Brennstoffzellen sind eine junge Technik, die in den vergangenen Jahren zur Serienreife entwickelt wurde. Noch sind die Preise sehr hoch. Doch mit dem massenhaften Einsatz ist zu erwarten, dass die Preise in ähnlicher Dynamik wie bei Photovoltaik und Stromspeichern (Lithiumakkus) fallen.
Seit Ende 2016 gibt es das Förderprogramm 433 der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW), in dem lukrative Zuschüsse ausgereicht werden, als Festbetrag für private Nutzer (stationäre Brennstoffzellen-Heizgeräte mit 0,25 bis fünf Kilowatt Leistung). Zudem haben einige Bundesländer eigene Förderprogramme aufgelegt.
Das Potenzial zur Preissenkung ist größer als bei herkömmlichen (motorgetriebenen) Blockheizkraftwerken (BHKW), weil die stationären Brennstoffzellen viel einfacher und kompakter aufgebaut sind und weitgehend ohne rotierende beziehungsweise heiße Teile auskommen.
Stationäre Brennstoffzellen gehören zu den Blockheizkraftwerken, auch als stromerzeugende Heizung bezeichnet. Klassische BHKW erzeugen Strom und Wärme.
Dabei sitzt der Generator auf der Antriebswelle eines Gasmotors. Der rotierende Generator erzeugt Wechselstrom (AC), die Abwärme der Brennkammern wird für Heizzwecke genutzt (wassergeführte Heizung). Das Brennstoffzellen-BHKW hingegen nutzt die elektrolytische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, um auf kaltem Wege (ohne Verbrennung) Strom zu erzeugen.
Ein Generator mit Abwärme
Es entsteht eine Gleichspannung. Kombiniert man Brennstoffzellen mit herkömmlichen Gasthermen, spricht man vom Brennstoffzellen-Heizgerät.
Dieses kann wie ein herkömmliches BHKW in die Haustechnik der Stromversorgung und der Heiztechnik eingebaut werden. Brennstoffzellen allein haben in der Regel nur wenig ausreichende Abwärme für die Einbindung in eine wassergeführte Heizung, zumindest in Bestandsanlagen mit Heizkörpern (Radiatoren).
Autark auch im Winter
In Kombination mit Photovoltaik und Stromspeichern lösen die Brennstoffzellen das Problem der autarken Versorgung über das gesamte Jahr. Wenn die Sonne nicht mehr ausreichend scheint, springt die Brennstoffzelle an und versorgt das Gebäude.
Die meisten am Markt verfügbaren Systeme sind als Langläufer konzipiert. Das bedeutet, sie laufen ganzjährig durch. Steigt der Strombedarf im Sommer – etwa aufgrund von Kühlbedarf – kommt die Photovoltaik hinzu. Gut geeignet sind solche Kombisysteme auch für die Hotellerie und Touristik, deren Nutzerprofile saisonal stark schwanken.
Elektroautos nachts tanken
Da Wasserstoff derzeit dezentral noch nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung steht und sicherheitstechnisch nicht ganz einfach zu meistern ist, kommt als Energieträger meist Erdgas (Methan) zum Einsatz. Bald wird es möglich sein, Wasserstoff im Sommer elektrolytisch mithilfe von überschüssigem Sonnenstrom aus Wasser zu erzeugen und für den Winter zu speichern.
Mit der Brennstoffzelle wird es auch möglich sein, die am Gebäude andockenden Elektrofahrzeuge sowie elektrische Heizgeräte zu versorgen. Nach der Photovoltaik wird die Brennstoffzelle einen starken Schub zur Elektrifizierung der Wärmeversorgung und des Individualverkehrs auslösen, indem sie ausreichend Strom in den sonnenarmen Monaten liefert. Stichwort: Sektorenkopplung.
Die Brennstoffzelle unterstützt die Forderung der privaten und Gewerbekunden nach möglichst weitgehender Autonomie und Autarkie in der Energieversorgung. Der Anschluss an ein Gasnetz ist nicht zwingend notwendig, auch temporäre Zwischenspeicher können den Wasserstoff beziehungsweise Erdgas puffern.
Gute Margen für die Installateure
Für die Fachinstallateure bieten die neuen Aggregate ein weiteres Produkt, das gute Margen verspricht und die Kunden fasziniert. Ähnlich den Stromspeichern erweitert es die Systemtechnik rund um die Photovoltaik und ergänzt die elektrische Haustechnik.
Die Brennstoffzelle unterliegt den Anschlussvorschriften von elektrischer Betriebstechnik in der Niederspannung, wie die motorbetriebenen BHKW, die Photovoltaik und die Stromspeicher.
Deshalb öffnet sich für Elektrohandwerker und Solarteure ein neues Standbein, um ihren Kunden die komplette Vollversorgung durch die Haustechnik anzubieten.
Die Brennstoffzelle (kombiniert mit einem ausreichend großen Stromspeicher) macht sogar den Hausanschluss an das Stromnetz überflüssig.
Der deutsche Markt wächst bis 2019 um 9.000 Geräte, schätzt die Initiative Brennstoffzelle (IBZ). In den ersten drei Jahren danach (2019 bis 2021) werden 6.000 bis 8.000 Brennstoffzellengeräte pro Jahr installiert.
Aktuelle Marktzahlen
Ab 2022 rechnet die IBZ mit 11.000 Anlagen pro Jahr. Wie sich in Japan gezeigt hat, haben die Brennstoffzellen das Potenzial eines riesigen Absatzes. Denn dort sind inzwischen mehr als 100.000 Geräte im Einsatz.
Die Arbeitsgemeinschaft Brennstoffzelle beim VDMA rechnet damit, dass bis 2025 mehr als 500.000 stationäre Brennstoffzellen-BHKW in Betrieb sein werden. Damit wird die gesamte Leistung dieser Geräte die Größenordnung von einem Gigawatt erreichen. Allerdings sind solche Prognosen mit Vorsicht zu genießen. Vergleichbare Studien zur Photovoltaik und den Stromspeichern erwiesen sich schnell als Makulatur.
Die Preisentwicklung wird sehr steil verlaufen. Denn durch die rasant steigenden Absatzzahlen werden die Hersteller bald aus der Kleinserie herauskommen. Der VDMA hat in einer Umfrage unter den Herstellern herausgefunden, dass bis 2020 die Fertigungszahlen von 2.330 Geräten im Jahr 2015 auf 185.836 Geräte im Jahr 2020 steigen wird.
Preise dürften steil sinken
Mit zunehmend industrieller Produktion werden die Kosten für die Geräte sinken. Ob die Lernkurve vergleichbar steil wie die der Stromspeicher oder Photovoltaikanlagen verläuft, wird sich noch zeigen.
Elcore
Nano-BHKW 2400 als Komplettpaket
Bestehende Gebäude sind laut einer Untersuchung des Bundesverbandes der Deutschen Heizungsindustrie (BDH) zu rund 90 Prozent mit Heizkörpern ausgestattet. Diese benötigen in der Regel höhere Vorlauftemperaturen als moderne Flächenheizungen, vor allem wenn sie als Einrohrsystem ausgeführt sind. Die neuen Versionen der Elcore-Komplettsysteme eignen sich auch für solche Anlagen, ebenso für Heizungen mit einer ungünstigen Spreizung zwischen Vorlauf und Rücklauf der Heizkörper.
Die höhere Vorlauftemperatur der neuen Version des Elcore 2400 erweitert nicht nur die Einsatzmöglichkeiten des Nano-BHKW. Sie wirkt sich zusätzlich positiv auf die Effizienz des gesamten Energiesystems aus, da die Schichtung im oberen Bereich des Warmwasserspeichers verbessert wird. Dadurch erhöht sich zusätzlich die Schüttleistung.
Das Brennstoffzellen-BHKW Elcore 2400 wird als Teil von Heizungskomplettpaketen angeboten. Es hat eine thermische Leistung von 700 Watt sowie eine elektrische Leistung von 305 Watt, die auf den Grundbedarf eines herkömmlichen Einfamilienhauses abgestimmt sind.
Das Paket Elcore 2400 Max enthält neben dem Blockheizkraftwerk die notwendigen Komponenten für den Heizungstausch oder den Neubau (Gas-Brennwerttherme) sowie einen Energiespeicher mit hygienischer Warmwasserbereitung.
Die Pakete sind mit unterschiedlichen Speichergrößen von 560 bis 1.640 Litern verfügbar. Passende Abgassysteme und Zubehör zur fachgerechten Montage sind ebenfalls Teil des Lieferprogramms.
Technik der Brennstoffzellen
PEM-FC oder SOFC?
Bei den Brennstoffzellen dominieren zwei unterschiedliche Systeme den Markt. Aus der Technik ergeben sich verschiedene Geräte und Anwendungen.
Festoxid-Brennstoffzelle (solid oxide fuel cell – SOFC): Der Elektrolyt im Stack besteht aus einer hauchfeinen Keramikschicht, die Sauerstoffionen leiten kann, aber Elektronen sperrt. Die SOFC brauchen Betriebstemperaturen von 650 bis 1.000 Grad Celsius.
Dagegen laufen die Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane – PEM) mit halbdurchlässigen Kunststoffmembranen (Ionomer), die für Protonen durchgängig, für Gase jedoch gesperrt sind. Sie brauchen nur rund 80 Grad Celsius als Betriebstemperatur. Um auch die Wärmeversorgung in einem Gebäude abdecken zu können, werden PEMFC meist mit Gasthermen als Brennstoffzellen-Heizgeräte gekoppelt.
Bei SOFC ist der Stromanteil im Aggregat höher, deshalb werden sie vorzugsweise stromgeführt angesteuert. PEMFC hingegen werden aufgrund der kombinierten Heiztechnik in der Regel wärmegeführt – wie klassische BHKW mit Gasmotor.
Viessmann
Brennstoffzellenheizung Vitovalor 300-P
Das Brennstoffzellen-Heizgerät Vitovalor 300-P ist eine Energiezentrale für das Einfamilienhaus. Das System erzeugt Wärme und Strom. Das Aggregat ist sehr kompakt und hat einen guten elektrischen Wirkungsgrad (37 Prozent). Dadurch ist die Wärmeauskopplung geringer und das Gerät besonders für den Neubau und renovierten Gebäudebestand geeignet. Die elektrische Leistung beträgt 0,75 Kilowatt, die thermische Leistung ein Kilowatt.
Das Brennstoffzellenmodul enthält eine PEM-Brennstoffzelle von Panasonic und wird mit Erdgas betrieben. Bis heute hat Panasonic in Japan über 80.000 Geräte installiert. Die Brennstoffzelle ist für eine Lebensdauer von mindestens 15 Jahren ausgelegt. Viessmann hat einen Spitzenlastkessel (Gas-Brennwertkessel), Puffer- und Trinkwasserspeicher sowie die Systemregelung integriert. Der Gaskessel kann thermisch zwischen 5,5 und 19 Kilowatt aufbringen.
Die bei der Stromerzeugung in der Brennstoffzelle anfallende Wärme wird der Heizung oder Trinkwassererwärmung zugeführt. Bei höherem Wärmebedarf schaltet sich der integrierte Gas-Brennwertkessel automatisch hinzu.
Junkers/Bosch Thermotechnik
Stromerzeugende Heizung Cera Power FC
Junkers hat vor einem Jahr den Verkauf der Cera Power FC gestartet. Das Aggregat ist für Ein-und Zweifamilienhäuser geeignet. Ins Gehäuse integriert wurden ein Gas-Brennwertgerät, eine Brennstoffzelle sowie zwei Speicher für die Bevorratung des erwärmten Trinkwassers und des Heizwassers. Mit den Abmessungen von 1.800 x 1.200 x 600 Millimetern ist die Cera Power FC sehr kompakt.
Das Gerät basiert auf der Solar-Brennwert-Lösung Cerapur Solar von Junkers. Die Abstimmung zwischen dem stromerzeugenden Modul und dem Brennwertgerät erfolgt mithilfe des aus der Cerapur Solar bekannten Beimischventils. Das erleichtert dem Fachhandwerker die Arbeit. Er kennt die Bauteile und Anschlüsse – die Installation der neuen Technologie geht einfach von der Hand.
Herzstück ist eine keramische Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC). Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei bis zu 46 Prozent. Damit arbeitet die Brennstoffzellenheizung effizienter als herkömmliche Lösungen mit Kraft-Wärme-Kopplung. Die Raumheizungseffizienz der Cera Power FC beträgt A++. Die Energiekosten reduzieren sich deutlich, im Einfamilienhaus sparen die Bewohner bis zu 1.300 Euro pro Jahr.
Die Cera Power FC erreicht eine elektrische Leistung von 0,7 Kilowatt, die Nennwärmeleistung von Brennstoffzelle und Gas-Brennwertgerät beträgt bis zu 25 Kilowatt.
Marktübersicht
Für unsere Abonnenten
Aufgrund der oben genannten Fakten werden Brennstoffzellen als stationäre Generatoren in der Haustechnik künftig einen Schwerpunkt in unserer Berichterstattung spielen, neben der Photovoltaik und den Stromspeichern. Dabei wird es vor allem um kombinierte Systeme aus diesen drei Komponenten gehen.Für unsere Abonnenten haben wir im Internet eine aktuelle Marktübersicht zu den verfügbaren Brennstoffzellen bereitgestellt. Sie wird laufend aktualisiert und ist unter dem Menüpunkt Themen/Marktübersichten zu finden. Zudem werden wir in den kommenden Ausgaben die verschiedenen Systeme und Anwendungen genauer vorstellen.
Siqens
Test der Vorserie des Ecoport 800
Die Siqens GmbH startet einen Vorserientest ihres Ecoport 800. Ab sofort werden Modelle an ausgewählte Testpartner aus verschiedensten Anwendungen ausgeliefert und die Systemintegration sowie der Betrieb umfassend technisch begleitet.
Die neue Hochtemperatur-Methanol-Brennstoffzelle (HTM-FC) bietet Off-Grid-Stromversorgung und ist dabei leise, wartungsarm und vollkommen unempfindlich gegenüber extremen Temperaturen. In den für Ende des Jahres geplanten Serienstart des kompakten Kraftpaketes fließen konkrete Anwendungserfahrungen beispielsweise aus der Windenergie, der Telekommunikationsindustrie sowie der Verkehrs- und Sicherheitstechnik ein.
Brennstoffzellen haben gegenüber motorbetriebenen Generatoren den Vorteil, dass sie ihre Energie völlig geräuschfrei und ohne schädliche Abgase gewinnen. Das Ecoport 800 kann Methanol als Kraftstoff nutzen: technisches Methanol ebenso wie Bio-Methanol.
Die bislang vorgesehenen Anwendungen reichen von Winterstrom in Ergänzung zu Solargeneratoren über die Versorgung von Signalfeuern von Windkraftanlagen, verlässlichen Back-up-Strom für Telekommunikation und Messtechnik bis hin zur Versorgung von Elektrofahrzeugen.
Der Ecoport 800 besitzt eine integrierte Steuerung, die sowohl über ein Display bedient als auch aus der Ferne angesteuert werden kann. Somit können die Brennstoffzellen auch in automatisierte digitale Versorgungskonzepte eingebunden und per Fernsteuerung überwacht werden. „Die kompakten Geräte sind nicht nur wintertauglich“, erläutert Volker Harbusch, Gründer von Siqens und Erfinder des neuen Brennstoffzellentyps. „Sie beweisen hohe Zyklenfestigkeit, unsere Brennstoffzellen nehmen Nutzern den Betrieb mit Start-Stopp-Zyklen nicht übel.“
Viessmann gehörte zu den ersten Anbietern von Heizgeräten mit Brennstoffzellen. Darin stecken ein Aggregat von Panasonic, ein Pufferspeicher und eine Gastherme.
