vorteil, dass er gasad­aptiv ist und sich auto­ma­tisch an das Brenn­ge­misch anpassen kann. Doch die beiden im Markt befind­li­chen Prin­zi­pien sind für eine sichere und effi­zi­ente Verbren­nung bei einem reinen Wasser­stoff­be­trieb nicht geeignet.

Elek­tro­ni­sche Verbund­sys­teme funk­tio­nieren nicht, da die Wasser­stoff­flamme nicht leitend ist und daher somit nicht als Regel­größe für das Ioni­sa­ti­ons­ver­fahren dienen kann. Das etablierte mecha­nisch-pneu­ma­ti­sche Verbund­system hingegen würde zwar prin­zi­piell funk­tio­nieren, aller­dings wäre der Wasser­stoff­be­trieb nur mit einem inef­fi­zi­enten Gas-Luft-Verhältnis möglich. Eine neue System­lö­sung ist also gefragt.

Neuer Gas-Luft-Verbund: CleanEco Sense

Mit dem CleanEco Sense hat ebm-papst ein neues Betriebs­kon­zept entwi­ckelt, das sowohl für den konven­tio­nellen als auch für den reinen Wasser­stoff­be­trieb geeignet ist (Bild 1). Aufgrund physi­ka­li­scher Gesetz­mä­ßig­keiten erfor­dert die Umstel­lung auf Wasser­stoff immer den Austausch des Bren­ners. Die von ebm-papst gelie­ferten Kompo­nenten, darunter Gebläse, Venturi, Gasventil und Bren­ner­steue­rung, bleiben jedoch unver­än­dert.

Somit ist die Umstel­lung für die Endnutzer kosten­günstig. Die Verbren­nungs­spe­zia­listen von ebm-papst haben für das neue Konzept die Vorteile vom mecha­nisch-pneu­ma­ti­schem und dem elek­tro­ni­schen Verbund vereint und ein soge­nanntes elek­tro­nisch-pneu­ma­ti­sches Verbund­system entwi­ckelt, in dem sich das Gasventil aktiv ansteuern lässt. Dafür kommt die bewährte elek­tro­ni­schen Gasven­til­fa­milie F01 (Bild 2) zum Einsatz, die um intel­li­gente Sensorik erwei­tert wurde. Das Brenn­ver­halten von Wasser­stoff wurde genau unter­sucht, um einen sicheren Betrieb zu ermög­li­chen.

Wasser­stoff brennt anderes als Erdgas

Das Element ist sehr reak­ti­ons­freudig und weist eine hohe Flamm­ge­schwin­dig­keit auf. Wird es nur beigemischt, stellt das bei einem Anteil von bis zu 30 Prozent kein Problem dar. Anders sieht es jedoch beim Betrieb mit 100 Prozent Wasser­stoff aus. Das größte Risiko geht dabei vom soge­nannten Flamm­rück­schlag aus.

Dabei wandert die Flamme vom Brenner entgegen der Strom­rich­tung zurück Rich­tung Gas-Luft-Verbund und beschä­digt dabei die Therme (Bild 3). Beson­ders kritisch ist das beim Zünd­vor­gang: Die Flamme breitet sich nach der Zündung sehr schnell aus. Dadurch entsteht ein hoher Druck, sodass neues Brenn­stoff­ge­misch nicht schnell genug in den Brenner nach­strömen kann.

Im laufenden Betrieb wiederum kann es vor allem dann zu einem kriti­schen Zustand kommen, wenn nied­ri­gere Leis­tungen abge­rufen werden. Grund ist die hohe Flamm­ge­schwin­dig­keit des Wasser­stoffs: Die Flamme kommt dort zum Stehen, wo die Flamm- genauso groß ist, wie die Ausström­ge­schwin­dig­keit. Bei der Nenn­leis­tung geschieht das in ausrei­chendem Abstand zur Bren­ner­ober­fläche. Verrin­gert sich die Leis­tung, nimmt die Ausström­ge­schwin­dig­keit ab, die Flamm­ge­schwin­dig­keit bleibt jedoch in etwa gleich. Der Abstand zwischen Flamme und Brenner wird verrin­gert, es besteht die Gefahr des Flam­men­rück­schlags (Bild 4).

Sichere Zündung, sicherer Betrieb

Genau diese zwei Aspekte gilt es daher zu beherr­schen. Mit Hilfe des CleanEco Sense und der inte­grierten intel­li­genten Sensorik im elek­tro­ni­schen Gasventil ist es möglich, den Flamm­rück­schlag bei der Zündung und im Betrieb zu verhin­dern.

Um die Zündung sicher zu machen, wird der Luft­an­teil für den kurzen Moment des Start­vor­gangs so ange­passt, dass die Reak­tion weniger heftig ausfällt. Bei einem konven­tio­nellen mecha­nisch-pneu­ma­ti­schen Verbund wird das Verhältnis über die Haupt­men­gen­drossel bei der Instal­la­tion einmal fest einge­stellt und lässt sich danach im Betrieb nicht mehr ändern. Beim CleanEco Sense ist es möglich, den λ-Wert für die kriti­sche Zünd­phase zu vari­ieren. Das Problem mit dem Flamm­rück­schlag beim Start wäre damit gelöst.

Bleibt noch der Flamm­rück­schlag im Betrieb. Um diesen zu verhin­dern, ist es wichtig, die Höhe des Gemischt­vo­lu­men­stroms zu kennen, der in den Brenner gelangt. Beim mecha­nisch-pneu­ma­ti­schen Verbund lässt sich das über die Dreh­zahl des Gebläses nur grob schätzen. Um den Flamm­rück­schlag im Betrieb sicher zu verhin­dern, ist es jedoch wichtig, die Ausström­ge­schwin­dig­keit genau zu steuern.

Das Gasventil des CleanEco Sense wurde mit intel­li­genter Sensorik ausge­stattet, die perma­nent den Druck im System und die Stel­lung des Schritt­mo­tors über­wacht.

Beide Mess­größen geben Auskunft über die geför­derte Gasmenge. In der Steu­er­ein­heit wertet ein von ebm-papst entwi­ckelter Algo­rithmus diese Daten aus und regu­liert entspre­chend die Dreh­zahl des Gebläses. Somit ist gewähr­leistet, dass die Ausström­ge­schwin­dig­keit nicht unter eine kriti­sche Marke fällt.

Da auch eine Verstop­fung im Abgas- und Zuluft­system ursäch­lich für eine zu geringe Luft­leis­tung sein kann, prüft das System noch vor der Zündung, ob der durch das Gebläse erzeugte Unter­druck dem Soll­wert entspricht. Tut er das nicht, öffnet das Sicher­heits­ventil erst gar nicht. Zusätz­li­cher Vorteil: Durch das smarte Gasventil lässt sich auch die Verbren­nung von Erd- oder Biogas leichter steuern.

Hoher Modu­la­ti­ons­grad, leichte Instal­la­tion

Unab­hängig vom Brenn­ge­misch konnte beim CleanEco Sense die Modu­la­ti­ons­tiefe des Gebläses mit 1:15 nahezu verdop­pelt werden. Die Leis­tung der Heiz­therme lässt sich daher viel präziser an den tatsäch­li­chen Bedarf anpassen. Somit ist der Brenn­stoff­be­darf geringer, was beim Betrieb mit Erdgas einen gerin­geren CO₂-Ausstoß bedeutet. Der Vorteil: Diese hohe Modu­la­ti­ons­tiefe lässt sich errei­chen, ohne dass der Hersteller oder der Instal­la­teur vor Ort aufwän­dige Einstel­lungen vornehmen müssen.

Zwar ist das System nicht gasad­aptiv, doch durch die intel­li­gente Sensorik ist es möglich zu detek­tieren, wenn sich das Brenn­ge­misch ändert. Ist das der Fall, springt die Therme erst gar nicht an. Somit ist eine zusätz­liche Sicher­heits­funk­tion gegeben. Das System ist modular aus Stan­dard­kom­po­nenten aufge­baut.

Für den ganzen Leis­tungs­be­reich von 2 bis 385 kW bietet ebm-papst ein Produkt­port­folio mit den passenden Größen von Gebläse, Venturi und Gasventil. Damit eignet sich CleanEco Sense sowohl für private Haus­halte als auch für größere kommer­zi­elle Anwen­dungen. Fazit: CleanEco Sense ist damit ein zukunfts­fä­higes und flexi­bles System, das einen wich­tigen Beitrag zur Wärme­wende leisten kann.