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Neues System: Hausenergieanlage mit Brennstoffzelle.
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Systementwicklung

In einem Forschungsprojekt unter Federführung von Viessmann und unter Mitarbeit zweier wissenschaftlicher Institute sowie Industriepartnern wird seit 2000 ein erdgasbetriebenes Hausenergiesystem kleiner Leistung auf Basis von Brennstoffzellen entwickelt. Anders als bei vielen anderen Entwicklungen setzt man hier auf Brennstoffzellen aus eigener Fertigung. Die Partner haben in kurzer Zeit ein System entwickelt, das jetzt in der dritten Prototypenversion
konkurrenzfähige Kenndaten zeigt (vgl. Abb 1 und 3). Im Folgenden werden die wesentlichen Entwicklungsschwerpunkte des Projekts benannt – die Darstellung ist verallgemeinerbar auf vergleichbare Entwicklungsprojekte:

Gasaufbereitung

Neben reinem Wasserstoff können auch Erdgas, Kohlegas, Klärgas, Biogas (überwiegend Methan/CH4) aber auch flüssige Brennstoffe eingesetzt werden. Doch hierfür ist ein hoher Aufwand notwendig: Entschwefelung, Erdgas-Reforming, Reformatreinigung und Kohlenmonoxid-Entfernung heißen die Stufen der Brennstoffaufbereitung, die hinsichtlich Kaltstarteigenschaften, Energieaufwand, Kosten und Serienfertigung optimiert werden müssen. In dem
Reforming-Prozess wird der Brennstoff in Wasserstoff, Kohlendioxid und weitere
Bestandteile aufgespalten. Aufgrund der Empfindlichkeit von Elektroden, Katalysator oder Elektrolyt gegenüber Schwefel, Kohlenmonoxid u. a. ist eine Gasfeinreinigung sowie die Entschwefelung notwendig. Der energetische Aufwand dafür reduziert den elektrischen Systemwirkungsgrad um 20 bis 40 Prozent. Brennstoffzellen könnten in Hausenergiezentralen Strom mit einem
Systemwirkungsgrad von bis zu 40% erzeugen. Aktuell in Entwicklung befindliche Aggregate erreichen erst knapp 30%.

Brennstoffzelle

Auch der Kern des Aggregats, der eigentliche Brennstoffzellen-Stack bietet im Hinblick auf weitere Leistungssteigerung, Kostensenkung und Wartungsarmut bzw. hohe Lebensdauer genügend Ansätze zur Optimierung, die in der gegenwärtigen Entwicklungsstufe bearbeitet werden: Entwicklung platinarmer oder platinfreier Katalysatoren, Bipolarplatten für eine extrem kompakte, gasdichte und wärmestabile Stack-Konstruktion, Feuchte- und Wärmemanagement im Stack und ein an den Aspekten Temperaturverhalten, Werkstoffkompatibilität und Fertigungseignung orientiertes Design. Keine einfachen Aufgaben – zumal in fortgeschrittenen Stacks enorm hohe Stromdichten von bis zu einem Ampere pro cm² auftreten.

Wechselrichter

Ähnlich wie bei Photovoltaik-Anlagen (PV) erzeugen Brennstoffzellen Gleichstrom, der von einem Wechselrichter in netzkonformen Wechselstrom transformiert wird. Es gibt vergleichbare Anforderungen, so dass auf die PV-Technologie zurückgegriffen werden kann. Und doch werden auch fundamentale Unterschiede deutlich: Während in PV-Anlagen hohe Spannungen bei geringen Strömen dominieren, so liefern Brennstoffzellen das konstruktive
Optimum bei kleinen Spannungen und hohen Strömen - die resultierende Gleichspannung liegt unter 100 Volt. Aus diesem Grund sind die erreichbaren Wechselrichtungswirkungsgrade geringfügig schlechter als bei PV-Systemen, sie liegen aber bei dem Viessmann-Aggregat im für den Betrieb typischen Leistungsspektrum durchweg über 93%.

Steuerung

Gaszufuhr, Gasaufbereitung, Wärmemanagement, Wechselrichter und periphere Komponenten wie Pumpen, Lüfter und Ventile sind einer Steuerungseinheit untergeordnet, die den Betrieb der Komponenten koordiniert. Hier wird die Betriebsstrategie der Anlage implementiert, an welcher sich wiederum die Anlagendimensionierung orientieren muss.

Kombinierte Energiewandlung vor Ort

Mit dem mittel- und langfristigen Trend zu Niedrigenergiehäusern mit sehr geringem Heizwärmebedarf – auch im Gebäudebestand – wird der Wärmebedarf im Jahresverlauf gleichmäßiger. Ebenso wird der Lastgang im Tagesverlauf umso stetiger, je mehr Wohneinheiten ein Wärmeerzeuger versorgt. Ein möglichst stetiger Wärmebedarf ist vorteilhaft für die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung (Kraft-Wärme-Kopplung). Der im Trend sinkende Heizwärmebedarf schränkt das Potenzial für die konventionelle Kraft-Wärme-Kopplung mit (Motor-)Heizkraftwerken prinzipiell ein. Doch die Brennstoffzelle bietet mit ihrem modularen Aufbau bei kleinen Leistungseinheiten neue Chancen für die energieeffiziente Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Das Brennstoffzellen-Heizgerät wird als Seriengerät ähnlich kompakte Abmessungen wie ein normales Heizgerät haben. Es ist an das Gas- und an das Stromnetz angeschlossen, dabei wird es in den Netzparallelbetrieb geschaltet: So kann bei Bedarf aus dem öffentlichen Netz Strom bezogen werden, überschüssigen Strom liefert das Brennstoffzellen-
Heizgerät ins Netz. An kalten Wintertagen sorgt ein Spitzenlastkessel für ausreichend Wärme. Im Tagesverlauf gleicht ein Pufferspeicher die unbeständige Wärmenachfrage aus. Brennstoffzellen können auf Lastwechsel reagieren und zeigen ein gutes Verhalten unter Teillast – hier sind Brennstoffzellen eindeutig im Vorteil gegenüber Wärme-Kraft-Maschinen mit nachgelagertem Stromgenerator. Brennstoffzellen-Heizkraftwerke lassen sich mit unterschiedlicher Zielsetzung betreiben:

A) Wärmegeführt: Die Leistung der Aggregate orientiert sich am Wärmebedarf des Gebäudes.

B) Stromgeführt: Die Leistung wird je nach Strombedarf im Gebäude dosiert .

C) Netzgeführt: Der Netzbetreiber kann die Leistung nach bestimmten Anforderungen steuern, z. B. für das Lastmanagement, für Regelenergieaufgaben, local tuning etc. – d. h. der Betrieb weicht ereignisorientiert von der vorgegebenen Strom- oder Wärmeführung ab.

Die erzeugte Energie wird in allen drei Betriebsweisen primär dem Gebäude zur Verfügung gestellt – das ist ökonomisch und ökologisch begründet. Überschüssige Wärme wird gespeichert, überschüssiger Strom kann ins öffentliche Netz eingespeist werden.

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