Zeolith ist ein keramikähnliches, kristallines Mineral aus Aluminiumoxid und Siliziumoxid, das sowohl natürlich in mindestens 48 Arten in der Umwelt vorkommt als auch synthetisch hergestellt werden kann. Zeolith ist ungiftig, ökologisch unbedenklich und nicht brennbar. Der Name Zeolith leitet sich aus dem Griechischen „zeein“ für „sieden“ und „lithos“ für „Stein“ ab. „Siedender Stein“ beschreibt die Eigenschaft von Zeolith, beim Erhitzen lebhaft aufzubrausen („zu sieden“), während er das zuvor adsorbierte Wasser dampfförmig freigibt. Adsorbiert ungesättigtes Zeolith Wasserdampf, wird die Kondensationswärme freigesetzt und – je nach Reaktionsgeschwindigkeit – auf einem hohen Temperaturniveau nutzbar.
Bei der Aufnahme und Abgabe von Wasser (bis zu 40 % des Trockengewichts) oder anderen niedermolekularen Stoffen bleibt die Kristallstruktur des Zeoliths bestehen – und diese Struktur verdient besondere Aufmerksamkeit: Zeolithe weisen einen regelmäßigen inneren Aufbau aus Mikroporen und Kanälen auf. Die Größe der Poren kann bei der Synthetisierung des Zeolith festgelegt werden. Die besonderen Materialeigenschaften werden schon seit Jahrzehnten in verschiedensten technischen Bereichen genutzt, insbesondere in der Gastrennung und -reinigung als Molekularsiebe. Es können nur die Moleküle den Zeolith passieren, deren kinetischer Durchmesser durch die Poren passt. Seit Beginn der 1980er Jahre wird diese Eigenschaft auch in Waschmitteln genutzt. Hier haben Zeolithe die Polyphosphate ersetzt und sorgen für eine umweltschonende Wasserenthärtung.
Eine andere Anwendung des Zeolith ist der Ionentausch. Hierbei können gelöste Ionen durch andere Ionen mit gleicher Ladung getauscht werden. Und bei der Herstellung von Niedertemperaturasphalt überzeugt Zeolith durch die Eindämmung von Schadstoffemissionen und einen geringeren Energieverbrauch. Im Jahr 2000 kam sogar ein Nahrungsergänzungsmittel auf der Basis gemahlener Zeolithe auf den Markt. Im Weiteren soll aber das Zusammenspiel von Zeolith und Wassermolekülen im Vordergrund stehen.
Die Aluminiumoxid- und Siliciumoxid-Atome bilden im Aufbau des Zeolith Sodalithkäfige. Sehr viele dieser Sodalithkäfige ergeben zusammen wiederum eine Makroporenstruktur (Bild 2), durch die der Zeolith eine extreme Porösität und damit eine sehr große innere Oberfläche erhält. 1 g Zeolith kann bereits eine innere Oberfläche von rund 1000 m2 haben. Für die Anwendung in der Heiztechnik wurde ein Zeolith synthetisiert, dessen Porengröße genau der Größe eines Wassermoleküls entspricht.
Bewegungs- zu Wärmeenergie
Freie Wassermoleküle vollziehen im Raum normalerweise eine Eigenbewegung – die Brownsche Molekularbewegung. Da Zeolith stark hygroskopisch ist, zieht er Wassermoleküle an und lagert diese in den Poren seiner Oberfläche an. Das Wassermolekül kann dadurch seine natürliche Eigenbewegung nicht mehr vollziehen und wird abgebremst. Diese Bewegungsenergie des Wassermoleküls wird dabei in Wärmeenergie umgewandelt. Weil es sich hierbei um einen rein physikalischen und keinen chemischen Prozess handelt, ist er reversibel. Mit entsprechender Zuführung von Wärmeenergie kann das Wasser als Wasserdampf aus dem Zeolith ausgetrieben werden.
Um eine möglichst positive Energiebilanz zu erreichen, musste Vaillant für die weltweit erste Verwendung von Zeolith in der Heiztechnik eine Lösung entwickeln, die sowohl die Adsorptionswärme als auch die Kondensationswärme nach der Desorption im Heizgerät nutzbar macht und gleichzeitig nur eine geringe „zu bezahlende“ Energiemenge in der Desorptionsphase erfordert. Das lohnende Ziel: Die Energieausnutzung der an ihre Grenzen gestoßenen Brennwerttechnik zu übertreffen. Sprich: Dem Heizsystem mehr Wärmeenergie zur Verfügung zu stellen, als bei der Verbrennung von Erdgas frei wird.
„In unseren Brennwert-Wärmeerzeugern wird der Energieträger Gas bis an die Grenzen des physikalisch Machbaren genutzt“, erklärt Dr. Rainer Lang, Leiter Entwicklungsbereich Wärmepumpen bei der Vaillant Group: „Um die Energieeffizienz weiter zu erhöhen, sind entweder Kombinationen bestehender Technologien, beispielsweise Brennwertheizkessel plus Solarthermie, erforderlich oder es müssen hybride Technologien geschaffen werden, die auch völlig neue, unkonventionelle Wege gehen. Es sind viele Faktoren, die dafür gesprochen haben, die ausgereifte Gas-Brennwerttechnik zusammen mit einer innovativen Technik zu einer Zeolith-Gas-Wärmepumpe zu verbinden.“
Funktion der Zeolith-Gas-Wärmepumpe
In der Sorptionstechnik hat sich der Einsatz von Zeolith als Granulat bewährt. Als Kugeln wird es in einen Adsorber/Desorber-Wärmeübertrager einlagig lose in die Zwischenräume der Lamellen eingebracht (Bild 1). Diese Adsorber-Desorber-Einheit wird bei der Zeolith-Gas-Wärmepumpe in einen Vakuum-Edelstahlbehälter montiert. Diese Konstruktion wird als Zeolith-Modul bezeichnet. Im unteren Teil des Zeolith-Moduls befindet sich ein weiterer Wärmeübertrager, der als Verdampfer und Kondensator fungiert. Außerdem befindet sich im Modul eine definierte Menge Wasser, das als Kältemittel dient. Abhängig von der Betriebsphase ist es im Zeolith adsorbiert oder im flüssigen Zustand im unteren Teil des Moduls. Das Zeolith-Modul insgesamt ist hermetisch verschlossen und arbeitet wartungsfrei über seine gesamte Lebensdauer. Diese wird vom Hersteller mit mindestens fünfzehn Jahren angegeben.
Ein besonderer Vorteil beim Einsatz von Zeolith wird bereits jetzt deutlich: Die in der Zeolith-Gas-Wärmepumpe eingesetzten Arbeitsstoffe sind für die Umwelt ungefährlich. Dafür war die Entwicklung eine größere Herausforderung: Lang: „Um eine Gas-Wärmepumpe anbieten zu können, hätten wir statt des Adsorptionsprozesses auf einen Absorptionsprozess setzen können. Die Absorptionstechnik wäre in der Umsetzung einfacher gewesen und hätte nach unseren Erkenntnissen sogar eine höhere Effizienz ermöglicht. Die dafür notwendigerweise eingesetzten Stoffe – in der Regel Ammoniak und Wasser und seltener Wasser-Lithium-Bromid – haben jedoch Nachteile. Insbesondere ist hier die hohe Giftigkeit von Ammoniak zu nennen. In Industrieprozessen kann man solche Risiken minimieren. Wir haben aber nach einem Nachfolger für die Wärmeerzeuger in Ein- bis Mehrfamilienhäusern gesucht und wollten von vorneherein jegliches Gefährdungspotenzial durch eine Leckage ausschließen und Akzeptanzproblemen vorbeugen.“
Die neue Zeolith-Gas-Wärmepumpe besteht aus einer klassischen Gas-Brennwertzelle und dem Zeolith-Modul. Zum Gesamtsystem gehören noch drei Solar-Flachkollektoren, ein solarer Warmwasserspeicher und die Regelung. Der Prozess der Wärmeerzeugung lässt sich mit den beiden Betriebsphasen Desorption und Adsorption beschreiben:
Desorption
In der Desorptionsphase (Bild 3) wird der Zeolith getrocknet und das in ihm enthaltene Wasser als Wasserdampf ausgetrieben. Die Desorption erfolgt bei 110 °C, die benötigte Wärme wird mit der Gas-Brennwertzelle erzeugt und dem Adsorber/Desorber-Wärmeübertrager über einen Wasserkreislauf zugeführt. Der erwärmte Zeolith desorbiert. Der heiße Wasserdampf kondensiert im unteren Teil des Zeolith-Moduls am kombinierten Kondensator/ Verdampfer. Die Kondensationswärme wird dem Heizungssystem über einen Plattenwärmeübertrager zugeführt.
Der Wärmeübertrager der Gas-Brennwertzelle ist zweigeteilt. Die ersten drei Heizspiralen werden vom Wasser des geräteinternen Primärkreises (für den Adsorber/Desorber) durchströmt. Dabei wird der Heizwert des Gases weitgehend genutzt. Um auch den Brennwert des Gases zu nutzen, wird die vierte Heizspirale vom Rücklaufwasser des Heizsystems durchströmt. Das Abgas wird unter den Taupunkt gekühlt und die freiwerdende Kondensationswärme dem Heizsystem zugeführt. Die Desorption ist beendet, wenn der Zeolith einen bestimmten Trocknungsgrad erreicht hat und sich das Wasser im unteren Teil des Zeolith-Moduls befindet.
Adsorption
Am Ende der Desorptionsphase erfolgt eine hydraulische Umschaltung. Der Gasbrenner wird abgeschaltet und die Wärmezufuhr zum Adsorber/Desorber-Wärmeübertrager unterbrochen (Bild 3). Druck und Temperatur im Zeolith-Modul sinken dadurch ab. Sobald die Temperatur des Verdampfers/Kondensators unter das Temperaturniveau der Umweltwärmequelle gesunken ist, wird die Solarpumpe eingeschaltet. Damit wird dem Verdampfer „kalte“ Energie zugeführt. Das Wasser im unteren Teil des Zeolith-Moduls verdampft und wird vom Zeolith adsorbiert. Die dabei entstehende Adsorptionswärme wird wiederum über einen Platten-Wärmeübertrager in das Heizungssystem eingespeist.
Die Verdampfung des Kältemittels Wasser kann auch schon bei einem sehr niedrigen Temperaturniveau von z.B. 5 °C erfolgen, da im Zeolith-Modul ein Hochvakuum herrscht. Dadurch ist es möglich, Umweltwärme auf sehr geringem Temperaturniveau zur Verdampfung des Kältemittels zu nutzen.
Während der Adsorptions- und Desorptionsphase kann bei entsprechendem Temperaturniveau stets parallel direkt warmes Wasser über die Solarkollektoren erzeugt und der bivalente Speicher geladen werden.
Planung und Installation
Ähnlich wie bei Elektro-Wärmepumpen ist auch bei der gasbetriebenen Zeolith-Wärmepumpe eine geringe Rücklauftemperatur entscheidend für den Systemnutzungsgrad. Ideal sind Neubauten mit Flächenheizungen. Aber auch vollständig sanierte Bestandsbauten eignen sich für das Hybridsystem.
Trotz innovativer Technologie unterscheiden sich Planung und Installation nicht von den Voraussetzungen bekannter Systeme. Dementsprechend gelten für Planung und Einbringung die Bedingungen für Gas-Brennwertgeräte plus solarer Trinkwassererwärmung. „Wir sehen hierin einen der wesentlichen Erfolgsfaktoren: Alle, die mit dem Produkt zu tun haben, können auf bereits vorhandenes Wissen zurückgreifen und müssen nicht den Umgang mit einer völlig neuen Technik erlernen. Das Zeolith-Modul ist eine Blackbox, die nicht gewartet werden muss. Alle Steuerungsvorgänge laufen automatisiert ab. Der Installationsassistent der Regelung gibt in einer Schritt-für-Schritt-Anleitung genau vor, was jeweils als nächstes zu tun ist“, erläutert Lang.
Mit einem Normnutzungsgrad von rund 121 % (Hs) ist Vaillants Zeolith-Gas-Wärmepumpe zeotherm deutlich effizienter als aktuelle Gas-Brennwerttechnik mit bis zu 98 % (Hs). Der Energieverbrauch und die CO2-Emissionen liegen um ca. 20 % unterhalb von Gas-Brennwertgeräten (Bild 6). Diese bislang nicht bekannte Effizienz war die Ursache für ein Problem, mit dem der Hersteller in der Anfangsphase konfrontiert war: Die EnEV-Berechnungen konnten nicht erfolgen. Die Hersteller der entsprechenden Software hatten aufgrund des technischen Entwicklungsstands den maximalen 30-%-Wirkungsgrad von Heizgeräten auf 120 % begrenzt. Die Zeolith-Gas-Wärmepumpe verfügt jedoch über einen 30-%-Wirkungsgrad von über 130 %. Die Softwarehersteller benötigten deswegen erst das offizielle Gutachten einer neutralen Institution, um die bislang nicht machbare Effizienz entsprechend hinterlegen zu können.
Fazit
Aktuelle Gas-Brennwertgeräte sind mit ihrer Nutzung des Energieträgers Gas an die physikalischen Grenzen gekommen. Um die Effizienz weiter zu steigern und den Verbrauch zu senken, ist die Entwicklung hybrider Systeme erforderlich. Die Zeolith-Gas-Wärmepumpe nutzt neben einer Gas-Brennwertzelle und direkter Solarthermie mit dem Zeolith-Modul noch die Solarthermie (Umweltenergie) auf niedrigem Temperaturniveau. Damit zeigt das Konzept eine neue Perspektive auf, wie der Ressourcenverbrauch für die Wärmeversorgung verringert werden kann.
Martin Schellhorn
Dipl.-Kfm., Freier Fachjournalist und Inhaber der Fachpresseagentur KommunikationsManagement Schellhorn in Haltern am See und Herne. Telefon (0 23 64) 10 81 99, info@die-agentur.sh
