Brennstoffzellen-Heizgeräte

D ie Entwicklung hin zu immer effizienteren Systemen geht auch künftig noch weiter: Die Brennstoffzellen-Heizgeräte stellen den – vorerst – neuesten Entwicklungsschritt in der Evolution der Heiztechnik dar (Bild 1).

Die stromerzeugende Heizung – Strom und Wärme aus einem Gerät

Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung bildet die Grundlage dieser Mikro-KWK auf Brennstoffzellenbasis. Seit 2014 ziehen diese zusammen mit dem japanischen Hersteller Panasonic entwickelten Geräte in Ein- und Zweifamilienhäuser ein. In dieser Zeit haben sie sich hervorragend bewährt, Anlagenbetreiber und Fachhandwerker sind gleichermaßen hochzufrieden. Heute ist diese Technologie etabliert. Es sind mehrere tausend Geräte erfolgreich in Betrieb und mittlerweile ist die dritte Gerätegeneration verfügbar, die gegenüber den früheren Ausführungen eine deutlich gesteigerte Performance vorweisen kann (Bild 2). So wurde die Lebensdauer des Brennstoffzellen-Stacks um rund 30 % gesteigert und beträgt nun mindestens 80.000 Betriebsstunden. Gleichzeitig stieg die Stromerzeugung von 15 auf 18 kWh pro Tag. Dabei benötigt die Brennstoffzelle nur noch alle fünf Jahre eine Wartung.

Klima schützen und dabei Energiekosten sparen

„Die Dinger laufen einfach“, lautete bereits vor einigen Jahren der Kommentar eines Marktpartners, der viele zufriedene Anlagenbetreiber zu seinen Kunden zählt. Neben der hohen Zuverlässigkeit der Brennstoffzellensysteme sind es vor allem die deutlichen Einsparungen bei den Energiekosten, die zur hohen Zufriedenheit führen. Durch die Nutzung des selbst erzeugten Stroms reduzieren sich die Ausgaben für den Strombezug aus dem Netz. Im Vergleich zum Bezug von üblichem Netzstrom und der Wärmeerzeugung mit einem herkömmlichen Heizkessel sinken die Energiekosten eines Haushalts um bis zu 40 %. Zugleich leisten die Betreiber einen wertvollen Beitrag zum Klimaschutz, denn die CO₂-Emissionen sinken um rund die Hälfte.

Da Brennstoffzellen-Heizgeräte nicht nur zum Klimaschutz beitragen, sondern auch bei Engpässen in der volatilen Stromerzeugung aus Windkraft und Sonnenenergie einen wichtigen Beitrag zur Deckung des Strombedarfs leisten und die Stromnetze entlasten, fördert die Bundesregierung diese Technologie. Das Programm 433 „Energieeffizient Bauen und Sanieren – Zuschuss Brennstoffzelle“ der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) kann beispielsweise für ein „Vitovalor“-Brennstoffzellen-Heizgerät mit bis zu 9.300 € die Anschaffung unterstützen. Damit ist die Investition in diese stromerzeugenden Heizungen vergleichbar mit den Anschaffungskosten für eine Wärmepumpenanlage

Technischer Aufbau der Brennstoffzellen-Heizgeräte

Die in Ein- und Zweifamilienhäuser überwiegend zum Einsatz kommenden Kompaktgeräte, wie z.B. „Vitovalor PT2“, bestehen aus zwei Modulen: dem Grundgerät mit PEM-Brennstoffzelle, Reformer und Inverter sowie einem integrierten Gas-Brennwert-Spitzenlastkessel (optional fünf Leistungsgrößen von 11,4 bis 30,8 kW) und der Systemregelung. Daneben angeordnet ist als zweites Modul ein 220 l fassender Speicher-Wassererwämer (Bild 3).

Da derzeit noch keine Infrastrukturen für die flächendeckende Versorgung mit Wasserstoff existieren, verwendet man für den Betrieb der Brennstoffzelle herkömmliches Erdgas (LL und E). Dessen Hauptbestandteil, Methan (CH₄), liefert den benötigten Wasserstoff. Dazu wird das Erdgas in einem im Gerät integrierten Reformer entsprechend aufbereitet.

Vom Kompaktgerät abgeleitet wurde die Beistelllösung „Vitovalor PA2“ für die Nachrüstung von Heizungsanlagen, die bereits über einen Gas-Brennwertkessel verfügen. Diese Variante verzichtet auf einen integrierten Spitzenlastkessel und kann flexibel mit Speichern bis zu 500 l Inhalt kombiniert werden (Bild 4).

Sowohl in der Beistelllösung als auch im Kompaktgerät arbeitet eine PEM-Brennstoffzelle (Polymer-Elektrolyt-Membrane) mit Betriebstemperaturen von etwa 90 °C. Dieser Brennstoffzellentyp bietet u.a. die Vorteile von kurzen Anfahrzeiten nach dem Einschalten und einer sehr hohen Zahl möglicher Start-/Stopp-Zyklen. Der Stack ist für eine Nutzungsdauer von mindestens 80.000 Betriebsstunden ausgelegt und erzeugt mit einer elektrischen Leistung von 750 W bis zu 18 kWh Strom pro Tag. Damit kann ein Großteil des Bedarfs eines Haushalts gedeckt werden.

Betriebsweise im Tagesverlauf

Die hier vorgestellten Brennstoffzellen-Heizgeräte werden strom­optimiert betrieben. Das heißt, Leistungsabgabe und Betriebsdauer richten sich zunächst nach dem aktuellen Wärmebedarf des Hauses. Zusätzlich sorgt ein in der Systemregelung integrierter, lernfähiger Energiemanager für eine bedarfsgerechte Stromproduktion. Er erfasst im Tagesverlauf den im Haushalt benötigten Strom und erstellt daraus ein individuelles Stromprofil. Unter Berücksichtigung der Temperaturen im Warmwasserspeicher ermittelt er dann den passenden Einschaltzeitpunkt für eine maximale Eigenverbrauchsrate. So lassen sich bis zu 65 % des selbst erzeugten Stroms im eigenen Haus nutzen.

Über den Großteil des Tages reicht die Stromproduktion der Brennstoffzelle aus, um den Bedarf zu decken. Lediglich in Spitzenzeiten, z.B. frühmorgens und abends, muss Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen werden. Dafür wird in den Nachtstunden überschüssiger Strom in das öffentliche Netz eingespeist und vergütet (Bilder 5 bis 10).

Typischer Lastgang

Einen typischen Lastgang für ein Einfamilienhaus (160 m² beheizte Wohnfläche, Wärmebedarf 10.000 kWh/a, Strombedarf 4.000 kWh/a) an einem durchschnittlichen Wochentag während der Übergangszeit zeigt Bild 11. Das Diagramm basiert auf der VDI 4655 „Referenzlastprofile von Ein- und Mehrfamilienhäusern für den Einsatz von KWK-Anlagen“. Der Kurvenverlauf zeigt, dass über den Tag verteilt der Strombedarf nur selten über die Leistung der Brennstoffzelle hinausgeht. Der dann zusätzlich benötigte Strom wird automatisch aus dem öffentlichen Netz bezogen. Der Energiemanager würde in diesem Fall den Einschaltpunkt auf etwa vier Uhr morgens legen – da bei einem früheren Einschalten die gleichzeitig erzeugte Wärme nicht genutzt werden kann – und in den Abendstunden den größten Teil des dann erhöhten Strombedarfs decken. Der Eigenverbrauchsanteil wird in diesem Fall auf rund 56 % maximiert. Bis zu 65 % sind möglich, wenn der Anlagenbetreiber seinen Stromverbrauch so ausrichtet, dass z.B. Waschmaschine und Bügeleisen nicht gleichzeitig, sondern nacheinander betrieben werden.

Maximale Unabhängigkeit mit zusätzlichem ­Stromspeicher

Mit einem zusätzlichen Stromspeicher kann der Eigenverbrauchsanteil auf bis zu 85 % gesteigert werden. Damit macht sich der Betreiber dann noch unabhängiger von den steigenden Strompreisen. Statt den Überschussstrom einzuspeisen, wird er im Stromspeicher zur Deckung späterer Strom-Verbrauchsspitzen bevorratet oder einer Ladestation für Elektromobile zur Verfügung gestellt.

Komplett unabhängig von herkömmlichen Energieversorgern machen sich Betreiber eines Brennstoffzellen-Heizgeräts, wenn sie Mitglied einer nach dem Genossenschaftsprinzip funktionierenden Ener­giegemeinschaft, wie z.B. der „ViShare Energy Community“, werden. Die Mitglieder einer solchen Community können ihre selbst erzeugte Energie zu 100 % nutzen. Wird mehr Strom produziert als vor Ort benötigt oder gespeichert werden kann, fließt die überschüssige Energie in einen Strompool. Dieselbe Menge, die jeder Erzeuger in den Strompool eingespeist hat, kann er später wieder daraus entnehmen. Zusätzlich benötigten Strom erhält jedes Mitglied ebenfalls aus der Community. Die Verrechnung erfolgt dann über ein individuelles Tarifmodell.

Einfache Installation und Wartung

Installation und Montagezeiten der hier beispielhaft vorgestellten Brennstoffzellensysteme sind mit einem üblichen Gas-Brennwert-Kompaktgerät vergleichbar. Das Brennstoffzellenmodul mit integriertem Spitzenlastkessel und der dazugehörige Speicher-Wassererwärmer lassen sich getrennt einbringen. Die gemeinsame Montage beider Module ist durch abgestimmte steckerfertige Schnittstellen schnell und einfach. Anschließend müssen lediglich noch fünf Rohrleitungen angeschlossen werden: Erdgas, Vor- und Rücklauf des Heizungssystems, Kaltwasserzulauf zum Speicher und Warmwasser. Hinzu kommt noch die Abgasleitung, die sich beim Kompaktgerät die Brennstoffzelle und der integrierte Spitzenlastkessel teilen (Bild 12).

Der elektrische Anschluss erfolgt über eine dreiadrige Netzanschlussleitung. Zusätzliche Zähler für den erzeugten Strom sowie zur Ermittlung der Gasmenge – Voraussetzung für Förderung und Energiesteuer-Rückerstattung – müssen nicht installiert werden, die Geräte verfügen bereits über entsprechende Einrichtungen.

So einfach wie die Installation der Geräte ist auch deren Wartung. Für die Brennstoffzelle ist eine Wartung alle fünf Jahre vollkommen ausreichend. Die dabei anfallenden Tätigkeiten beschränken sich auf den Austausch von Luft- und Wasserfilter. Die Einrichtung zur Entschwefelung des Erdgases ist wartungsfrei. Der gegebenenfalls vorhandene Gas-Brennwertkessel unterliegt dem üblichen jährlichen Wartungszyklus.

Fazit

Klimawandel und zur Neige gehende fossile Ressourcen machen die Energiewende unerlässlich. Sie kann allerdings nur gelingen, wenn die Energieeffizienz erhöht wird und die Verbrauchssektoren Strom, Wärme und Mobilität gekoppelt werden. Mit den Brennstoffzellen-Heizgeräten ist eine Technologie marktverfügbar, die einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten kann. Seit ihrer Markteinführung haben sich die Geräte bestens bewährt und die in sie gesetzten Erwartungen voll erfüllt. Mittlerweile ist die Nachfrage deutlich angesprungen und wegen des großen Zukunftspotentials dieser Technologie wird die Entwicklung weiterer Gerätegenerationen vorangetrieben – beste Voraussetzungen für die weitere Verbreitung.