Energieversorger und die Entwickler von Heizgeräten, die auch Strom erzeugen können, sind sich einig: Die aktuellen und absehbaren Entwicklungen beim Gebäudeenergiebedarf und bei den Energiepreisen schaffen ein günstiges Wettbewerbsumfeld für die kombinierte Erzeugung von Strom und Wärme in sogenannten Mikro-KWK.
Ideales Umfeld für die dezentrale Energie-Erzeugung
In zahlreichen Studien wird von einem rasch abnehmenden Raumwärmebedarf ausgegangen, der bis zum Jahr 2020 auf nur noch 50 % des heutigen Wertes prognostiziert wird. Bis dahin könnten die Gaspreise um bis zu 50 % steigen, während die Strompreise im gleichen Zeitraum „nur“ um 30 % nach oben klettern sollen; so zumindest die Ergebnisse diverser Studien. Aus Sicht von Marktforschern und Energieexperten bilden diese Rahmenbedingungen – zusammen mit weiteren verordnungs- und gesetzespolitischen Aktivitäten – ein ideales Umfeld für die dezentrale Erzeugung von Strom und Wärme in Klein- und Kleinst-Blockheizkraftwerken sowie in Brennstoffzellen-Heizgeräten. Gleichzeitig könne davon ausgegangen werden, dass die Investitionskosten von Mikro-KWK, unabhängig ob mit Stirlingmotor-Antrieb, Verbrennungsmotor oder Brennstoffzellen, mit wachsenden Stückzahlen sinken werden und dadurch ein zusätzlicher Investitionsanreiz entstehe. Ein aktuelles Thesenpapier von Wissenschaftlern und der Energiewirtschaft geht von „mehreren Millionen Mikro-KWK-Anlagen“ aus, die bis zum Jahr 2030 in Heizräumen bzw. Dachzentralen installiert sein sollen.
Herbe Rückschläge und zähe Fortschritte
Vor diesem Hintergrund haben die Entwickler von Brennstoffzellen-Heizgeräten trotz herber Rückschläge und nur zähen Fortschritten bei Energieeffizienz, Langlebigkeit der Stacks und Wirtschaftlichkeit ihre Forschungsaktivitäten verstärkt und Marketing-Pläne korrigiert. Dabei spielt die Bündelung der Aktivitäten im Callux-Projekt (siehe Kasten) für alle Beteiligten die ausschlaggebende Rolle, um die notwendige Marktreife für die Brennstoffzellen-Heizgeräte zu erlangen.
Während Viessmann zunächst dem Stirlingmotor-Mikro-KWK-Gerät sowie der gasangetriebenen Zeolith-Wärmepumpe den Vorzug bei der Markteinführung gibt und die Weiterentwicklung des BZ-Heizgerätes auf Eis gelegt hat, laufen die Entwicklungs- und Markteinführungsaktivitäten bei Baxi Innotech und Vaillant weiterhin mehrgleisig. Durch die Kooperation von Hexis mit Stiebel Eltron und Hoval ist dort ebenfalls mit einem aufgefächerten Mikro-KWK-Portfolio zu rechnen.
Es zeichnet sich hier generell ab, dass sich gerade das 1-kWel-Brennstoffzellen-Heizgerät (BZ-H) wegen des höheren elektrischen Wirkungsgrades und der höheren Stromkennziffer eher für neue Ein-/Zweifamilienhäuser eignet. Das kompakte, wandhängende Stirling-Mikro-KWK mit seinem vergleichsweise geringen elektrischen Wirkungsgrad bei hoher Wärmeleistung bedient dagegen eher den Austauschmark.
Keine konkreten Angaben zum Gerätepreis
Da derzeit noch nicht absehbar ist, mit welchen Fortschritten bzw. Rückschlägen die Branche noch zu rechnen hat, sind bei den Herstellern konkrete Preise derzeit kaum zu erfahren. Baxi Innotech antwortete auf die Frage nach dem Gerätepreis so: „Das Aggregat wird zum Zeitpunkt der Markteinführung im Vergleich zur konventionellen Brennwerttechnik und zu anderen Technologien mit einem durchaus wettbewerbsfähigen Endabnehmerpreis an den Start gehen. Die Erfahrung zeigt, dass sich der Kostenfaktor aufgrund der Wertentwicklung der einzelnen Komponenten bis dahin weiter degressiv verhalten wird.“ Die Energiewirtschaft geht davon aus, dass die Kosten für dezentrale KWK-Systeme bis zum Jahr 2020 durchaus um 10 % nachgeben könnten.
Andere Marktbeobachter sehen aufgrund der Fortschritte bei hocheffizienten Luft-Wasser-Wärmepumpen mit Leistungszahlen von über 4 einen hohen Marktdruck sowohl auf konventionelle als auch auf innovative Heizgeräte zukommen. Auch müsse die Heizungsbranche mit einem wachsenden Angebot von Billig-Wärmepumpen aus der Massenfertigung von Klimageräte-Komponenten rechnen, so Kenner der Szene.
Brennstoffzelle als zuschaltbare Stromquelle für Spitzen
Kaum eine Innovation in der Heizungstechnik ist bei den Energieversorgern auf ein derart starkes Engagement gestoßen wie das Brennstoffzellen-Heizgerät. Von den acht verbliebenen Callux-Partnern kommen fünf aus der Energiewirtschaft. Während die Geräteentwickler ihr Innovationsziel in erster Linie in einer massentauglichen und wettbewerbsfähigen Komponente für eine moderne Heizungsanlage sehen, geht die Strategie der Energiewirtschaft weit über diese lineare Zielsetzung hinaus. Mitentscheidend für den Erfolg der Mikro-KWK – ob mit Brennstoffzelle, Stirlingmotor oder klassischem Verbrennungsmotor – sei die Einbindung in bestehende oder noch zu schaffende Netzstrukturen mit möglichst geringen negativen Rückkopplungseffekten auf die bestehende Netz- und Kraftwerkssysteme. Über intelligente Stromzähler (smart meter) sowie eine Vernetzung der dezentralen Energieerzeuger mit dem Lastmanagement der EVU (smart grid) wollen die EVU die Netzqualität schon im Vorfeld auf die prognostizierten „Millionen Netzeinspeiser“ in geordnetere (Netz-)Bahnen lenken.
Dabei geht es künftig auch darum, die großen privaten elektrischen Verbraucher im Haushalt so miteinander zu vernetzen, dass ein Parallelbetrieb, wo immer möglich, ausgeschlossen wird. Im Idealfall sollte die privat betriebene Brennstoffzelle im Keller eines Hauses dem EVU einerseits als zuschaltbare Stromquelle für Spitzenstrom zur Verfügung stehen und andererseits bei geringer Netzlast möglichst keinen privat erzeugten Strom ins Netz des Versorgers einspeisen. Eine besondere Rolle bei der Glättung von Angebot und Nachfrage im Strombereich dürfte dabei dem Elektroauto zukommen: Es soll künftig sowohl Energie aus dem Netz des Versorgers bzw. vom hauseigenen Mikro-KWK aufnehmen als auch in Abhängigkeit der Netzlast wieder an den Haushalt bzw. den Versorger abgeben.
Derartige Visionen der EVU kümmern die Entwickler von BZ-Heizgeräten jedoch zum jetzigen Zeitpunkt noch wenig. Zitat: „Das ist zwar eine reizvolle Option, aber wir müssen erst einmal marktgerechte Geräte entwickeln, bevor wir uns um die Systemoptimierung kümmern.“
Baxi Innotech: 1 kW-Version mit Modulation bis 30 %
Welche Evolution beim Brennstoffzellen-Heizgerät möglich ist, zeigte Baxi Innotech auf der ISH bzw. der Hannover Messe mit der Vorstellung der Gamma 1.0 Version. Das Gerät ist gegenüber der Beta 1.5-Version nicht nur deutlich kompakter und auf Küchenmaß geschrumpft, sondern wirkt auch aufgeräumter und marktnäher. Auffallend ist die Reduzierung der Messtechnik und die Umstellung von Regelstrecken auf gesteuerte Prozesse. Durch den Einsatz von seriennahen Komponenten wirkt das Gerät insgesamt handhabbarer, zumal auch das irritierende Gewirr an Rohrleitungen und Kabeln bereinigt wurde.
Anderen Anbietern einen Schritt voraus
Die wohl wichtigste Neuerung ist die Reduzierung der elektrischen Leistung von 1,5 auf 1,0 kW bei einem Modulationsbereich von 100 bis 30 %. Damit schlägt Baxi gleich mehrere Fliegen mit einer Klappe:
– Die 1 kW-Anlage läuft häufiger bei Nennlast, damit wird ein insgesamt höherer Nutzungsgrad erreicht
– bessere Teillast-Performance außerhalb der Heizsaison, dadurch höhere Betriebsstunden
– höhere Eigenstromnutzung, weniger Stromeinspeisung in das öffentliche Stromnetz (unwirtschaftlich)
– kleinere Abmessungen; entsprechen den Standardmaßen bei Kompakt-Heizzentralen
– Synergien mit 1 kW-Geräten anderer Hersteller bei Zulieferteilen.
Ein weiterer Vorteil des neuen 1 kW-Gerätes sind die geringen Start-/Stop-Phasen von nur 60 bzw. 30 Minuten. Damit besteht die Option, das Gerät auch im Sommer zur häuslichen Rushhour in Betrieb zu nehmen.
Hinzu kommt ein Energiemanager, der die Aufgabe übernimmt, die Brennstoffzelle möglichst lang zwischen 50 und 100 % Last zu betreiben, um so eine möglichst hohe Gesamteffizienz des Systems zu erreichen. Mit dieser Funktion ist Baxi Innotech anderen Anbietern um einen Schritt voraus, denn die Optimierung von BZ-Heizgerät, Heizsystem und Pufferspeicher sowie die Berücksichtigung typischer Nutzergewohnheiten könne zur Verlängerung der Jahresbetriebszeiten beitragen.
Seriengerät ab 2012
Baxi Innotech sieht sich aber auch als Wegbereiter für die Zulieferindustrie. Die Standardisierung von Komponenten, teilweise in Absprache mit Wettbewerbern, komme allen Marktpartnern zugute, so Guido Gummert, Geschäftsführer Baxi Innotech, auf der Hannover Messe. Baxi arbeite daran, die Wertschöpfung von 65 % beim Beta 1.5 Plus-Gerät auf 80 % bei der Gamma 1.0-Unit zu erhöhen. „Unser Ziel ist ein Gerät, das dem Gütesiegel Made in Germany entspricht“, so Gummert.
Im Rahmen des Callux-Programms will Baxi Innotech rund 350 Gamma 1.0-Geräte für Feldtests platzieren und dazu eine Vorserie auflegen. Ab 2012 soll das dann nochmals modifizierte Gerät in Serie gehen. So könnte die Brennstoffzellen-Unit dann ab 2015 für den Endverbraucher, aber nicht unbedingt für jeden Installateur, zur Verfügung stehen.
Hexis: Setzte von Anfang an auf die SOFC-Brennstoffzelle
Neben Baxi wird in der Branche das Brennstoffzellen-Heizgerät „Galileo 1000 N“ von der Hexis AG, Winterthur/Schweiz, als wichtige Triebfeder bei der bevorstehenden Markteinführung des BZ-Heizgerätes gehandelt. Hexis gilt im Reigen der vier BZ-Protagonisten als das Unternehmen mit der längsten Erfahrung. Schon 1991, als in der Heizungsbranche noch niemand an die Entwicklung eines Brennstoffzellen-Heizgerätes dachte, initiierten Forscher und Entwickler der Sulzer AG, Winterthur/Schweiz, das Projekt Hexis – Heat Exchanger Integrated Stack. Seit 2006 ist das Unternehmen selbstständig, finanziert durch eine Schweizerische Stiftung.
Mehr als 100 Systeme im Feld
Hexis setzte von Anfang an auf die Hochtemperatur-Brennstoffzelle SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) mit keramischem Elektrolyt und Betriebstemperaturen von 800 bis 900 °C. Inzwischen verfüge man über Betriebserfahrungen mit mehr als 100 Brennstoffzellensystemen im Feld. Vom Vorseriengerät des Galileo 1000 N seien derzeit 17 Systeme in Feldtests. Die erreichbare Lebenszeit einer SOFC-Brennstoffzelle liegt zur Zeit bei rund 14000 Stunden, so Volker Nerlich von Hexis. Entwicklungsziel seien 40000 Stunden. Dann müsse der Brennstoffzellen-Stapel nur noch einmal während des gesamten Lebenszyklus des Gerätes ausgetauscht werden. Diese Optimierungsarbeiten seien sehr mühsam und nur in kleinen Schritten zu vollziehen.
Mit der bodenstehenden Galileo 1000 N (1 kWel, etwa 2,0 kWth) zielt Hexis in erster Linie auf das bestehende Ein- und Mehrfamilienhaus, obwohl dort inzwischen wandhängende Heizgeräte überwiegen. Im Teillastbereich moduliert das Gerät bei 300 bis 600 Watt elektrisch.
Gegen Netzausfall sichern
Da die SOFC-Brennstoffzelle rund 24 Stunden Vorheizzeit benötigt, ist ein Taktbetrieb ausgeschlossen. Dies schränkt jedoch den Betrieb in der Übergangs- und Sommerzeit stark ein, es sei denn, man setzt es als Grundlastgerät im Zwei- und Mehrfamilienhaus ein.
Da die In- und Außerbetriebnahme einem festen Procedere unterworfen ist, muss das Gerät gegen Netzausfall abgesichert werden, eine Funktion, die in der erweiterten Form einen Notstrombetrieb zulässt. Damit wäre auch ein netzautarker Betrieb möglich. Gerade die Notstrom-Option wird heute von vielen potenziellen Käufern von Mikro-KWK geradezu erwartet.
Die weitere Entwicklung und Vermarktung des Hexis Brennstoffzellen-Heizgerätes erfolgt zusammen mit Stiebel Eltron, Holzminden, und Hoval, Vaduz/Lichtenstein. Hexis testet derzeit 12 Systeme im Labor und 17 Systeme bei Kunden im Feldtest. Im Rahmen des Callux-Projektes sollen bis 2012 rund 200 Geräte getestet werden; weitere 200 Stück will Hoval, so Presseberichte, in eigener Regie testen.
Vaillant: Entwicklungsarbeit bereits seit 1998
Bereits seit 1998 arbeitet Vaillant an der Entwicklung von Brennstoffzellen-Heizgeräten, damals mit dem Ziel, ein 4,6 kW-Gerät für Mehrfamilienhäuser möglichst noch zur ISH 2001 „marktreif“ zu bekommen. Das gemeinsam mit dem US-Hersteller Plug Power entwickelte Brennstoffzellen-Heizgerät hat – zumindest am Anfang der Entwicklung – die Anforderungen hinsichtlich Kosten und Effizienz am ehesten erfüllt.
HT-PEM statt NT-PEM
In den letzten Jahren hat Vaillant in sieben europäischen Ländern Praxistests mit insgesamt 60 BZ-Heizgeräten abgeschlossen; ein Teil davon wurde zusätzlich innerhalb eines virtuellen Kraftwerkes miteinander vernetzt. Dabei zeigte sich, dass die eingesetzten Niedertemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (NT-PEM) nur bedingt für kleinere Leistungen, wie z.B. das Einfamilienhaus, geeignet sind. So benötigt die NT-PEM ein externes Wassermanagement für voll entsalztes Wasser sowie eine sehr aufwendige Prozessgasaufbereitung. Diese sei für kleine Leistungen wirtschaftlich nicht darstellbar, erklärt Vaillant-Projektleiter Alexander Dauensteiner auf der Hannover Messe den Technologiewechsel bei der Brennstoffzelle. Als Konsequenz aus den Erfahrungen mit NT-PEM-Zellen entschied sich Vaillant für eine Fortführung der Entwicklung mit neuen Membranmaterialien, den Hochtemperatur-Membranen (HT-PEM). Das dazu ins Leben gerufene Konsortium aus sieben europäischen und zwei amerikanischen Partnern ist überzeugt, dass mit dem neuen HT-PEM-Gerät der Systemaufbau erheblich vereinfacht werden kann und die Arbeitstemperatur besser mit bestehenden Heizungsanlagen korrespondiert.
Seriengeräte mehrerer Hersteller ab 2015
Parallel dazu verfolgt Vaillant in einer mehrjährig angelegten Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für keramische Technologien und Systeme (IKTS), Dresden, die Entwicklung eines SOFC-Brennstoffzellen-Heizgerätes fürs Einfamilienhaus. Basis ist das vom Autozulieferer Webasto entwickelte Brennstoffzellenmodul, das ursprünglich für die Bordstromversorgung von Fahrzeugen konzipiert wurde. Bei dieser sogenannten Auxillary Power Unit (APU) wird mithilfe einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle aus flüssigen Kraftstoffen elektrische Energie gewonnen. Dieselben Module sollen künftig auch für stationäre Anwendungen in der Hausenergieversorgung eingesetzt, dann aber mit Erdgas oder Heizöl betrieben werden.
Alexander Dauensteiner räumt jedoch ein, dass beim derzeitigen Kenntnisstand über das Langzeitverhalten von Brennstoffzellen-Stacks keinesfalls sicher sei, welche Technologie sich am Markt durchsetzen werde. Deshalb habe sich Vaillant dazu entschlossen, die Aktivitäten mehrgleisig fortzuführen. Für das Callux-Projekt will Vaillant 200 Geräte bauen. Dauensteiner geht davon aus, dass ab dem Jahr 2015 serienmäßige Brennstoffzellen-Heizgeräte verschiedener Hersteller am Markt zur Verfügung stehen werden.
Viessmann: Entwicklungsarbeit wurde vorläufig eingestellt
Als Rückschlag und Ansporn zugleich werten die Wettbewerber Baxi Innotech, Hexis und Vaillant die Ankündigung von Viessmann auf der Hannover Messe, die Entwicklung von Haus-Energiezentralen auf Basis der PEM-Brennstoffzelle vorläufig einzustellen.
Ähnlich effiziente Innovationen
Der Zeitpunkt für den Rückzug hätte nicht besser gewählt werden können. So stellte Viessmann auf der ISH 2009 das weit einfacher aufgebaute und marktnähere Stirling-Mikro-KWK sowie ein Zeolith-Wärmepumpen-Heizgerät in den Vordergrund seiner Präsentation. Offiziell heißt es in einer Presseerklärung anlässlich der Hannover Messe, der Schritt zur Serienreife von BZ-Heizgeräten im Jahr 2015 sei angesichts der enormen Kosten derzeit nicht zu rechtfertigen. Zur Erklärung: Dieses Ziel hatten sich die Teilnehmer des Callux-Projektes selbst gesetzt. Es gäbe im Hause Viessmann ähnlich effiziente Heizgeräte und Innovationen, für die sich kurzfristig Chancen für eine erfolgreiche Vermarktung ergeben würden.
Viessmann verfolgte bei der Entwicklung von Brennstoffzellen-Heizgeräten von Anfang an eine eher defensive Politik und warnte vor zu hohen Erwartungen. Inoffiziell hieß es, die bereits Ende der 1990er-Jahre gestarteten Brennstoffzellen-Aktivitäten des Wettbewerbers Vaillant kämen zu früh. Damals erwartete die Heizgeräte-Branche Synergien zu den Brennstoffzellen-Aktivitäten der Automobilindustrie. Inzwischen ist es auch dort ruhiger geworden.
Eigenentwicklung von Beginn an
Viessmann setzte von Beginn an auf eine Eigenentwicklung, von der Gasaufbereitung bis zu den Stacks. Über diese Detailarbeit wollte man alle wichtigen Kenntnisse für den Betrieb eines Brennstoffzellen-Heizgerätes gewinnen. Die Gesamtkonzeption des Gerätes sollte sich von Grund auf an den bekannten Handhabungs- und Serviceeigenschaften von konventionellen Heizsystemen orientieren. Mit dieser Vorgabe entwickelte das Unternehmen eine Brennstoffzellen-Haus-Energiezentrale mit einer Leistung von 2 kWel und 3,5 kWth; eine Größe, die eher als Grundlast für das Mehrfamilienhaus gedacht war. Jetzt haben die Allendorfer die Notbremse gezogen. Dennoch will man sich weiterhin mit den Brennstoffzellen befassen und bleibe Mitglied in der „Initiative Brennstoffzelle“ (IBZ) sowie in der Arbeitsgruppe „Brennstoffzellen“ des VDMA. Aus dem Callux-Projekt sei man jedoch ausgestiegen, da keine seriennahen Testgeräte zur Verfügung gestellt werden könnten. Über die Fortführung der Entwicklungsarbeiten gibt es jedoch keine Zweifel. Zitat: „Unabhängig davon ist man bei Viessmann sicher, das Entwicklungsprojekt Brennstoffzellen-Haus-Energiezentralen rechtzeitig und mit Erfolg abschließen zu können, sobald eine adäquate Nachfrage aus den Märkten entsteht.“ Es ist also durchaus möglich, dass Viessmann damit auf das in der Bibel mehrfach beschriebene Überraschungs- und Umkehrprinzip setzt: „Die Letzten werden die Ersten ein“. (Matthäus 19, 30)
Schneller zur Marktreife mit Praxisprojekt „Callux”
Bis 2012 wollen Baxi Innotech, Hexis und Vaillant die Marktreife für ihre Geräte nun definitiv erreicht haben, sodass spätestens bis 2015 mit Seriengeräten gerechnet werden kann. Als „Seriengerät” im Verständnis der beteiligten Hersteller gelten Geräte, die den allgemein üblichen Anforderungen an Installation, Betrieb und Wartungszyklen von klassischen Heizgeräten entsprechen. Aus den rund 800 avisierten Feldtests erhoffen sich die Beteiligten entscheidende Erfahrungen für den Bau praxisgerechter Geräte, insbesondere in Bezug auf die Lebensdauer der Brennstoffzellenstacks.
Zusätzlichen Entwicklungsschub bekommen die Gerätehersteller durch das bundesweit angelegte Projekt „Callux” – „Praxistest Brennstoffzelle fürs Eigenheim”, das am 23.9.2008 vom Bundesverkehrsministerium gemeinsam mit ursprünglich neun Partnern aus der Wirtschaft gestartet wurde (Gerätehersteller: Baxi Innotech, Hexis und Vaillant; Viessmann ist vor Kurzem aus dem Verbundtest ausgeschieden; Industriepartner auf Versorgerseite sind: EnBW, Eon-Ruhrgas, EWE, MVV Energie und VNG Verbundnetz Gas).
Die Koordination von „Callux” auf der Projektebene liegt beim Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW), Stuttgart. Organisatorisch verantwortlich ist die NOW GmbH in Berlin.
Callux ist Teil des nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP). Gemeinsam mit der Finanzierung durch die Industrie stehen dem NIP bis 2016 Finanzmittel von 1,4 Milliarden Euro zur Verfügung.
Weitere Informationen
Unser Autor Wolfgang Schmid ist freier Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung, München, E-Mail: wsm@tele2.de
