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Strom und Wärme mit Brennstoffzellen-Heizgeräten
Projektinfo 05/2012
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Neue Wege in der Hausenergieversorgung

Brennstoffzellen haben ganz besondere Fähigkeiten: Im Gegensatz zu anderen Kraft-Wärme-Kopplungs-(KWK)-Anlagen wandeln sie die chemisch gebundene Energie eines Energieträgers wie Wasserstoff oder Erdgas direkt flammenlos um. Setzt man sie in Heizgeräten ein, erzeugen sie effizient Strom und Wärme. Im Wirkungsgrad übertreffen sie deutlich die Kombination von konventioneller Stromerzeugung und Brennwertgerät.

Die neuen Brennstoffzellen-Heizgeräte (BZH) übernehmen in Wohngebäuden die komplette Wärmeversorgung. Sie bestehen aus einer Brennstoffzelle, die gekoppelt Strom und Wärme erzeugt sowie einem integrierten Heizkessel. Ein Wärmespeicher bevorratet warmes Wasser und Heizwärme. Die Geräte können sowohl in Neubauten als auch für die Modernisierung von Zentralheizungen eingesetzt werden.

Verglichen mit der getrennten Erzeugung von Strom in Kraftwerken und Wärme in Brennwertkesseln ermöglichen die neuen Anlagen CO2-Einsparungen um 25 bis 35 %. Sie erreichen einen Gesamtwirkungsgrad von über 96 %. Ihr besonderer Vorzug: Die elektrische Effizienz liegt über 33 %. Für ein durchschnittliches Einfamilienhaus rechnet ein Hersteller bei den Kosten für Strom und Heizung mit einer Ersparnis von mehreren hundert Euro pro Jahr. Andererseits sind die in kleinen Stückzahlen gefertigten Brennstoffzellen-Heizgeräte gegenüber vergleichbarer konventioneller Technologie noch immer deutlich teurer.

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Die neue Technologie wird marktreif

Die Optimierung von Lebensdauer, Wirkungsgrad und Kosten steht vor der erfolgreichen Markteinführung von Brennstoffzellen-Heizgeräten. Die bisher von Forschern und Entwicklern erreichten Fortschritte sind eindrucksvoll: Die Standfestigkeit der Brennstoffzellen-Stacks hat sich auf 20.000 Stunden verdoppelt und steigt weiter, und durch erste Kleinserien wird die Herstellung von Komponenten und Peripheriegeräten günstiger. Herausforderungen sehen die Hersteller noch darin, die Investitionsund Betriebskosten zu verringern, die Stack-Lebensdauer weiter zu steigern, die Systeme zu vereinfachen und den erforderlichen Service- und Wartungsaufwand zu reduzieren. Die Entwickler gehen davon aus, dass die BZH-Technologie bis 2014 marktreif sein wird. Nun müssen die Feldversuche die dauerhafte Praxistauglichkeit der getesteten Systeme erweisen. Dann kann diese energiesparende Zukunftstechnologie die Heizungskeller erobern. Doch zunächst braucht sie eine Anschubförderung durch Energieerzeuger und Staat, um über größere Serien mittelfristig auch mit anderen KWK-Anlagen konkurrieren zu können.

Für Brennstoffzellen-Heizgeräte werden verschiedene Zelltypen erprobt. Niedertemperatur Polymerelektrolyt-(PEM-)Brennstoffzellen arbeiten im Temperaturbereich ab etwa 80 °C; sie können in kurzer Zeit an- und abgefahren werden, ohne dass das Material durch Erwärmen oder Abkühlen geschädigt wird. Da sie nicht direkt mit Erdgas, sondern nur mit Wasserstoff betrieben werden können, wird dem Brennstoffzellen-Stack zur Gasaufbereitung ein Reformer vorgeschaltet.

Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) arbeiten mit Temperaturen über 600 °C. Diese Technologie hat den Vorteil, dass die Vorbehandlung des Erdgases weitgehend vereinfacht wird.

Mit Förderung der Bundesregierung entwickelten die Hersteller ausgehend von Labormustern über mehrere Prototyp-Modellgenerationen optimierte BZH; im Feldtest stehen nun Komplettanlagen, die alle Komponenten funktional, anwender- und servicefreundlich und kompakt verbinden. Eine solche Anlage setzt sich zusammen aus folgenden Bauteilen: Gasaufbereitung (Reformer, Entschwefelung), Brennstoffzellen-System sowie den zusätzlich erforderlichen Komponenten zur Systemintegration (Pumpen und Gebläse, Ventile, Verbindungstechnik, Sensoren, Kondensatabscheider, Wasseraufbereitung, Luftfilter); dazu kommen noch das elektrische System mit Steuerung und Management sowie Zusatzheizgerät, Wärmemanager und Wärmespeicher.

Forscher und Entwickler haben ein umfangreiches Paket an Entwicklungsarbeiten und Tests durchgeführt, um das System zu komplettieren: Materialien und Kernkomponenten waren an die speziellen Anforderungen anzupassen und entsprechend genauer Spezifikationen zu fertigen, Bearbeitungs- und Produktionsverfahren mussten optimiert und Zulieferer auf die hohen Qualitätsanforderungen verpflichtet werden.

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Adressen

Geräteentwicklung
BAXI INNOTECH GmbH

Projekt-Koordination Callux
ZSW Baden-Württemberg

Service

BINE-Projektinfo 05/2012
(PDF, 4 Seiten, 1,1 MB)

Links

Praxistest
Weblink zu Website des Projektes Callux, Praxistest Brennstoffzelle fürs Eigenheim

Ceramic Fuel Cells
Website des Entwicklers und Herstellers Ceramic Fuel Cells

Hexis AG
Website des Entwicklers und Herstellers Hexis AG

Now GmbH
Website der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie

Initiative Brennstoffzelle
Website der Initiative Brennstoffzelle

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu den Projekten

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