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 12 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-Brenn­wert-Technik, 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, 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 Schwester sogar ablösen. Bis dahin werden aber beide Systeme parallel am Markt laufen. Für den Einsatz in Brenn­wert­ge­räten in Wohn­ge­bäuden bis 150 kW bietet ebm-papst beide Vari­anten als Komplett­lö­sung an: CleanEco (pneu­ma­tisch) und Clean­Vario (elek­tro­nisch).

Bild 1: Funk­ti­ons­schema der pneu­ma­ti­schen Verbren­nungs­re­ge­lung CleanEco (Grafik | ebm-papst)

CleanEco: Robust und bewährt

Das pneu­ma­ti­sche Verbund­system CleanEco besteht aus Gebläse, Venturi, Gasventil und der Steu­er­ein­heit (Boiler Control Unit – BCU) (zur Funk­ti­ons­weise siehe Bild 1). Das Prinzip: 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 soweit opti­miert, dass inzwi­schen Modu­la­ti­ons­grade von 1:10 möglich sind und damit die Leis­tung des Kessels sich viel präziser an den tatsäch­lich benö­tigten Bedarf 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.

Clean­Vario: Ein flexi­bles System

Bild 2: Elek­tro­ni­sche Verbren­nungs­re­ge­lung Clean­Vario. (Grafik | ebm-papst)

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 strömen künftig auch Wasser­stoff, Flüs­siggas oder Biome­than 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 Leis­tung 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 (Bild 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 (zur Funk­ti­ons­weise siehe Bild 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 ist er zu hoch. Doch wie messen, ob die Verbren­nung optimal verläuft? Am besten in der Flamme selbst.

Bild 3: Funk­ti­ons­schema der elek­tro­ni­schen Verbren­nungs­re­ge­lung Clean­Vario (Grafik | ebm-papst)

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 (zur Ioni­sa­ti­ons­tech­no­logie siehe Galerie unten).

Somit ist es möglich, die Verbren­nung unab­hängig vom Brenn­stoff zu steuern, das System kann sich damit ohne Einstel­lungs­än­de­rungen am Ventil an die Gasart selb­ständig anpassen und eine saubere Verbren­nung liefern. Das funk­tio­niert Stand jetzt auch, wenn bis zu 30 Prozent Wasser­stoff 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.

Bei der Verbren­nung werden Elek­tronen frei­ge­setzt. Legt man die elek­tri­sche Span­nung U an, fließt durch die Flamme ein elek­tri­scher Strom I – der soge­nannte Ioni­sa­ti­ons­strom. Die Höhe des Stroms hängt von der Verbren­nung ab. (Grafik | ebm-papst)

Das Ioni­sa­ti­ons­si­gnal ist bei der voll­stän­digen Verbren­nung, also bei einem Verbren­nungs­luft­ver­hältnis von λ = 1 am höchsten. Durch eine auto­ma­ti­sche Kali­brie­rung wird der Ioni­sa­ti­ons­wert für den gewünschten Luft­zahl­be­reich ermit­telt. (Grafik | ebm-papst)

Die gewon­nenen Daten gehen an die Boiler Control Unit, die das Gebläse und das Ventil entspre­chend der erfor­der­li­chen Brenn­leis­tung ansteuert. Die Verbren­nung wird regel­mäßig durch den Ioni­sa­ti­ons­strom über­prüft, um den Gasfluss zu regeln. (Grafik | ebm-papst)

Intel­li­genz für die Zukunft

Ohne intel­li­gente Soft­ware wären die so gewonnen Daten jedoch wertlos. Sowohl bei den pneu­ma­ti­schen als auch in den elek­tro­ni­schen Komplett­sys­temen von ebm-papst sitzt die Intel­li­genz in der Boiler Control Unit (BCU), der zentralen Steu­er­ein­heit. Sie regelt alle elek­tro­ni­schen Sicher­heits- und Steu­er­funk­tionen der Brenn­wert­therme.

Beim elek­tro­ni­schen System Clean­Vario kann sie die durch die konti­nu­ier­liche Verbren­nungs­über­wa­chung gewonnen 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 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.

Jeder profi­tiert

Mit Clean­Vario haben 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 müssen. Instal­la­teure haben es eben­falls deut­lich einfa­cher, da sie das Gerät nur noch montieren müssen, ganz ohne aufwän­dige Konfi­gu­ra­tion. Der Endkunde schließ­lich hat ein Gerät, das über die gesamte Lebens­dauer eine saubere und zuver­läs­sige Verbren­nung liefert. Bleibt noch die Umwelt. Werden moderne Gas-Brenn­wert-Geräte flächen­de­ckend einge­setzt, stehen die Chancen gut, dass die gesetzten Klima­ziele auch erreicht werden. CleanEco und Clean­Vario helfen dabei.