Der Einsatz von Brennstoffzellen und Zeolith-Brennwertgeräten zur Wärmeerzeugung

Inhalt

Abbildungsverzeichnis.III

Tabellenverzeichnis.IV

1. Einleitung

2. Brennstoffzellen-Heizgeräte zur Wärmeenergieerzeugung
2.1 Aufbau einer Brennstoffzelle
2.1.1 Brennstoffzellentypen
2.2 Funktionsweise von Brennstoffzellen - Energiewandlung statt Energieverbrennung
2.3 Die technischen Details eines Brennstoffzellen-Heizgerätes
2.4 Ergebnisse der Recherche führender Gerätehersteller

3. Zeolith- Brennwertgeräte zur Wärmeenergieerzeugung
3.1 Grundprinzip der Brennwerttechnik
3.2 Grundprinzip der Wärmepumpe
3.3 Gas-Adsorptionswärmepumpe im Zeolith-Brennwertgerät
3.4 Zeolithe
3.5 Der Sorptionsprozess
3.6 Wesentliche Bestandteile des Zeolith-Brennwertgerätes
3.7 Ergebnisse der Recherche führender Gerätehersteller

4. Fazit

Anhang

Anhang 1:Exzerpt..VIII

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Kraft-Wärme-Kopplungs-Prinzip

Abbildung 2: Aufbau Brennstoffzelle

Abbildung 3: Funktionsweise einer Brennstoffzelle

Abbildung 4: Aufbau eines Brennstoffzellen-Heizgerätes

Abbildung 5: Aufbau Brennstoffzellen-Stapel

Abbildung 6: Grundprinzip der Wärmepumpe

Abbildung 7: Desorption und Adsorption

Abbildung 8: Graphische Übersicht zur ökologischen Weiterentwicklung der Gas- Heiztechnik

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Vergleich der Antriebssysteme KWK-Analge

Tabelle 2: Brennstoffzellen-Heizgeräte verschiedener Hersteller

Tabelle 3: Vergleich Adsorptions-Wärmepumpen vom Fabrikat Viessmann & Vaillant

1. Einleitung

Der Wandel unseres Klimas sowie der zunehmende Wettbewerbsdruck machen es immer bedeutsamer, vorhandene Energien zur Wärmeerzeugung optimal zu nutzen und Alternativen in Betracht zu ziehen. Dabei muss sich jeder einzelne mit der Frage beschäftigen, wie die Wärme zur Beheizung seines Wohnraumes erzeugt wird. Mit dem am 1. Januar 2009 in Kraft getretenem Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz, welches den Einsatz von erneuerbaren Energien zur Wärmegewinnung bei Neubauten vorschreibt, werden Bauwillige dazu aufgefordert, sich mit der Nutzung alternativer Energien und gleichzeitig einer effizienteren Nutzung fossiler Brennstoffe auseinanderzusetzen. Das Ziel besteht darin, die Wärmeerzeugung aus erneuerbaren Energien von 6,6 Prozent im Jahr 2007 auf 14 Prozent bis 2020 anzuheben und so einen erheblichen Beitrag zur Reduzierung der CO2-Emission in Deutschland zu leisten.¹In Deutschland verbrauchten die Privathaushalte 2008 rund 29 Prozent der Endenergie (Verkehr nicht einbezogen). Der weitaus größte Anteil entfällt auf Raumwärme sowie die Warmwasserbereitung. Moderne Techniken und alternative Verfahren ermöglichen schon heute jedem Einfamilienhausbesitzer, einen persönlichen Beitrag zum Wandel der Energiesysteme zu leisten, indem er dafür sorgt, dass hocheffiziente Heizungstechnik eingesetzt und somit Energie eingespart wird. Bislang stellen Holz und fossile Energieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas die wichtigsten Quellen der Energieversorgung dar. Ein wesentlicher Wandel der Energieversorgung und eine damit verbundene Schonung der verbleibenden Ressourcen sind notwendig, denn:

- die vorhandenen Ressourcen sind endlich,
- die Energieversorgung muss nachhaltig gewährleistet sein und weitere Ausmaße des Klimawandels müssen verhindert werden (durch Senkung der Kohlendioxid (CO2)-Emissionen).²

Statistiken zu Folge hat jeder Bewohner Deutschlands jährlich den Ausstoß von rund 10 Tonnen CO2 zu verantworten. Um den globalen Temperaturanstieg auf höchstens 2° C zu senken, müssten diese Emissionen bis zum Jahr 2050 auf rund 2 bis 3 Tonnen CO2 gesenkt werden. Das bedingt einen grundlegenden technischen als auch organisatorischen Wandel in Bereitstellung und Nutzung von Energie. Um die Nutzungsdauer fossiler Energieträger zu verlängern, müssen hocheffiziente Technologien in Verbindung mit erneuerbaren Energien zum Einsatz kommen. Brennstoffzellen- Heizgeräte sowie moderne Zeolith-Brennwertgeräte arbeiten hocheffizient und ressourcenschonend. Sie besitzen deshalb großes Potential, wenn es um den Einsatz nachhaltiger Verfahren zur Wärmeerzeugung geht. Dabei beschreibt der Energieeffizienz- Begriff einen Vergleich, welcher das Verhältnis zwischen eingesetzter Energie zu dem Nutzen darstellt, welcher durch sie erzielt wird. Umso mehr sich beide Größen annähern, desto effizienter wurde die eingesetzte Energie genutzt. Eine hohe Energieeffizienz kann erreicht werden, wenn die Verluste bei der Energiewandlung und -übertragung möglichst gering gehalten werden.³ Beide Systeme sind gerade im Bereich der Wärmeenergieerzeugung, vor allem für einen Versorgungsbereich geringer Leistungen, sehr innovativ und stehen vor den Herausforderungen einer breiten Markteinführung. Dazu ist es unter anderem notwendig, die bisher vergleichsweise hohen Anschaffungskosten zu senken.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zum einen die Brennstoffzelle und zum anderen Zeolith-Brennwertgeräte dahingehend zu untersuchen, welchen Beitrag sie zu einer nachhaltigen Wärmeerzeugung, speziell für den Versorgungsbereich geringer Leistungen leisten. Gleichzeitig soll die zum Verständnis notwendige Technik sowie der Entwicklungsstand beider Systeme dargelegt werden.

2. Brennstoffzellen-Heizgeräte zur Wärmeenergieerzeugung

Brennstoffzellen-Heizgeräte sind ressourcen- und umweltschonende Systeme der Zukunft. Führende Hersteller arbeiten daran, die Brennstoffzellentechnik zunehmend wirtschaftlich und zuverlässig zu gestalten und somit eine nachhaltige Energieerzeugung zu ermöglichen. Langfristig gehört dazu auch die Senkung der bisher vergleichsweise hohen Anschaffungskosten. Brennstoffzellen-Heizgeräte arbeiten nach dem Kraft-Wärme- Kopplungs-Prinzip und sind der Familie der Blockheizkraftwerke (BHKW) zuzuordnen. Bevor auf die Details der einzelnen Brennstoffzelle und das Kompaktsystem Brennstoffzellen-Heizgerät eingegangen werden kann, sind zunächst einige technische Grundlagen notwendig.

„Der Begriff „Kraft-Wärme-Kopplung“ (KWK) bezeichnet das Prinzip gleichzeitiger Bereitstellung und Nutzung von mechanischer Energie (Kraft) - sie wird in der Regel in Strom umgewandelt - und Wärmeenergie.“⁴

Das Schaubild zeigt den Unterschied zwischen konventioneller Technik, bei welcher die Wärme ungenutzt bleibt und verloren geht und dem KWK-Prinzip:

Abbildung 1: Kraft-Wärme-Kopplungs-Prinzip⁵

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Als Blockheizkraftwerk bezeichnet man eine KWK-Anlage, die modular in einem Block aufgebaut ist und die Strom- und Wärmeversorgung übernimmt. BHKW sind in der Regel KWK-Anlagen, die auf einem Verbrennungsmotor basieren. Sie wandeln die eingesetzte Energie durch Verbrennung zunächst in mechanische und anschließend über einen Generator in elektrische Energie um. Die während dessen anfallende Abwärme wird über einen Wärmetauscher zur weiteren Nutzung (Warmwasserbereitung und Heizung) abgeleitet. Bei KWK-Anlagen mit einer Brennstoffzelleneinheit entfällt der Zwischenschritt der Stromerzeugung über die mechanische Energie. Strom und Wärme entstehen nicht durch Verbrennung fossiler Brennstoffe, sondern in einem elektrochemischen Wandlungsprozess. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren im elektrochemischen Prozess zu Wasser. Dabei entstehen Strom und Wärme in einem Prozess. So genannte Mini- oder Mikro-BHKW werden für Anlagen geringer Leistung verwendet. Diese eignen sich beispielsweise für den Gebrauch in Hotels Ein- und Mehrfamilienhäusern oder Wohnblöcken. Aufgrund der gekoppelten Nutzung von Wärme und Strom und der räumlichen Nähe zu den Wärmeverbrauchern erzielen sie einen insgesamt hohen Nutzungsgrad. Zur weiteren Differenzierung kompakter KWK- Anlagen für Wohngebäude bis hinunter zu Einfamilienhäusern unterscheidet das Bundesumweltministerium zwischen:

- Mikro-KWK ≤ 2 kWel
- Mini-KWK ≤ 15 kWel
- Kleinst-KWK ≤ 50 kWel
- Klein-KWK ≤ 2.000 kWel.⁶

In der Literatur wird diese Einteilung jedoch nicht einheitlich verwendet. In der zugrunde liegenden Arbeit soll die Bezeichnung Kleinst-KWK-Anlage, auf Grundlage der vorangegangenen Definition, Anwendung finden.

Mit Kleinst-KWK-Anlagen kann das Kraft-Wärme-Kopplungs-Prinzip auch dezentral, also direkt beim Nutzer angewandt werden. Durch die räumliche Nähe und der damit verbundenen Nutzung der Energie am Ort ihrer Entstehung, verringern sich die Transportverluste der Wärmeenergie enorm. Im Gegensatz zu zentralen KWK-Anlagen fällt der Strom hier sozusagen als Nebenprodukt an. Bei motorbetriebenen BHKW kann die Leistung nicht beliebig verkleinert werden, ohne, dass sich auch der Wirkungsgrad verringert. Brennstoffzellen-Heizgeräte arbeiten auch in kleinen Leistungsbereichen mit guten Wirkungsgraden. Deshalb sind sie besonders für den Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern geeignet. Anlagen im kleinen Leistungsbereich erzielen zwar geringere elektrische Wirkungsgrade als leistungsstärkere Anlagen, durch die Nähe zum Wärmeverbraucher besitzen sie jedoch eine hohe Gesamteffizienz.⁷Das nachstehende Schaubild fasst einige wesentliche Anlageneigenschaften zusammen.

Tabelle 1: Vergleich der Antriebssysteme KWK-Analge⁸

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1 Aufbau einer Brennstoffzelle

Eine einzelne Brennstoffzelle ist sehr einfach aufgebaut. Sie besteht aus einer Anode und einer Kathode und wird durch einen Elektrolyten getrennt. Wird der Anode ein Brenngas (Wasserstoff = H2) und der Kathode Sauerstoff (O2) zugeführt, entstehen durch eine elektrochemische Reaktion Wärme und zwischen den Elektroden eine Gleichspannung. Eine einzelne Brennstoffzelle kann nur eine geringe Spannung erzeugen, deshalb werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Stapel - auch genannt „Stack“- zusammengefasst und in Reihe geschaltet. Begrenzt werden die Brennstoffzellen durch s.g. Bipolarplatten.⁹Aufgabe der Bipolarplatten ist die elektrische Kontaktierung von Anode und Kathode der benachbarten Zellen sowie die Zu- und Abfuhr der Reaktionsmedien über ihre strukturierte Oberfläche. Um diesen Funktionen gerecht zu werden, müssen Bipolarplatten einen möglichst geringen elektrischen Widerstand sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Bipolarplatten bestehen heute aus metallischen Werkstoffen bzw. gepresstem Graphit.¹⁰Das anschließende Schaubild zeigt den Aufbau einer einzelnen Brennstoffzelle.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Aufbau Brennstoffzelle¹¹

2.1.1 Brennstoffzellentypen

Es gibt verschiedene Brennstoffzellentypen. Entscheidend für die Klassifizierung sind die verwendeten Elektrolyten. Diese können flüssig oder fest mit Membran-Struktur sein. Da durch den Elektrolyten die beiden Reaktionspartner Sauerstoff bzw. Luft und Wasserstoff getrennt werden, kann dieser die elektrochemische Reaktion steuern. Durch ihn werden auch die spezifischen Eigenschaften der Brennstoffzelle wie Wirkungsgrad und Betriebstemperatur bestimmt. Im Bereich der Hausversorgung kommen vor allem die PEM (Membranbrennstoffzellen) -beziehungsweise PE-Brennstoffzelle sowie SO- Brennstoffzellen zum Einsatz. PEM-Brennstoffzellen arbeiten in einem Temperaturbereich zwischen 60 und 70 Grad Celsius, womit die Anforderungen für Heizzwecke gut erfüllt sind. Kommt als Trägermedium Erdgas zum Einsatz, muss bei diesem Typ der notwendige Wasserstoff zunächst in einem externen Reformer erzeugt werden. Die SO- Brennstoffzelle arbeitet mit einem Elektrolyten aus fester Keramik, in einem Temperaturbereichen zwischen 800 und 1.000 Grad Celsius. Vor der Inbetriebnahme muss dieser Brennstoffzellentyp vorgeheizt werden. Ihr Einsatz ist sinnvoll, wenn lange Laufzeiten ohne Unterbrechungen möglich sind. Da die Reformierung innerhalb der Zelle stattfindet, kann dieser Brennstoffzellentyp Erdgas direkt verwenden.¹²

2.2 Funktionsweise von Brennstoffzellen - Energiewandlung statt Energieverbrennung

Auf der Grundlage eines elektrochemischen Prozesses wandeln Brennstoffzellen die in einem Energieträger gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie und Wärme um. Für den Betrieb von Brennstoffzellen wird Wasserstoff benötigt. Es können theoretisch alle Energieträger genutzt werden, die in ihren chemischen Verbindungen einen relevanten Wasserstoffanteil aufweisen. Dieser Energieträger ist häufig Erdgas.¹³

Da die frei gesetzte Wärme abgeführt werden muss, können Brennstoffzellen in Brennstoffzellen-Heizsystemen genutzt werden. Im Energiewandlungsprozess selbst entstehen dabei keine umweltschädlichen Abgase. Das anschließende Schaubild zeigt die Vorgänge während des elektrochemischen Prozesses.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Funktionsweise einer Brennstoffzelle¹⁴

[...]

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¹Vgl.: http://www.bmu.de,Bundesministerium für Umwelt, Informationen zum Erneuerbare Energien Wärmegesetz (EEWärmeG), (2008), (Zugriff am 18.03.2011)

²Vgl.: http://www.callux.net, Callux-Informationsprogramm, „Praxistest Brennstoffzelle fürs Eigenheim“,(Zugriff am 18.03.2011)

³Vgl.: ebd.

⁴ebd.

⁵Brennstoffzelle_Hexis.pdf. Galileo - „Mit Brennstoffzellen dezentral Strom und Wärme erzeugen“,S.2

⁶Vgl.: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Referat Öffentlichkeitsarbeit, „Kleine Kraft-Wärme-Kopplung Für Den Klimaschutz“(2005), (Zugriff am 19.03.2011)

⁷Vgl.: Callux-Informationsprogramm,(2011), „Praxistest Brennstoffzelle fürs Eigenheim“, „KWK-Anlagen im Vergleich“, S.7

⁸ebd. „KWK-Anlagen im Vergleich“, S.8

⁹Vgl.: http://www.innovation-brennstoffzelle.de/,“Aufbau“, (Zugriff am 16.03.2011)

¹⁰Vgl.: http://www.math-net.org/EE/data/projects/fkz03SF0313D/texts/11.shtml, (Zugriff am 24.03.2011)

¹¹Vgl.: Callux-Informationsprogramm,(2011), „Praxistest Brennstoffzelle fürs Eigenheim“, „Aufbau Brennstoffzelle“, S.3

¹²Vgl.: http://www.callux.net, Callux-Informationsprogramm,(2011), „Praxistest Brennstoffzelle fürs Eigenheim“, „Funktionsweise Brennstoffzelle“, S.4

¹³ Vgl.: Callux-Informationsprogramm,(2011), Energieträger Wasserstoff, S.3

„Praxistest Brennstoffzelle fürs Eigenheim“,

„Funktionsweise Brennstoffzelle“,

¹⁴Vgl.: Callux-Informationsprogramm,(2011), „Praxistest Brennstoffzelle fürs Eigenheim“, „Funktionsweise Brennstoffzelle“(Videozusammenschnitt), S.4