Häufig fällt der Begriff Brennstoffzelle in der Diskussion um energieeffizientes Bauen. Bei dieser Technologie wird die im Wasserstoff gespeicherte Energie durch eine chemische Reaktion in elektrische Energie umgewandelt. Dabei wird auch Energie in Form von Wärme freigesetzt. Die Kombination aus Kraft und Wärme macht die Brennstoffzelle zu einer Lösung für die dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung. Strom erzeugende Heizungen wie beispielsweise ein Brennstoffzellen-Heizgerät sind ein zukunftsfähiges System zur Energieversorgung im Ein- und Zweifamilienhaus.
Der Heiztechnikanbieter Junkers testet die gemeinsam mit dem japanischen Hersteller Aisin entwickelte Brennstoffzellenlösung CeraPower FC seit Mitte 2014 in Neubauten und in Bestandsgebäuden. Insgesamt 70 Demonstrationsanlagen hat Bosch Thermotechnik innerhalb des ene.field-Projekts, einem großen europäischen Demonstrationsprogramm für brennstoffzellenbasierte Lösungen zur dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung, inzwischen umgesetzt.
Herzstück ist die Brennstoffzelle
Im Inneren der Anlage steckt eine Kombination aus Brennstoffzellen-Technologie und Gas-Brennwerttechnik. Herzstück der Anlage ist eine keramische Hochtemperatur-Brennstoffzelle, auch Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) genannt. Diese wandelt chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Deshalb ist der Wirkungsgrad höher als bei Wärmekraftmaschinen, die den Umweg über thermische Energie mittels Verbrennung gehen. SOFC-Brennstoffzellen verwenden keramische Materialien im sogenannten Stack (Zellstapel) und arbeiten bei 700 °C. Aufgrund der hohen Temperaturen ist der elektrische Wirkungsgrad mit bis zu 45 % insgesamt etwa 10 % höher als bei Brennstoffzellen auf Polymerbasis (Polymer Electrolyte Fuell Cell, PEM).
Unter dem Gehäuse stecken außer der Brennstoffzelle zudem die Brennwertlösung Cerapur Solar, ein 75-l-Warmwasserspeicher und ein 150-l-Pufferspeicher. Die elektrische und die thermische Leistung der Brennstoffzelle betragen jeweils ca. 0,7 kW, gemeinsam bringen es die Brennstoffzelle und das angebundene Gas-Brennwertgerät auf eine Nennwärmeleistung von bis zu 25 kW thermisch. Das System erreicht einen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 45 % und einen Gesamtwirkungsgrad von 90 % für die dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung.
Ein weiterer Vorteil der verwendeten SOFC-Technologie ist der relativ einfache integrierte Reformierungsprozess. Darunter ist die Aufbereitung des Brenngases zu verstehen. Denn aus dem eingesetzten Erdgas muss zunächst reiner Wasserstoff gewonnen werden. Die im Wasserstoff gespeicherte Energie wird dann durch eine chemische Reaktion in elektrische Energie umgewandelt.
So funktioniert die Brennstoffzelle
Im Stack reagiert der Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft: Zunächst werden beide Stoffe in positiv und negativ geladene Teilchen gespalten. Die negativ geladenen Sauerstoff-Ionen wandern anschließend durch den Elektrolyten aus Keramik, um an der Anode mit den Wasserstoffkernen zu reagieren. Als Resultat entstehen Strom und als Nebenprodukt Wasserdampf, außerdem wird Wärmeenergie freigesetzt. Ein Inverter wandelt anschließend den von der Brennstoffzelle produzierten Gleichstrom in Wechselstrom um, der entweder direkt im Gebäude verbraucht oder ins Netz eingespeist wird. Im Vordergrund steht dabei die wirtschaftlichere Eigennutzung des Stroms, also den Strombezug aus dem Netz der öffentlichen Versorgung zu ersetzen. Nur wenn keine Abnahme im Haus erfolgt, wird der überschüssige Strom ins öffentliche Netz eingespeist und staatlich garantiert vergütet. Durch die nachgeschaltete Gas-Brennwertheizung ist die eingesetzte Hochtemperatur-Brennstoffzelle für den Einsatz in Bestandsgebäuden ebenso wie im Neubau und sowohl für Heizkörper als auch für Fußbodenheizung geeignet.
Regelung verteilt die Aufgaben
Eine Systemregelung sichert das Zusammenspiel der Komponenten. Die Aufgaben sind dabei klar verteilt: Die Brennstoffzelle arbeitet rund um die Uhr und speichert die entstehende Wärme im Pufferspeicher. Diese wird für die Raumheizung und Warmwasserbereitung genutzt. Das Gas-Brennwert-Hybridgerät Cerapur Solar heizt über ein integriertes Mischventil nur bei Bedarfsspitzen nach – wenn beispielsweise kurzfristig eine größere Menge warmes Wasser benötigt wird. So kann die Energie im Pufferspeicher optimal genutzt werden. Im Gegensatz zu Tank-in-Tank- und Frischwasser-Systemen wird ein Nachladen des Pufferspeichers durch das Gas-Brennwertgerät vermieden, was zu der Effizienzsteigerung beiträgt.
Positive Bilanz
Die Junkers Demonstrationsanlagen werden messtechnisch ausführlich überwacht, um die Energieflüsse und die Effizienz zu dokumentieren. Die Ergebnisse stimmen positiv. Erzeugungs- und Verbrauchsprofil in den getesteten Anlagen passen gut zusammen. Im Durchschnitt werden 50 bis 80 % des Haushaltsstrombedarfs durch die Brennstoffzellen-Anlage gedeckt. Eine Demonstrationsanlage hat beispielsweise im Oktober 2015 fast 70 % des gesamten Haushaltsstrombedarfs gedeckt.
Der Anteil des Eigenverbrauchs, also der Nutzung des durch die Brennstoffzellen-Anlage erzeugten Stroms im Gebäude, ist abhängig vom elektrischen Tageslastgang des jeweiligen Gebäudes. Die Brennstoffzelle deckt die Grundlast des Gebäudes vollständig ab. Bedarfsspitzen werden über das öffentliche Netz abgefangen und der Strom-Überschuss wird ins öffentliche Netz eingespeist. In Gebäuden mit mittlerem und höherem Stromverbrauch sowie bei höherer Strom-Grundlast ist die Eigenverbrauchsquote tendenziell natürlich höher als bei Gebäuden mit sehr niedriger Strom-Grundlast.
Hohe Laufzeiten
Die Brennstoffzellen-Anlage wird, wie die überwiegende Zahl der Anlagen zur dezentralen Stromerzeugung in Ein- und Zweifamilienhäusern, wärmegeführt betrieben. Das bedeutet, dass die Brennstoffzellenheizung nur in Betrieb ist, wenn auch eine Wärmeabnahme im Gebäude durch Heizung oder Warmwasserbereitung erfolgt. Vorteil der Brennstoffzellen-Technologie ist die relativ niedrige thermische Leistung bei zugleich hohem elektrischem Wirkungsgrad, wodurch erst ein sinnvoller Betrieb mit langen Laufzeiten in Ein- und Zweifamilienhäusern möglich wird. Hier ist die Brennstoffzellen-Technologie im Vergleich zu anderen Technologien der dezentralen Stromerzeugung mit Verbrennungs- oder Stirlingmotor im Vorteil, weil bei diesen eine für Ein- und Zweifamilienhäuser oftmals zu hohe thermische Leistung vorhanden ist.
Der Pufferspeicher entkoppelt die Wärmeerzeugung vom Wärmebedarf des Gebäudes, indem er überschüssige Wärme zwischenspeichert. Sobald dauerhaft keine Wärme mehr abgenommen wird und der Pufferspeicher vollgeladen ist, sinkt die Leistung der Brennstoffzelle (Modulation) beziehungsweise das System wird abgeschaltet. Aufgrund des hohen elektrischen Wirkungsgrades bei Brennstoffzellen des Typs SOFC werden sehr lange Laufzeiten ohne Abschalten erreicht. Bereits in den ersten Monaten ließ sich anhand der Demonstrationsanlagen nachweisen, dass auch bei mehrtägiger Abwesenheit der Bewohner in der Übergangszeit die Brennstoffzelle in Betrieb bleibt. Bei längerer Abwesenheit im Hochsommer schaltet die Brennstoffzelle einmalig ab und geht nach Rückkehr der Bewohner wieder in Betrieb. Im Winter bleibt die Brennstoffzelle auch bei längerer Abwesenheit dauerhaft in Betrieb. Bedingt durch die optimale Abstimmung der Brennstoffzelle auf das Pufferspeichervolumen kann auch in durchschnittlichen Haushaltsgrößen eine durchgehende Laufzeit der Anlage erreicht werden.
Geeignet zur Modernisierung
Eine der Demonstrationsanlagen hat Junkers in einem Einfamilienhaus mit Einliegerwohnung in Wernau östlich von Stuttgart installiert. Die CeraPower FC läuft im Heizungskeller des sanierten Einfamilienhauses aus dem Baujahr 1980 und versorgt die 120 m2 große Einliegerwohnung. Der Eigentümer wollte die Kosten für Wärme und Strom deutlich senken und ist fasziniert von der Möglichkeit, selbst Strom zu erzeugen.
In vier Schritten installiert
Der Transport des Gerätes in den Heizungskeller war einfach. Die gesamte Anlage wurde in vier einzelnen Modulen geliefert, welche die Mitarbeiter des Heizungsfachbetriebs Bernhard Schneider aus Ebersbach an der Fils einzeln ins Gebäude transportieren konnten. Die vier Module wurden dann nacheinander aufgestellt und montiert: Zuerst haben Schneiders Mitarbeiter den Pufferspeicher und den 75-l-Schichtladespeicher platziert und ausgerichtet. Danach stellten sie das Brennstoffzellenmodul auf den Pufferspeicher und fixierten es. Zuletzt wurde das Brennwertgerät montiert und damit das Gesamtsystem vervollständigt.
Weil alle Module aufeinander abgestimmt sind, ließen diese sich mit den mitgelieferten Rohrgruppen schnell verbinden. Aufwendige Verrohrungen und Planungen der Hydraulik waren nicht nötig. Das macht die Montage vergleichbar mit einem handelsüblichen Brennwertgerät.
Auch die Anbindung von Abgassystem und Heizkreis ist vergleichbar mit herkömmlichen Systemen. Am aufwendigsten war es, die Abgasleitung der Altanlage umzubauen und damit Platz zu schaffen für die Abgasführung der zusätzlichen Neuanlage. Die Abgasführung der CeraPower FC selbst ist unkompliziert: Das Abgas der Brennstoffzelle wird im Gerät zum Gas-Brennwert-Modul geführt und dann gemeinsam in den Kamin geleitet.
Fazit
Die im Praxisbetrieb gesammelten Erfahrungen und Messdaten der Junkers Demonstrationsanlagen belegen, dass die Brennstoffzellen-Technologie reif für den Einbau in Ein- und Zweifamilienhäusern ist. Die Technologie passt zum Trend der modernen Energieerzeugung. Der Großteil des Haushaltsstrombedarfs lässt sich über den per Kraft-Wärme-Kopplung erzeugten Strom decken. Das führt zu einer deutlichen Energiekosten-Einsparung von bis zu 1300 Euro/Jahr. Darüber hinaus machen sich Besitzer einer Brennstoffzellen-Anlage unabhängiger gegenüber künftigen Strompreissteigerungen. Nicht zuletzt werden auch die CO2-Emissionen des Haushaltes gesenkt. Das integrierte Gas-Brennwertgerät geht nur in Spitzenlastzeiten in Betrieb, auch das trägt zu niedrigeren Energiekosten und einem umweltfreundlichen Betrieb bei. Von Vorteil für den Fachhandwerker ist die einfache Montage: Die Installation ist vergleichbar mit der eines Brennwertgerätes. Lesen Sie hierzu auch das SBZ-Interview mit Andreas Rembold auf der nächsten Seite.
Info
Strom aus der Brennstoffzelle
An der Anode wird der aus dem Erdgas stammende Wasserstoff (H2) katalytisch gespalten: in positiv geladene Wasserstoffkerne (Protonen) und negativ geladene Elektronen. Der Vorgang erfolgt katalytisch, weil Wasserstoff an sich stark gebunden ist und die Spaltung viel Energie erfordern würde. Die Anode ist deshalb mit Nickel beschichtet, das als Katalysator fungiert. Der Katalysator ermöglicht eine kontrollierte kontinuierliche Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff in Ionen, indem er die erforderliche Reaktionsenergie absenkt. An der Kathode aus Keramik wird der Luftsauerstoff katalytisch aufgespalten. Die negativ geladenen Sauerstoff-Ionen wandern anschließend durch den Elektrolyten (ebenfalls Keramik), um dann an der Anode mit den Wasserstoffkernen zu reagieren. Als Resultat der Reaktionen an der Anode entstehen Strom und harmloser Wasserdampf als Nebenprodukt.
Info
Regelungssystem
Zwei Betriebszustände der Anlagen verdeutlichen die Funktionsweise der Regelung.
Situation 1: Ist die Pufferspeichertemperatur höher als die von Heizung oder Warmwasserbereiter angeforderte Soll-Temperatur, bleibt das Brennwertgerät außer Funktion. Die geforderte Solltemperatur wird im Mischventil aus heißer Puffertemperatur und Rücklauftemperatur gemischt.
Situation 2: Reicht die Temperatur im Pufferspeicher nicht zur Deckung der Solltemperatur im Heizkreis oder zur Trinkwassererwärmung aus, wird modulierend die Wärmemenge durch das Brennwertgerät beigesteuert, die benötigt wird.
Vier Module – ein System: Die Anlage kombiniert Brennstoffzelle, Gas-Brennwertgerät und zwei Speicher.
Die Anlagen werden messtechnisch überwacht, um die Effizienz nachzuweisen.
Die Monatsbilanz einer Demonstrationsanlage zeigt den Gesamtstromverbrauch des Haushalts und die Stromerzeugung der Brennstoffzelle.
Betriebsstunden einer Demonstrationsanlage: Die Brennstoffzelle lief 24 Stunden am Tag, das führt zur optimalen CO 2 - und Energiekosten-Einsparung.
Bild 1–2: Gottfried Schick vom Heizungsfachbetrieb Schneider aus Ebersbach an der Fils richtet den Pufferspeicher und den Schichtladespeicher aus. Nachdem er das Brennstoffzellengerät mit einem Kollegen auf den Pufferspeicher gestellt hat, fixiert er dieses.
Bild 3–5: Auf den Schichtladespeicher wird das Gas-Brennwertgerät montiert. Durch die vorkonfektionierten Rohrgruppen entfallen aufwendige Verrohrungsarbeiten. Der Anschluss von Heizkreis und Trinkwasserversorgung ist identisch zu Brennwertgeräten.
