IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 22/2000, Seite 54 ff.


REPORT


Workshop:

Brennstoffzelle - Energiezentrale in der Haustechnik

Im Rahmen des diesjährigen Landesverbandstags des SHK-Fachverbands Niedersachsen fand ein Workshop zum Thema Brennstoffzellen statt. Referent war Dipl.-Ing. Kai Klinder, Vaillant-Produktmanager des Entwicklungsprojekts "Brennstoffzellen-Heizgerät". Die Zusammenfassung seines Vortrags können Sie im nachfolgenden Beitrag lesen.

Nach Schätzungen von Experten verheizt die Menschheit in jedem Jahr soviel Brennstoff, wie die Natur zuvor mittels Sonneneinstrahlung und Fotosynthese im Laufe von jeweils einer Million Jahren angespart hat. Ein äußerst problematischer Nebeneffekt des enormen fossilen Energieverbrauchs ist die globale Treibhausgas-Emission. Keiner kann die daraus resultierenden Folgen absehen. Klimaforscher mahnen dringend eine Viertelung dieser Emissionen an. Neue, emissionsarme Technologien sind also notwendig.

Die kontrollierte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in Brennstoffzellen gilt als die Schlüsseltechnologie für die Energieversorgung im 21. Jahrhundert. In wenigen Jahren wird es Brennstoffzellen in Autos, in Computern, wahrscheinlich sogar in Armbanduhren und natürlich auch in der Haus- und Heizungstechnik geben. Die grundlegende Technik ist vorhanden. Kopfzerbrechen bereitet lediglich der Übergang in die neue Technik-Ära.

Brennstoffzellen-Heizgerät.

Im Prinzip einfach . . .

Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle ist relativ einfach. Es handelt sich um einen elektrochemischen Prozess, der einer umgekehrten Elektrolyse entspricht und - vereinfacht ausgedrückt - Wasserstoff und Sauerstoff getrennt durch eine für positiv geladene Wasserstoffprotonen durchlässige Wand (den Elektrolyten) kontrolliert reagieren lässt. An der Anode bewirken katalytische Oberflächen eine Herauslösung von Elektronen aus den Wasserstoffmolekülen. Diese Elektronen gelangen über einen Stromleiter zur anderen Seite und ionisieren dort unter Einfluss katalytischer Schichten die Sauerstoffatome. Diese reagieren anschließend mit den Wasserstoffprotonen zu reinem Wasser.

Die Elektronenbewegung kann als elektrischer Gleichstrom nutzbar gemacht werden. Zusätzlich entsteht aus der Reaktion Wärme, die zu Heizzwecken genutzt werden kann.

Heiztechnikhersteller Vaillant hat sich für die PEM-Brennstoffzelle (Protonen Exchange Membran), einen Niedertemperatur-Brennstoffzellentyp entschieden. Sie kann mit Temperaturen bis 80C betrieben werden und bietet damit die Möglichkeit zum Einsatz preiswerter Werkstoffe bei einem für die häusliche Anwendung ausreichendem Temperaturniveau. PEM-Zellen benötigen ein reines, CO-freies Wasserstoffgas, welches in einem vorgeschalteten Reformer aus Erdgas erzeugt werden kann.

Vaillant Brennstoffzellen-Heizgerät: Prozessflussdiagramm.

Aufbau des Brennstoffzellen-Heizgerätes

Das System besteht im Wesentlichen aus den Hauptkomponenten:

Die entwicklungstechnischen Herausforderungen liegen im Wesentlichen beim Fuel Processor und bei der Systemgestaltung. Das Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH) wird mit Erdgas betrieben. Vor dem Eintritt in den Reformer müssen deshalb zunächst die schwefelhaltigen Bestandteile, die überwiegend als Odoriermittel vorliegen, aus dem Erdgas entfernt werden, um eine Schädigung der Katalysatoren in der Brennstoffzelle zu vermeiden.

Funktionsprinzip der Brennstoffzellen-Technik.

Dem Reformer werden Erdgas, Wasserdampf und Luft unter Druck zugeführt und dort zu wasserstoffreichen Gas reformiert. Nach einer Prozessgasbefeuchtung strömt das Gas die Anoden der einzelnen Brennstoffzellen an. Wie bereits beschrieben, reagieren Wasserstoff und Sauerstoff und produzieren dabei elektrische Energie und Wärme. Da der Strom in Form von Gleichstrom anfällt, muss er im Inverter in netzgerechte 230 V/50 Hz Wechselspannung umgewandelt werden. Die frei werdende Wärme geht über den Abgasstrom und den Brennstoffzellenkühlkreislauf in den Heizkreislauf. Da speziell bei modulierender Betriebsweise die Brennstoffzelle nicht das gesamte ihr zugeführte Brenngas umsetzt, wird der Restwasserstoff aus dem Abgas in einem katalytischen Nachbrenner vollständig verbrannt. Die Wärme dieses Abgasstromes wird in einem Wärmetauscher zum Beheizen der Eingangsstoffströme in den Reformer verwendet.

Um hohen Wärmeanforderungen - z.B. im Winter - gerecht zu werden, deckt ein Zusatzheizgerät die thermischen Spitzen ab. In das Heizsystem ist ein Brauchwasserspeicher integriert, der möglichst durch die Wärmeproduktion der Brennstoffzelle geladen wird. Die Abgasströme der Brennstoffzelle und des Zusatzheizgerätes werden zusammengeführt und gemeinsam abgeleitet.

Derzeit befindet sich das Projekt noch in der Entwicklungsphase, die ersten Feldversuche sollen im Jahre 2001 gefahren werden. Die Markteinführung von Systemen für Mehrfamilienhäuser ist für 2003 geplant.


Hinweis:
Unter der Servicenummer 0180/5999210 erteilen Experten weitere Auskünfte und vermitteln Kontakt zu Fachplanern.


Internetinformationen:
www.vaillant.de


B i l d e r :   Vaillant GmbH, Remscheid


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