Brennstoffzelle



Das Brennstoffzellen-Heizgerät Verantwortung übernehmen: Das Vaillant Brennstoffzellen-Heizgerät ist ein aktiver Beitrag zum Klimaschutz

Keine Frage, unser Klima ist in Gefahr und die Erde erwärmt sich bedrohlich schnell. Wer heute Energie verbraucht, verursacht auch das Treibhausgas Kohlendioxid (CO2). Neue innovative Lösungen sind erforderlich. Vaillant entwickelt sie jetzt: das Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH), das bis zu 50% weniger CO2 erzeugt und etwa 25% weniger Primärenergie benötigt, um im Vergleich zu heutiger Technik die gleiche Menge an Heizwärme und elektrischem Strom in einem Mehrfamilienhaus bereitzustellen. Das BZH wird an das Erdgasnetz angeschlossen und setzt damit auf einen umweltschonenden Energieträger. Ein Reformer im BZH wandelt das Erdgas zu Wasserstoff um, der in der Brennstoffzelle mit Luftsauerstoff bei einer geräuschlos ablaufenden "kalten Verbrennung" zu reinem Wasser reagiert. Dabei erzeugt die Brennstoffzelle Gleichstrom und Wärme. Beides wird unmittelbar im Gebäude genutzt; damit bringt Vaillant die Kraft-Wärme-Kopplung in jeden Heizungskeller.

Plus und Minus Das Kernstück des Vaillant Brennstoffzellen-Heizgerätes ist die PEM*-Zelle, in der elektrochemisch Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 zu reinem Wasser H2O reagieren
An der Anode gibt der Wasserstoff seine Elektronen ab, durchdringt die Elektrolytmembran und reagiert auf der Kathodenseite mit dem Sauerstoff zu Wasser. Bei dieser still ablaufenden Reaktion werden Elektronen ausgetauscht. Die Elektrolytmembran ist nur für die Wasserstoff-Protonen H+ durchlässig und zwingt so die Elektronen, den Umweg über den Stromkreislauf zu nehmen: Strom fließt. Gleichzeitig wird Wärme frei, die vorteilhaft zur Brauchwassererwärmung und zu Heizzwecken genutzt werden kann. *PEM = Proton Exchange Membran, protonenleitende Elektrolytmembran

Entwicklungserfolge bis 2001 Reduzierung der Baugröße um 50% in einem Jahr
Neben höchster Produktqualität ist oberstes Ziel Kostenreduzierung. Zusätzlich zur planbaren Kostenreduzierung über Serienstückzahlen muss in der frühen Entwicklungsphase dieses Ziel vor allem durch kompakteres Design und die Vereinfachung der Systemkomplexität erreicht werden. Ein äußerlich sichtbares Zeichen dieser Entwicklungsfortschritte ist die Systemgröße. Seit Mai 2000 konnte eine Halbierung des Volumens und des Gewichts erreicht werden.

Ökologie und Ökonomie im Einklang Die Schlüsseltechnologie Brennstoffzelle verbindet ökologische Vorteile mit neuen ökonomischen Chancen
Sie sichert und schafft Arbeitsplätze im Handwerk, sowie in der Energie- und der Wohnungswirtschaft, in Entwicklung, Produktion, Betrieb und Service. Wohnungsbauunternehmen können ihre Energiekosten spürbar entlasten und damit die Vermietbarkeit ihres Immobilienbestandes verbessern. Energieversorgern eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten: Spitzenstromerzeugung mit BZH spart teure Reservekapazitäten. Die dezentrale Erzeugung optimiert die Stromverteilung und vermindert die Verteilverluste im Netz. Da die Stromproduktion in zahlreichen Kleinanlagen erfolgt und nicht in wenigen Großkraftwerken, erhöhen BZHs auch die Versorgungssicherheit.

Technische Daten Das BZH ist konzipiert für mittlere bis größere Mehrfamilienhäuser oder für kleine Gewerbebetriebe
Elektrische Leistung: 1 - 4,6 kWel netzparallel Thermische Leistung: 1,5 - 7 kWth plus ca. 25-50kWth Elektrischer Netz-Wirkungsgrad > 35 % Gesamtwirkungsgrad > 80 % Brennstoff: Erdgas Lebensdauer des Systems: 15 Jahre, 80.000h Wartungsintervall: alle 2 Jahre (Inspektion jedes Jahr) Vor-/ Rücklauftemperatur max. 70 / 55 °C

Erprobung im Labor und Feldtestprogramm Vaillant arbeitet in enger Kooperation mit seinem Partner Plug Power an der Optimierung des Brennstoffzellen-Heizgeräts
Oberstes Ziel ist es, ein qualitativ hochwertiges und langlebiges Produkt mit höchster Zuverlässigkeit anbieten zu können. Hier geht Qualität vor Schnelligkeit. In den Labors bei Plug Power (Latham, N.Y) und bei Vaillant in Remscheid werden ständig mehrere Prototypen unter wirklichkeitsnaher Verbrauchssituation getestet. Bis Anfang 2001 lagen kumuliert über 140.000 Stunden Betriebserfahrung mit Niederdruck-PEM-Systemen vor. Der erstmalige Test mehrerer BZHs in Wohnhäusern ist für die zweite Jahreshälfte 2001 geplant. Anschließend erfolgt ein Test mit über 50 Systemen, die erstmalig als Virtuelles Kraftwerk zusammengeschlossen werden.
	Reformerprüfstand bei Plug Power in Latham, USA

Qualität vor Schnelligkeit Vaillant hat als erster Heiztechnik-Hersteller die Wichtigkeit der Brennstoffzelle erkannt
Über 400 hochqualifizierte Experten arbeiten bei Vaillant und seinem Partner Plug Power an der Entwicklung der neuen Technik. Als renommierter Serienproduzent mit über 125jähriger Kompetenz kennt Vaillant die Bedeutung des letzten und vielleicht wichtigsten Entwicklungsschritts: Der Übergang von der Einzel- zur Serienfertigung. Für Vaillant zählt dabei vor allem eines: Höchste Qualität vor Schnelligkeit. Vaillant wird über 400 Testanlagen in den nächsten Jahren europaweit erproben. Erst wenn alle Tests zur vollen Zufriedenheit abgeschlossen sind, wird mit der Serienproduktion begonnen, die nach derzeitigem Entwicklungsstand für 2004 geplant ist. Mit dieser Philosophie wird Vaillant auch für das BZH Alltagstauglichkeit und zuverlässigen Betrieb sicherstellen.

Das Zeolith-Heizgerät ...ist eine gasbetriebene Adsorptionswärmepumpe mit einem mittleren Jahresnutzungsgrad von 135 %. Vaillant entwickelt gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Technische Thermodynamik der RWTH Aachen die nächste Gasgerätegeneration nach Brennwert.

Forschung bei Vaillant: Gasheiztechnik mit einem Wirkungsgrad von 135 %
Das Zeolith-Heizgerät ist eine Wärmepumpe, die mit Erdgas betrieben wird. Im Jahresdurchschitt wird die Energie zur Heizung und Warmwasserbereitung zu 75 % aus der Verbrennung gewonnen. Weitere 25 % kommen aus der Umwelt - kostenlos. Der Jahresnutzungsgrad der Zeolith- Heizgeräte liegt damit fast 30 % (abs.) über dem von Brennwertgeräten. Die Steigerung im Vergleich zu Niedertemperaturkesseln liegt sogar bei rund 40 % (abs.). Mehr Infos: fon +49 (0) 180 5 99 92 10 info@vaillant.de

Schonung der Umwelt
Vaillant entwickelt gemeinsam mit der RWTH Aachen eine Gas-Wärmepumpe. Das Stoffsystem dieser Adsorptionswärmepumpe ist Wasser (Kältemittel) und Zeolith (Sorptionsmittel). Im Gegensatz zu den sonst üblichen Kältemitteln (HFKW, Ammoniak, Propan) sind diese Stoffe völlig umweltverträglich. Zeolith wird seit Beginn der achziger Jahre als Ersatz für Polyphosphate in Waschmitteln eingesetzt. Damit wurde ein entscheidender Schritt zur Regeneration unserer Umwelt getan. Etwa ein Drittel der Energie in der Bundesrepublik Deutschland wird zur Beheizung und Wassererwärmung in privaten Haushalten verbraucht. Ein erheblicher Anteil dieser Wärme wird in Brennwertgeräten oder konventionellen Feuerungen erzeugt. Die Gas-Wärmepumpentechnik ermöglicht eine Minderung des Energieverbrauchs und damit eine Verringerung des CO2 -Ausstoßes dieser Anlagen um 20 bis 30 %. Zeolith: · Keramischer Grundwerkstoff aus AlO2 und SiO2 · ungiftig, nicht brennbar · in jeder Hinsicht umweltverträglich · thermisch stabil bis mind. 600 °C · Einsatz in > Waschmitteln (ca. 2 Mio t /a) > Katalysatoren (ca. 100.000 t / a) > Adsorbern (ca 80.000 t / a) · Herstellungsform: Granulat, Stäbchen, Pulver

Wärmepumpentechnik
Wärme kann nicht von selbst von einem kälteren auf einen wärmeren Körper übergehen (R. Clausius, 2. Hauptsatz der Thermodynamik). Will man "kalte" Energie aus der Umwelt zu Heizzwecken nutzen, so muß das Temperaturniveau dieser Energie angehoben werden. Nach den Regeln der Thermodynamik ist hierzu ein drittes, höheres Temperatur- oder Energieniveau erforderlich. Für diese Maschinen zum Transport von Wärme hat G.Flügel 1920 den Begriff "Wärmepumpen" geprägt. Die gebräuchlichsten Wärmepumpen besitzen elektrisch angetriebene Verdichter. Das Kältemittel ist meist ein HFKW, seltener Propan oder Ammoniak. Größte Verbreitung haben diese Anlagen in der Schweiz, Österreich und Skandinavien gefunden. Eine viel geringere Verbreitung besitzen die Absorptionsmaschinen. Hier hat sich nur das Stoffsystem Ammoniak / Wasser durchsetzen können. Sie dienen meist zur Klimatisierung großer Gebäude. Eine weitere Anwendung dieser Technik ist der stromlose Campingkühlschrank. Die Adsorptionsmaschinen arbeiten zumeist mit dem Stoffsystem Silicagel / Wasser. Sie werden vereinzelt zur Klimatisierung eingesetzt. Im Forschungsprojekt "Zeolith-Heizgerät" werden Adsorptionswärme- pumpen zur Wohnraumheizung und Brauchwassererwärmung entwickelt. Das Sorptionsmittel ist Zeolith, das Kältemittel ist Wasser.

Funktionsprinzip des Zeolith-Moduls
Das Herzstück des Zeolith-Heizgerätes von Vaillant sind zwei Wärmepumpenmodule. In ihrem oberen Teil befindet sich das Adsorptionsmittel Zeolith. Es ist aufgebracht auf einem Wärmetauscher (Adsorber / Desorber). Unten befindet sich ein weiterer Wärmetauscher (Kondensator / Verdampfer), als Kältemittel ist Wasser enthalten. Das Modul ist hermetisch verschlossen und arbeitet im Unterdruck bei 5 bis 200 mbar. Der Sorptionsprozeß in den Modulen läuft in zwei Schritten ab: Im ersten Teilschritt wird der Zeolith mit Hilfe eines Gasbrenners auf 200 °C erwärmt. Dabei desorbiert das Wasser und strömt als Dampf in den unteren Teil des Moduls. Hier kondensiert der Dampf und gibt dabei seine Kondensationswärme ab. Dieser Schritt ist beendet, wenn der Zeolith trocken ist und sich das gesamte Wasser im unteren Teil des Moduls befindet. Nun wird der Brenner ausgeschaltet und das Modul kühlt unter Umgebungstemperatur ab. Das Wasser verdampft nun unten im Modul mit Hilfe von kostenloser Umgebungswärme. Der Dampf strömt in den oberen Teil des Moduls und wird dort vom Zeolith adsorbiert, die dabei frei werdende Adsorptionswärme wird ebenfalls genutzt. Wenn das Wasser vollständig verdampft ist, beginnt der Prozeß erneut.

Funktion des Zeolith-Heizgerätes
Links im Bild sind die Heizungsanlage (HZ) und der Warmwasserspeicher (WW) abgebildet. Sie werden durch die drei Wärmetauscher WT 1, WT 2 und WT 3 beheizt, die im Schema schwarz dargestellt sind. Mit Hilfe von Umweltwärme wird im rechten Modul das Kältemittel verdampft und anschließend im Zeolith adsorbiert. Die Adsorptionswärme wird an den Primärkreis abgegeben. Im linken Modul wird das Kältemittel aus dem Zeolith desorbiert und anschließend kondensiert. Die Energie zur Desorption kommt aus dem Primärkreis. Die Kondensationswärme wird im WT 1 an das Heizungssystem abgegeben. Adsorber und Desorber sind im Primärkreis hydraulisch miteinander verbunden. Zwischen dem Desorber und dem Adsorber wird im WT 2 Energie aus dem Primärkreis an das Heiznetz abgegeben. Hinter dem Adsorber wird der Wärmeträger in diesem Kreis durch einen Gasbrenner aufgeheizt für die Desorption. Die restliche Wärme aus dem Abgas wird in WT 3 an das Heizsystem übertragen. Damit ist eine optimale Energieausnutzung sichergestellt.	Im Zeolith-Heizgerät sind die Module zu einer funktionierenden Einheit mit Brenner, Wärmetauschern, Hydraulik und Regelung verschaltet.

Entwicklungsziele und Produktmerkmale
Einsatz im Einfamilienhaus Vorlauftemperatur: 20 bis 75 °C Heizleistung: 10 kW, später 5 bis 25 kW Abmessung : 1610 x 615 x 590 Wartung: alle 2 Jahre (Inspektion jährlich) Wir entwickeln für Sie ein Heizgerät mit hohem Wirkungsgrad von 135 % Umwelt- und ressourcenschonender Technik dem umweltverträglichen Arbeitsstoff Zeolith Wasser als Kältemittel - Alternative zu Ammoniak oder HFKW's bekannter Gas- Brennwerttechnik sicherer, robuster und geräuscharmer Modul-Technologie niedrigen Verbrauchskosten