Sonne für das ganze Jahr

Solarzellen, Lithiumzellen und nun dämmert bereits die nächste Zelltechnologie am Horizont: In den vergangenen Jahren haben die Brennstoffzellen einen mächtigen Schritt nach vorne gemacht – nahezu unbemerkt. Die Technologie erreicht die Märkte, auch wenn einige Player ihre Potenziale nicht erkennen. So meldete der Haustechnikgigant Vaillant kurz vor der Fachmesse ISH in Frankfurt am Main, dass er aus der Entwicklung stationärer Brennstoffzellen aussteigen will. Diese Technik habe keine Zukunft, hieß es aus der Konzernzentrale in Remscheid. Deshalb werde die Entwicklung nicht fortgesetzt.

Vaillant hat sich verzockt

Die Wahrheit: Die Ingenieure von Vaillant haben es nicht geschafft, eine schaltbare und modulierende Brennstoffzelle mit ausreichender Lebensdauer zu konstruieren. Vaillant ist mit Heiztechnik groß geworden: mit Öl und Gas. Da wird es schwer, die Zukunft in elektrischem Strom zu sehen. Ein bisschen ist es wie das Problem der Energieversorger mit ihren fossilen Kraftwerken, nur einige Größenordnungen geringer. Da hat bis vor Kurzem auch niemand geglaubt, dass regenerativer Strom aus Wind und Sonne das Rennen macht.

Solche dramatischen Fehleinschätzungen kennen wir bereits aus der Solarbranche: Shell, Siemens und BP standen an der Wiege der Photovoltaik, kamen über zaghafte Versuche aber nicht hinaus.

Genauso steht die Sache bei Vaillant: Die Ingenieure haben die knifflige Technik nicht in den Griff bekommen. Schlimmer ist aber: Ihre Bosse haben nicht kapiert, dass die Sektorkopplung schon im Markt angekommen ist. Ohne Brennstoffzellen wird es künftig keine Haustechnik mehr geben.

Die Konkurrenz von Viessmann aus Allendorf ist einen anderen Weg gegangen, mit mehr Erfolg: Die Viessmänner nutzen eine Brennstoffzelle von Panasonic, die in Asien schon zigtausend Mal installiert wurde. Die Technik ist nicht ausgereift? Die Japaner dürften sich vor Lachen auf die Schenkel geklopft haben, als sie die Pressemitteilung von Vaillant lasen.

In Deutschland hat Viessmann bereits rund 1.000 seiner Brennstoffzellen-Heizgeräte namens Vitovalor 300-P verkauft. Bisher gab es sie als Kombigerät mit einer modulierenden 19-Kilowatt-Gastherme. Im Frühjahr zur ISH stellte Viessmann das neue System aus Brennstoffzelle (750 Watt) und einer Gastherme vor, die bis zu 26 Kilowatt thermische Leistung anbieten kann.

Eine solche Brennstoffzelle fördert Vater Staat derzeit mit bis zu 11.000 Euro. Eon und Viessmann wollen nun kooperieren, um die Brennstoffzellen gemeinsam in den Markt zu bringen.

Millionen Betriebsstunden im Feld

Solid Power aus Heinsberg an der deutsch-niederländischen Grenze hat mittlerweile mehr als 700 seiner Bluegen-Brennstoffzellen im Feld. Der kleine Stromerzeuger leistet 1,5 Kilowatt, macht bei Dauerbetrieb rund 13.000 Kilowattstunden im Jahr. Im Unterschied zu Viessmann erzeugt Bluegen fast keine Abwärme. Der Stromwirkungsgrad erreicht 60 Prozent. Mit diesem Gerät lässt sich ein kleiner Gewerbebetrieb mit hohem Strombedarf versorgen, etwa in Kombination mit der Photovoltaik.

Die Bluegen-Geräte haben bereits mehr als eine Million Betriebsstunden hinter sich, sie laufen seit vier Jahren. Mit dem neuen Förderprogramm des Bundes (KfW 433) gibt es für Brennstoffzellen sehr lukrative Förderungen. Solche Aggregate rechnen sich unter Umständen nach sieben bis zehn Jahren.

Besonders wirtschaftlich mit E-Autos

Besonders wirtschaftlich sind Brennstoffzellen, wenn sie dauerhaft hohen Strombedarf abdecken. „Nehmen Sie die Bäckereien. Weil die Öfen elektrisch beheizt werden, ist dort meist viel zu viel Wärme vorhanden“, erzählt Jürgen Hohnen, Elektromeister in Heinsberg. „Aber der Stromeinkauf ist teuer. Deshalb bietet sich eine Brennstoffzelle an, die man stromgeführt einbinden und ansteuern kann.“

Klassische Blockheizkraftwerke (BHKW) erzeugen zu viel Abwärme, man kann sie in einer Bäckerei nicht wirtschaftlich betreiben, denn die Wärme lässt sich nicht wirklich nutzen, und ohne Abwärmenutzung macht das BHKW eigentlich keinen Sinn. Jürgen Hohnen und seine 22 Mitarbeiter haben in Nordrhein-Westfalen mehr als 35 Bluegen-Aggregate installiert.

Mit seiner Firma hat er sich auf Brennstoffzellen, Stirling-BHKW oder klassische Motor-BHKW bis 50 Kilowatt elektrischer Leistung spezialisiert. Sein Betrieb ist auch Fachpartner des österreichischen Kesselbauers Ökofen, der sich auf Pelletheizungen spezialisiert hat. Ökofen hat im Frühjahr ein Pellet-BHKW mit Stirlingantrieb auf den Markt gebracht, das neben der Heizwärme auch elektrischen Strom erzeugt – für die sonnenschwachen Monate, in denen die Photovoltaik nicht ausreicht.

Mit E-Autos sehr wirtschaftlich

Viele Kunden wollen die Brennstoffzelle mit einem Elektroauto kombinieren, wenn nicht sofort, dann in absehbarer Zeit. „Dann muss das Aggregat ordentlich Strom liefern“, sagt Jürgen Hohnen. „Einen BMW i3 kann man mit sechs Ampere laden, das sind zwei Kilowatt. Einen Tesla kann man mit 1,2 Kilowatt versorgen. Nachts steht er in der Garage, da kann die Brennstoffzelle seine Akkus aufladen. Oder gewerbliche Nutzer wie die Pflegedienste: Sie wollen die kurzen Strecken mit Elektroautos abwickeln. Da passt die Brennstoffzelle ausgezeichnet.“

Für Jürgen Hohnen stehen die Brennstoffzellen noch am Anfang: „Unsere Kunden sind Privatleute mit höherem Anspruch an die Technik“, bestätigt er. „Auch Wohneigentümergemeinschaften und Gewerbetreibende gehören zu unseren Kunden, und zwar bis 50 Kilowatt. Unsere Anlagen laufen in der Regel in der Niederspannung.“

Sonnenstrom zu Wasserstoff

Für ihn sind Produkte wie Bluegen ausgereift. „Sie haben sich bewährt. Generell sehen wir, dass in sehr gut gedämmten Gebäuden solche Brennstoffzellen im Vorteil sind“, empfiehlt er. „Ein BHKW mit Gasmotor oder Stirlingmotor kriegt dort die Abwärme nicht weg. Das limitiert die Volllaststunden und damit auch den Stromertrag. Praxen für Rechtsanwälte oder Ärzte haben einen hohen Strombedarf für die Computer und die Server. Aber der Wärmebedarf ist meist eher gering. Wir haben schon eine Brennstoffzelle nachgerüstet, wo bereits ein BHKW lief. Der Kunde wollte mehr Eigenstrom erzeugen, die Wärmeseite war bereits abgedeckt.“

Mit den Brennstoffzellen kommt die volle Unabhängigkeit für private und Gewerbekunden. Denn es ist nur eine Frage der Zeit, bis auch größere Betriebe die neue Technik für sich entdecken. Faktisch wird es in wenigen Jahren möglich sein, Gebäude komplett ohne Anschluss an das Stromnetz zu versorgen – sogar ohne Anschluss an die Gasversorgung.

Zur Intersolar in München stellte die Berliner Firma Home Power Solutions (HPS) das Komplettsystem Picea vor, das ein kleines Wohnhaus völlig autark versorgen kann. Das Bluegen von Solid Power läuft noch als netzgekoppelter Generator wie gängige Solarwechselrichter.

Picea ist konsequent als Insellösung ausgelegt. Der Anschluss an die Netze entfällt. Diese neue Unabhängigkeit wird für viele Menschen immer wichtiger, dafür geben sie Geld aus. Mit Photovoltaik und Brennstoffzelle sichert Picea die komplette Vollversorgung eines Einfamilienhauses.

Herzstücke sind ein Elektrolyseur und ein ausgetüfteltes Managementsystem, das den Energiebedarf im Haus mit der Erzeugung und den Speichern austariert. Das System wurde erstmals auf der ISH in Frankfurt gezeigt, danach auf der Hannover Messe und der Intersolar in München. „Picea leistet bis zu acht Kilowatt, der Strom wird einphasig ins Hausnetz eingespeist“, erläutert Henrik Colell, einer der beiden Geschäftsführer von HPS. „Kurzfristig kann das Gerät bis zu 20 Kilowatt abgeben. Das System muss nicht mit dem Netz gekoppelt werden, ist also offgrid-tauglich.“

Bisher laufen die Wechselrichter heute marktüblicher Solaranlagen oder Brennstoffzellen mit Anschluss ans Netz. Sie synchronisieren die Frequenz, um Überschüsse ins Netz einspeisen zu können. Picea setzt hierzu im Unterschied ganz auf die Unabhängigkeit der Kunden. Faktisch baut das System eine Insel auf. Überschüsse aus der Photovoltaik werden im Elektrolyseur zu Wasserstoff gewandelt und in einem Tank für den Winter gespeichert. In den sonnenschwachen Monaten läuft eine Brennstoffzelle, um daraus wiederum Strom und Wärme zu erzeugen. Eine Solarbatterie puffert kurzzeitigen Bedarf.

Feldtests sind angelaufen

Picea verbindet Photovoltaik mit Brennstoffzellentechnologie. Bisher wurden zwei Pilotanlagen gebaut, erste Feldtests sind angelaufen. Wichtigste Zielgruppe sind die Besitzer von Eigenheimen. Statt des früheren Tanks für Gas und Öl wird nun ein Wasserstofftank installiert. „Seine Größe richtet sich nach der Größe der Photovoltaikanlage und nach dem Strombedarf im Winter“, erläutert Zeyad Abul-Ella, der zweite Geschäftsführer. „Die Tanks sind für 300 bar konzipiert und nach deutschen Sicherheitsstandards zertifiziert, mit den Versicherungen wird es keine Probleme geben.“ Diese Wasserstofftanks kommen ohne spezielle Gaswarmanlage oder Zwangsbelüftung aus, sind also faktisch hermetisch dicht.

Bisher ist das System auf einen Jahresstrombedarf von 3.000 bis 6.000 Kilowattstunden ausgelegt. Der Wasserstoffspeicher braucht zwischen vier und sieben Quadratmeter und verschwindet gegebenenfalls im Carport, in einem kleinen Anbau oder im Erdreich. Er wird wie ein üblicher Flüssiggastank installiert, ist etwa mannshoch. Das Kompaktgerät im Inneren des Gebäudes benötigt eine Aufstellfläche von drei Quadratmetern.

Die Auslegung des Systems erfolgt über eine Software, die HPS entwickelt hat – eine App zur Steuerung der Anlage bekommt der Kunde mitgeliefert. „Wir wollen unser System als Komplettgerät verkaufen, nicht im Projektgeschäft“, erläutert Henrik Colell. „Die Geräte sollen vom Fließband laufen, damit wir die Kosten senken.“ Weil bisher nur Prototypen existieren, nennt HPS noch keine Preise.

Standardisierte Schnittstellen

Der Anschluss von Picea erfolgt ausschließlich über standardisierte Schnittstellen. Die elektrischen Leitungen von der Photovoltaik zum Hausnetz entsprechen den üblichen Vorgaben. Der Wasserstofftank wird von einem Fachhandwerker des Gasfachs installiert und angeschlossen. Obendrein erlaubt Picea den Anschluss einer Lüftungsanlage im Haus, um Abwärme sinnvoll zu nutzen. Der Luftdurchsatz wird gleichfalls durch das Managementsystem von Picea gesteuert. Beides wird innerhalb des HPS-Systems durch einen integrierten Energiemanager gesteuert.

Zu guter Letzt braucht das Gerät einen Wasseranschluss, denn der Wasserstoff wird im Elektrolyseur direkt aus Wasser erzeugt. Picea geht nicht den Umweg über Erdgas und einen Reformer, der daraus Wasserstoff erzeugt. Einzig Wasser und Sonnenstrom werden benötigt. Das bedeutet, dass diese Versorgungszentrale auch ohne Gasnetz auskommt.

Autarke Steuerung

Der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle erreicht zwischen 55 und 60 Prozent. Rechnet man die integrierte Lüftungsanlage mit Kreuzwärmetauscher und Feuchterückgewinnung ein, steigt der Gesamtnutzungsgrad des Geräts auf mehr als 90 Prozent an.

Die Brennstoffzelle ist sogar in der Lage, zu takten, schaltet sich bei Bedarf zu oder ab. Andere Brennstoffzellengeräte sind meist auf durchlaufenden Betrieb ausgelegt, arbeiten als Grundlastsysteme.

Anders bei Picea: Im Sommer springt die PEM-Brennstoffzelle nur ein, wenn der Sonnenstrom partout nicht ausreicht. Erst in der Übergangszeit läuft sie an, um den Hausstrombedarf zu decken. Dann leistet sie bis zu 1,5 Kilowatt.

Im Winter dürfte sie mehr oder weniger rund um die Uhr laufen. So gesehen, ist Picea ein stromgeführtes System, die Abwärme wird lediglich über die Wohnungslüftung genutzt. Das Gerät steuert sich komplett selbst, ohne Eingriffe von außen. Und es arbeitet nahezu geräuschlos. Die gesamte Leistungselektronik inklusive des inselfähigen Wechselrichters ist integriert.

Für kurzzeitigen und Nachtstrombedarf hat das System eine eigene Bordbatterie. In den ersten Prototypen wurden Blei-Gel-Batterien mit rund 25 Kilowattstunden Kapazität eingesetzt. „Das haben wir als wirtschaftliches Optimum errechnet“, meint Zeyad Abul-Ella. „Die Batterien fahren wir schonend, um eine möglichst lange Lebensdauer zu erreichen. Denkbar ist, dass wir in Zukunft auf Lithium-Ionen-Batterien umstellen. Das hängt vor allem von den Preisen ab.“

Interessantes Servicekonzept

Interessant ist das Servicekonzept, mit dem HPS an den Start geht. Der Systemschrank ist bei allen Varianten gleich. Alle Baugruppen sind als leicht austauschbare Einschübe konstruiert.

Das System ist werkseitig vorverkabelt. „Wir übernehmen mit unserem Servicevertrag das Risiko, dass man im Laufe der Zeit den Stack der Brennstoffzelle tauschen muss“, erläutert Henrik Colell. „Der einfache Austausch der Wasserstoffkomponenten kann von jedem geschulten Installationsbetrieb vorgenommen werden.“

Ausgründung von Heliocentris

HPS ist eine Ausgründung der Firma Heliocentris. 2012 fingen drei Leute an. Heute arbeiten in der Werkstatt und den Laboren im Berliner Wissenschaftspark über 35 Leute. „Unser Ziel ist es nach erfolgreichem Start der Pilotanlagen dieses Jahr, die Geräte weiter zu testen, in den Markt zu bringen und die Stückzahlen möglichst schnell zu erhöhen“, gibt Henrik Colell einen Ausblick.

Lieferbar wird Picea erst im kommenden Jahr sein. „Bis Ende 2017 wollen wir möglichst viele Partner und interessierte Bauherren gewinnen“, fährt er fort. „Das können Installateure sein, die unser System testen und installieren wollen.“

Der Vertrieb über den Fachhandel ist zunächst nicht geplant, eher der direkte Vertrieb an Installateure. Henrik Colell: „Erste Bestellungen nehmen wir ab Ende 2017 auf.“

www.homepowersolutions.de

500-Watt-Booster im Schaltschrank

Die Efoy Pro 12.000 Duo von Hy-Line Power Components und SFC Energy ist eine Brennstoffzelle, die in normalen 19-Zoll-Einschüben wartungsfrei bis zu 500 Watt liefern kann.

Geht es um geringe netzferne Leistungen, ob nur temporär als unterbrechungsfreie Stromversorgung oder dauerhaft an abgelegenen Standorten, ist es kein Problem, geräuschlos aus Akkus, Kondensatoren und Brennstoffzellen Energie bereitzustellen.

Die Efoy Pro 12.000 Duo kann jedoch aus zwei Methanoltanks bis zu 500 Watt bis zu zehn Tage bei Volllast bereitstellen, ist so weit länger autark als Batterien, liefert wetterunabhängig von minus 20 bis 40 Grad Celsius (bis zu minus 50 Grad Celsius in isolierenden Schaltschränken) höhere Leistungen als Solaranlagen – und kann mit 640 mal 441 mal 310 mm direkt im Schaltschrank in einen 19-Zoll-Einschub gesetzt werden. Das vereinfacht die Montage und verringert elektrische Verluste.

Mögliche Einsatzgebiete sind die Back-up-Stromversorgungen für Windräder und Funktürme oder Verkehrs- und Umweltsensoren an abgelegenen Standorten. Auch der mobile Einsatz in Fahrzeugen, ob an Land oder im Wasser, ist kein Problem. Ebenso kann die kleine Brennstoffzelle als Booster einspringen, wenn die Leistung der Photovoltaikanlage auf dem Dach nicht ausreicht, um das E-Auto zu beladen oder den elektrischen Küchenherd zu versorgen.

Die Methanoltanks sind auslaufsicher und nicht entflammbar, die Ausgangsspannung beträgt 24 oder 48 Volt und der Verbrauch liegt bei nur 0,9 Litern pro Kilowattstunde. Ist mehr Leistung gefragt, können die Zellen auch geclustert werden.

www.hy-line.de/brennstoffzellen

Brennstoffzellen für kommerzielle Kunden

Der Gasversorger Erdgas Südwest bietet seinen Gewerbekunden größere Brennstoffzellen an, um mehr Eigenstrom zu erzeugen. Ein Beispiel ist das Verwaltungsgebäude des Unternehmens in Munderkingen. Die Hallen erwiesen sich mit ihrer Ost-West-Ausrichtung als ideal für eine hohe Solarausbeute. Heute zieren 584 Solarmodule die 1.000 Quadratmeter großen Dächer. Die Anlage ist für rund 138.000 Kilowattstunden prognostiziert und könnte etwa 40 Einfamilienhäuser mit erneuerbarem Strom versorgen. Mindestens 60 Prozent des Strombedarfs des Gebäudes wird diese Anlage decken.

Um auch bei schlechtem Wetter die Grundlast des Verwaltungsgebäudes zu gewährleisten, wurde der Solaranlage eine leistungsfähige Brennstoffzelle (Bluegen von Solid Power) zur Seite gestellt. Bei dauerhaftem Betrieb lassen sich bis zu 13.000 Kilowattstunden Strom pro Jahr erzeugen.

Ach die Sparkasse Karlsruhe-Ettlingen nutzt mittlerweile eine Brennstoffzelle, um ihr Gebäude in Weingarten zu versorgen. Die Geschäftsstellen Schwendi und Erolzheim der Volksbank Raiffeisenbank Laupheim-Illertal nahmen Anfang Juni je ein Brennstoffzellen-Mikrokraftwerk in Betrieb. Installation und Betriebsführung liegen gleichfalls bei Erdgas Südwest.

Dass auch kommunale Betreiber von den Brennstoffzellen profitieren, beweist die Gemeinde Maselheim in Oberschwaben. Nach Photovoltaik und Wärmepumpen wurden im vergangenen Jahr zwei Brennstoffzellen installiert: im Keller des Rathauses und in der Schulturnhalle.

www.erdgas-suedwest.de