Auf dem Weg in den Heizungskeller - Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzelle

In Sachsen ist jetzt eine Brennstoffzellen-Heizung der neuesten Generation im Rahmen eines Demonstrationsprojekts installiert worden – dabei setzen die Partner Vaillant und der Brennstoffzellen-Lieferant Sunfire auf die Vorteile der Solid Oxide Fuel Cell (SOFC-Brennstoffzelle).  
Die Brennstoffzelle ist nicht neu: Schon 1838 entstand die Idee dazu, aber erst in den 1960er-Jahren wurde sie durch die NASA praktisch umgesetzt. Brennstoffzellen nutzen die chemische Energie von Erdgas oder Biogas zur direkten Umwandlung in elektrische Energie. Dazu dienen Elektroden, die durch Elektrolyte voneinander getrennt sind. Um genügend Leistung zu erbringen, werden die einzelnen, dünnen Zellen zu sogenannten Brennstoffzellen-Stacks aufgereiht. Ist das Brennstoffzellen-Heizgerät an das Erdgasnetz angeschlossen, wandelt ein Reformer das Erdgas zunächst in ein wasserstoffreiches Gas um. Dieses reagiert dann im Brennstoffzellen-Stack mit dem Sauerstoff der Luft in einer geräuschlosen „kalten Verbrennung“. Bei dieser Verbrennung entstehen Strom und Wärme.
Die vom Dresdner Unternehmen Sunfire entwickelte SOFC zählt zu den Hochtemperatur-Brennstoffzellen, bei der ein keramischer Festelektrolyt verwendet wird. Die Arbeitstemperatur liegt bei ungefähr 900°C. Dies erlaubt einen relativ einfachen, kostengünstigen und integrierten Reformierungsprozess.  „Gegenüber Gas-Brennwertgeräten hat sie den Vorteil, dass sie sowohl Wärme als auch Strom erzeugt und damit aus dem eingesetzten Gas hochwertige Energie gewonnen wird“, erläutert Christian von Olshausen, CTO von Sunfire. Durch die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) arbeiten SOFC-Systeme mit einem Gesamt-Wirkungsgrad von 90%, während der elektrische Wirkungsgrad maximal bei 60% liegt.
Auf Basis dieser SOFC-Brennstoffzelle hat Vaillant das erste wandhängende Brennstoffzellen-Heizgerät als Vorserien-Gerät entwickelt, das effizient und emissionsarm elektrische Energie und Wärme aus Gas (Methan, Wasserstoff) erzeugt. „Brennstoffzellen sind ideale dezentrale Strom- und Wärmeerzeuger“, sagt von Olshausen. Während die Wärme direkt genutzt wird, kann der Strom je nach Bedarf selbst verwendet, zwischengespeichert oder ins öffentliche Netz eingespeist werden. Auch ein Zusammenschluss mehrerer Brennstoffzellen-Heizgeräte zu virtuellen Kraftwerken ist möglich und eröffnet dem Endkunden weitere wirtschaftliche Vorteile.

Großes CO2-Einsparpotenzial
Brennstoffzellen gelten als die KWK-Technologie mit dem höchsten Potenzial zur CO2-Vermeidung. Sie bestehen, so ein weiterer Vorteil, aus nur wenigen, mechanisch beanspruchten Teilen, sind robust und geräuscharm. Gegenüber Motoren als Basis für KWK-Anlagen versprechen Brennstoffzellen einen deutlichen Technologiesprung: Im Vergleich zur üblichen arbeitsteiligen Strom- und Wärmeerzeugung verbrauchen sie bis zu 25% weniger Primärenergie und senken den CO2-Ausstoß um bis zu 50%. Doch vor dem breiten Einsatz im Markt müssen vor allem Kosten reduziert und Wirkungsgrade verbessert werden. Dazu dienen der Praxistest Callux, das Demonstrationsprojekt ene.field und Förderprogramme einiger Bundesländer, die Anreize schaffen, als Pilotkunde Brennstoffzellen-Heizgeräte über drei Jahre auszuprobieren.
Vor fünf Jahren startete mit Callux ein deutschlandweiter, großer Praxistest unter dem Motto „Brennstoffzelle fürs Eigenheim“. Der Praxistest sollte dabei helfen, die Technologie bis zum Jahr 2017 zur Marktreife zu bringen. Projektpartner bei Callux sind neben Herstellern von Brennstoffzellen-Heizgeräten auch zahlreiche Energieversorger, wie EnBW oder Vattenfall. Mehr als 400 Brennstoffzellen-Heizgeräte von Vaillant, Baxi Innotech oder Hexis sind seitdem im Feld erprobt worden. Mit 100 Brennstoffzellen-Heizgeräten sammelten Vaillant und Sunfire so Erfahrung in mehr als 600000 Betriebsstunden. Dabei überzeugten die Geräte im Schnitt durch sehr hohe Zuverlässigkeit (>97%). Kostensenkungspotenziale von mehr als 50% konnten realisiert werden.

Nach Callux kommt ene.field
„Brennstoffzellen werden einen Steigflug erleben, denn die Anlage ist an den Strom- und Wärmebedarf eines Eigenheims angepasst“, sagt Wolfgang Seidewitz. Der Hauseigentümer aus dem sächsischen Schildau ist überzeugt von dem, was er seit Juni bei sich im Keller stehen hat. Das in Schildau installierte Brennstoffzellen-Heizgerät ist eines der neuesten Generation mit SOFC-Technologie. Die Vaillant-Brennstoffzelle gehört zum Programm ene.field, Europas größtes Demonstrations- und Forschungsprojekt für die Brennstoffzellen-Mikro-KWK-Technologie.
Drei Jahre lang sollen Seidewitz und seine Familie das Brennstoffzellen-Heizgerät testen. Seidewitz ist optimistisch, dass die Brennstoffzelle auch danach in seinem Keller bleiben wird: „Der Winter wird es zeigen“, so der Unternehmer, der vor allem in der kommenden kalten Jahreszeit von der gekoppelten Wärme-Strom-Produktion im Verhältnis 2:1 profitieren möchte.
Welche Technologiesprünge möglich sind, zeigen die Veränderungen dieser Generation im Vergleich zu dem Vorgänger-Gerät: Die neue Gerätegeneration ist um 25% leichter und kompakter als die vorherige. Zudem konnten die Projektpartner die Herstellkosten um mehr als die Hälfte reduzieren. Das SOFC-Heizgerät produziert zeitgleich 2 kW Wärme und 1 kW Strom bei einem elektrischen Wirkungsgrad von 30 – 34%.
Bis 2016 schließlich soll die Marktfähigkeit der Brennstoffzellen-Heizungen erreicht sein. Läuft die Markteinführung optimal, könnte der Absatz laut Marktstudien auf ca. 70000 Geräte pro Jahr in 2020 steigen.

Kontakt: Sunfire GmbH, 01237 Dresden, Tel. 0351 8967970, Fax 0351 896797831, info@sunfire.de, www.sunfire.de