Schiff ohne Steuermann - braucht die moderne Holzheizung die Lambdasonde?

Würden Sie sich heute ein Auto ohne Lambda-Sonde zulegen? Am niedrigen Kraftstoffverbrauch moderner Verbrennungsmotoren sind diese Abgasschnüffler maßgeblich beteiligt. Zu diesen Messzellen gibt es auch bei deren Einsatz zum Regeln komplex ablaufender Holzverbrennungsprozesse  in modernen Holzheizanlagen keine Alternative.

Eine Holzheizung ohne Lambdasonde ist wie ein Schiff ohne Steuermann, ein Fernsehen ohne Fernbedienung, ein Fahrrad ohne Gangschaltung, ...

Optimal verbrennt ein Brennstoff, wenn der in ihm enthaltene Kohlenstoff 100%ig  zu CO2 reagieren würde. Erdgas und Öl sind sehr spezifizierte Brennstoffe mit stets gleichen Eigenschaften. Ist deren Brenner einmal  korrekt eingestellt, verbrennt der Kohlenstoff bis zur nächsten Heizungswartung optimal.

Bei Holz funktioniert das leider nicht ganz so einfach. Selbst bei genormten Holzpellets führt deren Eigenschaftenstreuung aber auch das Problem der kontinuierlichen Mengendosierung in die Brennkammer zu schwankenden Verbrennungsabläufen. Die Schadstoffemissionen sowie die Abgasverluste schwanken und sind meist nicht minimal. Da fehlt die gute Seele, die in Kenntnis des Restsauerstoffs im Abgas permanent und quasi verzögerungsfrei dem Holz die optimale Primär- und Sekundärluftmenge zur Verbrennung beimischt.

Diese Aufgabe kann aber auch, in Verbindung mit ein wenig Regelungstechnik, die Lambdasonde übernehmen. In Abhängigkeit vom Restsauerstoffgehalt im Abgas erzeugt die Sonde permanent und verzögerungsfrei  eine elektrische Spannung, die intelligente Elektronik auswertet und augenblicklich in Befehle an Lüftermotoren oder Servolüfterklappen umsetzt. Diesen komplizierten und spontanen Regelungsvorgang auszuführen, ist der in manchen Holzheizungen lediglich verwendete Abgastemperaturfühler nicht in der Lage. Dieser gibt nur Aufschluss darüber, ob Feuer im Kessel und wie stark die Verbrennung ist. Die Abgastemperatur ist kein Maß für die Qualität der Verbrennung. Hierzu bedarf es unabdingbar einer spezialisierten Messzelle wie der Lambda-Sonde.

Natürlich gibt es Holz(-pellet-)heizungen, die auch ohne Lambdasonde mit hohen Wirkungsgraden werben. Hier muss aber angemerkt werden, dass deren Prüfstandsmessungen mit saubersten Kesseln und optimalen Brennstoffeigenschaften, im Alltagsbetrieb der Kesselanlagen kaum nachvollziehbar sind. Natürlich regeln alle Pelletsheizungen von  Biotech serienmäßig mit Lambdasonde. Auch der Holzvergaser BMK (Biomassekonverter) von Guntamatic regelt mit Hilfe einer Lambda-Sonde zwei Servomotoren für die Luftbeimischung und das Saugzuggebläse. Das Ergebnis: Wirkungsgrad bis 95% trotz wechselnder Brennstoffformen (Stückholz, Pellets, Industriepellets, Hackgut, ...)

Funktion der Lambda-Sonde

Die Lambda-Sonde misst permanent und verzögerungsfrei, genau und über Jahre zuverlässig den Sauerstoffanteils im Abgas. Der ermittelte Messwert gibt an, wie vollständig bzw. unvollständig das Holz in der Reaktionszone des Heizkessels verbrennt. Die Lambda-Sonde ermittelt die Sauerstoffkonzentration durch eine vergleichende Sauerstoffmessung: Der Sauerstoffgehalt der Außenluft wird mit dem Restsauerstoff im Abgas verglichen. Schwankt die Differenz, so entsteht an den Elektroden eine elektrische Spannung, die sich im Millivoltbereich bewegt. Diese Unterschiede werden über ein Spannungssignal an das Steuergerät weitergegeben. Das Steuergerät korrigiert dann Lüfterleistung und Luftklappeneinstellung entsprechend. 

Das Verhältnis der tatsächlich zugeführten Luftmenge zum theoretischen Luftbedarf wird als Luftzahl oder Lambdawert bezeichnet.
λ = 1 heißt also, dass die zugeführte Luftmenge dem theoretischen Luftbedarf entspricht.

Die Lambdasonde besteht im Wesentlichen aus einem Spezialkeramikkörper, dessen Oberflächen mit gasdurchlässigen Platinelektroden versehen sind. Der Festelektrolyt ist in einem Stahlgehäuse eingebracht. Der äußere Teil des Keramikkörpers befindet sich im Abgasstrom, der innere Teil steht mit der Außenluft in Verbindung. Die Wirkung der Sonde beruht auf zweierlei physikalischen Faktoren:

• Zum einen ist das keramische Material porös und lässt so eine Diffusion des Luftsauerstoffs zu,
• zum anderen wird die Keramik bei Temperaturen von ca. 300° leitend.

Die herkömmliche  Lambdasonde arbeitet im Prinzip wie ein Galvanisches Element, nur dass sie keinen flüssigen sondern einen festen Elektrolyten, nämlich Zirkondioxyd (ZrO₂), besitzt. Dieser Keramikelektrolyt lässt ab 300°C Sauerstoffionen durch, sperrt jedoch gegen Durchlass für Elektronen. Die Sauerstoffionen wandern von innen (Außenluft) nach außen (Abgas), weil im Abgas eine geringere Konzentration (geringerer Partialdruck) von Sauerstoff besteht (Ausgleichsbestreben! - Gesetz von Dalton). Die vorher abgestreiften Elektronen (die ja nicht durch den Elektrolyten hindurch können), werden von einer elektrisch leitenden Schicht aufgefangen. So bildet sich auf der Innenseite der Sonde ein Elektronenüberschuss und auf der Außenseite, wo die Sauerstoffionen ankommen, ein Elektronenmangel, also insgesamt eine elektrische Spannung. Diese wird über Leitungen zur Auswertung zum Steuergerät geleitet.

Die Ionenwanderung verursacht ein sprunghaften Anstieg der Sondenspannung. Dieser Spannungssprung wird zur Lambdaregelung benutzt. Übrigens bezeichnet man solche Sonden auch als Spannungssprungsonden.

Um die Sonde nach dem Brennerstart schnell auf Betriebstemperatur zu bringen, werden beheizte Sonden eingesetzt. Diese weisen nicht nur einen, sondern drei bzw. vier elektrische Anschlüsse auf. Bei Sonden mit drei elektrischen Anschlüssen wird die Masse für das Heizelement herausgeführt. Bei Sonden mit vier Anschlüssen sind Signalmasse und Heizelementmasse getrennt. Dadurch werden Störungen vermieden, die durch Korrosion und Dichtungen an den Masseverbindungen auftreten können.