1000 Brennstoffzellen-Heizgeräte

Um 20 % Energie bis 2020 einzusparen, muss die EU ihre Anstrengungen u.a. im Wohnbereich verstärken – ein Bereich, der 27 % des gesamten Energieverbrauchs der EU umfasst. Lassen sich bei Neubauten Technologien mit niedrigem Energieverbrauch integrieren, bleibt der Wärmebedarf bei Bestandsimmobilien weiterhin hoch. Die Möglichkeit mit erneuerbaren Technologien nachzurüsten, ist je nach Gebäudeart und Lage durchaus begrenzt. BZH der neuen Generation stellen hier eine mögliche Lösung dar.

Zwei Wege zum Ziel: SOFC und PEMFC

Bei den BZH setzen die meisten Hersteller auf die beiden Varian­ten SOFC und PEMFC. Das SOFC-Prinzip steht für Solid Oxide Fuel Cell, auch Festoxidbrennstoffzelle, PEMFC bedeutet Proton Exchange Membrane Fuel Cell, die auch als Polymerelektrolytbrenn­stoff­zelle bezeichnet wird. Worin bestehen die Unterschiede? Während die SOFC-Brennstoffzelle über einen Elektrolyten aus Keramik verfügt, dient dazu bei PEMFC-Brennstoffzellen eine Kunststoffmembran. Grundsätzlich arbeiten SOFC-Brennstoffzellen im Bereich der Hochtemperatur zwischen 700 und 900 °C, PEMFC-Geräte hingegen auf dem niedrigen Temperaturniveau von 60 bis 90 °C. Darüber hinaus wird noch eine HT-PEM-Variante mit rund 160 °C Betriebstemperatur erforscht. Zwischen SOFC und PEMFC gibt es außerdem Unterschiede bei der Reformierung des eingesetzten Brennstoffs. Die Reformierung ist notwendig, um z. B. aus Erdgas Wasserstoff zu gewinnen. Für diesen Prozess werden den Brennstoffzellen katalytische Reaktoren (Reformer) vorgeschaltet.

Bei der SOFC-Brennstoffzelle ist der Reformer sehr einfach aufgebaut, während er bei der PEMFC-Brennstoffzelle deutlich aufwendiger ist. Die SOFC-Technologie steht im Vergleich zu alternativen Konzepten am Markt für die einfachste Brenngasauf­be­reitung, ein robustes Systemdesign, den völligen Verzicht auf die ansonsten erforderliche Wasseraufbereitung und einen kompakten Aufbau. „Darüber hinaus ist die SOFC-Zelle vergleichsweise deutlich robuster im Betrieb, einfacher aufgebaut und vor allen Dingen auch von den Anforderungen an die Gasqualität her ge­nüg­samer. Die Quintessenz aus diesen Voraussetzungen war für uns das Fundament für ein nachhaltiges Kostensenkungspotential und damit eine beschleunigte Marktdurchdringung“, so Andreas Christmann, Leiter Produkt und Marketing bei Vaillant Deutschland.

Das Vaillant-BZH wird mit Erdgas oder Bio-Erdgas betrieben. Ein Reformer wandelt das Erdgas zunächst in ein wasserstoffreiches Gas um. Dieses reagiert dann im Brennstoffzellen-Stapel mit Sauerstoff in einer „kalten Verbrennung“, bei der ähnlich zu heutigen BHKW gleichzeitig Strom und Wärme entstehen. Da im Gerät kein mechanischer Prozess abläuft, arbeitet es weitestgehend geräuschlos und vibrationsfrei. Durch die geringe Wärmeleistung von lediglich 2 kW werden lange Laufzeiten und damit eine hohe Stromproduktion ermöglicht. Dabei deckt das Brennstoffzellen-Heizgerät die Wärme-Grundlast ab, das Gas-Brennwertgerät „ecoTEC plus“ die eventuell erforderliche Spitzenlast. Ein im System enthaltener Pufferspeicher gewährleistet zum einen die Warmwasserbereitung und zum anderen lange und damit wirtschaftliche Laufzeiten des Brennstoffzellen-Heizgerätes.

Die aktuell im Rahmen des ene.field-Projektes eingesetzte Geräte­generation ist um rund 25 % leichter und kompakter als das Vorgängergerät geworden. Zudem konnte der Gesamtwirkungs­grad auf 87 % erhöht und die Her­stell­kosten um mehr als die Hälfte reduziert werden. Seit Mitte März 2013 werden die Brenn­stoff­zellen-Heizgeräte in ei­ner Kleinserien-Produktion im Remscheider Stammwerk ge­fertigt.

Das ene.field-Projekt

Ähnlich wie beim bundesdeutschen Callux-Projekt bildet ene.field den Rahmen, um diese und alle anderen Brennstoffzellen-Technologien in der Praxis mit empirischen Daten zu unterfüttern und zu bewerten. Dafür wird der Betrieb aller eingesetzten 1000 BZH aufgezeichnet, analysiert und ausgewertet. Ziel ist es, für alle Marktbeteiligten wertvolle Erkenntnisse in der Markteinführungsphase auf breiter Front in ganz Europa zu gewinnen. Aktuell wurden im ene.field-Projekt die drei wichtigsten He­raus­forderungen in der Versorgungskette für den Bau von BZH identifiziert. Die Studie liefert eine Auswertung der Laufzeit, des Wettbewerbs und der Standardisierungsebenen der heutigen KWK-Industrie in Europa sowie eine Analyse der Hindernisse und Chancen für die Entwicklung der aktuellen und zukünftigen Versorgungskette.

Knackpunkte

Der am stärksten limitierende Faktor für die erfolgreiche Entwicklung ist nach wie vor das Produktionsvolumen, das der wichtigste Treiber zur Reduzierung der Systemkosten ist. Die zweite Herausforderung beschreibt die Notwendigkeit, die Komplexität des Systems und der Einzelkomponenten zu reduzieren. Hierzu ist auch eine herstellerübergreifende Zusammenarbeit gefragt, um gerade in der Startphase von BZH die Stückkosten signifikant zu senken. Die Industrie muss sich dabei bemühen, mit gemeinsamen Standards zusammenzuarbeiten und diese zu etablieren. Schließlich ist es nach dem Untersuchungsergebnis des ene.field-Berichtes weiter notwendig in großem Umfang öffentliche Bereitstellungsprojekte zu initiieren, um die Verbreitung der Systeme zu unterstützen.

„Vielfach werden die BZH in Einzelakquisitionen vertrieben. Unser Ziel war es deswegen, gleichzeitig mit dem ene.field-Projekt auch ein neues Vertriebskonzept für BZH zu testen. Hierzu haben wir das Vaillant-Innovations-Projekt ins Leben gerufen, bei dem Endkunden sich direkt an uns wenden konnten, um sich für eines der zur Verfügung stehenden BZH zu bewerben“, erläutert Andreas Christmann.

Der Markt ist da – muss aber auch so behandelt werden

Der Erfolg des Konzeptes konnte sich sehen lassen: Innerhalb weniger Monate konnte der Remscheider Hersteller alle BZH für 2014 absetzen – mehr als 90 Geräte. Auch die für 2015 in der Produktionskette vorgesehenen BZH wurden vermarktet. Vaillant konnte so alle 134 BZH im Rahmen des ene.field-Projektes in kürzester Zeit absetzen. „Wir dürfen BZH auch im Vertrieb nicht mehr als Forschungsprodukt ansehen, denn prinzipiell sind die Produkte ja serienreif. Was weiter reduziert werden muss, sind die Stückkosten. Dies gelingt aber nur durch eine entsprechende Produktionsmenge und ein Vertriebskonzept, das BZH als vollwertiges innovatives Produkt vermarktet statt es weiterhin als Forschungsgerät zu charakterisieren“, erläutert Andreas Christmann die Strategie des Unternehmens. „Wir werden in den nächsten Jahren eine kontinuierlich steigende Anzahl an Geräten in erster Linie über Demonstrationsprojekte in den Markt bringen und voraussichtlich 2017 mit der Markteinführung starten.“

In der Branche ist man überzeugt, dass mit dem aktuellen Kostenniveau von BZH keine erfolgreiche Platzierung im Markt stattfinden kann. Vielmehr müsse ein Technologie-Einführungsprogramm dafür sorgen, dass BZH sich am Markt etablieren können. Die Fortführung der BZH-Förderung in Sicht: Mit Horizon 2020 stellt die EU rund 1,3 Mrd. € für zehn Jahre für die Wasserstoff- und Brennstoffzellenforschung zur Verfügung. Innerhalb der New Industry Group zu denen u.a. auch Daimler, Linde, BMW, Shell, Bosch und Vaillant gehören werden derzeit hierfür die Weichen gestellt und interdisziplinäre Schwerpunkte gesetzt.