Brenner

Die Wahl der Brennertechnologie beeinflusst essenziell die Effizienz sowie die Emissionswerte einer Heizungsanlage, bei der die Wärmeproduktion auf einer Verbrennung von Brennstoffen basiert. Die Umwandlung der chemisch in einem Brennstoff wie Öl, Gas oder Holz gespeicherten Energie in thermische Energie geschieht mithilfe sogenannter Brenner. Sie dienen dazu, die Verbrennung so zu gestalten, dass möglichst viel der im Brennstoff gespeicherten Energie zur Wärmeproduktion genutzt werden kann.

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Die Verbrennung erfolgt in der Regel als heiße Flamme. Die damit erzeugte Wärme wird auf ein anderes Medium (in der Regel Wasser) übertragen und somit für die Gebäudebeheizung oder Warmwasserbereitung verfügbar gemacht. Technologien wie die „kalte Verbrennung“ von Wasserstoff sind im Gebäudebereich ein Nischenprodukt und spielen für die flächendeckende Versorgung von Gebäuden mit Wärme derzeit allenfalls eine untergeordnete Rolle.

Verbrennungsqualität

Die Beschaffenheit des Brenners entscheidet über die Qualität der Verbrennung (Ruß und Kohlenmonoxid) und die Schadstoffemissionen (etwa NOx). Ausschlaggebend ist das Mischungsverhältnis von Brennstoff zu Sauerstoff. Das theoretische Ideal ist erreicht, wenn jedes Brennstoffmolekül exakt auf ein Sauerstoffmolekül trifft (stöchiometrisches Verhältnis). In der Realität werden Brenner oftmals mit einem leichten Luftüberschuss gefahren, um diesen Prozess wirklich sicherzustellen. Hier gilt eine technische Gratwanderung: Zu wenig Luft führt zu Rußbildung und mehr Kohlenmonoxid, bei zu viel Luft sinkt der Wirkungsgrad.

Ein sichtbarer Indikator für die Qualität der Verbrennung ist die Farbe der Flamme:

• Eine blaue Flamme entsteht meist beim Vormisch-Prinzip, bei dem das Gemisch sehr gleichmäßig ist. Bei der blauen Flamme entstehen keine Rußpartikel, die (gelb oder weiß) glühen könnten. Die Verbrennung ist dadurch sehr sauber.
• Wird der Sauerstoff erst „in“ der Flamme aus der Umgebungsluft beigemischt, ist die Verbrennung ungleichmäßiger, es entstehen Zonen mit Sauerstoffmangel. Die dadurch entstehenden Rußpartikel glühen, was die typisch gelbe Farbe erzeugt. (s. auch Ölbrenner unten)

Die Aufgabe des Brenners ist es also, eine möglichst reine und hochwertige Verbrennung zu ermöglichen, um möglichst wenig Ruß und Emissionen zu erzeugen. Dadurch verringert sich auch der Wartungsbedarf.

Arten von Brennern

Man unterscheidet die Brenner nach den Brennstoffen und den Systematiken:

Gasbrenner (fossil)
Bei Gasbrennern genügt der Druck aus dem öffentlichen Gasnetz, um den Brennstoff zum Brenner zu führen. Der Standard bei heutigen Gasbrennern ist der Vormischbrenner (Premix-Brenner). Er sorgt dafür, dass das Gas und die Verbrennungsluft bereits vor dem Eintritt in die Verbrennungszone in einem definierten, idealen Verhältnis gemischt werden, um eine optimale Verbrennung zu gewährleisten.

Modulierende Brenner erlauben dabei eine stufenlose Anpassung der Brennerleistung an den tatsächlichen Wärmebedarf. Damit kann die Taktung (also das Ein- und Ausschalten der Verbrennung) minimiert und somit die Effizienz erhöht werden. Außerdem werden dadurch die Bauteile geschont, was zu einem geringeren Wartungsaufwand führt.

Ölbrenner (fossil)
Bei Ölbrennern wird der Brennstoff zunächst mittels einer Ölpumpe zum Brenner gepumpt. Hier dominiert der sogenannte „Blaubrenner“ gegenüber dem klassischen „Gelbbrenner“:

• Beim Blaubrenner wird das Heizöl vor der Verbrennung vergast (verdampft). Dies führt zu einer blauen Flamme, nahezu rußfreiem Betrieb und deutlich reduzierten NOx- sowie CO-Emissionen.
• Der Gelbbrenner basiert auf dem einfachen Prinzip der Zerstäubung des Brennstoffs. Er ist technisch robuster, weist jedoch eine höhere Rußentwicklung und eine geringere Verbrennungsqualität auf.

Holzbrenner (Biomasse)
Bei Pellet- oder Hackschnitzelkesseln gibt es prinzipiell zwei Zufuhrsysteme:

• Bei der Unterschubfeuerung wird der Brennstoff von unten in den Brennraum geschoben, wodurch eine kontrollierte Glutzone entsteht. Dadurch wird eine saubere Verbrennung erzeugt, die zudem wechselnden Pelletqualitäten gegenüber recht robust ist.
• Bei der Fallschachtfeuerung fällt der Brennstoff von oben oder von der Seite in den Brennraum. Dabei muss der Brennofen so konstruiert sein, dass ein Durchschlagen des Feuers in den Zuführschacht unbedingt vermieden wird.

Die Verbrennung von Holz führt zu einem hohen Wartungsaufwand (Entfernung der Asche). Zudem müssen die Feinstaubemissionen im Abgas streng überwacht werden.

Biomasse als Übergangstechnologie
Biomasse ist ein Sammelbegriff für organische Stoffe mit energetischem Nutzen. Neben der festen Biomasse Holz gibt es gasförmige und flüssige Varianten, die sogar die bestehende fossile Infrastruktur nutzen können:

• Als Biogas (Biomethan) erreicht der Brennstoff Erdgasqualität und kann dementsprechend wie Erdgas verbrannt werden. Meist ist das in bestehenden Gas-Brennwertgeräten bereits möglich.
• Als flüssiges HVO (Hydotreated Vegetable Oil) entspricht der Brennstoff chemisch nahezu dem fossilen Heizöl, weswegen er in modernen Ölbrennern oft oder mit nur geringen Modifikationen eingesetzt werden kann.

In diesem Kontext fungiert die Biomasse als „Drop-in“-Lösung, die eine Transformation der Wärmeproduktion ohne sofortigen Austausch kompletter Anlagen ermöglicht. Ob ein bestehender Kessel mit gasförmiger oder flüssiger Biomasse betrieben werden kann, hängt vom jeweiligen Gerät ab und sollte vor dem Einsatz geklärt werden.

Oberflächenbrenner
Eine besondere Art von Brennern sind die Oberflächenbrenner, bei denen sehr niedrige Emissionen entstehen und die Regelbarkeit hoch ist. Beim Oberflächenbrenner verschiebt sich der Verbrennungsprozess direkt auf (oder in) eine poröse Struktur, die meist aus Keramikfasern oder einem speziellen Metallgewebe besteht. Das Gewebe funktioniert dabei wie eine Art glühendes Sieb. Statt einer normalen Flamme entsteht eine homogene, strahlende Zone direkt am Brennerkopf, weswegen sie oft als „Strahlungsbrenner“ bezeichnet werden. Die Verbrennung ist sehr flächig und findet (im Vergleich zur klassischen Flamme) bei niedrigeren Temperaturen statt. Dadurch wird die Stickoxid-Bildung stark minimiert. Oberflächenbrenner kommen meist bei Gas-Brennwertgeräten zum Einsatz. Dort sind sie modulierbar, man kann sie also herunterfahren, ohne dass die Flamme abreißt. Damit kann das typische Takten (An- und Ausschalten) vermieden werden.

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