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In Zukunft cooler

Die technische Revolution der Heiztechnik ist noch nicht zu Ende. Umweltschutz, Sparsamkeit und maximale Behaglichkeit für den Menschen – die Heiztechnik der Zukunft versucht, bisher widersprüchliche Anforderungen unter einen Hut zu bringen. Dabei hilft ihr die Sonne ebenso wie moderne Computertechnik.

Die Ölkrise wirbelte vor genau 25 Jahren ganz besonders eine Branche durcheinander, die vorher eher konservativ, handwerklich orientiert war. Die Erben der Ofensetzer orientierten sich um: High-Tech war angesagt. Die Heiztechnik wurde zum Motor bei der Suche nach regenerierbaren Energiequellen. Sonnenkollektoren oder Wärmepumpen wurden den Öl- und Gasheizungen beigesellt, oft genug erst noch mit untauglichen Methoden. Die ersten Solarkollektoren zur Erwärmung von Brauchwasser schmückten die Dächer. Dieser Wandel in der Heiztechnik-Branche hat angehalten, auch als die Ölquellen wieder kräftig sprudelten. Jetzt traten Aspekte des Umwelt- und Klimaschutzes in den Vordergrund: Gasbetriebene Heizanlagen kamen auf den Markt, die nach dem Niedertemperatur- oder dem Brennwertprinzip arbeiten. Der Verbrauch fossiler Brennstoffe pro Quadratmeter und somit der Ausstoß an Kohlendioxid sanken. Auch die Mengen an freigesetzten Stickoxiden und anderen Umweltgiften gingen stark zuück.

Wie geht es weiter? Künftige technische Entwicklungen lassen sich zwar im groben Rahmen relativ leicht vorhersagen, die konkrete Ausführung aber hängt ganz entscheidend von den Rahmenbedingungen ab. Der veränderte Einsatz einzelner Energieträger wird die Heizungstechnik beeinflussen. Die Anlagen werden sich mehr den künftigen Energiesystemen hinwenden. Die Nutzung des Sonnenlichts oder der Einsatz von Brennstoffzellen wird zunehmen.

Eine noch größere Rolle werden wohl politische Vorgaben und die Kosten spielen. Dank Niedertemperatur- und Brennwerttechnik sind moderne Öl- und Gaskessel recht günstig zu betreiben; ebenso mit zunehmender Wirtschaftlichkeit Sonnenkollektoren, Solarzellen, eventuell Brennstoffzellen und Gas-Wärmepumpen. Auch Blockheizkraftwerke und Bio-Feuerungen haben niedrige Betriebskosten. Schwieriger ist es mit der elektrisch betriebenen Wärmepumpe oder Direktheizung.

Beim Ausstoß von Kohlendioxid hat Erdgas als Endprodukt die Nase vorn. Mit rund 0,2 Kilogramm Kohlendioxid pro Kilowattstunde schneidet es um nahezu 50 Prozent besser ab als Erdöl und um 70 bis 100 Prozent günstiger als Stein- oder Braunkohle. Ob sich klimaschonende Anlagen auch international durchsetzen, hängt davon ab, wie ernst weltweit der Schutz genommen wird.

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Industrie und Forschung arbeiten an weiteren Verbesserungen. Ein Beispiel stellt der flammenlose, katalytische Brenner dar, der die Entstehung schädlicher Abgase fast völlig verhindert. Flammenbrenner haben den Nachteil, daß bei Temperaturen über 1200 Grad Celsius Stickoxide und andere Luftschadstoffe entstehen. Die katalytische Verbrennung geht ohne offene Flamme bei Temperaturen unter 1000 Grad vor sich.

Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme in Freiburg (ISE) gelang es jetzt, einen handelsüblichen Wabenkatalysator mit einer Kühlvorrichtung so zu kombinieren, daß ein katalytischer Brenner mit hoher Leistung entstand. Wenn die Vorheiztemperatur erreicht ist, beginnt das Erdgas-Luft-Gemisch flammenlos zu verbrennen. Die entstehende Wärme wird an das Abgas und an eine darunterliegende Kühlplatte abgegeben, die vom Heizwasser durchströmt wird.

Im Langzeittest stattete das ISE einen handelsüblichen Brennwertkessel mit dem Prototypen eines katalytischen Brenners von zehn Kilowatt Leistung aus. Die Auswertung von hunderten von Stunden Betriebsdauer ergab extrem niedrige Schadstoffmengen.

Der Wetzlarer Hersteller Buderus Heiztechnik hat ebenfalls ein Verfahren zur katalytischen Oxidation entwickelt. In dem zweistufigen Prozeß strömt das Gas-Luft-Gemisch zunächst in einen Ringspalt, wo es mit der heißen, platinbedampften Oberfläche des Innenrings in Berührung kommt. Die bei der Oxidation freigesetzte Wärme wird auf das Heizwasser übertragen, das hinter der gegenüberliegenden Wand des Außenrings strömt. Bei Temperaturen von 350 bis 850 Grad entstehen praktisch keine Stickoxide.

Am Ende der ersten Stufe ist das Gas fast vollständig oxidiert. Um die restlichen zwei Prozent Methan auch noch umzusetzen, strömt das Gas in eine zweite Stufe. Deren Wabenform bietet eine große katalysatorbeschichtete Oberfläche. Anschließend werden die jetzt etwa 900 Grad heißen Abgase in einen Wärmetauscher geleitet, um das Heizwasser zu erwärmen. Der vergleichsweise hohe Preis des Verfahrens verhinderte allerdings bisher die Markteinführung.

Auch für das Heizen mit Öl ersinnen die Forscher umweltfreundlichere Techniken. So entwickelte ein Team um den Energietechniker Prof. Heinrich Köhne an der RWTH Aachen einen Oberflächenbrenner, der schadstoffärmer und leiser arbeitet als bisherige Systeme. In einem sogenannten Flammenrohr erzeugt ein Startbrenner eine stabile Flamme, die eine gasdurchlässige Verbrennungsoberfläche aus porösem Sintermetall bis zu leichtem Glühen erhitzt. Nach kurzzeitiger Unterbrechung der Brennstoffzufuhr erlischt die Startflamme, die Phase der Oberflächenverbrennung kann beginnen.

Dabei bildet sich keine neue Flamme. Statt dessen verdunstet der Brennstoffnebel im Luftstrom, der sich sehr schnell aufheizt. Bei etwa 450 Grad Celsius verdunstet der Brennstoff vollständig.

Das Flammenrohr fungiert quasi als Mischkammer innerhalb des Brenners. Das entstandene Brennstoff-Luft-Gemisch verteilt sich im Brenner und tritt aus der porösen Oberfläche wieder aus. Das Gemisch entzündet sich und brennt mit blauer Flamme. Ein Teil der Wärme wird zur weiteren Verdunstung des Brennstoffes genutzt, der größte Teil wird an einen Wärmetauscher abgegeben. Wegen der kühleren Flamme entstehen weniger schädliche Stickoxide. Die neue Technik ermöglicht auch den Bau kleinerer und damit platzsparender Geräte. Die Entwicklung ist noch nicht abgeschlossen. Das Aachener Team arbeitet an der Verbesserung von Leistung, Geräusch und Ausbrandgüte.

Eine zukunftsweisende Entwicklung der Heiztechnik speziell für Werkshallen und Verkaufsräume ist das Prinzip der Dunkelstrahlungsheizung. In hohen Räumen verursacht nach oben steigende warme Luft oft ein beträchtliches Temperaturgefälle. In Werkshallen führt zudem das Öffnen und Schließen der Tore zu erheblichen Energieverlusten. Um in allen Raumbereichen eine gleichmäßige Lufttemperatur zu erreichen, machen sich Ingenieure des Daimler-Benz-Baucenters in Stuttgart neuerdings das Dunkelstrahlprinzip zunutze. Dabei heizt ein Gasbrenner Strahlungsrohre, die an der Hallendecke befestigt sind, auf Temperaturen von 300 bis 350 Grad Celsius. Die langwellige Infrarot-Strahlung wird durch Blenden nach unten gelenkt, wo sie auf Boden und Wänden zu Wärme gewandelt wird.

In der herkömmlichen Heizungstechnik sind warme und kalte Luftmassen ständig in Bewegung. Das Dunkelstrahlungssystem dagegen verteilt seine Wärme wie die Sonne weniger durch Luftströme, sondern durch Strahlung. Die gleichmäßige Temperatur verhindert das Entstehen eines warmen Luftpolsters unter der Decke. Beim Öffnen der Hallentore bleibt die Temperatur weitgehend erhalten. Gleichzeitig verringert die schwache Luftbewegung das Aufwirbeln von Staub.

Entwicklungspotential haben moderne Heizsysteme auch in bezug auf ausgefeilte und komfortable Regelungen. Zwar ist schon die Einstellung der Bedienungsparameter per Fernsteuerung möglich, etwa per Telefon. In Zukunft aber werden Heizung und Warmwasser gemeinsam mit anderen Haushaltsgeräten noch stärker in das „intelligente Management“ von Gebäuden einbezogen. Individuelle Wünsche, etwa eine Änderung des Tagesablaufs, plötzliche Abreise oder Ankunft, werden spezifischer und einfacher erfaßt. Mit intelligenten Steuerungssystemen lassen sich bei einer Heizanlage mit Einzelraumregelung und Fensterüberwachung bis zu 30 Prozent Energiekosten sparen.

Auch bei bester Isolierung der Häuser: Ohne Heizung geht es nicht, zumindest nicht in unseren Breiten. Doch die Sonne kommt immer stärker ins Spiel. Die Weichen für eine intelligente Technik, die auch die Speicherung und den Transport von Sonnenenergie ermöglicht, werden heute gestellt.

Paul Janositz

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