Marktreife in Sicht? Kraft-Wärme-Kopplung. Brennstoffzelle: Entwicklungsstand und Aussichten für die neue Form der Energieerzeugung im Einfamilienhaus

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1 Brennstoffzelle: Marktreife in Sicht? Entwicklungsstand und Aussichten für die neue Form der Energieerzeugung im Einfamilienhaus Bild 1: Ein Brennstoffzellenheizgerät mit 1,5 kw el und 3 kw th und ein Zusatzheizgerät mit 15 kw th erlauben es, im Einfamilienhaus neben der benötigten Wärme auch etwa drei Viertel des Stroms in Eigenregie zu produzieren. Strom kommt vom Elektrizitätswerk, Wärme aus dem Keller für viele Haushalte in Deutschland ist das normal. Doch die Möglichkeiten zur kombinierten Energieerzeugung für Einfamilienhäuser nehmen stetig zu. So könnte bereits in wenigen Jahren, neben den am Markt existierenden KWK- Anlagen, das Brennstoffzellenheizgerät Strom und Wärme für das Eigenheim erzeugen. Erste Feldtests lieferten bereits Ergebnisse. Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), die gleichzeitige Erzeugung elektrischer und thermischer Energie in einem Prozess, kommt nur für wenige Wohnungsanlagen infrage. Der Grund: Verfügbare Lösungen wie Gasmotoren oder Turbinen lohnen sich in der Regel erst bei höheren Leistungen, sodass sie ihr Potenzial meist nur bei großen Objekten und Wohnblocks entfalten können. Zudem erzeugen diese Systeme nicht unerhebliche Geräusche; aus diesem Grund werden die Heizkraftwerke oft in getrennten Gebäuden aufgestellt. Im Einfamilienhaus (EFH) kommt die KWK-Technik meist in Form von Mini- BHKWs zur Anwendung. Brennstoffzellen sollen bald eine weitere Lösung auf dem Gebiet der KWK-Technik für kleinere Wohngebäude sein. Sie versprechen den Primärenergieverbrauch und darüber hinaus auch die Produktion des Treibhausgases CO₂ zu senken. Als Brennstoff dient den Hausanlagen zum Beispiel aus Erdgas erzeugter Wasserstoff. Die elektrochemischen Wandler die Brennstoffzellen ermöglichen das Erzeugen von Strom und Wärme ohne störende Geräuschentwicklung. Bei einem modernen EFH werden als winterliche Wärmelast etwa 6 kw th angenommen. Mit einem System, das 1,5 bis 3 kw th und 0,75 bis 1,5 kw el bereitstellen kann, ließe sich der Warmwasser- und Heizbedarf zu etwa zwei Drittel, der Bedarf an Strom sogar zu drei Viertel mit einer Brennstoffzellenanlage über das Jahr verteilt decken (Bild 1). Dazu erklärt Guido Gummert, Geschäftsführer der european fuel cell gmbh (efc) in Hamburg: Bild 2: Handwerkerschulung. In dreitägigen Veranstaltungen bei efc erlernten ausgewählte Heizungsfachleute alles Wissenswerte zur Installation eines Brennstoffzellenheizgerätes. 58 IKZ-Haustechnik Heft 4 /2007

2 Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle Funktion der Brennstoffzelle. Bild: Initiative Brennstoffzelle Wesentliche Komponenten der Brennstoffzelle *) sind die Anode, der Elektrolyt und die Kathode. An der Anode werden Wasserstoff-Moleküle (H₂) in einzelne Atome aufgebrochen und ein Elektron abgespalten. So entstehen Wasserstoff-Ionen (H +, Protonen). Der Elektrolyt ist nur für diese H + -Ionen durchlässig. Diese wandern zur Kathode, an der aus Sauerstoffmolekülen (O₂) Sauerstoff-Ionen (O - ) entstehen. Die Sauerstoff- und Wasserstoff-Ionen reagieren zu Wasser, wobei Wärme und Wasserdampf entstehen. Während dieses Prozesses wandern Elektronen über einen elektrischen Leiter von der Anoden- zur Kathodenseite: Es fließt Strom. Weil jede einzelne Brennstoffzelle nur eine geringe elektrische Spannung und wenig Wärme liefert, werden in der Regel mehrere Einheiten zu einem Stapel, dem sogenannten Stack, zusammengefasst. Brennstoffzellentypen werden in erster Linie nach ihrem Elektrolyten unterschieden. Prinzipiell eignen sich verschiedene Arten von Brennstoffzellen zu KWK. Für den dauerhaften Einsatz bei hohen Temperaturen bieten sich beispielsweise die MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell, Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle) oder die SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) an. Der chemische Prozess geschieht hier bei mehreren hundert Grad. Bei derart hohen Arbeitstemperaturen sind diese beiden Brennstoffzellentypen jedoch weniger geeignet für ein häufiges An- und Abschalten des Systems. Typische Einsatzgebiete hierfür zeigen sich in Industrie und Krankenhäusern, wo eine ganzjährige Wärmeabnahme die Regel ist. Auf wesentlich geringerem Temperaturniveau arbeiten die PAFC (Phosphorsäure-Brennstoffzelle) und die PEMFC (Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle, auch PEM oder PEM-Brennstoffzelle genannt). Anders als die PAFC, die nicht beliebig nach unten skalierbar ist, gehört die PEM- BZ zu den Favoriten, wenn es *) Hier am Beispiel der PEM-BZ (Polymer-Elektrolyt-Membran- Brennstoffzelle) erklärt um die Kraft-Wärme-Kopplung im Einfamilienhaus geht. Größer dimensionierte Systeme müssten einen Teil des Jahres unterhalb ihres optimalen Betriebsbandes arbeiten, also bei einem technisch nicht sinnvollen Wirkungsgrad, kleinere Systeme wiederum würden den Eigenerzeugungsanteil auf ein unattraktives Maß schrumpfen lassen. Ein unausgewogenes Verhältnis von Investition und Nutzen wäre die Folge. Heft 4 /2007 IKZ-Haustechnik 59

3 Entwicklung Brennstoffzellenheizgerät Für die Entwicklung eines marktfähigen Brennstoffzellenheizgerätes (BZH) hat die efc bereits verschiedene Versionen, angepasst an den fortlaufenden Erkenntnissen entwickelt. Mit BETA 1.5 der Name BETA weist die Anlage als Nachfolger der ersten Labormuster und Prototypen der AL- PHA-Unit aus hat die Feldtestphase bei efc begonnen. Der Zusatz 1.5 steht für die maximale elektrische Leistungsabgabe von 1,5 kw el. Es handelt sich hierbei um Testgeräte, die sich im Feld bewähren sollen, betont efc-chef Gummert. Erst spätere Modelle mit der Bezeichnung Gamma und folgende sollen Serienstatus haben. Die BETA-Einheiten messen etwa 0,9 m in der Breite, sind 0,75 m tief und 1,9 m hoch. Damit passen sie durch gängige Türen. Das Gewicht der Einheit beträgt etwa 350 kg. In dem Gehäuse befinden sich neben dem Brennstoffzellen-Stapel Peripheriekomponenten wie der Reformer, der durch Zerlegen des in Erdgas enthaltenen Methans (CH₄) Wasserstoff erzeugt, Pumpen und andere Nebenaggregate, die den Prozess unterstützen. Außerdem ist eine Steuerung integriert, die neben der Prozessüberwachung auch die Sicherheit des Systems gewährleisten soll. Gesamtsystem mit Speicher und Brenner Ergänzt wird das BZH-System durch einen Spitzenlast- Brennwertkessel, der beispielsweise für 15 kw th ausgelegt ist, und einen Schichten-Wärmespeicher. Letzterer ist für den sinnvollen Betrieb der Brennstoffzelle unentbehrlich. Er entkoppelt Wärmebedarf und Produktion und dient in erster Linie dazu, der Brennstoffzelle zu langen Laufzeiten zu verhelfen. Damit stellt er neben der Schaffung eines Wärmevorrates sicher, dass die Brennstoffzelle in der notwendigen Last zwischen 50 und 100 % betrieben werden kann. Die Wärme wird dazu aus der Brennstoffzelle am unteren, kühleren Teil des Schichtenspeichers eingekoppelt, um das etwa 40 C warme Wasser auf 60 C zu erwärmen. Die Laufzeit der Brennstoffzelle hängt von der Größe des Speichersystems ab. In efc-versuchen der vergangenen Jahre hat sich ein Speicher mit etwa 600 l Gesamtinhalt, davon 180 l Warmwasseranteil, als geeignet für ein EFH herausgestellt. Steigt der Bedarf an Wärme, etwa beim morgendlichen Aufheizen des Hauses und gleichzeitigen Duschen, stellt zunächst der Speicher die Heizwärme oder das Warmwasser bereit. Ist sein Energieinhalt nicht ausreichend, erst dann wird der Spitzenlast-Brennwertkessel gefordert. Laut efc seien die derzeitigen 1,5-kW-Anlagen die ideale Abrundung eines Heizsystems, das mit 60/40 C Vor-/Rücklauf betrieben wird, da die Brennstoffzelle das System mit etwa 65 C bediene. So könne die verfügbare Technik bereits heute die Heizungsanforderungen im Einfamilienhaus voll erfüllen. Aus diesem Grund sieht das Unternehmen an der Elbe auch keinen Bedarf, andere Brennstoffzellen, etwa die SOFC (> 600 C Betriebstemperatur) einzusetzen. Wir halten den eingeschlagenen Entwicklungsweg bei und konzentrieren uns auf das Systemdesign, kommentiert Gummert. Die efc sei damit eines der wenigen Unternehmen, das sich gezielt den stationären Brennstoffzellensystemen zwischen 1 und 2 kw el Leistung widme. Ein Blick in die Fertigung des BETA 1.5 -Brennstoffzellenheizgerätes. Unter Grundlage dieser Aussage bezieht das EFH weitere elektrische Energie aus dem Stromnetz. Für die Abdeckung des Spitzenwärmebedarfs dient nach dem Konzept der efc ein integrierter Brennwertkessel. Im EFH- Neubaubereich (Passivhaus) könne jedoch die Brennstoffzelle den Wärmebedarf alleine decken. Dennoch: Der EFH-Neubau macht nur einen geringen Teil des Heizgerätemarktes aus. Bei über 90 % handelt es sich um Austauschgeräte für den Bestand. Hier ist der Wärmebedarf in der Regel höher als die von der Brennstoffzelle gelieferte Leistung. Deswegen sehen wir, wie unsere Muttergesellschaft BAXI, aus unternehmensstrategischer Sicht die Brennstoffzelle als Zusatz zur Heizung. Sie ergänzt den Schematische Darstellung der Einbindung eines BZH (in Kombination mit einer Zusatz-Heiztherme) in den Kreislauf der statischen Heizfläche. Das BZH speist den Wärmespeicher mit 60 C Vorlauftemperatur, der u. a. die statischen Heizflächen versorgt. Wird Wärme mit mehr als 60 C gefordert, kann die Therme als Nacherhitzer eingesetzt werden, zudem dient sie der Deckung höherer Wärmelasten. konventionellen Kessel um die Premiumfunktion Kraft- Wärme-Kopplung, so Gummert. Die Dimensionierung der Brennstoffzelle werde so gewählt, dass sie nicht den maximalen Wärmebedarf, sondern die Grundlast abdecke. Der Vorteil: hohe Lauf- 60 IKZ-Haustechnik Heft 4 /2007

4 zeiten seien damit sichergestellt. Schrittweise zum optimalen System Erste Versuche mit der Technik und der Dimensionierung des Systems nahm die efc in ihrem Labor vor. Hier wurde ein praxisnaher Betrieb der Brennstoffzelle nachempfunden. Parallel dazu simulierten die Entwickler am PC ein virtuelles Musterhaus und spielten unterschiedliche Verbrauchsverhalten sowie verschiedene Jahreszeiten durch. Man erhielt so Aufschluss über die Systemdimensionierung und die Regelstrategie. Erst nach den erfolgreichen Ergebnissen wagte der Brennstoffzellenspezialist den Schritt vom Labor hin zu Feldtests. Seit dem Winter 2005/2006 arbeiten die ersten Brennstoffzellenheizgeräte (BZH) unter realen Gegebenheiten in einigen Objekten vor Ort. Am Feldtest wirken diverse Energieversorgungsunternehmen (EVU) und Handwerksbetriebe mit. Das Interesse sei groß, denn beide Parteien würden die Chance sehen, mit einem BZH neue Geschäftsfelder zu erschließen. Voraussetzung für die vorbereitenden Tests und eine spätere Markteinführung ist für das Unternehmen neben der CE-Zertifizierung (die für den Betrieb mit H- und L-Gas erfolgte) eine hohe Verfügbarkeit der Systeme. Aus diesem Grund legt efc besonderen Wert auf den Service. Das Unternehmen bietet Dienstleistungen bei der Inbetriebnahme, Ersatzteilbeschaffung, Wartung und Reparatur an. Beratung, Schulung und Hotline- bzw. Onlineservices runden das Angebot ab (Bild 2). Die Feldtestpartner und Handwerksbetriebe erhalten so die Gewissheit, dass wir die Technik rundum betreuen, sagt Gummert. Die Fachhandwerker sind unsere Marktpartner, die wir auf den Weg in ein neues Technologiezeitalter mitnehmen wollen und müssen. Feedback aus Feldtest An dem zurzeit bei efc laufenden Feldtest sind insgesamt sieben Partnerunternehmen und etliche Handwerksbetriebe beteiligt. Dazu befinden sich derzeit etwa 15 BZH des Unternehmens im Betrieb bzw. in der Installation. Sie arbeiten wärmegeführt, laufen also nur, wenn akuter Wärmebedarf besteht oder der Pufferspeicher geladen werden kann. Die erste Feldtestanlage nahm im Januar 2006 den Betrieb auf. Bis zum Jahresende hatte sie über 5000 Betriebsstunden absolviert. Die Ergebnisse des Praxiseinsatzes machen Mut, sagt Gummert nach gut einem Jahr Erfahrung. Unsere Erwartungen wurden im Wesentlichen bestätigt. So liege beispielsweise der elektrische Wirkungsgrad bei knapp 30 %, der thermische bei gut 50 % wie seiner Zeit vorhergesagt. Der Praxiseinsatz habe wie gewünscht auch Erkenntnisse für Verbesserungen geliefert, die zum Teil auch schon umgesetzt seien. Zum Beispiel habe sich bei den im Sommer installierten Anlagen gezeigt, dass diese in den lastschwachen Monaten un- Brennstoffzelle auf der ISH Über die Eigenschaften des neuen Brennstoffzellenheizgerätes BETA 1.5 Plus informiert efc während der ISH 2007 in Frankfurt (6. bis 10. März) in Halle 8.0 an Stand C 06 der BAXI Group. Heft 4 /2007 IKZ-Haustechnik

5 Nachgefragt IKZ-HAUSTECHNIK: Herr Gummert, in welchem Maße hat die Optimierung der Brennstoffzelle, die mit der neuen Generation der BETA 1.5 Plus umgesetzt wurde, das alles entscheidende Kosten/Nutzenverhältnis verbessert? Gummert: Die Verbesserung des Kosten-/Nutzenverhältnisses ist nicht mit einem Schritt getan, sondern ein langer Entwicklungsweg. Im Zuge der Optimierung haben unsere Zulieferer gemeinsam mit unseren Ingenieuren inzwischen sehr gute Arbeit geleistet. So konnten für die BETA 1.5 Plus schließlich Komponenten entwickelt werden, die das Potenzial zur Einhaltung von Zielkosten haben. Das Ziel ist, die Komponentenentwicklung voranzutreiben, um die Spezifikationen einzuhalten und das Design zu vereinfachen. Diesem Ziel sind wir bereits ein ganzes Stück näher gekommen. IKZ-HAUSTECHNIK: Ist damit schon absehbar, wann die Serienproduktion voraussichtlich beginnen wird? Gummert: Neben der Technologie-Entwicklung sind wir dabei, parallel eine effiziente Fertigungstechnik zu entwickeln. Unser Ziel ist es, Mitte des nächsten Jahrzehnts ein wettbewerbsfähiges BZH etablieren zu können. Die technische Reife werden wir schon zuvor erlangen. Doch heute und in naher Zukunft ist die Brennstoffzellentechnik noch zu teuer, um sich am Markt behaupten zu können. Um die Serienproduktion zu erreichen, müssen auch andere Rahmenbedingungen stimmen: So gehört die weitere Unterstützung unserer Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten dazu. Feldtests sind hier notwendig, um die Marktbedingungen genau zu ertasten. Dazu zählen auch die Entwicklung der Geschäftsmodelle bei den Energieversorgungsunternehmen, die Schulung des Fachhandwerks für Installation, Service und Wartung, und letztendlich das Erlangen der Akzeptanz dieser Technik beim Fachhandwerker und Kunden. Die IKZ-HAUSTECHNIK-Redaktion sprach mit Dipl.-Ing. Guido Gummert, Geschäftsführer der european fuel cell gmbh (efc), über den Entwicklungsfortschritt in der Brennstoffzellen-Heiztechnik und die Markterwartungen. IKZ-HAUSTECHNIK: Die efc bietet für SHK-Handwerksbetriebe in Hamburg Schulungen an. Wie viele Betriebe konnten sich mit der neuen Technik bereits vertraut machen und wie lange dauert eine Schulung bzw. wer trägt die Kosten? Gummert: Für die BETA 1.5 Feldtestanlagen wurden bereits 30 SHK-Fachhandwerker in dreitägigen Workshops auf die Arbeiten bei der Installation, der Inbetriebnahme und dem Service vorbereitet. In diesem Zusammenhang ist es unser Ziel, den Fachhandwerker möglichst viel selber machen zu lassen die Hilfe zur Selbsthilfe überwiegt. Nur so lernt der künftige Fachmann rasch und effizient den Umgang mit dem Brennstoffzellenaggregat. Allerdings steht auch später bei der Inbetriebnahme vor Ort dem Kunden anfangs immer noch ein efc- Techniker zur Seite. Und schließlich noch zu den Kosten: Die Teilnahme am Workshop ist für den Fachhandwerker kostenfrei. Nur die Unterbringung und seine Arbeitsstunden muss er selbst tragen. günstiger getaktet waren als geplant. Die Ergebnisse wurden mit Datenfernübertragung ermittelt eine Option, die auch dem Betreiber oder Installateur offen stehe. Darüber hinaus haben die Techniker durch die gewonnenen Erkenntnisse auch den Verschleiß der Brennstoffzelle verringern können. Im Test habe sich herausgestellt, dass eine Modifikation der Kathodenluftzufuhr sich positiv auf die Lebensdauer der elektrochemischen Wandler auswirke. Zeitnah sollen weitere Erfahrungen einfließen: So stehe bei den kommenden Installationen zum Beispiel die Optimierung der An- und Abfahrzyklen auf dem Programm. Seriennähe in BETA 1.5 Plus umgesetzt Zunächst optimiert efc die BETA-Geräte und nennt sie nun BETA 1.5 Plus. Gummert zur Namensgebung: Damit möchten wir zeigen, dass es sich nach wie vor um Feldtestgeräte handelt, nicht um ein Serienprodukt. Das Plus weist auf die Verbesserungen hin. Äußerlich habe sich zwar nichts geändert, aber das Innenleben der BETA 1.5 Plus sei optimiert. In diesem ursprünglich nicht vorgesehenen Zwischenstadium weicht zum Beispiel die sicherheitsgerichtete SPS (Speicher-programmierbare Steuerung) des Reformers nun einer Kompaktsteuerung. Sie ist im Funktionsumfang auf das Wesentliche reduziert und zeigt sich bereits im Status äußerst seriennah. Reduziert ist auch der messtechnische Aufwand. Viele Subsysteme haben ihre Funktion und Sicherheit bewiesen und benötigen nun weniger Kontrolle. Auch periphere Komponenten wie Pumpen wurden produktionstechnisch und im Hinblick auf ihre Effizienz modifiziert. Sie ähneln nun bereits dem späteren Serienprodukt. Insgesamt haben wir die Anzahl der Bauteile bei den Plus-Geräten deutlich verringert. Komponenten, die früher Laborcharakter hatten, sind künftig leicht in größeren Stückzahlen herzustellen, so Gummert. Die ersten verbesserten BETA-Modelle werden derzeit im Rahmen des Feldtests aufgestellt. Gleichzeitig findet jetzt schon das Engineering für die künftigen GAM- MA-Aggregate statt mit dem Ziel, im nächsten Jahrzehnt ein Serienprodukt auf den Markt zu Internetinformationen: 62 IKZ-Haustechnik Heft 4 /2007