IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 20/2001, Seite 28 ff.
HEIZUNGSTECHNIK
Lambda-Regelung für die Zentralheizung
Dipl.-Ing. Christian Voit* Teil 1
Seit vielen Jahren leisten Lambda-Sensoren in Verbindung mit dem geregelten Katalysator im Automobil einen wertvollen Beitrag zum Schutz der Umwelt. Aber was bewirkt der Lambda-Sensor eigentlich, und warum gibt es keinen Katalysator für den Gasheizkessel? Im folgenden Beitrag soll aufgezeigt werden, wie eine Verbrennung funktioniert und welche Faktoren eine gute Verbrennung ausmachen. Im zweiten Teil des Fachaufsatzes wird dann eine Methode vorgestellt, mit der ein Gasbrenner mittels einer einfachen und dennoch effizienten Lambda-Regelung im optimalen Arbeitsbereich gehalten werden kann.
Zur Verdeutlichung der Funktion eines Lambda-Sensors wollen wir zunächst einen kleinen Exkurs in die Abgastechnik eines Automobils unternehmen, um anschließend die Möglichkeiten zur Abgasreduzierung in der Heizungstechnik und die Unterschiede zum KFZ-Abgassystem besser verstehen zu können.
| Bild 1: Abgasanlage mit Katalysator. |
Wie funktioniert ein Katalysator?
Bei Neuwagen ist der geregelte Dreiwege-Katalysator (G-Kat) längst zum Standard geworden. Er ist integrierter Bestandteil jeder modernen Kfz-Abgasanlage (Bild 1). Der Katalysator wandelt die giftigen Abgaskomponenten des Ottomotors, also Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoff und Stickoxide in unkritisches Kohlendioxid, Wasser(dampf) und Stickstoff um. Diese Umwandlung erfolgt durch katalytisch wirksame Edelmetalle (Platin, Palladium, Rhodium), mit denen die Kanäle der Keramik-Monolithe beschichtet sind. Nach Durchströmen des Katalysators sind die Abgase bis zu 95% schadstoffgereinigt, Temperaturen von mindestens 250 °C und ein optimales Kraftstoff-Luft-Gemisch vorausgesetzt. Das Verbrennungsoptimum wird von der Lambda-Sonde in Verbindung mit dem Gemischbildner sichergestellt.
Chemie einer Verbrennung
Die optimale Gemischzusammensetzung bei einer Verbrennung, sei es nun in einem Ottomotor oder in einer beliebigen Verbrennung, ist (zumindest theoretisch) genau das Brennstoff/Luft-Verhältnis, bei dem alle oxidierbaren Bestandteile des Brennstoffes vollständig mit dem Luftsauerstoff reagieren. So sollte bei einer Verbrennung eines beliebigen Kohlenwasserstoffes CnHm jedes Kohlenstoffatom C mit zwei Sauerstoffatomen zu CO2 (Kohlendioxid), und jeweils zwei Wasserstoffatome H mit einem Sauerstoffatom zu H2O (Wasser) reagieren. Im Abgasstrom einer optimalen Verbrennung sollten als Verbrennungsrückstände nur CO2 und H2O zu finden sein. Dabei sollen idealerweise keine Nebenprodukte entstehen, sodass die vollständige Reaktionsgleichung lautet:
CnHm + 1/2·(2·n+1/2·m) O2 => n·CO2 + 1/2·m·H2O |
Im Interesse des Umweltschutzes ist man natürlich bestrebt, den Ausstoß des Treibhausgases CO2 möglichst gering zu halten. Aus der Reaktionsgleichung geht hervor, dass der Anteil von CO2 im Abgas umso höher ist, je größer die Anzahl n von Kohlenstoffatomen im Verhältnis zur Anzahl m von Wasserstoffatomen im Brennstoff ist. Aus dem Chemieunterricht wissen wir, dass der einfachste Kohlenwasserstoff Methan (CH4) ist, welches zugleich auch die meisten Wasserstoffatome pro Kohlenstoffatom aufweist. In der CO2-Bilanz ist Methan daher auch der umweltfreundlichste Kohlenwasserstoff. Das größte Potenzial zur Verminderung des Kohlendioxidausstoßes stellt aber immer noch der sparsame Umgang mit fossilen Brennstoffen dar. Reduziert man den Kohlenwasserstoffverbrauch, so reduziert sich auch der Kohlendioxidausstoß.
| Bild 2: Schnittbild eines Katalysators. |
Brennwert und Effizienz
Für die Verbrennung bedeutet dies, dass zunächst einmal möglichst viel des Brennwertes eines Brennstoffs technisch ausgenutzt werden muss. Der erste und unmittelbarste Verlust entsteht in technischen Brennern durch den mehr oder weniger heißen Abgasstrom (Abgasverlust). In modernen Brennwertkesseln wird versucht, dem Abgas durch Kondensation des Wasserdampfes soviel Wärme als möglich zu entziehen. Ein Anteil von Restwärme geht aber trotz allem durch den Schornstein verloren. Im Interesse einer effizienten Energieausnutzung sollte daher nicht mehr Abgas als notwendig erzeugt werden. Deshalb ist es erstrebenswert, der Flamme ebenfalls nicht mehr Luft als unbedingt erforderlich zuzuführen. Aus der oben angegebenen Reaktionsgleichung kann nun der genaue Luftbedarf für einen gegebenen Brennstoff ermittelt werden. Ändert sich allerdings die chemische Beschaffenheit des Brennstoffs (bzw. des Brennstoffgemisches), so muss bei einem gegebenen Brennstoffdurchsatz natürlich auch die Verbrennungsluftmenge angepasst werden. Dieses so genannte stöchiometrische Verhältnis, bei dem alle Ausgangsprodukte vollständig chemisch umgesetzt werden, wird in der Verbrennungstechnik mit dem "Lambda"-Wert 1,0 gekennzeichnet.
Der l -Wert
Der Lambda (l) -Wert ist ein Maß für das prozentuale Verhältnis zwischen Verbrennungsluft und Brennstoff, wobei l = 1 genau dem stöchiometrischen Sauerstoffbedarf von 100% entspricht l = %/100 des stöchiometrischen Sauerstoffbedarfs). Ein Lambda-Wert über oder unter 1,0 bedeutet dementsprechend, dass ein Ungleichgewicht zwischen Brennstoff und Sauerstoff vorliegt. So bedeutet z.B. l = 0,9, dass nur 90% des benötigten Sauerstoffs vorhanden sind, es handelt sich also um eine unvollständige Verbrennung. Dagegen liegt bei l = 1,2 ein Sauerstoffüberschuss von 20% vor.
Weiter oben haben wir schon hergeleitet, dass l=1,0 theoretisch einer idealen Verbrennung entsprechen müsste. Wie immer in der realen Welt, weichen aber auch hierbei Ideal und Wirklichkeit voneinander ab. In der heißen Flamme herrschen ziemlich chaotische Bedingungen, bei denen viele instabile, sehr reaktive Zwischenstadien der Elemente (Radikale) existieren können, die sich erst nach der Abkühlung im Abgasstrom zu stabilen chemischen Molekülen formen. Dadurch und durch das Vorhandensein eigentlich sekundärer Stoffe wie beispielsweise der Luftstickstoff, können im Abgas selbst bei l = 1,0 unvollständige Verbrennungsprodukte, insbesondere CO (Kohlenmonoxid), Kohlenwasserstoffe (HC) sowie Stickoxide (NOx) auftreten. Diese giftigen und umweltschädlichen Bestandteile sollen durch den Einsatz moderner Technik so gering wie möglich gehalten werden. Im KFZ dient hierzu der Katalysator, an dessen Edelmetalloberfläche die unverbrannten Abgasbestandteile mit den Stickoxiden zu ungefährlichen Gasen reagieren. Die Motor-Regelung mit dem l -Sensor im Abgasstrom muss dazu sicherstellen, dass der l -Wert der Gemischzusammensetzung immer in einem engen Bereich um l = 1,0 bleibt, damit der Katalysator optimal arbeiten kann.
Bei Verbrennungsmotoren konnte mit diesem Konzept der nachträglichen Abgasreinigung eine hervorragende Reduzierung der schädlichen Abgasrückstände erreicht werden. Ein weitaus größerer Anteil von Brennstoff wird in unserer Industriegesellschaft jedoch zur Heizung und zur Bereitung von Warmwasser verbraucht. Bei der Verbrennung in industriellen und häuslichen Heizkesseln herrschen ganz andere Bedingungen als in einem Ottomotor. Anders als im Motor, wo periodische Explosionen die Kolben antreiben, brennt im Heizkessel eine kontinuierliche Flamme unter nahezu atmosphärischem Druck. Um die Erfordernisse in einem modernen Heizkessel zu verstehen, müssen wir uns zunächst einmal einige Begriffe aus der Verbrennungstechnik aneignen.
| Bild 3: Temperaturverteilung in der Flamme eines Bunsenbrenners. |
Kontinuierliche Brenner
Die einfachste Form einer Verbrennung stellt eine offene Flamme dar, wie z.B. brennendes, aus einem Rohr ausströmendes Gas. Bild 3 zeigt die Temperaturverteilung in der Flamme eines Bunsenbrenners. Bei dieser einfachen Brennervariante werden Gas und Luft vorgemischt, sodass eine gleichmäßige, stabile Flamme entsteht. Wie das Wärmebild zeigt, brennt das Gemisch in verschiedenen Zonen ab. In der unteren, so genannten Reduktionszone spalten sich die unverbrannten oder teilverbrannten Gasbestandteile in hochreaktive, ionisierte Moleküle, so genannte Radikale auf. Diese Radikale wirken stark reduzierend auf sauerstoffhaltige Verbindungen, so wird beispielsweise ein angelaufener Kupferdraht wieder blank, wenn man ihn an dieser Stelle in die Flamme hält. In der darüber liegenden, so genannten Oxidationszone reagieren diese Radikale mit dem noch vorhandenen Sauerstoff weitgehend ab, sodass nun der überschüssige Sauerstoff in Form von ionisierten Radikalen stark oxidierend wirkt. In diesem Bereich wird ein vorher blanker Kupferdraht schnell mit braunem Kupferoxid überzogen werden.
Die optimale Flamme
Vom Luftgehalt in der Gasmischung hängt es nun ab, wie eine Flamme brennt und welche Abgase als Resultat der Verbrennung entstehen. Ist genügend Sauerstoff vorhanden, wird die Flamme blau brennen und relativ klein und heiß sein. Liegt aber ein Sauerstoffmangel vor, wird die Flamme größer und weniger heiß, fängt an zu flackern und leuchtet gelb. Das gelbe Licht wird durch unverbrannte Rußpartikel verursacht, die am Ende der Flamme in der Umgebungsluft verglühen. Das Flackern zeigt an, dass die Flamme zusätzliche Luft aus der Umgebung benötigt. Hierbei entstehen Turbulenzen, die die Flamme unruhig werden lassen. Bei zu starkem Sauerstoffmangel fängt die Flamme schließlich an zu rußen. Eine gute Verbrennung kann man also zuerst einmal daran erkennen, dass die Flamme klein, stabil und nicht leuchtend ist. Dies allein sagt aber noch wenig über die Zusammensetzung des Abgases aus.
Bei jeder Verbrennung reagiert auch ein Teil des Stickstoffs in der Verbrennungsluft mit dem Sauerstoff zu schädlichen Stickoxiden (NOx), wie z.B. NO, NO2, N2O2 und anderen. Dieser Effekt tritt umso stärker auf, je heißer eine Flamme ist und je höher der l -Wert (l > 1,0) ist. Daher ist es sinnvoll, den l -Wert möglichst im Bereich knapp über 1,0 zu halten, um die NOx-Emissionen zu minimieren. Dies ist auch aus energiewirtschaftlicher Sicht sinnvoll, denn jeder Luftüberschuss erhöht auch die Abgasverluste eines Brenners und schadet seiner Effizienz.
| Bild 4: Verlauf der CO-Emission in Abhängigkeit von l. |
Die Badewannenkurve
Stickoxide durch Abgasemissionen sind in erster Linie umweltschädlich, da sie neben Schwefeldioxid zur Versauerung des Regens und zu einer erhöhten Nitratbildung im Boden führen. Eine unmittelbare Gesundheitsgefahr für den Menschen stellt dagegen das Gas Kohlenmonoxid dar, welches in hohen Konzentrationen bei unvollständigen Verbrennungen durch Sauerstoffmangel entstehen kann. Das farb- und geruchlose Gas führt bereits in geringen Mengen zur inneren Erstickung, indem es die Sauerstoffübertragung im Blutkreislauf blockiert. Nach vorangehender Bewusstlosigkeit tritt der Tod sehr schnell ein.
Die Emission von Kohlenmonoxid (CO) ist eng mit dem l -Wert einer Verbrennung verbunden. Bild 4 zeigt den Verlauf der CO-Emission in Abhängigkeit von l . Der wannenförmige Verlauf der Kurve hat ihr in der Verbrennungstechnik den Namen "Badewannenkurve" beschert. Aus ihr geht deutlich hervor, dass ein Absinken unter l = 1,1 sehr bald zu einem starken Anstieg der CO-Produktion führt.
Aus der Forderung nach einem geringen Schadstoffausstoß und einer guten Energieausnutzung lässt sich daher schnell erkennen, dass der optimale Arbeitsbereich eines Heizkessels bei l = 1,15 liegen sollte.
Ordnung ins Chaos
Eine Flamme, auch wenn sie ruhig und gleichmäßig aussehen mag, ist ein ziemlich chaotisches Gebilde. Jeder, der sich mit Thermodynamik auseinandersetzen musste, kann nachvollziehen, dass lokale Inhomogenitäten kaum berechenbar sind. Genau diese inhomogenen Stellen sind aber entscheidend für die Entstehung von Schadstoffen. Damit eine Verbrennung überhaupt sauber in einem engen Bereich geregelt werden kann, ist es wichtig, die Flamme so homogen (einheitlich) wie möglich zu gestalten. Heute übliche Gasbrenner erzeugen typischerweise eine Flammenfläche wie in Bild 5 dargestellt ist. Deutlich sind einzelne Flammen als "Berge und Täler" zu erkennen. Es ist klar, dass solch eine Verbrennung nicht allzu homogen sein wird.
| Bild 5: Typisches Flammenbild eines Flächenbrenners. |
Belastend
Die Produktion von NOx ist, wie wir bereits gelernt haben, wesentlich von der Flammtemperatur abhängig. Der effektivste Weg zu einer Reduzierung der NOx-Emission ist daher die Verringerung der Flammtemperatur. Der Weg dorthin lässt sich recht einfach herleiten: Ein Heizkessel soll beispielsweise für eine Leistung 25 kW dimensioniert werden, somit liegt bei Kenntnis des Brennwerts auch der benötigte Gasdurchfluss pro Sekunde fest. Der Brenner muss diese vorgegebene Gasmenge in Wärmeleistung umsetzen. Ein Konstrukteur wird aus Kostengründen nun anstreben, den Brenner möglichst klein zu gestalten. Nehmen wir an, er wählt eine Brennerfläche von 10 x 25cm (= 0,025m2). Die Wärmeleistung von 25 kW hochgerechnet auf einen Quadratmeter Brennerfläche beträgt also 40 x 25 kW, also 1000 kW/m2. Die Leistung pro Quadratmeter Brennfläche bezeichnet man als "Belastung" des Brenners. Es ist klar, dass eine höhere Belastung nur durch eine höhere Flammtemperatur erreicht werden kann. Mit Blick auf die NOx-Emission ist es nun aber erstrebenswert, die Flammtemperatur möglichst gering zu halten. Dies ist nur möglich durch eine Verringerung der Belastung, das heißt aber bei gegebener Leistung: Vergrößerung der Brenneroberfläche. Den geringsten NOx-Ausstoß erzielen so genannte Infrarotbrenner, deren Belastung so gering ist, dass der größte Teil der Wärme als Infrarotstrahlung abgestrahlt wird. Die Flammtemperatur solcher Brenner liegt bei ca. 800-900°C, sodass außer der glühenden Brennerfläche praktisch keine sichtbare Flamme erkennbar ist.
Bis jetzt ging der Trend in der Entwicklung neuer Brenner immer in Richtung kleinerer, kompakterer und somit hochbelasteter Brenner mit Belastungen bis zu 1500 kW/m2 und Flammtemperaturen bis 1500°C. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es mit solchen Brennertypen nicht möglich ist, gleichzeitig niedrige CO- und NOx-Emissionen zu erreichen. Daher ist jetzt allgemein eine Neuorientierung zu beobachten, die deutlich in Richtung Infrarotbrenner tendiert.
| Bild 6: Flammenbild eines Infrarotbrenners. |
Auto oder Durchlauferhitzer
Wir haben anhand der bisherigen Ausführungen festgestellt, dass es möglich ist, eine Verbrennung unter bestimmten Bedingungen so zu regeln, dass eine nahezu optimale Energieausnutzung möglich ist, wobei gleichzeitig die Emissionen auf ein Minimum reduziert werden können. Dabei wurde auch aufgezeigt, dass hierzu eine sehr homogene Flamme bei möglichst niedriger Flammtemperatur Voraussetzung ist. In einem Ottomotor können solche Bedingungen aufgrund der dynamischen Prozesse nicht gewährleistet werden. Um trotzdem einen niedrigen Schadstoffausstoß zu erreichen, müssen die Verbrennungsabgase katalytisch nachbehandelt werden. Im Unterschied dazu ist es bei kontinuierlich arbeitenden Brennern mit geeigneten technischen Methoden sehr wohl möglich, die Verbrennungsbedingungen so zu gestalten, dass die Flamme sehr nah am optimalen Arbeitspunkt brennt. Dadurch wird das Entstehen von Schadstoffen bereits am Entstehungsort in der Flamme vermieden, somit wird auch kein kostspieliger Katalysator zur Nachbehandlung nötig. Welche technischen Maßnahmen für einen guten Gasbrenner erforderlich sind, werden wir im zweiten Teil des Beitrags kennen lernen.
Fortsetzung folgt
* Dipl.-Ing. Christian Voit, Unitronic AG, Düsseldorf
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