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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Einstieg in die Serienfertigung: Montage eines Brennstoffzellen-Heizgeräts für den Feldtest.
© Vaillant
Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen
Projektinfo 10/2016

Designstudie der in CALLUX und ene.field eingesetzten Geräte mit Zusatzheizgerät, Wärmeauskopplungsmodul und Pufferspeicher.
© Vaillant

Die Anlagen erreichen im Callux-Feldtest ihre technische Reife. In dem Vorhaben wurden knapp 500 BZH bei Endkunden installiert.
© Eon / Callux

Technische Daten des Xell-Power BZH von Vaillant.
© Vaillant
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Brennstoffzelle erzeugt Strom und Wärme fürs Haus

Sie sind hocheffizient, emissionsarm und leise: Neue Brennstoffzellen-Heizgeräte erzeugen als Mini-KWK-Anlagen mit über 90 Prozent Wirkungsgrad Wärme und elektrische Energie. Sie sind durch umfangreiche Tests in Ein- und Zweifamilienhäusern erprobt, Funktion und Design wurden schrittweise verbessert. Erste Anlagen sind regulär auf dem Markt. Sie lassen sich mit Erdgas sowie mit aus erneuerbaren Energien oder Biomasse erzeugtem Wasserstoff und Methan betreiben. Brennstoffzellen können dezentral und bedarfsgerecht Strom erzeugen und entweder netzentlastend oder netzunabhängig eingesetzt werden.

Forscher des Heizungsherstellers Vaillant entwickelten ein Heizgerät mit Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) zur Serienreife. Zielvorgabe war ein kompaktes Gerät, das einfach zu installieren und zu betreiben ist. Dieses deckt mit einer elektrischen Leistung von 0,7 kW und einer Wärmeleistung von 1,3 kW den Grundbedarf eines Ein- bis Zweifamilienhauses. Für höheren Wärmebedarf ist ein Gas-Brennwert-Heizgerät integriert. Aufgabe der Entwickler war es, die Gesamtanlage kostengünstiger und einfacher herzustellen sowie Qualität und Haltbarkeit von Komponenten zu verbessern.

Sie verbesserten die Brennstoffzellen-Heizgeräte (BZH) schrittweise und testeten diese parallel dazu in Demonstrationsvorhaben wie dem Callux-Projekt. Die dort erfassten Informationen aus über 1 Mio. Betriebsstunden bei Endkunden nutzten sie für die Weiterentwicklung. Inzwischen ist die Technologiereife des SOFC-Gerätekonzepts für die Mikro-KWK-Anwendung belegt. Im Laufe der Entwicklung gelang es, die Herstellungskosten zu halbieren. Mit der nun serienreifen Gerätegeneration erreichten die Forscher einen elektrischen Wirkungsgrad der BZH von über 33% sowie einen Gesamtwirkungsgrad bei Nennlast von mehr als 90%. Der gegenüber den Vorgängermodellen höhere Gesamtwirkungsgrad ist durch die kompaktere Bauweise der neuen Hotbox zu erklären, die den Brennstoffzellenstack umschließt.

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Funktionsweise und Leistung von BZH

Im Brennstoffzellen-Heizgerät wandelt ein Reformer Erdgas zunächst in ein wasserstoffreiches Gas. Dieses reagiert im Brennstoffzellen-Stack dann in einer elektrochemischen Reaktion mit dem Sauerstoff der Luft. Dabei entsteht Wasserdampf; verbleibendes Restgas wird im Nachbrenner verbrannt. BZH erzeugen mit sehr hohen Wirkungsgraden Gleichstrom und Wärme. Ein Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom, der im Haus genutzt werden kann. Wärmetauscher machen die Abwärme von Brennstoffzelle und Nachbrenner für die Heizung und Warmwasserbereitung verfügbar. So lassen sich, verglichen mit aktueller Brennwert-Technik, Energiekosten um etwa 25% und klimaschädliche Emissionen um bis zu 50% senken. Die dezentrale Erzeugung entlastet außerdem die elektrischen Verteilnetze.

Im Durchschnitt produziert eine BZH 3.500 kWh elektrische und 6.500 kWh thermische Energie pro Jahr. Wenn im Winter die von der Brennstoffzelle erzeugte Wärme nicht reicht, sorgt die Zusatzheizung für warme Temperaturen im Haus. Für eine hohe Lebensdauer werden BZH möglichst konstant, ohne viele Ein-Aus-Zyklen betrieben; bei geringem Wärmebedarf im Sommer pausieren sie.

Entwicklung von der Vorserie zur ausgereiften Anlage

Für das serienreife Gerät mussten die verschiedenen Funktionen in einem Gehäuse untergebracht werden. Bei den ersten Geräten war der Platzbedarf für die Installation der Gesamtanlage durch den separaten Aufbau der Komponenten noch recht hoch. Bei der Weiterentwicklung setzten die Forscher soweit möglich auch Standardteile aus anderen Geräten der Firma ein, um Entwicklungsaufwand und Kosten gering zu halten.

In einem ersten Entwicklungsschritt fassten die Entwickler Start- und Nachbrenner in einem Bauteil zusammen und integrierten alle Heißgaskomponenten einschließlich Stackmodul in einer Hotbox. Sie kombinierten die Abgasführung von Brennstoffzelle und Zusatzheizgerät. Andere Komponenten, wie den Heißgaswärmetauscher oder das Controller- und Sicherheitsboard, passten sie an die speziellen Anforderungen der Brennstoffzellen-Technik an. Für das Wärmeauskopplungsmodul (WAM) übernahmen die Entwickler Komponenten aus einer Gerätelinie des Herstellers. Die Integration des gesamten Heißgas-Teils in einem Unterdruck-Gehäuse ist ein wichtiger Beitrag zur Sicherheit der Anlage. „Wir konnten bei unserem Brennstoffzellen-Heizgerät ein sehr einfaches und zugleich ein sehr gutes Sicherheitskonzept verwirklichen“, sagt Jochen Paulus, Leiter Technologie-Entwicklung Brennstoffzelle bei Vaillant. „Da alle Anlagenkomponenten im Unterdruck arbeiten, reicht ein Abgasgebläse in Verbindung mit wenigen Temperatursensoren, wir brauchen keine weiteren Schutzmaßnahmen oder Sensoren.“ Systeme, die unter Druck arbeiten, müssen dagegen deutlich aufwendiger gegen den unerwünschten Austritt von Gasen gesichert werden.

Durch den reduzierten Systemaufbau und die Nutzung von Standardkomponenten sinken die Material- und Produktionskosten um über 60%. Gegenüber dem Vorgängermodell halbieren sich Installationsaufwand und Aufstellfläche der Gesamtanlage.

Projektinfo 10/2016:
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Merkzettel

Adressen

Stackentwicklung
sunfire GmbH

Stackentwicklung
Fraunhofer IKTS

Interkonnektoren für Stacks
Plansee SE

Wechselrichterentwicklung und -produktion
LTI Motion GmbH

BINE-Projektinfo 10/2016

(pdf, 4 Seiten, 714 kB)

Links

Initiative Brennstoffzelle
Kampagnenseite der Hersteller und Energieversorger

NOW
Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie

Feldtest
Praxistest Brennstoffzellen fürs Eigenheim

ene.field
Europäischer Praxistest zur Erprobung von Brennstoffzellen

hightech-strategie.de
Hightech-Strategie der Bundesregierung

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.