Trends und Entwicklungen bei Brennstoffzellen-Heizgeräten - Auch im kleinsten Leistungsbereich stark

Für die praktische Anwendung werden die einzelnen Brennstoffzellen in Reihe geschaltet, d.h. in Stapeln (englisch: stacks) zusammengefasst. Die Brennstoffzellenstapel für die Heizgeräte liefern je nach Größe zwischen 1 kW und 10 kW elektrische Leistung. In Verbindung mit einem „Nachbrenner“ kann die thermische Leistung dem Wärmebedarf angepasst werden.
Das Ziel der Entwicklungsarbeit und Testreihen seitens der Produkthersteller ist, ein zuverlässig arbeitendes Brennstoffzellen-Heizgeräte zur gleichzeitigen Erzeugung von Wärme und Strom anbieten zu können. Zudem sollte das komplette Brennstoffzellen-Heizgerät nach Möglichkeit eine Standzeit von 40000 Betriebsstunden, d.h. eine Nutzungsdauer von ca. 10 bis 15 Jahren erreichen.

Intensive Forschung und Entwicklung
Um marktgängige und im Betrieb wirtschaftliche und zuverlässige Seriengeräte anbieten zu können, müssen die Brennstoffzellen-Heizgeräte aufwendige und kostenintensive Erprobungs-, Demonstrations- und Testphasen absolvieren. Unterstützend zu diesen Aktivitäten sollen hier das NIP-Programm und das „Callux“-Projekt einen Beitrag leisten.
Mit dem NIP-Programm, das seit 2007 über einen Zeitraum von 10 Jahren verlau-fende Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brensstoffzellentechnologie des Deutschen Ministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung und der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW), soll die Vorbereitung der Markteinführung der erdgasbetriebenen Brennstoffzellen-Heizgeräte als wichtiger Beitrag zur Reduzierung von Schadstoffemissionen und Schonung der Brennstoffressourcen forciert werden.
Im ersten Abschnitt wird bis 2010 für die Brennstoffzellen-Heizgeräte primär eine Erhöhung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer, die Reduktion der Systemkomplexität sowie Kostenreduzierung angestrebt. Zudem sollen die Brennstoffzellen-Heizgeräte einen elektrischen Wirkungsgrad von 30 bis 33% und einen Gesamtwirkungsgrad zwischen 84 bis 90% erreichen, wobei eine Zeitstandsfestigkeit der Stacks von mindestens 10000 Betriebsstunden vorgegeben wird. Ferner sind unter praktischen Betriebsbedingungen Technologie-Evaluationen durchzuführen.
Im zweiten Abschnitt soll zwischen 2011 bis 2015 eine weitere Erhöhung der Wirkungsgrade und Lebensdauer, d.h. Zeitstandsfestigkeit der Stacks von über 25000 Betriebsstunden sowie eine Reduzierung der Gesamtkosten erreicht werden.
Im dritten Abschnitt soll ab 2012 die Serienfertigung anlaufen.

Das „Callux“-Projekt
Beim „Callux“-Projekt handelt es sich um den bundesweit größten Praxistest von Brennstoffzellen-Demonstrationsanlagen für Eigenheime, das gleichzeitig in das Nationale Investitionsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) integriert ist. Das Projekt läuft über sieben Jahre mit über 800 Brennstoffzellen-Heizgeräten die in Ein- und Mehrfamilienhäusern installiert und Validierung im praktischen Betrieb getestet werden.
Unternehmen und Forschung fördern seit Ende September 2008 mit dem Leuchtturmprojekt „Callux“ eine umfangreiche Erprobung und Demonstration der Brennstoffzellen-Heizgeräte. Das Kunstwort „Callux“ steht für: calor: lat. Wärme und lux: lat. Licht.
An „Callux“ beteiligen sich fünf deutsche Energieversorgungsunternehmen (EWE Aktiengesellschaft, EnBW Energie Baden-Württemberg AG, MVV Energie AG, E.ON Ruhrgas AG und VNG Verbundnetz Gas AG) sowie das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Stuttgart und drei Entwickler und Produkthersteller von Brennstoffzellen-Heizgeräten (Baxi Innotech, Vaillant und Hexis). Sie haben sich in Berlin zu einem Konsortium vereinigt, das sich die Markteinführung erdgasbetriebener Brennstoffzellen-Heizgeräte zur Aufgabe gemacht hat.

PEM-Technologie
Der überwiegende Teil der Produkt-hersteller setzt beim Konstruktionskonzept der Brennstoffzellen-Heizgeräte auf die PEM-Technologie (Polymermembran-Brennstoffzelle), mit der eine hohe Leistungsdichte und Lebensdauer erreicht wird. Das Brennstoffzellen-Heizgerät soll die Grundlasten des Strom- und Wärmebedarfs eines Einfamilienhauses decken. Ziel der Entwicklung ist eine Leistung von 3,5 kWth und 2 kWel abzudecken.
Ferner wird angestrebt, dass der elektrische Wirkungsgrad bei mehr als 32% liegt und der Gesamtwirkungsgrad mindestens 87% erreicht. Zudem beinhaltet das Entwicklungsziel, das eine Lebensdauer von mehr als 40000 Stunden erreicht wird.
Die PEM-Brennstoffzelle ermöglicht aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte eine kompakte Bauweise, die dem Einsatz in Wohn-, Büro- und kleineren Gewerbegebäuden entgegen kommt. Ein weiterer Vorteil der PEM-Technologie besteht in dem schnelleren An- und Abfahren sowie in der Leistungsregelung des Brennstoffzellen-Heizgeräts.
Die PEM-Brennstoffzellensysteme zur Strom- und Wärmeversorgung von Gebäuden werden in der Regel so ausgelegt, dass sie die Grundlast des Strom- und Wärmebedarfs abdecken, denn nur so erreichen sie eine optimale Effizienz. Diese Brennstoffzellen- Heizgeräte erfordern daher einen konventionellen Zusatz-Wärmeerzeuge, der die erforderliche Wärme zur Abdeckung der Bedarfsspitzen im Heiz- und Warmwasserbetrieb liefert.
Der in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Strom wird in einem integrierten Wechselrichter in netzkonformen Wechselstrom umgewandelt und über einen vorhandenen Anschluss in das Stromnetz des Gebäudes eingespeist.

SOFC-Technologie
Die SOFC-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cell; oxidkeramische Brennstoffzelle) bestehen aus mehreren funktionalen Keramikschichten, die in der Lage sind, bei einer Betriebstemperatur von 600 bis 900°C die in einem Brennstoff enthaltene chemische Energie direkt in thermische und elektrische Energie umzuwandeln.
Die oxidkeramischen Brennstoffzellen erreichen eine hohe Leistungsdichte und den höchsten Wirkungsgrad sämtlicher Brennstoffzellentypen. Zudem lassen sich die SOFC-Brennstoffzellen mit einer Reihe verschiedenster Brennstoffe wie Erdgas, Ethanol, Biogas und Benzin sowie Wasserstoff betreiben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Erd- oder Biogas nicht erst gesondert zu Wasserstoff aufbereitet werden muss, sondern direkt verwendet werden kann.

Systementwicklungen
Der Produkthersteller Baxi Innotech (vormals efc-Hamburg), Hamburg, hat seit der ISH-Messe im März 2009 das Brennstoffzellen-Heizgerät „Gamma 1“ als Seriengerät auf der Konzeption des „Beta 1,5 Plus“ mit der Niedertemperatur PEM-Brennstoffzelle (70?°C) vorgestellt. Hier einige Daten:

• Leistungsspektrum: max. 1,7 kWth und 1,0  kWel; als stromgeführte und wärmegedeckte Strategie; zzgl. integriertes Brennwertgerät, modulierend von 3,5 bis 15 kWth,
• Brennstoff: Erdgas, Bioerdgas,
• Elektrischer Wirkungsgrad: circa 34%,
• Gesamtwirkungsgrad über 85%.

Neu ist, dass die elektrische Leistungsklasse von bisher 1,5 kWel auf 1,0 kWel und die thermische Leistung von 3,0 kW auf 1,7 kW reduziert wurde. Insofern soll mit den längeren Aggregate-Laufzeiten das Produktionsverhältnis von Strom zu Wärme optimiert werden. Zum anderen sollen aufgrund der bedarfsgerechten Modulation während der Sommermonate bessere Betriebszeiten (aufs Jahr bezogen) erreicht werden, die in Folge einen höheren Nutzungsgrad im Nennlastpunkt bewirken sollen.
Aufgrund der Kooperation mit Ballard Power Systems aus Kanada wird in der „Gamma 1.0“ der „FCgen 1030 Stack“ von Ballard im Rahmen des „Callux“-Praxistests zur Markteinführung in Deutschland eingesetzt. Zum Einsatzbereich gehören vornehmlich Einfamilienhäuser. Es ist vorgesehen, dass die erste Kleinserie im Verlauf der zweiten Jahreshälfte 2009 auf den Markt kommt.
Das Vaillant-Brennstoffzellen-Heizgerät wurde in Kooperation mit Plug-Power für eine Leistung von 7,0 kWth und 4,6 kWel konzipiert. Die im Dauerbetrieb der Brennstoffzelle produzierten 7 kWth reichen für den ganzjährigen Warmwasserbedarf eines Mehrfamilienhauses  und stützen zudem ganzjährig die Heizwärmeerzeugung. Für den thermischen Spitzenbedarf  wird die Wärme während der Wintermonate durch einen Brennwert-Wärmeerzeuger mit modularer Betriebsweise zur Verfügung gestellt. Zum Einsatzbereich gehören Mehrfamilienwohnhäuser und Kleingewerbe. Die Marktreife wird nicht vor 2010 erwartet.
Ab 2006 verwendet Vaillant an Stelle der Niedrigtemperatur-PEM, die bei ca. 70°C  arbeitet, auch eine neue Hochtemperatur PEM-Brennstoffzelle von Plug Power, die bei 160 bis 180°C läuft, und deren Prozessgasaufbereitung wesentlich einfacher gestaltet ist. Insofern werden hier auch weniger Komponenten benötigt und somit die Herstellungskosten reduziert. Diese Variante des Brennstoffzellen-Heizgerätes befindet sich derzeit ebenfalls im Feldtest.
Als weiteres Segment im Bereich der Brennstoffzellen-Heizgeräte verstärkte die Vaillant Group ihre Aktivitäten auch auf den Bereich der keramischen Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Die Entwicklungsarbeiten an dem Brennstoffzellen-Heizgerät mit einem SOFC-Brennstoffzellenstack werden von Vaillant in Kooperation mit der Webasto AG durchgeführt.
Um die SOFC-Brennstofzellen-Heizgeräte zur Marktreife zu bringen, hat Vaillant zudem eine mehrjährige exklusive Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für keramische Technologien und Systeme (IKTS) in Dresden vereinbart (Leistung: max. 9 kWth und 4,6 kWel, Einsatzbereiche: Mehrfamilienhäuser und Kleingewerbe).
Die Hexis AG (Winterthur/CH), Hoval (Vaduz/Lichtenstein) und Stiebel Eltron (Holzminden) haben sich Ende 2008 in einer Kooperation zur Entwicklung und Vermarktung (Vertrieb und Service) der innovativen SOFC-Brennstoffzellen-Technologie zusammengeschlossen. Diese Kooperation basiert auf dem von Hexis entwickelten Brennstoffzellen-Heizgerät „Galileo 1000 N“.
Die Hochtemperatur-Brennstoffzelle enthält einen festen keramischen Elektrolyten und arbeitet bei Temperaturen von bis zu1000°C, woraus sich Vorteile bei der Brennstoffaufbereitung ergeben. Die einzelnen Brennstoffzellen (Stacks) werden planar, d.h. flach angeordnet, wobei eine besondere Technik dafür sorgt, dass der ggf. nicht verbrannte Wasserstoff einer Nachverbrennung zugeführt wird.
Beim „Galileo N“ wird eine Brenngasaufbereitung, d.h. Entschwefelung des Erdgases mittels Reformer (Fuel processor) nicht erforderlich, weil die Reformierung im Prozess als Catalytic Partial Oxidation (CPO) abläuft.
Bei der Catalytic Partial Oxidation (CPO) wird das Erdgas mit einer geringen Luftmenge (Luftzahl = 0,27) zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgesetzt. Da diese Reaktion thermodynamisch als exotherm verläuft, ist hier auch keine externe Wärmezufuhr erforderlich. Daraus erfolgt ein einfacher Aufbau, d.h. es wird kein Wärmeübertrager benötigt. Zudem entfällt der direkte Betrieb mit dem kalten Erdgas-Luft-Gemisch, und es wird für die Reaktion auch kein Wasser benötigt. Insofern kann hier auch auf den Einsatz einer kostenintensiven und störanfälligen Wasserdosierung und Deionisierung verzichtet werden. Das Leistungsspektrum liegt bei 2,5 kWth und 1 kWel , zzgl. integriertes Brennwertgerät, 20 kWth, modulierend 1?:?5. Der elektrische Wirkungsgrad liegt zwischen 25 bis 30%; der Gesamtwirkungsgrad beträgt über 90%. Einsatzbereiche sind Ein- und Mehrfamilienhäuser. Technologiestand: derzeit als Prototyp; in 2009 sollen rund 20 Brennstoffzellen-Heizgeräte für den Feldtesteinsatz installiert werden; ab 2010 starten Projekte mit Brennstoffzellen-Heizgeräten, ab 2012 als kommerzielles Produkt auf dem Markt.
Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung (ZSW) hat die Entwicklung des Brennstoffzellen-Heizgerätes als PEM-Prototyp in der Zeit von 2003 bis 2006 im Rahmen eines Förderprojektes des Umweltministeriums Baden-Württemberg erfolgreich abgeschlossen. Das ZSW-Brennstoffzellen-Heizgerät besteht aus einem Erdgasreformer der WS Reformer GmbH, Renningen, und einer am ZSW entwickelten und auch hergestellten PEM-Brennstoffzelle (Leistung: 6,5 kWth und 3,6 kWel). Einsatzbereiche sind Ein-und Mehrfamilienhäuser. Eine Weiterentwicklung zu einem seriellen Produkt in Kooperation mit einem Industriepartner ist jedoch bisher nicht erfolgt.

Warten auf weitere Markteinführung
Für serienreife Brennstoffzellen-Heizgeräte bestehen weiterhin die technischen Herausforderungen in der Zielsetzung nach einer ausreichenden Lebensdauer sowie nach der Erhöhung der Systemwirkungsgrade. Andererseits steht für sämtliche Systemanbieter das Bemühungen nach einer Reduzierung der Fertigungskosten im Vordergrund.
Mit den Brennstoffzellenaggregaten auf der Basis der PEMFC für die Haus-energieversorgung konnten bisher nur Lebenszeiten unter 10000 Stunden realisiert werden. Demgegenüber konnte in Feldversuchen mit der SOFC-Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Technolgie eine Lebensdauer von 20000 Stunden nachgewiesen werden.
Das Hauptproblem bleibt bestehen, dass für die Brennstoffzellen-Heizgeräte ca. 1500,- Euro/kW elektrischer Leistung erreicht werden müssen, um sich mit
den konkurrierenden Systemen wie Mikrogasturbine oder Stirlingmotor messen
zu können. Wie sich die Kleinserie der „Gamma?1“ von Baxi Innotech auf dem Markt einführen wird, werden die nächsten Monate entscheiden. Die „Gamma 1“ trägt auf jeden Fall mit dazu bei, die Entwicklungsarbeiten der Brennstoffzellen-Heizgeräte zu forcieren.
Unter Berücksichtigung der o.a. Fakten bzw. Kriterien kann jedoch mit einer weiteren Markteinführung der Brennstoffzellen-Heizgeräte nicht vor 2012 gerechnet werden.

Autor: Eric Theiß

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