Serie Teil XXXIV: KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG ALS ZUKUNFT. Brennstoffzellenheizgeräte in der Praxis

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1 Serie Teil XXXIV: KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG ALS ZUKUNFT Brennstoffzellenheizgeräte in der Praxis 46 HEIZUNGSJOURNAL

2 K R A F T- W Ä R M E - KO P P L U N G Wirkungsgrad überzeugt Einsatz der Brennstoffzellen-Technologie im Ein- und Zweifamilienhaus In deutschen Heizungskellern herrscht Modernisierungsstau: Rund 20,5 Millionen zentrale Wärmeerzeuger werden. So lautet ein Ergebnis einer vom Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e.v. (BDH) und vom Bundes verband des Schornsteinfegerhandwerks Zentralinnungsverband (ZIV) vorgelegten Unter suchung. Dennoch wurden in den vergangenen Jahren laut Shell-BDH-Hauswärmestudie 2013 durchschnittlich nur bis Heizungen erneuert. Das sind lediglich drei Prozent aller Zentralheizungsanlagen in Deutschland. Dabei man- Mehr Wissen! Mit einem Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle von 90 Prozent und einem elektrischen Wirkungsgrad von 45 Prozent ist die Energiezentrale Logapower FC10 System der dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung. (Abbildungen: Buderus) Mit moderner Brennstoffzellen-Technologie kommt jetzt eine weitere Möglichkeit hinzu, den Modernisierungsstau aufzu lösen. Der Heiztechnikhersteller Buderus testet eine, gemeinsam mit dem japanischen Hersteller Aisin entwickelte, Brennstoffzellenlösung bereits im Praxisbetrieb: die Energiezentrale Logapower FC10 für Neubau und Modernisierung. Sie liefert nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung zugleich Wärme und Strom. Insgesamt 70 Demonstrationsanlagen wird Bosch Thermotechnik realisieren, einem großen europäischen Demonstrationsprogramm für brennstoffzellenbasierte Lösungen zur dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung.* Herzstück ist die Brennstoffzelle Im Inneren der Energiezentrale steckt eine Kombination aus neuester Brennstoffzellen-Technologie und bewährter Gas-Brennwerttechnik. Herzstück der Logapower FC10 ist die keramische Festoxid-Brennstoffzelle, auch Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) genannt. SOFC-Brennstoffzellen verwenden innovative keramische Materialien im sogenannten Stack (Zellstapel) und arbeiten bei ca. 700 C. Damit gehören sie zu den sogenannten Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Der elektrische Wirkungsgrad ist höher als bei Brennstoffzellen auf Polymerbasis. * Die Forschung, die zu diesen Ergebnissen geführt hat, erhielt Fördermittel für die gemeinsame Technologie initiative für Brennstoffzellen und Wasserstofftechnik vom siebten Forschungsrahmenprogramm der Europäischen Union (FP7/ ). Die Geldmittel stammten von der Zuschussvereinbarung n HEIZUNGSJOURNAL

3 Zustand A: Ist die Pufferspeichertemperatur höher als die von Heizung oder Warmwasserbereiter angeforderte Solltemperatur, bleibt das Brennwertgerät ausgeschaltet. Im Stack (Zellstapel) reagiert Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft. Als Resultat der Reaktionen entstehen Strom und harmloser Wasserdampf als Nebenprodukt. Unter dem Gehäuse stecken außer der Brennstoffzelle zudem ein Gas-Brennwert- Hybridgerät Logamax plus GBH172, ein 75-Liter-Warmwasserspeicher und ein 150-Liter-Pufferspeicher. Die elektrische und thermische Leistung der Brennstoff- zelle betragen 0,7 kw, gemeinsam bringen es Brennstoffzelle und angebundenes Gas-Brennwertgerät auf eine Nennwärmeleistung von bis zu 25 kw. Mit einem elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 45 Prozent und einem Gesamtwir- kungsgrad von 90 Prozent gehört die Systemen zur dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung. Ein weiterer Vorteil der verwendeten SOFC-Technologie ist der relativ einfache integrierte Reformierungsprozess. Darunter ist die Aufbereitung des Brenngases zu verstehen also die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid. Es ist keine aufwändige vorgeschaltete Reformierung in einer separaten Anlage nötig, weil die Reformierung in der Brennstoffzelle selbst erfolgt. Die Brennstoffzelle wandelt die im Wasserstoff enthaltene Energie durch eine chemische Reaktion in elektrische Energie um. Der Wasserstoff wird aus dem zugeführten Erdgas gewonnen. Zustand B: Nur wenn die Temperatur im Pufferspeicher nicht zur Deckung der Solltemperatur ausreicht, geht das Brennwertgerät in Betrieb. Im Stack reagiert der Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft. Als Resultat der Reaktionen entstehen elektrische Energie und als Nebenprodukt Wasserdampf. Ein Inverter wandelt anschließend den von der Brennstoffzelle produzierten Gleichstrom in Wechselstrom um, der entweder direkt im Gebäude verbraucht oder ins Netz eingespeist wird. Im Vordergrund 48 HEIZUNGSJOURNAL

4 steht dabei die wirtschaftlichere Eigennutzung des Stromes, also den Strombezug aus dem Netz der öffentlichen Versorgung zu ersetzen. Nur wenn keine Abnahme im Haus erfolgt, wird der überschüssige Strom ins öffentliche Netz eingespeist und staatlich garantiert vergütet. Die eingesetzte Hochtemperatur-Brennstoffzelle ist für den Einsatz in Bestandsgebäuden ebenso wie im Neubau und sowohl für Heizkörper- als auch für Fußbodenheizung geeignet. Ein Trinkwasseranschluss für das Brennstoffzellensystem ist nicht nötig. Regelung verteilt die Aufgaben Eine Systemregelung sichert das Zusammenspiel der Komponenten. Die Aufgaben sind dabei klar verteilt: Die Brennstoffzelle arbeitet rund um die Uhr und speichert die entstehende Wärme im Pufferspeicher. Diese wird für die Raumheizung und Warmwasserbereitung genutzt. Das Gas-Brennwert-Hybridgerät heizt über ein integriertes Mischventil nur bei Bedarfsspitzen nach wenn beispielsweise kurzfristig eine größere Menge warmes Wasser benötigt wird. So kann die Energie im Pufferspeicher optimal genutzt werden. Im Gegensatz zu üblichen Tank-in-Tank- und Frischwasser-Systemen wird ein Nachladen des Pufferspeichers durch das Gas-Brennwertgerät komplett zienzsteigerung beiträgt. Das lässt sich anhand von zwei Betriebszuständen der Anlagen verdeutlichen: Zustand A: Ist die Pufferspeichertemperatur höher als die vom Heizkreis oder Warmwasserbereiter angeforderte Solltemperatur, bleibt das Brennwertgerät außer Funktion. Die geforderte Solltemperatur wird im Mischventil aus heißer Puffertemperatur und Rücklauftemperatur gemischt. Zustand B: Reicht die Temperatur im Pufferspeicher nicht zur Deckung der Solltemperatur im Heizkreis oder der Warmwasserbereitung aus, wird Die Demonstrationsan lagen werden messtechnisch HEIZUNGSJOURNAL

5 Monatsbilanz einer Demonstrationsanlage: Stromverbrauch des Haushalts, Stromerzeugung der Energiezentrale und Eigenverbrauch des von der Energiezentrale erzeugten Stroms. modulierend nur die Wärmemenge konventionell durch das Brennwertgerät beigesteuert, die auch benötigt wird. Erzeugung passt zum Verbrauch Strom-Tageslastgang einer Demonstrationsanlage. Die Buderus-Demonstrationsanlagen werden messtechnisch ausführlich überwacht, Die Ergebnisse der ersten Anlagen stimmen nach mehr als einem halben - - Im Durchschnitt werden 50 bis 80 Pro- - Der Anteil des Eigenverbrauchs, also - abhängig vom elektrischen Tageslast- fangen und der Strom-Überschuss wird bäuden mit mittlerem und höherem Stromverbrauch sowie bei höherer Strom- Monatsübersicht April 2014 zum erzeugten Strom einer Demonstrationsanlage. Auch während des Urlaubes der Eigentümer bleibt die Brennstoffzelle in Betrieb. - - milienhäusern, wärmegeführt betrieben. nur in Betrieb ist, wenn auch eine Wär- oder Warmwasserbereitung erfolgt. Vor- die relativ niedrige thermische Leistung 50 HEIZUNGSJOURNAL

6 Die Ergebnisse der ersten Anlagen stimmen nach fast einem halben Jahr Laufzeit zusammen. Im Durchschnitt werden 50 bis 80 Prozent des Haushaltsstrombedarfs durch die Energiezentrale gedeckt. Eine Demonstrationsanlage hat beispielsweise im September 2014 zirka 75 Prozent des Haushaltsstrombedarfs gedeckt, so Lucas Ronzheimer, Produktmanager Brennstoffzelle bei Buderus. bei zugleich hohem elektrischem Wirkungsgrad, wodurch ein sinnvoller Betrieb mit langen Laufzeiten in Ein- und Zweifamilienhäusern möglich wird. Hier ist die Brennstoffzellen-Technologie im Vergleich zu anderen Technologien der dezentralen Stromerzeugung mit Verbrennungs- oder Stirlingmotor deutlich im Vorteil, weil bei diesen eine höhere thermische Leistung vorhanden ist. Der Pufferspeicher entkoppelt die Wärmeerzeugung vom Wärmebedarf des Gebäudes, indem er überschüssige Wärme zwischenspeichert. Sobald dauerhaft keine Wärme mehr abgenommen wird und der Pufferspeicher vollgeladen ist, sinkt die Leistung der Brennstoffzelle (Modulation) beziehungsweise das System wird abgeschaltet. Auf Grund des hohen elektrischen Wirkungsgrades bei Brennstoffzellen des Typs SOFC werden sehr lange Laufzeiten ohne Abschalten erreicht. Bereits in den ersten Monaten ließ sich anhand der Demonstrationsanlagen nachweisen, dass bei einwöchiger Abwesenheit der Bewohner in der Übergangszeit die Brennstoffzelle in Betrieb bleibt. Bei längerer Abwesenheit im Hochsommer schaltet die Brennstoffzelle einmalig ab und geht nach Rückkehr der Bewohner wieder in Betrieb. Im Winter bleibt die Brennstoffzelle auch bei längerer Abwesenheit dauerhaft in Betrieb. Geeignet für die Modernisierung Eine der ersten Demonstrationsanlagen hat Buderus in Weinstadt rund 15 Kilometer östlich von Stuttgart installiert. Die Buderus-Energiezentrale Logapower FC10 läuft im Heizungskeller eines sa- Günstiger bauen mit PROGAS plus Flüssiggas von PROGAS macht Bauherren glücklich. Denn in eine PROGAS plus-anlage investieren Sie weitaus weniger als in eine Öl- oder Holzpellets-Heizung. So sparen Sie beim Hausbau eine Menge Geld. Und auf Wunsch kombinieren Sie unsere Energie auch noch völlig problemlos mit einer Solarthermie-Anlage, für die es attraktive Zuschüsse gibt. So wird der Traum vom Eigenheim eine rundum saubere Sache! Bauen Sie jetzt auf PROGAS plus. Wir beraten Sie gern! PROGAS GmbH & Co KG HEIZUNGSJOURNAL

7 Im sanierten Einfamilienhaus arbeitet seit kurzem ein Buderus-Heiztechniksystem mit Brennstoffzellen- Technologie. nierten Einfamilienhauses. Die Kosten für Wärme und Strom deutlich zu senken das hatte sich die Familie bei der Sanierung des Gebäudes aus dem Jahr 1957 zum Ziel gesetzt. Darüber hinaus wollten die Eigentümer neueste Energietechnik nutzen. Die Einbringung des Gerätes in den Heizungskeller gestaltete sich einfach. Die Energiezentrale wurde in vier Modulen geliefert, die man einzeln ins Gebäude transportierte. Die Außenmaße des Gesamtsystems betragen x x 600 mm (B x H x T). Montiert wurde die Anlage in Weinstadt in vier Teilschritten: Zuerst haben Mitarbeiter des ausführenden Fachbetriebes den Pufferspeicher ausgerichtet. Im zweiten Schritt wurde das Brennstoffzellenmodul aufgestellt teile angebracht waren, haben die Installateure im dritten Schritt neben dem Brennstoffzellenmodul und dem Pufferspeicher den 75-Liter-Schicht ladespeicher platziert und ausgerichtet. Zuletzt wurde das Gas-Brennwertgerät montiert und damit das Gesamtsystem vervollständigt. Mitarbeiter des Heizungsfachbetriebes richten zunächst den Pufferspeicher aus (links). Anschließend wird das Brennstoffzellengerät aufgestellt Auf den 75-Liter-Schichtladespeicher wird das Gas-Brennwert- montiert (links). Über die vorkonfektionierten Rohrgruppen entfallen aufwändige Verrohrungsarbeiten vor Ort und die Verbindung der Systemkomponenten gestaltet sich einfach (rechts). 52 HEIZUNGSJOURNAL

8 Hydraulikschema der Energiezentrale Logapower FC10 : Der Anschluss von Heizkreis und Trinkwasserversorgung ist identisch zu Gas- Brennwertgeräten. Brennwert zum Nachrüsten! Über 100 C Abgastemperatur sparen Weil alle Module aufeinander abgestimmt sind, ließen sie sich mit den mit gelieferten Rohrgruppen einfach und schnell verbinden. Aufwändige Verrohrungen und Planungen der Hydraulik waren nicht nötig. Das macht die Montage der Logapower FC vergleichbar mit einem handelsüblichen Brennwertgerät. Auch die Anbindung von Abgassystem und Heizkreis ist vergleichbar mit herkömmlichen Systemen. Ein beim örtlichen Netzbetreiber eingetragener Fachbetrieb musste die Energiezentrale nur noch elektrisch installieren und ans Netz anbinden. Fazit Die im Praxisbetrieb gesammelten Erfahrungen und Messdaten der Buderus- Energiezentralen belegen, dass Brennstoff zellen-technologie reif für den Einbau in Ein- und Zweifamilienhäusern ist. Der Großteil des Haushaltsstrombedarfs lässt sich über den per Kraft-Wärme-Kopplung erzeugten Strom decken, was zu einer deutlichen Energiekosten-Einsparung führt. Darüber hinaus machen sich Besitzer einer Brennstoffzellen-Ener giezentrale damit unabhängiger gegenüber künftigen Strompreissteigerungen. Nicht zuletzt werden auch die CO 2 -Emissionen des Haushaltes deutlich gesenkt. Das integrierte Gas-Brennwertgerät geht nur in Spitzenlastzeiten in Betrieb, auch das trägt zu niedrigeren Energiekosten und einem umweltfreundlichen Betrieb bei. Von Vorteil für den Fachhandwerker ist die einfache Montage: Die Installation ist vergleichbar mit der eines Brennwertgerätes, womit sich die Energiezentrale auch für die Modernisierung eignet. [Lucas Ronzheimer, Produktmanager Brennstoffzelle bei Buderus] Weitere Informationen unter: Säurebeständigkeit Weitere Informationen erhalten Sie über den örtlichen ATEC-Fachgroßhändler oder direkt bei: ATEC GmbH & Co.KG Liliencronstraße 55. D Neu Wulmstorf Tel. (040) Fax (040) info@atec-abgas.de. HEIZUNGSJOURNAL