Brennstoffzellen-Heizgeräte Grundlagen

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1 Callux, Praxistest Brennstoffzelle fürs Eigenheim Brennstoffzellen-Heizgeräte Grundlagen Stand

2 Agenda 1. Grundlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) 2. Das Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH) 3. KWK-Auslegung 4. BZH im Einfamilienhaus 5. Wirtschaftlichkeit 2

3 I. Grundlagen I.1. Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Definition: Gas / Öl KWK Wärme Strom Abbildung/Quelle: WBZU, ZSW, Callux / ModernLearning GmbH 3 Begriffsbestimmungen (1) Kraft-Wärme-Kopplung ist die gleichzeitige Umwandlung von eingesetzter Energie in elektrische Energie und in Nutzwärme in einer ortsfesten technischen Anlage. [ ] Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme- Kopplung (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWK-G), 2016) 3

4 Grundlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Der energetische Vorteil einer gekoppelten Erzeugung von Kraft und Wärme Quelle: Das KWK- Gesetz 2012 ; ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e. V. 4

5 Grundlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Primärenergiebedarf und CO 2 -Emissionen 5 Abbildung/Quelle: Callux,

6 Grundlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Produkttypen KWK (kleine Leistung < 2 kw el ) Mikro - KWK Motorische KWK Brennstoffzellen - Heizgeräte Ottomotor Stirlingmotor PEMFC SOFC Hersteller/Marken (Beispiele): Vaillant ecopower1.0 Remeha evita 28c Baxi-Innotech Gamma Premio Hexis Galileo Vaillant 6

7 Grundlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Brennstoffzellen-Heizgeräte Brennstoffzelle mit Bipolarplatte (Bsp.: PEMFC) 7

8 Das Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH) PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell SOFC Solid Oxide Fuel Cel Niedertemperatur BZ Erdgasbetrieb mit interner Gasaufbereitung, hohe Anforderung an Gasreinheit Katalysatormaterial (Platin) Demineralisierung von Wasser mittels Kartusche Gut regelbar auf Teillastbetrieb Schnell zu starten (0,5-1 h) Hochtemperatur BZ Erdgasbetrieb mit interner Gasaufbereitung Katalysatormaterial Nickel Meist begrenzte Regelbarkeit Lange Start- und Abschaltzeiten 8

9 Das Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH) Schematische Darstellung einer BZ 9

10 Das Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH) Die Geräte im Callux-Praxistest Hexis Galileo 1000 N KWK-Teil Typ Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) Leistung (el/th) 1,0 kwel / 1,8 kwth Modulation % Brennstoff Erdgas, Bioerdgas el. Wirkungsgrad (Hi) % Gesamtwirkungsgrad 95 % Integriertes Zusatzheizgerät Typ Brennwertgerät Leistung 4-20 kw Normnutzungsgrad 109 % (N bei 40/30 C) Gesamtgerät: Gesamtwirkungsgrad > 95 % (nach EN bei VL/RL 60/40 C) Größe (cm), BxTxH 62 x 58 x 164 Gewicht ca. 170 kg Gehäuse lackiert, vollgekapselt Erdgasdruck mbar (EN 437) Elektrischer Anschluss 230 V/ 50 Hz Betriebsart wärmegeführt, Energiemanager geregelt, Steuerung auch über Fernzugriff 10

11 I. Grundlagen I.3. Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH) Die Geräte im Callux-Feldtest (2): SenerTec - Dachs InnoGen KWK-Teil: Typ Niedertemperatur PEM-Brennstoffzelle Leistung (el/th) 0,25 kw el / 0,7 kw th Modulation ca % P eln Brennstoff Erdgas Typ E und LL el. Wirkungsgrad (Hi) 38 % th. Wirkungsgrad KWK 51 % Gesamtwirkungsgrad 89 % Zusatzheizgerät: Typ Leistung Normnutzungsgrad Brennwertgerät 5,2-21,8 kw 106 % (N bei 50/30 C) Gesamtgerät: Größe (cm), LxBxH 125 x 106 x 180 (BZ-Einheit) Gewicht ca. 120 kg (BZ-Modul) Gehäuse lackiert, vollgekapselt Erdgasdruck 20 / 25 mbar (EN 437) Elektrischer Anschluss 230 V / 50 Hz Betriebsart stromgeführt, wärmegeführt, Energiemanager geregelt, zentral gesteuert (virtuelles Kraftwerk) 11

12 Das Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH) Die Geräte im Callux-Praxistest Vaillant (Technische Zielwerte) Typ Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) Leistung (el/th) max. 1,0 kwel / 2,0 kwth Einsatzbereich Einfamilienhaus Brennstoff Erdgas, Bioerdgas el. Wirkungsgrad (Hi) 30 % Gesamtwirkungsgrad KWK80 85 % Gerätedaten Größe (mm), LxBxH 600 x 625 x 986 Gewicht ca. 150 kg Gehäuse lackiert, voll gekapselt Erdgasdruck mbar (EN 437) Elektrischer Anschluss 230 V/ 50 Hz Betriebsart wärmegeführt, Energiemanager geregelt, Steuerung auch über Fernzugriff Externes Zusatzheizgerät Typ Brennwertheizgerät Leistung je nach Bedarf konfigurierbar Normnutzungsgrad 109 % (N bei 40/30 C) 13

13 Exkurs: Der Weg zur Brennstoffzelle Geschichtliches zur Brennstoffzelle Sir W. Grove Bildquelle: Wikipedia Bildquelle: NASA Geburt der Brennstoffzelle 1839: Die Entdeckung der Brennstoffzelle durch Sir W. Grove Renaissance der Brennstoffzelle: Raumfahrt 60er Jahre: Entwicklung und Einsatz Apollo- Programm 80er Jahre: Entwicklung und Einsatz für Space- Shuttle-Programm 14

14 Exkurs: Der Weg zur Brennstoffzelle Frühe Märkte Seit ca.1990: Wiederentdeckung der Brennstoffzelle Seit ca.2000: Prototypen und Vorserienprodukte Derzeit stehen bereits kommerziell erhältliche Produkte zur Verfügung. Andere stehen vor der Markteinführung. Direktmethanolzelle Unterbrechungsfreie Stromversorgung PKW Hausenergieversorgung Bildquelle: SFC Energy AG, WBZU, Daimler, Baxi Innotech 15

15 KWK-Auslegung Eckpunkte der KWK-Auslegung Ermittlung des Strom-und Wärmebedarfes Ermittlung oder Simulation einer Jahresdauerlinie Sortierung der Verbrauchsdaten und Erstellung einer geordneten Jahresdauerlinie Aufteilung der Wärmebedarfs in Grundlast und Spitzenlast Auslegung/Dimensionierung der KWK-Anlage anhand der Grundlast Auslegung/Dimensionierung eines Pufferspeichers zur Optimierung der Anlagenauslastung 16

16 KWK-Auslegung 17

17 KWK-Auslegung 18

18 KWK-Auslegung Zusammenspiel: Speicher und KWK-Anlage 19

19 BZH im Einfamilienhaus Eckdaten des Musterhauses Freistehendes Einfamilienhaus, bewohnt von 4 Personen Baujahr 1953, 2010 modernisiert Beheizte Fläche: 101 m² Wärmebedarf: kwh th : kwh Heizung, kwh Warmwasser Strombedarf: kwh el Brennstoffzellenheizgerät (BZH) Elektr. Leistung: 1 kw el, Therm. Leistung: 1,87 kw th, Zusatzheizgerät (ZHG) therm. Leistung max. 15 kw th 20

20 BZH im Einfamilienhaus Wie lässt sich der Energiebedarf mit dem geringsten Primärenergieeinsatz decken? kwh Strom kwh Wärme (davon kwh Heizwärme, kwh Warmwasser) 21

21 BZH Grundlagen Primärenergievergleich Primärenergieeinsatz getrennte Erzeugung: kwhpe Erzeugung von Strom = Mix aller Energieträger kwh el Strom Primärenergiefaktor Strom = 1, kwh PE kWh Hi Erdgas kwh th Wärme Primärenergiefaktor Erdgas = 1,1 Summe: kwh PE Abbildung/Quelle: WBZU, ZSW, Callux 22

22 BZH Grundlagen Primärenergievergleich Primärenergieeinsatz gekoppelte Erzeugung: 936 kwh PE kwh PE kwh el Rückspeisung SOFC - BZH Strombezug 520 kwh el kwh el Eigenstromnutzung kwh el Strom kwh PE kwh PE kwh Hi kwh th kwh th kwh th kwh th Wärme ZHG Summe: kwh PE Abbildung/Quelle: WBZU, ZSW, Callux 23

23 Primärenergie [kwh PE /a] Primärenergie [kwh PE /a] BZH Grundlagen Primärenergievergleich Primärenergieeinsatz Getrennte und gekoppelte Erzeugung im Vergleich: PE-Aufwand nach Energieform getrennte Erzeugung gekoppelte Erzeugung Stromgutschrift Strombezug konv. Wärmeerzeugung (Heizkessel oder ZHG) BZH Abbildung/Quelle: Gertec GmbH Der energetische Vorteil liegt bei ca. 12 % (bei einer Laufzeit von Vollbenutzungsstunden im Jahr) PE-Aufwand gesamt getrennte Erzeugung gekoppelte Erzeugung Abbildung/Quelle: Gertec GmbH 24

24 BZH Wirtschaftlichkeit Allgemeines Das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWK-G): 1 Ziel des Gesetzes: Dieses Gesetz dient der Erhöhung der Nettostromerzeugung aus Kraft-Wärme- Kopplungsanlagen auf 110 Terrawattstunden bis zum Jahr 2020 sowie auf 120 Terrawattstunden bis zum Jahr 2025 im Interesse der Energieeinsparung sowie des Umwelt- und Klimaschutzes. (KWK-G; 2016) 25

25 BZH Wirtschaftlichkeit Allgemeines Vergütung und Steuererstattung: Leistungsanteil < 50 kw el kw el kw el kw el > kw el Netzeinspeisung ( 7) [ct/kwh] ,4 Eigenverbrauch ( 7) [ct/kwh] Kundenanlagen ( 7) (Contracting) [ct/kwh] Eigenverbrauch in stromkostenintensiven Unternehmen [ct/kwh] ,5 1 3,1 5, ,4 1,8 Förderdauer ( 8) [h] Anlagen < 2 kw el ( 9) Steuererstattung gemäß EnergieStG, 2014 Alternativ bis Ende 2016* Optional: Pauschalierte Vorabauszahlung der KWK-Zuschläge für Vollbenutzungsstunden zu 4 ct/kwh. Energiesteuererstattung für die im KWK-Prozess benötigte Gasmenge: 0,55 ct/kwh Hs Generelle Vergütung mit 5,41 c/kwh (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWK-G2016)) * 35 (4) KWKG 2016; gilt nur für BZH, die bis verbindlich bestellt sind und die Inbetriebnahme dieser Anlagen bis erfolgt. 26

26 BZH Wirtschaftlichkeit Vergleich der Energiekosten am Beispiel des Musterhauses Varianten: Getrennte Erzeugung: Gekoppelte Erzeugung: Gasbrennwertkessel & Solarthermie BZH & Zusatzheizgerät (ZHG) Eckdaten: Strombezugspreis: Gasbezugspreis: Vergütung gem. KWK-G: 25,00 ct/kwh 5,55 ct/kwh Hs 8/4 ct/kwh (Einspeisung/Eigenverbrauch) 27

27 BZH Wirtschaftlichkeit Getrennte und gekoppelte Energieerzeugung Energiekosten im Vergleich Strombezug Verbrauchspreis Grundpreis Gekoppelte Erzeugung BZH + 130,00 EUR/a + 81,36 EUR/a Getrennte Erzeugung Gas-BW+Solar + 840,00 EUR/a + 81,36 EUR/a Stromeinspeisung Kaufmän. Abnahme KWK-Zuschlag für den eingespeisten/- eigenverbrauchten Strom - 63,63 EUR/a - 280,80 EUR/a Gesamtkosten Strom - 133,07 EUR/a + 921,36 EUR/a Gasbezug: Verbrauchspreis Grundpreis Energiesteuererstattung für in der BZE umgesetzte Gasmenge ,97 EUR/a + 182,04 EUR/a - 89,96 EUR/a + 919,65 EUR/a + 182,04 EUR/a Gesamtkosten Gas ,05 EUR/a ,69 EUR/a Gesamtkosten Energie ,98 EUR/a ,06 EUR/a 28

28 Primärenergie [kwh PE /a] Primärenergie [kwh PE /a] BZH Primärenergievergleich Primärenergieeinsatz Getrennte und gekoppelte Erzeugung im Vergleich: PE-Aufwand nach Energieform getrennte Erzeugung gekoppelte Erzeugung Stromgutschrift Strombezug konv. Wärmeerzeugung (Heizkessel oder ZHG) BZH Abbildung/Quelle: Gertec GmbH Der energetische Vorteil liegt bei ca. 12 % (bei einer Laufzeit von Vollbenutzungsstunden im Jahr) PE-Aufwand gesamt getrennte Erzeugung gekoppelte Erzeugung Abbildung/Quelle: Gertec GmbH 29

29 Fazit Brennstoffzellen-Heizgeräte... sind technisch ausgereift, sind in Feldversuchen flächendeckend erprobt, stehen kurz vor der Markteinführung, haben einen deutlichen energetische Vorteil, können in Zukunft wirtschaftlich betrieben werden, können einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten. 30

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

31 Impressum Herausgeber: Callux, Praxistest Brennstoffzellen fürs Eigenheim, 2013, In Zusammenarbeit mit: Callux-Arbeitskreis Marktpartner Elektro Technologie Zentrum (etz) Stuttgart Handwerkskammer Osnabrück- Emsland Heinz-Piest-Institut (Hannover) Max-Taut-Schule (Berlin) ModernLearning GmbH (Berlin) Weiterbildungszentrum Brennstoffzelle Ulm (WBZU) unter der Leitung von: Prof. Dr. Manfred Hoppe Forschungsgruppe Praxisnahe Berufsbildung (FPB) Universität Bremen 32 Callux Praxistest BZH-Grundlagen

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