Brennstoffzellen-Heizgeräte im Praxistest

Erstmals werden Brennstoffzellen-Heizgeräte auf der Basis einer "kalten" statt einer heißen Verbrennung den Energieträger Gas nutzen, um daraus gleichzeitig Wärme und Strom zu gewinnen. Das führt u.a. zu einem höheren Wirkungsgrad und einer quasi völligen Geräuschlosigkeit. Mit ene.field gehen jetzt rund 1.000 Brennstoffzellen-Heizgeräte von neun Herstellern in ganz Europa an den Start, um den Betrieb unter deutlich voneinander abweichenden Praxisbedingungen zu testen. Unser Artikel stellt das Projekt näher vor.

Bereits am 27. September 2012 startete das europäische Förderprojekt ene.field im Brüsseler Palais des Académies. Dieses von der EU mitfinanzierte Projekt ermöglicht neun europäischen Herstellern von Brennstoffzel­len-Heizgeräten, alle derzeit be­stehenden Brennstoffzellen-Technologien in einem Praxistest zu erproben. Dazu werden rund 1.000 Anlagen in Wohngebäuden in zwölf EU-Mitgliedstaaten erprobt.

Das Förderprojekt ene.field gilt zu Recht als partnerschaftliches Vorzeigeprogramm zur Vermarktung stationärer Brennstoffzellen-Heizgeräte im Mikro-KWK-Bereich. Es ermöglicht, einen Einblick in die Installation und Wartung einer Vielzahl von Brennstoffzellen-Heizgeräten (BZH) mit ihren jeweiligen objektspezifischen Bedingungen vor Ort zu gewinnen. Zudem werden die marktrelevanten Rahmenbedingungen und CO₂-Einsparungen auf den europäischen Märkten erfasst. Untersucht werden auch die sozioökonomischen Gründe, die möglicherweise einem flächendeckenden Einsatz von BZH entgegenstehen.

Brennstoffzellen-Heizgeräte helfen Energie zu sparen

Um 20 Prozent Energie bis 2020 ein­zusparen, muss die EU ihre Anstrengungen im Wohnbereich verstärken – ein Bereich, der 27 Prozent 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 begrenzt.

Brennstoffzellen-Heizgeräte der neuen Generation sind hier eine mögliche Lösung. "Wir haben uns mit unserem Brennstoffzellen-Heizgerät ganz auf die Bedürfnisse in Ein- und Zweifamilienhäusern sowie an den bestehenden Strukturen des SHK-Fachhandwerks ausgerichtet", erläutert dazu Andreas Christmann, Leiter Produkt und Dienstleistung bei Vaillant Deutschland. "Im Rahmen des ene.field-Projektes haben wir innerhalb kürzester Zeit mit einem eigens geschaffenen Vertriebsprojekt direkt Endkunden angesprochen und die bewilligten Brennstoffzellen-Heizgeräte in den Markt bringen können. Dies zeigt uns, wie groß das Interesse an diesem Nachfolger für konventionelle Blockheizkraftwerke ist."

Zwei Varianten bei Brennstoffzellen-Heizgeräten: SOFC und PEMFC

Bei den Brennstoffzellen-Heizgeräten setzen die meisten Hersteller auf die beiden Varianten SOFC und PEMFC. Das SOFC-Prinzip steht für Solid Oxide Fuel Cell (Festoxid-Brennstoffzelle), PEMFC bedeutet Proton Exchange Membrane Fuel Cell, die auch als Polymerelekt­rolyt-Brennstoffzelle bezeichnet wird.

Worin bestehen die Unterschiede?

Während die SOFC über einen Elektro­lyten aus Keramik verfügt, dient dazu bei PEMFC eine Kunststoffmembran.

Grundsätzlich arbeiten SOFC 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 beispielsweise aus Erdgas Wasserstoff zu gewinnen. Für diesen Prozess werden den Brennstoffzellen katalytische Reaktoren (Reformer) vorgeschaltet.Bei der SOFC ist der Reformer sehr einfach aufgebaut, während er bei der PEMFC 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 Christmann.

Das Brennstoffzellen-Heizgeräte von Vaillant

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 ebenfalls 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 Prozent leichter und kompakter als das Vorgängergerät. Zudem konnte der Gesamtwirkungsgrad auf 87 Prozent 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 1.000 Brennstoffzellen-Heizgeräte aufgezeichnet, analysiert und ausgewertet. Ziel ist es, für alle Marktbeteiligten wertvolle Erkenntnisse in der anschließenden 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 Brennstoffzellen-Heizgeräten 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.

Die Knackpunkte: Produktions­volumen, Systemkomplexität, Bereitstellungsprojekte

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 so gerade in der Startphase von Brennstoffzellen-Heizgeräten die Stückkosten signifikant weiter 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.

Vertriebskonzepte sind entscheidend für Erfolg von Brennstoffzellen-Heizgeräten

"Wir hatten direkt zum Beginn in unseren Analysen festgestellt, dass auch das Vertriebskonzept bereits in dieser Phase entscheidend für die Marktdurchdringung von Brennstoffzellen-Heizgeräten ist. Vielfach werden die Brennstoffzellen-Heizgeräte in Einzelakquisitionen vertrieben. Unser Ziel war es deswegen, gleichzeitig mit dem ene.field-Projekt auch ein neues Vertriebskonzept für Brennstoffzellen-Heizgeräte 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 Brennstoffzellen-Heizgeräten zu bewerben", erläutert Christmann.

Der Erfolg dieses Konzeptes konnte sich sehen lassen: Innerhalb weniger Monate konnte der Remscheider Hersteller alle Brennstoffzellen-Heizgeräte für 2014 absetzen – mehr als 90 Geräte. Darüber hinaus wurden auch die für 2015 in der Produktionskette vorgesehenen Brennstoffzellen-Heizgeräte vermarktet.

Vaillant konnte so alle 134 Brennstoffzellen-Heizgeräte im Rahmen des ene.field-Projektes in kürzester Zeit absetzen. "Wir dürfen Brennstoffzellen-Heizgeräte 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 Brennstoffzellen-Heizgeräte als vollwertiges innovatives Produkt vermarktet, statt es weiterhin als Forschungsgerät zu charakterisieren", erläutert 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 Remscheid ist man dazu – wie auch in der Branche – fest davon überzeugt, dass mit dem aktuellen Kostenniveau von Brennstoffzellen-Heizgeräten keine erfolgreiche Platzierung im Markt stattfinden kann. Vielmehr müsse ein Technologie-Einführungsprogramm dafür sorgen, dass sich BZH am Markt etablieren können. Als Beispiel dafür wird immer wieder auch im ene.field-Projekt Japan genannt.

Immerhin ist nach ene.field eine Fortführung der Förderung für Brennstoffzellen-Heizgeräte in Sicht: Mit Horizon 2020 stellt die EU rund 1,3 Mrd. Euro für zehn Jahre für die Wasserstoff- und Brennstoffzellenforschung zur Verfügung. Innerhalb der New Industry Group, zu denen unter anderem auch Daimler, Linde, BMW, Shell, Bosch und Vaillant gehören, werden derzeit hierfür die Weichen gestellt und interdisziplinäre Schwerpunkte gesetzt.

Fazit

Mit dem ene.field-Projekt schaffen auf EU-Ebene neun Hersteller der Branche sowie zahlreiche weitere beteiligte Unternehmen Fakten für die Markteinführung von Brennstoffzellen-Heizgeräten mit SOFC- und PEMFC-Technik.

Insgesamt 1.000 Brennstoffzellen-Heizgeräten werden hier innerhalb von zwei Jahren in den Markt gebracht und nicht nur das Produkt mit seiner Technologie, sondern auch die zahlreichen Rahmen- und Randbedingungen der Märkte geprüft.

Auch Vertriebsprozesse und die Vermarktung von Brennstoffzellen-Heizgeräten werden dabei auf den Prüfstand gestellt.

www.vaillant.de

www.enefield.eu

www.callux.net