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Nur mit klimafreundlichen und effizienten Heizgeräten kann die Wärmewende gelingen. Der Gas-Luft-Verbund CleanEco Sense von ebm-papst macht es möglich, effiziente Heizthermen zu bauen, die sich mit Erdgas, Biogas aber auch zu hundert Prozent mit Wasserstoff betreiben lassen. Damit ist das System eine flexible und zukunftsfähige Lösung.
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.
Funktionsprinzip CleanEco Sense: Der elektronisch-pneumatische Gas-Luft-Verbund CleanEco Sense besteht aus einem elektronischen Gasventil, dem Gasgebläse, Venturi und Steuereinheit. Über den Schrittmotor im Ventil kann die Gasmenge flexibel eingestellt werden, die Drehzahl des Gebläses bestimmt den Volumenstrom. Intelligente Sensorik im Ventil misst permanent die Stellung des Schrittmotors und den Druck. Die Steuereinheit wertet diese Messdaten permanent aus und kann jederzeit nachjustieren. Für den reinen Wasserstoffbetrieb muss nur der Brenner getauscht werden.
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.
Die elektronische Gasventilfamilie G02 ermöglicht, das Brennluftverhältnis auch im pneumatischen Verbund zu steuern. In Kombination mit der integrierten Sensorik ist daher ein Betrieb mit 100 Prozent Wasserstoff möglich.
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.
Die Grafik zeigt die Flammgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Luftkonzentration. Wasserstoff (grüne Linie) zündet vor allem bei hoher Konzentration deutlich schneller als Methan (orangene Linie).
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
Bei voller Leistung (a) sind die Ausströmgeschwindigkeit und die Flammgeschwindigkeit gleich groß. Die Flamme stabilisiert sich in einem ausreichenden Abstand zur Brenneroberfläche. Ist die Ausströmgeschwindigkeit bei niedriger Leistung (b) zu gering, kann es geschehen, dass die Flamme in den Brenner wandert und es zu einem Flammrückschlag kommt.
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.
Die Vorteile des CleanEco Sense auf einen Blick
• Betrieb ist mit Erdgas, Biogas und 100 Prozent Wasserstoff möglich
• Für die Umstellung auf reinen Wasserstoffbetrieb muss nur der Brenner getauscht werden
• Einfache Installation, da sich das System selbst justiert
• Schnelle Entwicklungszeit, da Standardkomponenten zum Einsatz kommen
• Modulationstiefe von 1:15 über den ganzen Leistungsbereich von 2 bis 385 kW
• Gasfamilien werden automatisch detektiert
• Alle Komponenten sind für den Wasserstoffbetrieb zertifiziert
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.
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