Die Brühtemperatur – das unbekannte Wesen

Einführung

Die meisten Espressi kommen optimal zur Geltung, wenn sie mit einer Temperatur von 90-94 Grad Celsius gebrüht werden, wobei reine Arabicas oft das obere Ende des genannten Temperaturfensters bevorzugen. Obwohl diese Rahmenbedingung seit Jahrzehnten bekannt ist, scheint es nur sehr wenige (und dann prompt unanständig teure) Maschinen zu geben, die beim Brühvorgang vom ersten bis zum letzten Tropfen einfach so auf Knopfdruck innerhalb dieses Fensters bleiben. Für die meisten Geräte muss man davon ausgehen, dass (wenn überhaupt) nur ein versierter Bediener (genannt Barista) mittels langwierig erübter Insider-Rituale diese „richtige“ Brühtemperatur der Espressomaschine zu entlocken weiß. Von Maschine zu Maschine differieren die benötigten Rituale selbstredend, so dass man anderen nie konkrete Tips, sondern immer nur vage Anhaltspunkte als Instruktionen anbieten kann. Wieso ist das eigentlich so kompliziert? Sind die Ingenieure etwa außerstande, eine Espressomaschine zu bauen, aus der man auch mit wenig Übung einen leckeren Shot ziehen kann? Was genau ist das Problem?

Diese oder ähnliche Fragen hat sich schon so mancher kopfschüttelnd gestellt, und weil die Antwort kompliziert ist, ist dieser Artikel lang. Sinngemäß steht Folgendes drin: Der Brühvorgang findet im Siebchen des Siebträgers statt, nachdem zuvor das Wasser mehr oder weniger siebfern in einem Boiler oder Wärmetauscher erhitzt wurde. Da für einen Espresso nur ein kleiner „Fingerhut“ voll Wasser benötigt wird, der aus dem Boiler „im Tröpfeltempo“ durch kupferne Rohre in die schwere Brühgruppe, durch die Dusche und dann erst zur Brühkammer fließt, müssten (man beachte den Konjunktiv) alle wasserführenden Teile gradgenau gleich heiß sein, damit die Kesseltemperatur auch unverändert im Brühsieb ankommt. Darüber hinaus ist es auch keineswegs trivial, das Kesselwasser permanent auf der gewünschten Temperatur zu halten.

Dieser Artikel soll einen Einblick in die bestehenden Schwierigkeiten bzw. gängige Lösungsansätze geben.

allgemeine Rahmenbedingungen

Wie erwähnt ist der Ort, an dem das Brühwasser erhitzt wird, nicht gleichzeitig Brühkammer. Daraus ergibt sich (Ausnahmen gibt´s natürlich auch), dass alle auf den Kessel folgenden Orte, welche vom Wasser beim Brühvorgang durchlaufen werden, kälter als Boiler bzw. Wärmetauscher (= HX) sind (da sie von dort ihre Wärme beziehen und diese dann an die Luft abstrahlen). Das heiße Wasser muss auf dem Weg zur Brühkammer also durch nicht ganz so heiße Rohre etc und gibt dabei Energie ab und wird kälter. Gleichzeitig nehmen Rohre, Dusche etc. diese Energie auf und erwärmen sich. Die Differenz zwischen Brühwassertemperatur (im Boiler / HX) und tatsächlicher Brühtemperatur wird als „Offset“ bezeichnet. Je geringer dieser Offset, desto komfortabler ist eine Maschine zu bedienen, denn: Zieht man unmittelbar nach dem Espresso einen zweiten, so sind die Wasserwege durch den vorangegangenen shot bereits erwärmt, der Offset ist geringer und der zweite Espresso wird mit höherer Temperatur gebrüht, woraus eine unerwünschte Unberechenbarkeit / Unbeständigkeit resultiert. Ist diese Unbeständigkeit nicht an anderer Stelle konstruktiv minimiert, so muss der Barista durch genau dosierte Leerbezüge für Konstanz sorgen, was zwar möglich, aber eben unkomfortabel ist. Bei dem weit verbreiteten Modell „Rancilio Silvia“ hat sich beispielsweise eine Boilertemperatur von 106-107 Grad Celsius als optimal erwiesen. Dies weist auf einen Offset von deutlich über 10 Grad Celsius hin, was sicher nicht mehr optimal ist. Die in letzter Zeit immer beliebteren Dualboiler-Maschinen mit e61-Brühgruppe kommen auf 8-9 Grad Offset. Die Spaziale Vivaldi mit Brühkopf und Boiler „am Stück“ kommt auf 3-4 Grad, und für Maschinen der Marke „La Marzocco“ finden sich Offset-Werte von 1,5-2,5 Grad. Dieser sehr geringe Offset ist nur durch einen sehr hohen konstruktiven Aufwand möglich („saturierte Brühgruppe“). Bei allen Geräten lässt sich der Offset durch einen Leerbezug vor dem Bezug noch vermindern.

Unmittelbaren Einfluss auf den Offset hat die Entfernung / Position von Brühkopf und Brühboiler / HX. Bildet der Kopf eine Einheit mit dem Boiler, so wird er automatisch auf eine ähnliche Temperatur erwärmt. Je größer nun aber ein Boiler ist, desto logischer ist es , diesen dann hinter den Brühkopf zu positionieren bzw. sogar schräg darunter (denn sonst sieht die Maschine aus wie ein Turm). Dann muss die Wärme über Behelfskonstruktionen zum Kopf transportiert werden. Üblich sind hier Thermosiphon, Wärmeleitblech, Ausstülpung des Boilers oder elektrische Beheizung der Brühgruppe.

Beim Boilerinhalt gilt logischerweise: Je größer die erhitzt vorgehaltene Wassermenge, desto geringer ist der kühlende Einfluss des beim Bezug nachströmenden Kaltwassers. Dies kann sich bei einem großen Wärmetauscher, dessen Inhalt durch lange Standzeit überhitzt ist, aber auch in einen Nachteil verkehren, weil man den HX dann nur noch durch ellenlange Leerbezüge abkühlen kann.

Als weiterer Faktor wird die Temperaturstabilität von der Masse der Brühgruppe bestimmt. Wenn 25-30ml Flüssigkeit für einen Espresso auf eine bis zu 3kg schwere Gastro-Gruppe treffen, dann ist klar, dass das Brühwasser auf die Temperatur der Gruppe gezogen wird und nicht umgekehrt. Dieser Faktor ist so bedeutend, dass eine richtig temperierte Brühgruppe sogar ein in Maßen falsch temperiertes Brühwasser ausgleichen kann. Umgekehrt gilt das nicht: Ist der Brühkopf deutlich zu kalt / heiß, wird der Espresso immer mißraten. Große Masse bedeutet aber auch, dass viel Oberfläche zur Wärmeabstrahlung vorhanden ist. Und da der Boiler Wärme an den Brühkopf nur in begrenzter Geschwindigkeit nachliefern kann (man denke an die lange Aufheizzeit), sind große, nicht isolierte, boilerferne Gruppen immer gleichzeitig Kandidaten für einen ungünstig hohen Offset.

Temperaturzonen

Temperaturzonen und Strömung im Boiler

Eigentlich ist das Wasser in so einem Kessel nie in Ruhe. Ist die Heizung gerade abgeschaltet, so kühlt das an den Boilerwänden befindliche Wasser aus und sinkt nach unten (weil kaltes Wasser schwerer ist als heißes). Gleichzeitig findet im Boilerinnern ein Hebungsvorgang statt, der durch Verdrängung am Kesselboden gespeist wird. Diese Zirkulation erfasst nur kurze Zeit den ganzen Kessel – irgendwann ist das Wasser am Boden so kalt, dass es nicht mehr an dem Kreislauf teilnimmt und abgekoppelt von diesem weiter abkühlt. Die Temperaturdifferenz zwischen höchster und tiefster Stelle kann durchaus 15-20 Grad betragen. Kleinere Kessel haben entsprechend eine kleinere Spreizung, größere müssen möglichst liegend eingebaut werden, um der immer größer werdenden Temperaturschichtung entgegenzuwirken. Schaltet sich nun die Heizung ein, so gerät diese Schichtung in unterschiedliche Temperaturzonen mit langsam fließenden Übergängen kräftig in Verwirbelung, weshalb sich nicht mehr steuern lässt, welche „Temperaturwolke“ gerade am Entnahmeröhrchen vorbeidriftet. Insbesondere, wenn gleichzeitig (wie bei jedem Bezug) die Pumpe kaltes Wasser in den Boiler befördert, kann man ohne Übertreibung von einer chaotischen Gesamtsituation sprechen. Man sieht: eine gradgenaue Kesselwasserentnahmetemperatur ist – ganz unabhängig von der Raffinesse der Steuerung – doch eher Wunschdenken. Es ist wahrscheinlich – das sollte dieser Abschnitt verdeutlichen – physikalisch gar nicht möglich, das gesamte erhitzte Wasser auf eine wirklich schmale Temperaturspanne zu bringen. An jedem Punkt im Reservoir herrschen sowohl im „statischen“ wie auch im dynamischen Zustand eigene Gesetzmäßigkeiten mit teils erheblich differierenden Meßwerten.

Temperaturzonen und Strömung im Wärmetauscher

Im Wärmetauscher herrschen andere Bedingungen als in einem Boiler: Wärme wird nicht über die Wände abgegeben, sondern aufgenommen. Da der „Lieferant“ der Wärme wiederum ein umhüllender Kessel ist (für den vieles des in 2.1 Gesagten gilt) bekommt der HX seine Wärme schon geschichtet angeliefert. Da er auch keine eigene Heizung hat, ist im HX die Verwirbelung geringer bzw. die Schichtung stabiler, d.h. die Entnahmetemperatur wäre eigentlich reproduzierbarer. Wäre. Denn der Dampfkessel, der die Hitze liefert, ist im Betrieb meist um 120 Grad Celsius heiß. Der darin liegende Wärmetauscher (den man sich als ein schräg oder senkrecht von unten nach oben verlaufendes Rohr mit ca. 150-400ml Volumen vorstellen kann) ist also zumindest im oberen Bereich, wo das Brühwasser entnommen wird, vor allem nach längeren Standzeiten viel zu heiß. Viele HX-Maschinen haben auch deshalb ein so genanntes „Thermosyphon“-System, welches Wärme aus dem HX an den Brühkopf abführt und die Überhitzung verzögert oder ganz vermeidet. Auch durch einen Leerbezug vor dem eigentlichen Bezug kann man sowohl das überhitzte Wasser ablassen alsauch tiefer gelegene, kältere Wasserschichten nach oben zum Entnahmeröhrchen heben. Dieser Kompensationsvorgang erfordert jedoch etwas Übung – wer sich hier autodidaktisch einarbeiten will (und des Englischen mächtig ist), sei auf den Artikel „How I Stopped Worrying and Learned to Love HXs“ von Dan Kehn verwiesen ( http://www.home-barista.com/hx-love.html ). Salopp kann man sagen: Obwohl dem Laien sofort einleuchtet, dass es nicht gut funktionieren kann, wenn man zu kaltes Wasser in eine zu heiße Kammer einspritzt, auf dass es mit genau der richtigen Temperatur wieder herauskommt, geht es in der Praxis erstaunlicherweise dann doch. Jedenfalls halbwegs.

Messung und Regelung der Temperatur

Nach all den Betrachtungen über kriechende Hitzewallungen und wirbelnde Wasserwolken haben wir noch gar nicht darüber gesprochen, wie das Wasser überhaupt auf Temperatur kommt. Als ob es da keine Hindernisse und Falltüren gäbe!

Bekannt dürfte sein, dass in den meisten Kesseln ein elektrischer Heizstab steckt, der das Kesselwasser erwärmt, sobald die Maschine eingeschaltet wird. Erreicht das Wasser nun die gewünschte Brühtemperatur plus Offset, so sollte die Heizung vernünftigerweise automatisch abgeschaltet werden. Würde man jetzt die Temperatur überwachen, so müsste man mit ansehen, wie diese dennoch einige Sekunden weiter steigt – die aus Metall bestehende Heizschleife gibt auch nach dem Abschalten noch etwas Energie ans Kesselwasser ab und sorgt dadurch für den so genannten „Überschwinger“, der nicht selten 6-8 Grad beträgt. Dann fällt die Temperatur wieder, bis sie den Einschaltpunkt erreicht, um erneut an der Wunschtemperatur vorbeizuheizen.

Alle Zweipunktregler arbeiten nach diesem Prinzip. Es gibt einen unteren Temperaturwert, unterhalb dessen die Heizung immer an ist. Es gibt einen oberen Wert, oberhalb dessen sie immer aus ist. Und es gibt ein Band dazwischen, in dem die Heizung ihren Ist-Zustand beibehält. Geht sie von oben in dieses Temperaturfenster, bleibt sie aus, kommt sie von unten, bleibt sie an. Dieses Band heißt Hysterese. Billige Bimetall-Temperaturschalter, wie sie an so genannten „Einsteigermaschinen“ verbaut werden, haben eine Hysterese von 10 Grad Celsius. Rechnet man den Überschwinger hinzu, kommt man auf eine Schwankungsbreite von insgesamt fast 20 Grad.

Es gibt bessere Konstruktionen aus Kapillarfühler und regelbarem Drehregler, die einerseits mit einer Hysterese von gelegentlich nur 3 Grad punkten, andererseits auch durch ihre Verstellbarkeit Anpassungen zulassen. Aber auch hier nervt der Überschwinger. Die Königsklasse der Temperaturregler bilden momentan sogenannte PID-Regler, die durch intelligente Programmierung in der Lage sind, das Kesselwasser zumindest am Messpunkt auf mindestens 1 Grad genau zu halten. Da sie die Heizimpulse dosieren, sind sie den Zweipunktreglern in Punkto Geschwindigkeit aber unterlegen.

Allen Reglern gemein ist, dass sie bestenfalls zum Bezugsstart eine konstante Temperatur bereitstellen können. Während des Bezuges kann kein bezahlbarer Regler mehr für gleichbleibende Temperaturen im Kessel sorgen. Dies geht schon allein aufgrund der trägen Heizung nicht.

Bei Zweikreisern wird nur der Dampfkessel aktiv beheizt. Die Schaltung erfolgt über einen so genannten „Pressostaten“. Dieser überwacht den Kesselüberdruck, welcher meist bei rund 1 Bar liegt. Die Hysterese eines Pressostaten liegt bei 0,1 bis 0,2 Bar, was einer Temperaturschwankung von etwa 2-3 Grad entspricht. Da es bei den großen Kesseln der Zweikreiser kaum Überschwinger gibt und sich die genannte Hysterese nicht eins zu eins im Wärmetauscher abbildet, gibt es beim Zweikreiser keine Probleme mit wild oszillierenden Temperaturen.

Sonderkonstruktionen

Durchlauferhitzer

Beim Durchlauferhitzer oder Thermoblock führt ein Röhrchen durch einen Metallblock (meist Aluminium). Eingegossen in den Block ist ein Heizstab, die Temperaturregelung erfolgt über einen aufgeschraubten Bimetallschalter. Das System reagiert träge auf temperaturrelevante Ereignisse (weil es kein zirkulierendes Kesselwasser zum schnellen Wärmetransport beinhaltet); aus diesem Grund ist eine PID-Regelung möglicherweise nicht sinnvoll zu bewerkstelligen. Ohne auf Messungen zurückgreifen zu können, sprechen theoretische Erwägungen und praktische Beobachtungen (z.B. die Neigung zu frühem „blondieren“ des Bezugsstrahls) dafür, dass Thermoblock-Maschinen mit fallender Temperatur brühen, d.h. der erste Tropfen ist der heißeste, der letzte der kälteste. In der Praxis hat es sich bewährt, diese Einschränkung der Temperaturstabilität durch Espressomischungen mit mittlerem Robusta-Anteil (ca. 20-40%) zu kompensieren, da diese weniger kälteempfindlich sind. Mit solchen oft liebevoll-spöttisch als „Barschlampen“ bezeichneten Röstungen sind auch mit Thermoblock-Maschinen ausgezeichnete Espressi möglich.

Handhebelmaschinen

Die meisten Handhebelmaschinen (auch Gastronomie-Ausführungen) haben nur einen Kessel, der permanent per Pressostat auf Dampftemperatur gehalten wird. Es gibt keinen Wärmetauscher, keinen Brühboiler und oft auch kein Thermosiphon. Das (mehr als kochend) heiße Wasser schießt beim Bezug durch den Kesseldruck in eine Vorbrühkammer, die (da kesselfern) deutlich kühler ist als der Dampfkessel und dadurch das Wasser auf Brühtemperatur bringt. Bei diesen Maschinen ist also ein konstant hoher Offset Grundbedingung für ein gutes Ergebnis und daher konstruktiv gewollt. Es wird also alles eingesetzt, was eigentlich Minuspunkte bringt: Verschwenderisch viel Metall, nicht isoliert, kesselfern und mit großer Abstrahlfläche soll für konstant exakte Bezugstemperatur sorgen. In der Praxis funktioniert es bei großen Gastronomie-Maschinen meist einwandfrei, kleine Haushaltshebler neigen zum Überhitzen nach mehreren Bezügen (wie bereits ganz am Anfang geschrieben, schmilzt der Offset durch Bezüge oder Leerbezüge, was hier aber ungewollte Folgen hat) und müssen vor Weiterbenutzung durch Ausschalten oder andere Tricks gekühlt werden.

Fazit

Wie soll man diesen Artikel zusammenfassen? Vielleicht so:

Wer einen Godshot in der Tasse hat, soll sich einfach freuen. Die Anderen lesen Kaffeewiki und Kaffee-Netz und probieren´s noch einmal.