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KWK

Stationäre Brennstoffzellen mit mehr Technik aus Japan

Bewegung bei Anbietern von Anlagen für die Hausenergieversorgung

Montag, 06.10.2014

Mit Interesse blickt die Branche auf die Entwicklungen bei stationären Brennstoffzellen für den Einsatz in Einfamilienhäusern. Denn im Markt gibt es Bewegung: Während Ceramic Fuel Cells, Hexis und Viessmann mit der Markt­einführung begonnen haben, Vaillant, Bosch Thermotechnik und Elcore Praxiserfahrungen sammeln, wechselt Baxi Innotech den Systempartner.

"Brennstoffzellen werden die Energieversorgung im Eigenheim verändern", heißt es bei der Initiative Brennstoffzelle (IBZ). "Eine neue Technologie steht in den Startlöchern, um Menschen effizient, umweltschonend und komfortabel Wärme und Strom zur Verfügung zu stellen." Haben einzelne Unternehmen ihre Brennstoffzellenanlagen bereits in den Markt eingeführt, planen andere den Markteintritt in der nächsten Zeit

Gemeinschaftsstand der Initiative Brennstoffzelle auf der Hannover Messe.
Quelle: Robert Donnerbauer
Regelmäßig informieren Hersteller über den Entwicklungsstand der stationären Brennstoffzellen für die Hausenergieversorgung, wie hier auf dem Gemeinschaftsstand der Initiative Brennstoffzelle auf der Hannover Messe.

Im Bereich der Mikro-KWK (Kraft-­Wärme-Kopplung) sind stationäre Brennstoffzellen in der Hausenergieversorgung mit Leistungen von bis zu 1,5 kWel und etwa 2 kWth speziell auf die dezentrale Erzeugung von Strom und Wärme im Einfamilienhaus ausgelegt.

Zwei Brennstoffzellentypen sowie zwei Konzepte unterscheiden grundsätzlich das Angebot. Bei der Brennstoffzellentechnologie finden sich Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM) oder Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC). Als Brennstoff kommt jeweils Erdgas zum Einsatz.

Vom konzeptionellen Ansatz her unterscheiden sich Vollheizsysteme und Beistellgeräte. Den Restwärmebedarf übernimmt in der Regel ein Gasbrennwertkessel. Bei Vollheizsystemen (sprich Brennstoffzellenheizgeräten) ist dieser bereits in der Anlage integriert. Bei Beistell-Geräten wird er als externe Systemlösung genutzt.

Bis 2020 strebt die Industrie an, mehrere hunderttausend Systeme in Deutschland zu produzieren, berichtet die VDMA Arbeitsgemeinschaft Brennstoffzellen. Voraussetzung für die Erreichung dieses Ziels sind verlässliche Rahmenbedingungen, betont der Vorstandsvorsitzende Dr. Manfred Stefener (Geschäftsführer von Elcore). "Wirtschaftliche Hürden im Nationalen Innovationsprogramm für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien (NIP) und administrative Hemmnisse im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) müssen schnell beseitigt werden, damit der im Koalitionsvertrag vereinbarte Markthochlauf der Brennstoffzellensysteme erfolgreich verläuft." So könnten bis zum Jahr 2025 mehr als 500.000 Brennstoffzellenheizgeräte in Betrieb gehen.

Doch wie stellt sich die aktuelle Situation dar?

In diesem Frühjahr präsentiert sich die Branche vielschichtig. So hat ­**Ceramic Fuel Cells´´ (CFC) längst die Serienfertigung gestartet. Hexis hat regional begrenzt in Deutschland und der deutschsprachigen Schweiz mit der Pilot-Markteinführung begonnen.

Und auch Viessmann ist mit der Markteinführung gestartet. Bei Vaillant, Bosch Thermotechnik (mit Buderus und Junkers) und Elcore arbeitet man an der Marktvorbereitung und sammelt noch Praxiserfahrungen, z.B. in Projekten wie Callux oder ene.field.

Für Überraschung sorgte schließlich aber die Meldung, dass Baxi Innotech und Toshiba Fuel Cell Power Systems einen exklusiven Kooperations- und Liefervertrag zur Entwicklung und Vermarktung von Brennstoffzellenheizungssystemen für Einfamilienhäuser in Europa vereinbart haben. Beide Unternehmen verpflichten sich dabei, bis 2015 ein serienreifes ­Heizungssystem für den deutschen und europäischen Markt zu entwickeln.

Seit Jahren engagiert sich Baxi Innotech im Bereich der stationären Brennstoffzellen. Hervorgegangen aus der HGC Hamburg Gas Consult (einer Tochter der später zum E.ON-Konzern gehörenden Hein Gas Hamburger Gaswerke), wurde das Unternehmen 1999 als European Fuel Cell (EFC) gegründet. Im August 2002 übernahm die Baxi Group die EFC. Seit November 2009 ­gehört die Baxi Group und mit ihr auch die heutige Baxi Innotech zur BDR Thermea Group.

Nach der Trennung vom einstigen Brennstoffzellenpartner Dais Analytic Power arbeitete Baxi Innotech ab 2003 an einer Eigenentwicklung – bis 2009 ein Liefer-, Lizenz- und Kooperationsvertrag mit Ballard Power Systems abgeschlossen wurde. Noch vor wenigen Monaten sah man sich "beim technischen Feinschliff der Komponenten". Über 200 Systeme auf PEM-Basis waren in Einfamilienhäusern installiert.

Gamma Premio von Innotech
Quelle: Robert Donnerbauer
Innotech auf der Hannover Messe – anstelle der jetzt noch gezeigten Gamma Premio soll gemeinsam mit Toshiba Fuel Cell Power Systems bis 2015 ein neues, serienreifes Heizungssystem für den deutschen und europäischen Markt entwickelt werden.

Nun der Wechsel zu einem Partner aus Japan – wie zuvor schon die Wettbewerber Viessmann (mit Panasonic) und Bosch Thermotechnik (mit Aisin Seiki). Toshiba Fuel Cell Power Systems hat bereits rund 35.000 Brennstoffzellengeräte auf dem japanischen Markt installiert.

Um einen Zugang zum europäischen Markt zu finden, wurde ein Partner gesucht, der die technischen Anforderungen in Europa kennt und die nötigen Vertriebsstrukturen besitzt. Die notwendigen Stückkostenreduzierungen für ein wirtschaftliches Produkt sollen durch ein modulares Produktkonzept und die Erhöhung der Gesamtproduktionsmenge für die Märkte in Japan und Europa erreicht werden.

"Ausschlaggebend für diese strategische Neuausrichtung waren unter anderem erhöhte Risiken in der Zuliefererkette und die nach wie vor ungewisse Perspektive hinsichtlich eines Technologieein­führungsprogramms für Brennstoffzellenheizsysteme", erklärt Baxi Innotech. Wichtige Zulieferer von Kernkomponenten hätten aus unterschiedlichen Beweggründen ihr Engagement reduziert. Weitere Partner hätten zwar nach wie vor das langfristige Marktpotential der Brennstoffzellenheizsysteme gesehen.

Jedoch fehlte eine kurzfristige Perspektive hinsichtlich der notwendigen Stückzahlen, um den letzten gemeinsamen Schritt des Design-to-cost und die damit einhergehenden Investitionen auf Seiten der Entwicklungspartner intern rechtfertigen zu können.

"Diese Ausgangslage machte es notwendig, sich nach einem neuen Partner umzusehen, der langfristig ein hohes ­Eigeninteresse an der Technologie mitbringt, um derartige Risiken auf ein Minimum zu reduzieren", heißt es bei Baxi Innotech weiter. Zudem soll die "sehr schwierige erste Phase bei der Industrialisierung eines Produktes mit hohen Investitionen, geringen Stückzahlen und entsprechend hohen Produktkosten" durch die Unterstützung der Stückzahlen aus einem anderen Markt erfolgreich überbrückt werden.

Hauptziel der Zusammenarbeit sei es daher, die Herstellkosten entscheidend zu reduzieren und die Markteinführung in Deutschland und Europa voranzu­treiben. Baxi Innotech sieht sich dabei als "vollwertiger Systemlieferant".

Am Standort Hamburg würden alle erfor­derlichen Systemmodule (Brennstoffzelleneinheit, Zusatzheizgerät, Hydraulikmodul, Speicher und Energiemanager) entwickelt bzw. in das Gesamtsystem integriert. Baxi Innotech werde die entwickelte Brennstoffzelleneinheit als Teil des Brennstoffzellenheizsystems exklusiv in Europa vermarkten. Der Vertrieb und Service soll über SenerTec Kraft-Wärme-Energiesysteme (ebenfalls BDR Thermea) koordiniert werden.

Vermarktung lautet aktuell auch das Stichwort bei Ceramic Fuel Cells. Denn: Die Technik ist reif – jetzt ist der Vertrieb gefragt, erläutert Frank Obernitz, Geschäftsführer der deutschen Tochtergesellschaft. Die Rede ist von einem Mikro-Kraftwerk auf Basis von Brennstoffzellen vom Typ SOFC. Der deutsch-australische Hersteller mit Hauptsitz in Melbourne ist seit 2006 in Deutschland mit einer eigenen Tochtergesellschaft vertreten. In Heinsberg bei Aachen startete 2009 die Serienfertigung für Brennstoffzellenstapel. Seit 2011 werden dort auch komplette BlueGen-Systeme für den Weltmarkt gefertigt. Rund 400 Anlagen seien bereits in Betrieb.

Die BlueGen von Ceramic Fuel Cells auf der Hannover Messe.
Quelle: Robert Donnerbauer
Ceramic Fuel Cells auf der Hannover Messe – die BlueGen qualifiziert sich dank eines niedrigen Wärme-zu-Strom Verhältnisses als dezentrales Kleinkraftwerk. Die Vermarktung läuft. Für einen beschleunigten Markthochlauf versucht man, alle Vertriebswege zu nutzen.

BlueGen heißen die mit Erdgas oder Bioerdgas betriebenen Anlagen, die eine Nennleistung von 1,5 kWel und 0,6 kWth aufweisen. Der Gesamtwirkungsgrad reicht bis zu 85 Prozent. Anwendung finden sie in kleinen Unternehmen, Wohngebäuden oder öffentlichen Einrichtungen mit ganzjährigem Strombedarf. Dort erzeugen sie jährlich rund 13.000 kWhel und über 5.000 kWhth.

Bei der Entwicklung wurde ein besonderer Schwerpunkt auf einen möglichst hohen elektrischen Wirkungsgrad gelegt, erklärt Obernitz. So werde bei der Nennleistung ein Wert von 60 Prozent erreicht und mehr Strom und weniger Wärme produziert. "Damit qualifiziert sich BlueGen als dezentrales Kleinkraftwerk, das stromgeführt ganzjährig betrieben werden kann", betont Obernitz. "Über einen Warmwasserspeicher kann die Anlage in vorhandene Heizsysteme integriert werden und eröffnet so als Beistell-Lösung neue Marktsegmente für den Einsatz von Mikro-KWK im Gebäudebereich."

So sieht Obernitz die Anlage denn auch weniger im Wärmemarkt, sondern vielmehr im Strommarkt positioniert. Dies auch wegen des guten Teillast­verhaltens. Die Anlagen lassen sich in der Ausgangsleistung von 0,5 kWel bis 1,5 kWel modulieren. Wobei der elekt­rische Wirkungsgrad selbst bei nur 0,5 kWel noch bei 40 Prozent liege. Energieversorger und Energiedienstleister könnten mehrere Anlagen zu virtuellen, ferngesteuerten Kraftwerken zusammenschalten. Dies werde bereits belegt im Rahmen von Projekten bei dem Stadtwerke-Netzwerk Trianel oder bei der RegModHarz (Regenerative Modellregion Harz). Dabei laufen die Anlagen entweder in Grundlast oder sie werden zur Sicherstellung der Netzstabilität hoch- bzw. heruntergefahren.

Mit über 4 Mio. Betriebsstunden habe die Technologie die Praxistauglichkeit längst unter Beweis gestellt, unterstreicht Obernitz. "Die Anlagen sind marktreif." Feldtests wie Callux oder ene.field stellten keine Option dar. "Dafür haben wir keine Zeit mehr. Durch diese Phase sind wir durch."

Für einen beschleunigten Markthochlauf versucht man nun, alle Vertriebswege zu nutzen. Das Ziel ist für Obernitz klar: "Wir wollen spätestens in 2015 Geld verdienen." Grundlage dafür ist eine rasche Markteinführung. Etwa 5.000 Geräte pro Jahr sind dafür notwendig. Die für den Weltmarkt ausgelegte Produktion im rheinischen Heinsberg ist gar für 10.000 Anlagen konzipiert.

"Der Vertrieb ist aktuell unsere allergrößte Herausforderung", räumt Obernitz ein. Nicht nur die Technik, auch die Marke müssen bekannt gemacht werden. "Im traditionsgeprägten, von wenigen, großen Herstellern dominierten, ­intransparenten Heizungsmarkt ist mit der neuen Technologie als Newcomer schwerlich Fuß zu fassen." So sieht man sich auch nicht allein an das Heizungshandwerk gebunden. Aktuell probiere man alle Vertriebswege aus. Dazu zählen neben dem Heizungshandwerk besonders auch Solarteure sowie Kooperationspartner aus der Energiewirtschaft – bis hin zum Direktvertrieb in NRW.

"Jedes Haus, das einen Gasanschluss hat, ist für uns ein potentieller Kunde", so Obernitz. Angesprochen werden hauptsächlich Kunden, die ihren Strom selber nutzen. "Zu unseren Zielgruppen in Deutschland zählen derzeit besonders Kleingewerbe, wie der Bäcker um die Ecke, das Fitnessstudio, die Tankstelle. Kunden also, für die Lösungen mit KWK bisher noch kein Thema war, weil keine genügend große, für die klassische KWK notwendige Wärmesenke vorhanden ist."

"Wir brauchen Stückzahlen, um mit den Kosten runter zu kommen", erklärt Obernitz. Aktuell liegt der Listenpreis für BlueGen bei netto 25.000 Euro. Der Verkauf ist gebunden an einen über zehn Jahre laufenden Vollwartungsvertrag. "Das Technologierisiko haben wir damit für den Kunden herausgenommen."

Dabei ist auch der Wechsel des Brennstoffzellenstapels eingeplant, da dieser derzeit noch nicht so lange läuft. Bald gehe übrigens die vierte Generation in Produktion. Die Hürde für den Kunden sei der Anschaffungspreis, erläutert Obernitz. "Diese ­Hürde muss man überwinden." Hilfreich für den Markthochlauf der neuen Technologie seien Förderprogramme wie progres.nrw der nordrhein-westfälischen Landesregierung, mit einem Investitionszuschuss von bis zu 13.000 Euro pro Anlage.

"Das Geschäft zieht langsam an", freut sich Obernitz. So hat das deutsche Tochterunternehmen des niederländischen Gas- und Stromnetzbetreibers Alliandergeplant, in den kommenden Jahren 600 BlueGen in die regionalen Netze von Alliander in Deutschland zu integrieren. Von Avilos erhielt man einen Auftrag über 100 Anlagen für den Vertrieb in Deutschland.

Und mit i-power wurde ein Vertriebspartner in Großbritannien gewonnen, der in den kommenden beiden Jahren über 400 Anlagen installieren will. Zudem werden derzeit 45 Anlagen auf der niederländischen Insel Ameland installiert. Obernitz: "Die Einheiten werden vor Ort zu dem bislang größten virtuellen Brennstoffzellenkraftwerk in Europa zusammengeschlossen."

Von einer Pilot-Markteinführung spricht man bei Hexis. Seit Ende vergangenen Jahres bietet man das auf SOFC basierende System Galileo 1000 N über das Fachhandwerk interessierten Endkunden an.

Die Galileo 1000 N von Hexis auf der Hannover Messe.
Quelle: Robert Donnerbauer
Hexis auf der Hannover Messe – im Rahmen der Pilot-Markteinführung bietet man die Galileo 1000 N interessierten Endkunden an, regional begrenzt in einzelnen Regionen in Deutschland sowie in der deutschsprachigen Schweiz.

Dies erfolgt regional begrenzt, d.h., in einzelnen Regionen in Deutschland sowie in der deutschsprachigen Schweiz. Zudem arbeite man daran, Rahmenbedingungen und Kundenansprache gezielt für Brennstoffzellen zu entwickeln sowie das Unternehmen mit den Marktmechanismen zu verzahnen. Hexis wurde 1997 von Sulzer in der Schweiz ge­gründet. Seit 2006 war Hexis im Besitz der Stiftung für Kunst, Kultur und Geschichte mit Sitz in Winterthur. Ende 2012 hat Viessmann in einem Jointventure 50 Prozent der Unternehmensanteile an Hexis erworben.

Das Brennstoffzellenheizgerät Galileo besteht im Wesentlichen aus einem Brennstoffzellenmodul, in dem der Brennstoffzellenstapel und die Brennstoffauf­bereitung integriert sind. Die Brennstoffzellen liefern eine Leistung von 1 kWel und etwa 1,8 kWth. Wenn der Wärmebedarf diesen Wert überschreitet, kann ein integrierter kondensierender Zusatzbrenner modulierend 7 bis 19 kWth bereitstellen.

Insgesamt wurden über 220 Brennstoffzellenheizgeräte in verschiedenen Generationen ausgeliefert und von Kunden ­innerhalb von Feldtests installiert und betrieben.

Im April schließlich hat Viessmann das Brennstoffzellenheizgerät Vitovalor 300-P in den Markt eingeführt.

Viessmann auf der SHK Essen.
Quelle: Robert Donnerbauer
Viessmann auf der SHK Essen – im April wurde die Vitovalor 300-P in den Markt eingeführt, als Ergebnis einer Kooperation mit Panasonic.
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Bis 2008 hatte Viessmann an einer eigenen Entwicklung gearbeitet. Dieses neue Gerät nun ist das Ergebnis einer Kooperation mit Panasonic. Es basiert auf einer von Panasonic entwickelten Brennstoffzelle, die in den vergangenen sechs Jahren bereits über 34.000 Mal in Japan installiert wurde. Viessmann hat diese Technik in ein Gesamtsystem mit einem Gasbrennwertkessel zur Spitzenlastabdeckung integriert und damit für den Einsatz auf dem europäischen Markt abgestimmt.

Montage, Inbetriebnahme und Wartung der neuen Geräte sind nach Unternehmensangaben so einfach wie bei den bekannten Vitodens Gasbrennwert-Kompaktgeräten. "Mehrere Dutzend" Geräte hätten im Vorfeld der Markteinführung bereits ihre Praxistauglichkeit unter Beweis gestellt.

Die vom Kooperationspartner Panasonic hergestellte PEM-Brennstoffzelle erzeugt bis zu 0,75 kWel und 1 kWth. Nach Aussage von Viessmann ist die Brennstoffzelle für eine Lebensdauer von mindestens 60.000 Betriebsstunden ausgelegt, was einem Zeitraum von etwa zehn Jahren entspricht.

Bei einem typischen Tagesverlauf würden rund 15 kWh Strom erzeugt, womit der Großteil des Strombedarfs eines üblichen Haushalts gedeckt werden könne. Die Wärmeleistung reicht allerdings nicht aus, um ein übliches Einfamilienhaus auch an besonders kalten Tagen komfortabel zu beheizen. Deshalb ist ein Gasbrennwertkessel integriert, der sich bei Bedarf automatisch zuschaltet und bis zu 19 kWth leistet. Damit kann auch in kurzer Zeit warmes Wasser zum Baden und Duschen bereitgestellt werden.

Zu den Bestandteilen des Spitzenlastmoduls zählen neben dem Vitodens Gasbrennwertkessel bekannte Standardkomponenten, wie ein Trinkwasser-Ladespeicher und ein Heizwasser-Pufferspeicher. Das gesamte System wird im Keller oder Hauswirtschaftsraum installiert und benötigt dort nur eine Fläche von 0,65 m².

Konzipiert sei das Brennstoffzellenheizgerät Vitovalor 300-P vor allem für den Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern – vorzugsweise für Neubauten und modernisierte Bestandsgebäude mit geringem Wärmebedarf und am besten in Verbindung mit einer Fußbodenheizung. Für die Anlagenplanung werden von Viessmann freigegebene Anlagenschemen zur Verfügung gestellt.

Ein integrierter Platten-Wärmeübertrager dient als Systemtrennung zur Anlagenhydraulik. So soll sich das Gerät auch in bestehende Anlagen problemlos einbinden lassen.

Für die Einbringung und Montage werden das Brennstoffzellen- und das Spitzenlastmodul in getrennten Einheiten angeliefert. Beide Module sind komplett verrohrt und verdrahtet. Vor Ort müssen noch Erdgas-, Abgas- und Zuluftleitungen, Heizungsvorlauf und -rücklauf sowie die Trinkwasserleitungen angeschlossen werden.

Hinzu kommt der elektrische Anschluss für den Bezug von Strom bzw. für die Netzeinspeisung des erzeugten Stroms. Ein KWK-Zähler zur Erfassung der erzeugten Strommenge, Gas- und Wärmemengenzähler (Voraussetzung für Förderung und Energiesteuer-Rückerstattung) sind bereits im Gerät integriert. Bauseitig ist ein bidirektionaler Stromzähler vom Elektrizitätsversorger zu installieren.

Für das Gasbrennwertmodul empfiehlt Viessmann die übliche jährliche Wartung. Die Brennstoffzelle sei alle zwei Jahre einer Wartung zu unterziehen. Die dabei anfallenden Tätigkeiten beschränkten sich auf den Austausch des Luft- und Wasserfilters. Die Einrichtung zur Gasentschwefelung ist wartungsfrei. Alle fünf Jahre erfolge eine Überprüfung des Gas- sowie des CO-Sensors durch einen Viessmann Techniker.

Von Robert Donnerbauer
Redaktion, Heizungs-Journal Verlags-GmbH
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