Effiziente Gasanwendungen in Gartenbaubetrieben

Brennwerttechnik – Abgaskondensator

Nach heutigen Erfahrungen sind zur vollständigen Nutzung der Gasverbrennung keine Abgaskühler (Heizwertgeräte), sondern Abgaskondensatoren (Brennwertgeräte) empfehlenswert.  Ein  Abgaskondensator, wie er heute üblicherweise eingebaut wird, arbeitet im Prinzip wie ein  Autokühler. Die Abgase werden durch einen zusätzlichen Wärmetauscher geführt und kühlen darin so weit ab, dass auch die latente Wärme (Kondensationswärme) auf das Heizungssystem übertragen wird. Ein Abgaskühler dagegen kühlt die Abgase nur bis oberhalb des Kondensationspunktes und nutzt nur die fühlbare Wärme. Die Energieeinsparung liegt damit bei max. 7 %.

Der Abgaskondensator ist aus Materialien (meist Aluminium- und Kupferspeziallegierungen oder Edelstahl) gefertigt, die das Kondensat (Wasser mit niedrigem pH-Wert) nicht angreift. Neben deutschen Fabrikaten stehen auch niederländische Wärmerückgewinnungsgeräte im  Gartenbau zur Verfügung.

Die Wirksamkeit eines Abgaskondensators hängt weniger vom Fabrikat als vom richtigen Einbau in das Heizungssystem ab. Wesentlich ist, dass der Wasserdampf-Taupunkt  unterschritten wird. Dieser liegt bei Gaskesselanlagen mit 10 % CO2 im Abgas bei etwa 58 °C.

Durch die nachträglichen Wärmedämmmaßnahmen sind die meisten Gewächshäuser mit Heizungsrohren überbestückt. In der Praxis folgt daraus, dass die gewünschte  Heiztemperatur mit relativ geringen Vorlauftemperaturen zu erreichen ist. Derartige Heizkreise liefern ideale Rücklauftemperaturen für Rauchgaskondensatoren (ca. 30 – 40 °C).  Falls  Boden- oder Vegetationsheizungen vorhanden sind, machen diese Systeme ebenfalls mit ihrer niedrigen Rücklauftemperatur den Einsatz von Brennwertgeräten möglich. Reine Brennwertkessel sind im Gartenbau aufgrund des ungünstigeren Preis-Leistungsverhältnisses zu Kesseln mit nachgeschalteten Abgaskondensatoren eher seltener anzutreffen.

Der kondensierte Wasserdampf (das Kondensat) aus den Verbrennungsabgasen hat bei der Entstehung einen sehr niedrigen pH-Wert (ca. pH 4). Da es sich um eine schwach  gepufferte Lösung handelt, ist dieser Wert nicht kritisch. Für Brennwertkessel sind dazugehörige Neutralisationsanlagen verfügbar. Gärtner leiten das Kondensat häufig in  das sowieso vorhandene Gießwasserbecken. Der dortige Kalkgehalt reicht meist aus, den pH-Wert sofort anzuheben. Verschiedene Untersuchungen haben weiterhin gezeigt, dass keine bedenklichen Mengen (für die Pflanzen) von z.B. gelöstem Eisen oder Aluminium vorhanden sind.

 

CO2-Düngung

Kohlenstoffdioxid (CO2) entsteht unter anderem bei der Verbrennung von Energieträgern wie Erdgas, Heizöl, Holz etc. Für Pflanzen ist CO2 jedoch ein lebensnotwendiger Stoff. Allein die Pflanze ist mit ihrem grünen Chlorophyll in der Lage, chemisch Lichtenergie in Traubenzucker zu speichern = Assimilation. Dieser Traubenzucker muss erst vorhanden sein, bevor überhaupt pflanzliches Wachstum möglich ist.

H2O + CO2 + Sonnenlicht -> Traubenzucker + O2

Ein Mangel bei einem Baustein kann nach dem Minimumgesetz den gesamten Vorgang bremsen. Da Wasser im Gartenbau in der Regel genügend angeboten wird, stellten das Licht und im Gewächshaus das CO2 die Mangelfaktoren dar. Die heute sehr dichten Gewächshäuser reduzieren den Luftaustausch, so dass weniger CO2 mit der Außenluft in die Gewächshäuser gelangt, als die Pflanzen benötigen. Dabei stellt auch der normale Luft-CO2-Gehalt von 320 bis 360 vpm (0,032 bis 0,036 Vol. %) für viele Pflanzen  noch nicht den optimalen Wert für die Assimilation dar. 

Für ein optimales Wachstum ist für viele Pflanzen 600 – 1600 vpm CO2 günstig. Gemüsepflanzen, mit viel Massezuwachs, scheinen dabei höhere Werte zu „wünschen“ als Zierpflanzen.

Diese schematische Wachstumskurve zeigt deutlich, wie CO2-Mangel unter 400 vpm den Pflanzenzuwachs reduziert. Die Zuwachssteigerung über 1000 vpm flacht dann jedoch ab. Da ein Absinken des CO2-Gehaltes zu erheblichen Wachstumseinbußen führen kann, bedienen sich die Gärtner heute verschiedener Methoden der zusätzlichen CO2-Anreicherung der Gewächshausluft.

CO2-Dosierung im richtigen Maß

CO2 darf nicht unkontrolliert an die Kulturen gelangen, sondern  muss messtechnisch  oder  rechnerisch  –  was  häufig schwer ist – bestimmt werden. Die Vor- und Nachteile sollen hier kurz dargestellt werden.

Grundsätzlich müssen zwei Dinge unterschieden werden:

  • Verträglichkeitsbereiche für Mensche CO2-MAK-Wert 5.000 vpm,
  • Verträglichkeitsbereiche für Pflanzen etwa 600 bis 1.600 vpm CO2, von manchen Kulturen wird aber auch weit mehr vertragen: 10.000 bis 20.000 vpm.

Die Verträglichkeitsgrenzen können bei einzelnen Pflanzen auch höher liegen, andere Pflanzen zeigen dagegen schon bei 600 vpm Schäden. Die Beurteilung, welcher CO2-Gehalt welcher Pflanze zuzuordnen ist, sollte deshalb immer dem gärtnerischen Spezialisten überlassen werden. Aufgrund der sogar sortenspezifischen Empfindlichkeiten wird hier auf eine Darstellung verzichtet.

In der Regel kann davon ausgegangen werden, dass der Gärtner, der an einer CO2-Düngung seiner Pflanzenkulturen interessiert ist, ausreichend Informationsmöglichkeiten besitzt, um die richtige CO2-Dosierung festlegen zu können. In jedem Fall soll hier auf die Erfahrungen der Versuchsanstalten und auf die gartenbaulichen Fachberater hingewiesen werden.


Faustregel

Liegen keine Erkenntnisse über optimale CO2-Konzentrationen für eine Pflanze vor, sollte der Gärtner zunächst eine Dosierung von 600 vpm CO2 wählen. Nach der Bestimmung der CO2-Konzentration ist die Dosierungsart festzulegen. Dabei sind wieder zwei grundsätzlich verschiedene Vorgehensweisen möglich:

  • CO2-Dosierung mit dem Ziel, eine bestimmte CO2-Konzentration, die für die Pflanzen gewünscht wird, im Gewächshaus zu erreichen (es wird dem CO2-Gehalt entsprechend geregelt).
  • Nutzung des CO2, das als Nebenprodukt bei der Verbrennung von Gas im Gewächshauszu Heizzwecken entsteht. Hier muss der CO2-Gehalt auf einen maximal noch pflanzenverträglichen Wert begrenzt werden (es wird nach dem Wärmebedarf geregelt).

Das DVGW-Arbeitsblatt G 633 ist als technische Grundlage für den unfallfreien Betrieb von CO2-Anlagen anzusehen. Das gilt besonders bei Anlagen, die die Abgase von  Heizungskesseln zur CO2-Düngung  einsetzen. Im Arbeitsblatt G 633 sind die Bedingungen  für Anlagen zu CO2-Anreicherung in Gewächshäusern beschrieben. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Beschreibung sich lediglich auf die Einhaltung des CO2-MAK-Wertes,  d.h. auf den Wert, der für den Menschen noch zuträglich ist, konzentriert und die Verträglichkeit der CO2-Menge für die Pflanzen außer Acht lässt.

Neben der Möglichkeit, die gewünschte CO2-Konzentration rechnerisch zu bestimmen, ist dem Gärtner im Allgemeinen zu raten, CO2-Messgeräte einzusetzen. Für Messgeräte spricht u. a. auch die Tatsache, dass die Luftwechselzahl (wie oft sich das Gewächshaus-Luftvolumen in einer Stunde austauscht) besonders in den gut  gedämmten  Gewächshäusern  sehr  niedrig  ist.  Bei  Windstille sind Werte unter 0,1 keine Seltenheit. Mit etwas Wind kann dieser Wert jedoch auch 0,5 betragen. Derart sich ändernde Luftverhältnisse machen ein rechnerisches Bestimmen des CO2-Gehaltes für empfindliche Kulturen unmöglich. Nur wenn das CO2 als Nebenprodukt der Heizung anfällt, die Pflanzenkultur den unteren CO2-Wert gut umsetzt und die Höchstkonzentration toleriert, kann auf ein Messgerät verzichtet werden. Bei einer wirtschaftlichen Betrachtung muss noch bedacht werden, dass CO2 zu Düngezwecken meist dann benötigt wird (am Tag), wenn es als Nebenprodukt der Heizung nicht bzw. nicht ausreichend zur Verfügung steht, da der entsprechende Heizwärmebedarf häufig nicht gleichzeitig anfällt. Da immer wachstumsabhängig dosiert werden sollte, ist die Kombination von Kessel-CO2-Anlagen mit Warmwasserspeichern zu empfehlen, die die Wärme zwischenspeichern.

Arbeitsschutz – Unfallverhütungsvorschrift Gewächshäuser

In den gartenbaulichen Unfallverhütungsvorschriften zur direkten Heizung im Gewächshaus werden die CO2–Anlagen gesondert betrachtet:

§9 Anlagen zur CO2-Anreicherung
Der Unternehmer muss sicherstellen, dass beim Betrieb von Anlagen zur CO2-Anreicherung in Gewächshäusern die maximalen Arbeitsplatzkonzentrationen (MAK-Werte) in der Gewächshausluft nicht überschritten werden. Durchführungsanweisung zu §9 Die maximale Arbeitsplatzkonzentration (achtstündige  Exposition/Tag) für CO2 beträgt 5.000 ppm. Auf TRGS 900, DIN 4793 „Gasbefeuerte Geräte für die CO2-Anreicherung der Raumluft in Gewächshäusern“ und das Arbeitsblatt G 633 „Anlagen zur CO2-Anreicherung in  Gewächshäusern“ des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches e. V. wird hingewiesen.

Der MAK-Wert (= maximale Arbeitsplatzkonzentration) definiert eine höchstzulässige Gasmenge am Arbeitsplatz, die zu keiner Gesundheitsgefährdung führt. Für CO2 ist dazuein Grenzwert von 5.000 ppm definiert. In Gewächshäusern stellt dieser Wert tagsüber selten ein Problem dar. Wenn in den Gewächshäusern gearbeitet wird, sind die angestrebten CO2-Konzentrationen bei einer pflanzenorientierten Zudosierung in der Regel unter 5.000  ppm.

Das Gewächshaus kann erhöhte CO2-Konzentrationen in der Regel nur nachts im Heizbetrieb aufweisen. Zu dieser Zeit finden üblicherweise keine Arbeiten im Gewächshaus  statt. Bei Gewächshäusern mit „Heizkanonen“, die auch am Tag höhere Konzentrationen als  5.000 ppm erzeugen können, ist eine CO2-geregelte Ablufteinrichtung in der Praxis üblich bzw. erforderlich. Real ist die Gefahr erhöhter CO2-Konzentrationen im laufenden Betrieb für die Pflanzen weitaus größer als für den Menschen.


CO2-Verbrauch im Gartenbau

Für die Wirtschaftlichkeitsberechnung ist neben der optimalen Dosierkonzentration auch der gesamte Jahresverbrauch wichtig:

  • Gemüsebau:150 - 200 kg CO2
  • Zierpflanzenbau: 25 kg CO2


Für die Umrechnung der CO2-Mengen von kg in m3 Erdgas  bzw. kg Flüssiggas hat sich folgende Zusammenstellung als hilfreich erwiesen:


spezifisches Gewicht CO2 = 1,977 kg/m3

1 kWh Erdgas ergibt 0,185 kg CO2 = 0,952 m3
1 m3 Erdgas-L ergibt 1,88 kg CO2
1 m3 Erdgas-H ergibt 2,11 kg CO2

1 kWh Propan ergibt 0,212 kg CO2 = 1,496 m3
1 kg Propan ergibt 2,96 kg CO2


Die CO2-Anreicherung wird in der Regel nur während der Wachstumszeit durchgeführt, d. h. wenn die anderen Wachstumsfaktoren, wie das Licht, ausreichend vorhanden sind. Bei offener Lüftung (bei Überschreiten einer eingestellten Innentemperatur) wird die künstliche CO2-Zufuhr gewöhnlich unterbrochen.


CO2-Quellen:CO2-Generator (-„Kanone“)

CO2-Generatoren sind sowohl  für Erdgas als auch für Propan geeignet. Der Installationsaufwand ist erheblich höher als bei Anlagen, die technisches CO2 dosieren. Der  Vorteil der CO2-Generatoren liegt jedoch im erheblich preiswerter produzierten CO2.

Die CO2-„Kanone ist in erster Linie ein Heizgerät und wird im Gartenbau auch mehr zum Heizen eingesetzt. Dabei fällt CO2 an. Allerdings muss die CO2-Menge auf einen pflanzenverträglichen Wert begrenzt werden. Für Gemüsepflanzen sind die anfallenden hohen CO2-Mengen oft akzeptabel. Zierpflanzen reagieren kritischer. Das DVGW-Arbeitsblatt G 633 ist auf den Heizbetrieb mit diesen „Kanonen“ abgestimmt.

Die Regelung erfolgt bei derartigen CO2-Generatoren nicht nach dem CO2-Gehalt, sondern nach der Raumtemperatur. Bei niedrigen Außentemperaturen steigt der Wärmebedarf stark an. Das Gerät arbeitet somit sehr lange und reichert das Gewächshaus neben der Wärme auch mit CO2 an. Für den Menschen darf ein CO2-Gehalt von 5.000 vpm (MAK-Wert) nicht überschritten werden (für Pflanzen gibt es jedoch ganz andere Verträglichkeitsgrenzen, dies gilt besonders für Zierpflanzen).

Um den MAK-Wert einzuhalten, gibt es zwei Möglichkeiten:

  • Heizleistung nach DVGW-Arbeitsblatt G633 auf 10 kW je 1.000  m2-Gewächshausvolumen begrenzen. Damit werden in Gewächshäusern 5.000 vpm CO2 nicht überschritten. Die Heizleistung reicht für nur ca. 4 °C Temperaturdifferenz.
  • Der CO2-Gehalt wird durch kurzzeitiges Erhöhen des Luftwechsels (Lüftung oder Ventilator gesteuert über CO2-Messgerät) gesenkt. Damit kann weiter geheizt und eine größere Temperaturerhöhung erreicht werden.

 

Sicherlich stellen diese Möglichkeiten nur Kompromisse dar. Die Luftheizung kann jedoch als sehr wirtschaftlich bezeichnet werden. Es treten keine Abgas- und Bereitschaftsverluste auf. Zu Zeiten ohne Kulturen in den Gewächshäusern kann die Raumtemperatur auch unter 0 °C  sinken, ohne Frostschäden anzurichten.

CO2-„Kanonen“  saugen  die  Verbrennungsluft  grundsätzlich von außen an. Damit sind Schäden durch Sauerstoffmangel stark reduziert. Andere Geräte, z.B. „Baustellenheizer“, erzeugen zu viel pflanzenunverträgliche Begleitgase und sollten nicht zur CO2-Düngung betrieben werden. Für höhere Heiztemperaturen sind echte Luftheizgeräte mit umschaltbarer Abgasführung zu empfehlen. In diesem Fall wird die CO2-Anreicherung/Umschaltung durch ein Mess- und Regelgerät überwacht.

CO2 aus Kesselabgasen

Abgase aus Heizkesseln, die etwa 10 % CO2 enthalten, können auch für die CO2-Anreicherung der Gewächhausluft genutzt werden. Allerdings ist ein besonderer messtechnischer Aufwand erforderlich, da neben der CO2-Messung und -Regelung auch eine CO-Überwachung erforderlich ist.

Nachteilig wirken sich die gegenüber anderen CO2-Anlagen relativ hohen Investitionen aus. Demgegenüber fällt das CO2 während des Heizens an und muss deshalb nicht extra bezahlt werden. Es kommt bei derartigen Anlagen also darauf an, dass der Brenner sich nicht so häufig abschaltet, d. h., er sollte auf möglichst kleiner Brennerstufe durchgehend gefahren werden können. Der höhere technische Installationsaufwand führt dazu, dass derartige Anlagen vor allem für größere Gärtnereien in Frage kommen.

Auch an diesen Anlagen muss die CO2-Konzentration im Gewächshaus den Bedürfnissen der Pflanzen regeltechnisch angepasst werden. Solche Anlagen sollten nur durch gartenbauerfahrene Heizungsbaufirmen installiert werden.

Die Abgase (mit ca. 10 % CO2) werden vor dem Schornstein durch ein zusätzliches Dosiergebläse abgesogen und mit Frischluft vermischt in die Gewächshäuser geblasen. Dazu sind Rohrverteilungssysteme (häufig PVC-Kanalrohre mit Löchern als Ausblasöffnungen versehen) installiert. Entsprechend kann eine gleichmäßige Verteilung für die gesamte Gewächshausanlage über ein CO2-Messgerät gesteuert erfolgen oder jedes Haus kann  einzeln mit separater Messeinrichtung über Motorklappen geregelt werden.

Überdruckgebläsebrenner sind von der Schadstoffbelastung her kritischer als atmosphärische Brenner. Die Gebläsebrenner werden auf einen möglichst hohen feuerungstechnischen Wirkungsgrad eingestellt. Damit befinden sie sich aber auch an der Grenze einer möglichen Schadstoffproduktion. Deshalb muss der Brenner bei Abgas-CO2-Anlagen besonders genau kontrolliert werden. Dabei sind 10 ppm CO im Abgas gegenüber üblichen < 100 ppm CO einzustellen. Wenn sich diese Einstellung  verändert, drohen Pflanzenschäden. Deshalb muss eine Fehleinstellung erkannt werden. Diese Kontrolle übernimmt ein CO-Messgerät.

Die Abgase werden in der Praxis nicht direkt hinter dem Kessel abgenommen, sondern erst in einem Abgaskondensator (Brennwertgerät) auf ca. 40 bis 50 °C abgekühlt. Die Wirtschaftlichkeit der Kessel-CO2-Dosierung wird durch den Einsatz von Wärmespeichern  (ca. 100.000 Liter) erheblich verbessert. Dabei wird die am Tag anfallende nicht nutzbare Wärme bei der CO2-Dosierung in einen Warmwasserspeicher gepumpt und in der folgenden  Nacht während des Wärmebedarfs wieder eingesetzt.'


Technisches CO2

Reines CO2 = „technisches CO2“ wird als Prozessgas von der Industrie in vielen Bereichen eingesetzt. Dieses CO2 ist sehr rein und kann deshalb problemlos im Gartenbau benutzt werden. Der Einsatz wird oft durch die meist höheren Kosten gegenüber den anderen CO2-Quellen, z.B. aus Erdgas, begrenzt.

Technisches CO2 wird für kleinere Abnahmemengen in 33-kg-Stahlflaschen oder Flaschenbündeln geliefert. Im Normalfall werden jedoch Hochdrucktanks zum Einsatz kommen.

Die Verteilung des CO2 in den Gewächshäusern gestaltet sich bei weitem einfacher als bei den anderen CO2-Quellen. Über Druckregelventile und einfache 1/2-Zoll- bis 1/8-Zoll-PE-Schläuche kann das CO2 in die Gewächshäuser geleitet werden. Einige wenige  Ausblasstellen (auf 1.000 m² ca. 4 - 6) können bereits eine gleichmäßige Verteilung sicherstellen.

Erdgas genießt im Gartenbau ein sehr positives Image, weil  damit  eine  sehr  unkomplizierte Betriebsweise und zusätzliche, pflanzenbauliche Vorteile durch die  CO2-Düngung möglich werden. Es liegen viele gärtnerische Untersuchungsberichte vor, diein Zusammenarbeit  der Erdgaswirtschaft und Gartenbauforschungseinrichtungen erstellt wurden. Über Informationsportale wie „Hortigate“ sind diese Daten verfügbar. Aber auch die  eine Übersicht der Gartenbau-Experten sowie Verbände und Institute bietet die Möglichkeit, mit den Fachleuten aus Beratung und Forschung direkt in Verbindung zu treten. Eine zentrale Koordinationsstelle stellt dabei auch das KTBL Darmstadt dar.