Funktionsweise der Vitovalor 300-P

Die Vitovalor 300-P ist ein Brennstoffzellen-Heizgerät, welches das Funktionsprinzip der Kraft-Wärme-Kopplung nutzt und sowohl Strom als auch Wärme erzeugt. Für die Strom- und Wärmeproduktion benötigt die Brennstoffzelle neben Sauerstoff noch Wasserstoff, der zuvor aus Erdgas gewonnen wird.

Die speziell für Ein- und Zweifamilienhäuser entwickelte und optimierte Technik arbeitet mit einem sehr hohen Gesamtwirkungsgrad und ist ausgelegt für eine stromoptimierte Betriebsweise.

Der Aufbau 

Die Vitovalor 300-P besteht aus insgesamt zwei Einheiten: einem Brennstoffzellenmodul und einem Gas-Brennwertmodul zur Spitzenlastabdeckung. Beide Einheiten lassen sich getrennt voneinander transportieren und ermöglichen dadurch eine schnelle Montage auch in engen Kellerräumen. In der ersten von Panasonic verbauten Einheit der Vitovalor befinden sich unter anderem der Reformer, der Inverter und der Brennstoffzellen-Stack (eine Aneinanderreihung von vielen Brennstoffzellen). Bevor der von der Brennstoffzelle erzeugte Gleichstrom in das hauseigene Stromnetz eingespeist wird, wandelt der eingebaute Inverter ihn in Wechselstrom um. 

Die zweite Einheit des Vitovalor 300-P dient in erster Linie der Wärmeabdeckung in Spitzenlastzeiten. Also dann, wenn es draußen sehr kalt ist oder wenn kurzzeitig viel Warmwasser benötigt wird. Sie besteht aus einem Gas-Brennstoffzellengerät, einem Warmwasserspeicher, einem Wärmetauscher und einem Heizwasser-Pufferspeicher mit integrierter Heizwendel für die Trinkwassererwärmung. Weitere Bestandteile in der zweiten Einheit sind eine Regelung für den witterungsgeführten Betrieb, Komponenten für die Hydraulik sowie ein Stromzähler. Beide Einheiten werden über eine gemeinsame Gasleitung versorgt. Sie teilen sich auch ein gemeinsames Abgassystem, wodurch der Montageaufwand genauso gering ist wie bei einem Gas-Brennwert-Wandgerät.


Darstellung der kalten Verbrennung bei der Funktionsweise der Vitovalor 300-P

Die kalte Verbrennung


Die Strom- und Wärmeerzeugung bei der Brennstoffzellenheizung Vitovalor 300-P liegt einer elektrochemischen Reaktion der beiden Elemente Sauerstoff und Wasserstoff zugrunde. Eine Verbrennung wie bei konventionellen Heizgeräten findet nicht statt, weshalb der Prozess auch als kalte Verbrennung bezeichnet wird. Wasserstoff kommt in der Natur zwar massenhaft vor, jedoch nicht in der Form, wie er für die kalte Verbrennung in der Vitovalor benötigt wird. Aus diesem Grund muss er zuvor aus Erdgas gewonnen werden. Je nach Bedarf kann die Vitovalor 300-P mit Erdgas H, E, LL-Gas oder Bio-Erdgas betrieben werden. Das zugeführte Brenngas durchfließt einen in der Einheit eingebauten Reformer, der es mithilfe eines Katalysators in einer zweistufigen Reaktion in Wasserstoff umwandelt. Bei der Umwandlung kommt es zunächst zu einem Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid. Erst in der zweiten nachgeschalteten Gasreinigung wird aus dem Kohlenstoffmonoxid Kohlenstoffdioxid.

Der so gewonnene Wasserstoff wird zunächst der Brennstoffzelle zugeführt. Im Anschluss wird er dort von einem Katalysator auf der Anodenseite in positive Ionen und negative Elektronen geteilt. Letztere wandern von der Anode über einen elektrischen Leiter zur Kathode und produzieren dabei Gleichstrom. Der eingebaute Inverter wandelt ihn in Wechselstrom um, bevor er ihn in das Stromnetz einspeist. Zeitgleich gelangen die positiv geladenen Ionen zur Kathode und reagieren dort mit Sauerstoff. Die bei dieser Reaktion freigesetzte Wärme wird von den mit Wasser gefüllten Kühlkanälen des Brennstoffzellen-Stacks aufgenommen und an einen Wärmetauscher weitergeleitet. Die so gewonnene Wärmeenergie kann nun zur Raumbeheizung oder Trinkwassererwärmung genutzt werden. Die Aufspaltung in positiv geladene Ionen und negativ geladene Elektronen verhindert zudem eine Knallgasreaktion.

Darstellung der Funktionsweise der Brennstoffzellenheizung Vitovalor 300-P im Einfamilienhaus

Vitovalor 300-P im Einfamilienhaus

[1] Brennstoffzellenmodul
[2] Spitzenlastkessel
[3] Abgas-/Zuluftsystem
[4] Integrierter Stromzähler
[5] Kommunikationsschnittstelle
[6] Stromzähler (Bidirektional)
[7] Stromnetz im Haus
[8] Öffentliches Stromnetz
[9] Internet
[10] Vitotrol App
[11] Erdgas E
[12] Wasser

Die Effizienz 

Bei der Stromerzeugung entsteht Wärme, die in großen und konventionellen Kraftwerken meist als ungenutzte Abwärme verloren geht. KWK-Heizgeräte wie die Vitovalor 300-P hingegen nutzen diese Abwärme zum Beheizen der Räume und zur Trinkwassererwärmung. Sie haben daher einen sehr hohen Gesamtwirkungsgrad. Außerdem entstehen bei der Übertragung der Energie keine Verluste, da sie direkt vor Ort genutzt wird. Selbst die Umwandlung von Brenngas zu Wasserstoff ist aufgrund wegfallender thermomechanischer Zwischenschritte sehr effizient. Die konstante elektrische Leistung des Brennstoffzellenmoduls beträgt 750 W. Ein großer Teil des Strombedarfs kann somit jederzeit abgedeckt werden. Noch effizienter arbeitet die Vitovalor 300-P in Kombination mit dem Stromspeichersystem Vitocharge. Dieses kann den überschüssigen Strom für Spitzenlastzeiten bevorraten und steigert somit die Unabhängigkeit von Stromanbietern deutlich. Alternativ lässt sich der überschüssige Strom auch problemlos in das öffentliche Stromnetz einspeisen. Der integrierte Energiemanager ist selbstlernend und optimiert so die Eigenverbrauchsrate.

Mehr Informationen zur Funktionsweise der Brennstoffzellenheizung gibt es auf dem Ratgeberportal heizung.de.