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.

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