Elektrotechnik
Brennstoffzellen in der Hausenergie-Versorgung
ep2/2002, 3 Seiten
Nahezu alle Energieversorgungsunternehmen im deutschsprachigen Raum arbeiten zur Zeit an Brennstoffzellen-Anlagen für die Haus-Technik (< 10kW). Das notwendige Know-how wird zumeist durch Kooperationen mit Brennstoffzellen-Herstellern eingekauft. Die BSZ-Systeme konkurrieren im Bereich der thermischen und elektrischen Versorgung von Ein- und Mehrfamilienhäusern, Häuser-Komplexen sowie von kleineren Gewerbebetrieben mit der Stromversorgung aus dem öffentlichen Netz, mit Blockheizkraftwerken und mit der Wärmeversorgung durch Gas- oder Ölkessel beziehungsweise durch Fernwärme-Systeme. Die meisten herkömmlichen Anlagen verfügen heutzutage über Gesamtlaufzeiten von insgesamt 15 Jahren (etwa 27000 h). Für Brennstoffzellen wird wegen der Kopplung von Strom- und Wärmeerzeugung insgesamt eine wesentlich höhere Betriebsstundenzahl von 40000 h bis 80000 h veranschlagt. Wie Bild darstellt, erfordert die herkömmliche getrennte Erzeugung von Strom und Wärme etwa 45 % mehr Primärenergie als die gekoppelte Erzeugung mit einem BSZ-Heizsystem. Die Brennstoffzelle kann aber in der Regel lediglich die Grundlast für die Hausenergieversorgung übernehmen. Für die Spitzenlast-Abdeckung ist bei allen derzeitigen Varianten in diesem Bereich noch ein zusätzlicher konventioneller Brenner notwendig. Die Zielkosten zur Markteinführung von BSZ-Systemen im haustechnischen Bereich (3 bis 4 kWel) liegen ungefähr bei 500 Euro/ kWel. Momentan wären jedoch noch zehnmal höhere Investitionen notwendig. Im Vergleich dazu setzen konventionelle Blockheiz-Kraftwerke mit Verbrennungsmotor Investitionskosten von etwa 1000 bis 1300 Euro/kW voraus, verfügen jedoch nur über einen Wirkungsgrad von 25%. Bevor die BSZ-Systeme jedoch tatsächlich eingesetzt werden, ist noch viel Entwicklungsarbeit notwendig. Zunächst einmal müssen die Geräte noch wesentlich billiger werden. Außerdem müssen die neuen Anlagen ausgiebig getestet werden, damit sie den extremen Anforderungen während der gesamten Laufzeit standhalten können. Derartige Langzeit-Versuche verzögern die Markteinführung noch einige Jahre, so dass die Brennstoffzellen-Technologie für die Heizungsmodernisierung, die bis Ende 2004 abgeschlossen sein muss, keine wesentliche wirtschaftliche Rolle spielen wird. Der folgende Überblick über Aktivitäten beteiligter Unternehmen gibt einen Eindruck vom aktuellen Stand und von der weiteren Entwicklung der BSZ-Technologie. Neues Berufsbild? Die Buderus Heiztechnik aus Wetzlar kooperiert seit März 2001 mit UTC Fuel Cells (ehemals IFC, BSZ-Entwickler & Tochter-Gesellschaft der United Technologies Corp./USA). Gemeinsam wollen die beiden Firmen ab der Heizsaison 2003/04 mit ersten Praxistests für Brennstoffzellen kleiner und mittlerer Leistungen (3 bis 5 kWel bzw. 8 bis 9 kWtherm) beginnen. Zur Zeit sind die Unternehmen noch mit dem Bau der Prototypen sowie mit der Anlagen-Entwicklung und Forschung beschäftigt. In mehreren Stufen ist eine Kostenreduzierung vorgesehen, die abschließend die Wettbewerbsfähigkeit mit kleinen Motor-BHKW`s ermöglichen soll. Bei der Installation der neuen Heizsysteme möchte Buderus auf die bisherigen Vertriebswege (eigene Niederlassungen) zurückgreifen. Der Programm-Manager für Strategische Forschungsprojekte Dr. Grabenhenrich sieht für das Fachhandwerk zusätzlichen Ausbildungsbedarf und erwähnte in diesem Zusammenhang bereits die Schaffung eines neuen Berufsbildes, des „Kraft-Wärme-Kopplers“. Hohes Kundeninteresse Seit November 1998 arbeitet das Versorgungsunternehemen EWE gemeinsam mit Sulzer Hexis aus der Schweiz an einem BSZ-Heizsystem. Erste Testanlagen stehen in Oldenburg, Duisburg, Groningen, Tokio, Basel und Bilbao. Es wurde vereinbart, dass Sulzer Hexis 155 Anlagen an EWE-Kunden ausliefern soll. In einem weiteren Kooperationsvertrag mit Vaillant wurde die Lieferung von 150 Vorserien-Geräten bis zum Jahr 2003 abgesprochen. Das Interesse zur Teilnahme an diesen Pilotprojekten ist bisher weit größer als gedacht. Es gibt viel mehr Anfragen von teilnahmewilligen Kunden, als Testgeräte zur Verfügung stehen. EWE-Vorsitzender Dr. Brinker dazu: „Damit ist EWE eines der ersten Unternehmen in Deutschland, Energietechnik Elektropraktiker, Berlin 56 (2002) 2 113 Brennstoffzellen in der Hausenergie-Versorgung S. Geitmann, Berlin Im Bereich der Energieversorgung wird in letzter Zeit immer häufiger von Wasserstoff als dem Energieträger der Zukunft gesprochen. Brennstoffzellen jeglicher Größenordung sind sowohl für Kraftfahrzeuge und Mobiltelefone als auch für die Hausenergie-Versorgung im Gespräch. Viele Energieversorgungsunternehmen sowie Heizungsfirmen befassen sich bereits mit dieser Technik. Bis zur tatsächlichen Realisierung ist jedoch noch einiges zu tun. Dipl.-Ing. Sven Geitmann ist beratender Ingenieur und freier Fachjournalist, Berlin. Autor 145 % fossiler Brennstoff Abgasverlust 62 % Verlust Wärme aus Heizkessel Kondensationsabwärme und Abgas Strom aus Kraftwerk Mehrfamilienhaus 48 % Wärme 33 % Strom 100 % Primärenergie Gas Strom Wärme Zusatzheizgerät 19 % Verlust getrennte Erzeugung im Kraftwerk gekoppelte Erzeugung im Brennstoffzellen-Heizgerät Netz Gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung erfordert weniger Primärenergie Quelle: EWE das bei den führenden Entwicklern von Brennstoffzellen für Haushalte größere Stückzahlen bestellt und damit die Einführung dieser Technologie vorantreibt.“ EWE arbeitet am Entwurf eines Dienstleistungsangebots für Wohnungsbaugesellschaften und private Haushalte. Gemeinsam mit dem lokalen Handwerk sollen die Geräte beim Kunden eingebaut und regelmäßig gewartet werden. Das Angebot umfasst sowohl den Einbau eines BSZ-Heizgerätes zu definierten Schnittstellen als auch den Betrieb der Anlage mit allen Wartungs-und Instandsetzungskosten. Zur Überwachung des Betriebes sollen alle Störungen an ein Servicezentrum gemeldet werden. Eigeninitiative gefordert Die Hamburger Gas Consult (HGC) entwickelt seit 1997 zusammen mit Dais-Analytic Corp./USA ein Brennstoffzellen-System für die Strom- und Wärmeversorgung von Ein- und Mehrfamilienhäusern. Erste Erfahrungen auf dem BSZ-Gebiet gibt es schon seit 1994 mit HEW und Heingas. Das entwickelte Heizgerät verfügt über eine Leistung von 1,5 kWel und 8 kWtherm bei einem Gesamtwirkungsgrad von mehr als 70%. Als Kraftstoff für die PEM-Brennstoffzelle wird Erdgas verwendet. Zur Zeit wird an einer Testanlage (Bild ), der sogenannten „Beta-Einheit“ mit integriertem Reformer, gearbeitet. Die Feldversuche dafür sollen mit etwa 100 Anlagen in den Jahren 2002 und 2003 durchgeführt werden. Vor dem Hintergrund der zukünftigen Serien-Entwicklung hat HGC die „european fuel cell Gmb H“ ins Leben gerufen, die für die Kommerzialisierung zuständig ist. Die Realisierung der Markteinführung soll gemeinsam mit den Fachhandwerkern durchgeführt werden. G. Gummert von HGC legt jedoch Wert darauf, dass die Firmen Eigeninitiative zeigen und sich das notwendige Wissen in speziell angebotenen Weiterbildungsmaßnahmen aneignen. Außerdem vertreibt HGC in Deutschland das bisher einzige marktreife BSZ-Produkt in dieser Größenordnung, ein Blockheizkraftwerk mit einer phosphorsauren Brennstoffzelle (PAFC), die wahlweise mit Propan/Erdgas oder Biogas/Erdgas betrieben werden kann. Die Leistung der ONSI PC 25TMC (Bild ) beträgt 200 kW bei einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 % bzw. 85 % Gesamtwirkungsgrad. Hergestellt werden diese Anlagen seit 1996 von International Fuel Cells in den USA. Preise noch nicht konkurrenzfähig Der Energie-Versorger RWE arbeitet gemeinsam mit der italienisch-amerikanischen Firma Nuvera Fuel Cells an Systemen, die ab 2002 in Form eines Feldversuches getestet werden sollen. Die Anlagen sind ausgelegt für die Versorgung von Häusern und Kleinbetrieben mit Wärme und Strom bis 50 kW. Die Kommerzialisierung ist für 2004 im Raum Essen angepeilt, auch wenn die Preise dann voraussichtlich noch nicht konkurrenzfähig sein werden. In Essen wurde von RWE bereits ein BSZ-Pavillon errichtet, in dem die stationäre Stromgewinnung erprobt wird. Seit Juni 2001 ist eine Demonstrationsanlage von Siemens Westinghouse mit 100 kW in Betrieb. Im Oktober wurde zusammen mit MTU ein MCFC-Prototyp (Schmelzkarbonat-BSZ, 300kW) installiert. RWE will damit Erfahrungen im Hochtemperatur-Bereich für den Betrieb in Gewerbe- und Industrie-Anwendungen sammeln. Für Anfang 2002 ist die Kopplung einer 300-kW-BSZ mit einer integrierten Mikro-Gasturbine geplant. Darüber hinaus sollen Mitte 2002 in einem Feldtest 25 PEM-BSZ ihre Arbeit aufnehmen. Kommende Serienfertigung von BSZ Das Schweizer Unternehmen Sulzer-Hexis und das Versorgungsunternehmen Energie Baden-Württemberg (EnBW) arbeiten gemeinsam an Systemen für die Hausenergieversorgung. Die Arbeitsteilung sieht vor, dass Sulzer-Hexis für die Entwicklung und EnBW für die Installation sowie die Wartung zuständig sein wird. Die BSZ-Einheiten leisten 1 kWel und 3 kWtherm und werden mit einem Zusatzbrenner bis 25 kW ausgerüstet (Bild ). Die Heizgeräte sichern die gesamte thermische Versorgung eines Ein- bzw. Zweifamilienhauses und decken zusätzlich die elektrische Grundlast. Der mittlere elektrische Wirkungsgrad beträgt bisher über 30 %, angepeilt werden jedoch 40 % bis 50 %. Die Oxidkeramik-BSZ (SOFC) wandeln Erdgas in einem internen Reformierungsprozess in ein wasserstoffreiches Gas um. Zunächst sollen 55 dieser Kleinkraftwerke, später eventuell weitere 200 Anlagen, an Partner-Stadtwerke der EnBW geliefert werden. Die ersten fünf Brennstoffzellen wurden bereits im Herbst 2001 nach Süd-Deutschland ausgeliefert. Im Jahr 2002 werden weitere 15 Exemplare folgen. Die Serienfertigung der Anlagen wird derzeit in der Schweiz aufgebaut. Ab 2004 soll die Vermarktung weltweit anlaufen. Ein Gerät soll dann etwa 5000 Euro kosten. Virtuelles Kraftwerk geplant Der Heiztechnik-Hersteller Vaillant arbeitet gemeinsam mit seinem Partner Plug Power aus Latham/USA an PEM-Systemen und hat bis Anfang 2001 über 140000 Stunden Betriebserfahrung mit BSZ sammeln können. Der erste Feldtest mit insgesamt 50 Pilotanlagen läuft derzeit im Großraum Essen/Aachen. Ursprünglich angedacht war, diese Einheiten als virtuelles Kraftwerk zusammen zu schließen, so dass sie dezentral arbeiten, aber zentral gesteuert werden können. Die Realisierung dieses Vorhabens steht jedoch noch aus. Bis zum Jahr 2003 soll die Anzahl der Testanlagen auf 400 Exemplare aufgestockt werden und bis 2004/2005 sollen die ersten Brennstoffzellen-Systeme serienfertig sein, so dass sie für etwa 12000 Euro (ohne Brenner) ausgeliefert werden können. Vorerst handelt es sich bei den BSZ-Heizgeräten (Bild ) ausschließlich um Systeme für Mehrfamilien-Häuser oder kleinere Gewerbebetriebe, die nur mit Erdgas betrieben werden können. Diese Einheiten erzeugen bis zu 50 % weniger CO2 und benötigen etwa 25 % weniger Primärenergie im Vergleich zur herkömmlichen Technik. Die Leistung beträgt 2,5 bis 4,6 kWel beziehungsweise 7 bis 8,3 kWtherm. Das Brennwert-Heizgerät für die Spitzenlast-Abdeckung liefert bis zu 28 kWtherm. Der elektrische Netz-Wirkungsgrad der Brennstoffzelle liegt bei 35 % und der Gesamtwirkungsgrad bei etwa 80 %. Energietechnik Elektropraktiker, Berlin 56 (2002) 2 114 G. Gummert mit der Beta-Unit auf der Hannover Messe 2001 Foto: Geitmann ONSI PC25 C der AEB in Birsfelden Foto: HGC T. Jannemann, Leiter der Zertifizierungsstelle bei der Deutschen Vereinigung des Gas- und Wasserfachs (DVGW), überreichte im Dezember 2001 dem Geschäftsführer Dr. Brosset von Vaillant die EG-Baumuster-Prüfbescheinigung für das BSZ-Heizgerät mit den Worten: „Dies ist das erste Brennstoffzellen-Heizgerät, das den gesamten Prüfungsprozess nach der Europäischen Gasgeräterichtlinie durchlaufen hat und somit die wichtige CE-Kennzeichnung für technische Industrieprodukte führen darf. Das Vaillant BSZ-Heizgerät darf somit überall in der Europäischen Union .... in normalen Gebäuden eingesetzt werden.“ Auch nationale Kooperationen Das Heizungsunternehmen Viessmann arbeitet gemeinsam mit Sachsenring an einer Brennstoffzellen-Anlage für Einfamilienhäuser. Im Zuge eines seit Juli 2000 laufenden dreijährigen Projektes sollen erste Prototypen für Feldversuche entwickelt werden. Die Entwicklungsschwerpunkte liegen derzeit noch in der Senkung der Kosten und in der Steigerung von Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Anlagen. Zur Zeit müssten etwa 25000 Euro für eine derartige stationäre BSZ-Anlage (2,5 kWel; 5 kWtherm) investiert werden. Die Kosten möchte Viessmann bis zur Erlangung der Wettbewerbsfähigkeit jedoch noch mindestens um den Faktor 5 reduzieren. Dies kann sich nach Angaben von Dr. Meier-Wiechert, Hauptverwaltung Viessmann, noch bis Ende dieses Jahrzehntes hinstrecken: „Die Brennwert-Technik hat auch sechs bis sieben Jahre benötigt.“ Rechtzeitiges Vorbereiten notwendig Auf absehbare Zeit werden noch keine gravierenden Umstellungen in der Heizungstechnik auf uns zukommen. Die konventionelle Technik wird noch über Jahre hinweg ihre Aufgabe erfüllen. Tatsache ist jedoch, dass voraussichtlich ab Mitte dieses Jahrzehntes die ersten BSZ-Systeme auf den Markt drängen. Die Anbieter werden dann weiterhin auf den Installateur vor Ort angewiesen sein, der Einbau, Wartung und Reparatur übernimmt. Dann werden Monteure gefragt sein, die durch rechtzeitige Fortbildungsmaßnahmen über das notwendige Wissen verfügen, so dass sie sowohl die alten als auch die neuen Anlagen betreuen können. Die BSZ-Technologie wird in diesem Sinne keine Arbeitsplätze gefährden, sondern sogar neue schaffen, da ein neues umfassendes Betätigungsfeld hinzukommt. Literatur [1] Brinker, W., Brennstoffzellen: Die Dauerbrenner der Zukunft, Die Welt, Sonderteil 11/01 [2] Geitmann, S., Wasserstoff als Kraftstoff für Fahrzeugantriebe, www.hydrogeit.de [3] Gummert, G., Das Brennstoffzellen-BHKW für den liberalisierten Energiemarkt, Sonderdruck gwf-Gas/Erdgas, 142(2001)2, S. 122-133 [4] Klinder, K., Dezentrale Gebäudeversorgung mit Brennstoffzellen-Heizgeräten, Projektmanagement Brennstoffzelle Vaillant, Remscheid, 2001 Energietechnik Elektropraktiker, Berlin 56 (2002) 2 HXS 1000 Premiere von Sulzer Hexis; A Thermische Isolation, B Zellenstapel, C Wärmetauscher, D Speicher, E Steuerung, F Zusatzheizgerät, G Wechselrichter, H Gasentschwefelung, I Abgas Prototyp von Vaillant; 1 DDC-Regler und Kommunikationsschnittstelle, 2 Wechselrichter, 3 Reformer, 4 PEM-Brennstoffzellenstapel, 5 Membranbefeuchtung
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Autor
- S. Geitmann
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