Einsatz von Brennstoffzellen im Ein- und Zweifamilienhaus

Mit moderner Brennstoffzellen-Technologie kommt jetzt eine weitere Möglichkeit hinzu, den Modernisierungsstau aufzulösen. Der Heiztechnikhersteller **Buderus** testet eine, gemeinsam mit dem japanischen Hersteller **Aisin** entwickelte, Brennstoffzellen-Lösung bereits im Praxisbetrieb: die Brennstoffzellen-Energiezentrale „Logapower FC10“ für Neubau und Modernisierung. Sie liefert nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung zugleich Wärme und Strom. Insgesamt 70 Demonstrationsanlagen wird **Bosch Thermotechnik** innerhalb des ene.field-Projekts realisieren, einem großen europäischen Demonstrationsprogramm für brennstoffzellenbasierte Lösungen zur dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung.*

In deutschen Heizungskellern herrscht Modernisierungsstau: Rund 20,5 Millionen zentrale Wärmeerzeuger waren 2013 hierzulande installiert, 71 Prozent dieser Anlagen arbeiten nicht effizient und sollten erneuert werden. So lautet ein Ergebnis einer vom Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e.V. (BDH) und vom Bundesverband des Schornsteinfegerhandwerks Zentralinnungsverband (ZIV) vorgelegten Untersuchung. Dennoch wurden in den vergangenen Jahren laut Shell-BDH-Hauswärmestudie 2013 durchschnittlich nur 600.000 bis 700.000 Heizungen erneuert. Das sind lediglich drei Prozent aller Zentralheizungsanlagen in Deutschland. Dabei mangelt es nicht an Lösungen zur effizienteren Nutzung fossiler oder regenerativer Energien.

Brennstoffzelle gegen Modernisierungsstau

Mit moderner Brennstoffzellen-Technologie kommt jetzt eine weitere Möglichkeit hinzu, den Modernisierungsstau aufzulösen. Der Heiztechnikhersteller Buderus testet eine, gemeinsam mit dem japanischen Hersteller Aisin entwickelte, Brennstoffzellen-Lösung bereits im Praxisbetrieb: die Brennstoffzellen-Energiezentrale „Logapower FC10“ für Neubau und Modernisierung. Sie liefert nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung zugleich Wärme und Strom. Insgesamt 70 Demonstrationsanlagen wird Bosch Thermotechnik innerhalb des ene.field-Projekts realisieren, einem großen europäischen Demonstrationsprogramm für brennstoffzellenbasierte Lösungen zur dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung.*

Herzstück ist die Brennstoffzelle

Im Inneren der Energiezentrale steckt eine Kombination aus neuester Brennstoffzellen-Technologie und bewährter Gas-Brennwerttechnik. Herzstück der „Logapower FC10“ ist die keramische Festoxid-Brennstoffzelle, auch Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) genannt. SOFC-Brennstoffzellen verwenden innovative keramische Materialien im sogenannten Stack (Zellstapel) und arbeiten bei ca. 700 °C. Damit gehören sie zu den sogenannten Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Der elektrische Wirkungsgrad ist höher als bei Brennstoffzellen auf Polymerbasis. Unter dem Gehäuse stecken außer der Brennstoffzelle zudem ein Gas-Brennwert-Hybridgerät „Logamax plus GBH172“, ein 75-Liter-Warmwasserspeicher und ein 150-Liter-Pufferspeicher. Die elektrische und thermische Leistung der Brennstoffzelle betragen 0,7 kW, gemeinsam bringen es Brennstoffzelle und angebundenes Gas-Brennwertgerät auf eine Nennwärmeleistung von bis zu 25 kW. Mit einem elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 45 Prozent und einem Gesamtwirkungsgrad von 90 Prozent gehört die Brennstoffzellen-Energiezentrale „Logapower FC10“ zu den effizientesten Systemen zur dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung.

Ein weiterer Vorteil der verwendeten SOFC-Technologie ist der relativ einfache integrierte Reformierungsprozess. Darunter ist die Aufbereitung des Brenngases zu verstehen – also die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid. Es ist keine aufwändige vorgeschaltete Reformierung in einer separaten Anlage nötig, weil die Reformierung in der Brennstoffzelle selbst erfolgt. Die Brennstoffzelle wandelt die im Wasserstoff enthaltene Energie durch eine chemische Reaktion in elektrische Energie um. Der Wasserstoff wird aus dem zugeführten Erdgas gewonnen. Im Stack reagiert der Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft. Als Resultat der Reaktionen entstehen elektrische Energie und als Nebenprodukt Wasserdampf.

Ein Inverter wandelt anschließend den von der Brennstoffzelle produzierten Gleichstrom in Wechselstrom um, der entweder direkt im Gebäude verbraucht oder ins Netz eingespeist wird. Im Vordergrund steht dabei die wirtschaftlichere Eigennutzung des Stromes, also den Strombezug aus dem Netz der öffentlichen Versorgung zu ersetzen. Nur wenn keine Abnahme im Haus erfolgt, wird der überschüssige Strom ins öffentliche Netz eingespeist und staatlich garantiert vergütet. Die eingesetzte Hochtemperatur-Brennstoffzelle ist für den Einsatz in Bestandsgebäuden ebenso wie im Neubau und sowohl für Heizkörper- als auch für Fußbodenheizung geeignet. Ein Trinkwasseranschluss für das Brennstoffzellensystem ist nicht nötig.

Regelung verteilt die Aufgaben

Eine Systemregelung sichert das Zusammenspiel der Komponenten. Die Aufgaben sind dabei klar verteilt: Die Brennstoffzelle arbeitet rund um die Uhr und speichert die entstehende Wärme im Pufferspeicher. Diese wird für die Raumheizung und Warmwasserbereitung genutzt. Das Gas-Brennwert-Hybridgerät heizt über ein integriertes Mischventil nur bei Bedarfsspitzen nach – wenn beispielsweise kurzfristig eine größere Menge warmes Wasser benötigt wird. So kann die Energie im Pufferspeicher optimal genutzt werden. Im Gegensatz zu üblichen Tank-in-Tank- und Frischwasser-Systemen wird ein Nachladen des Pufferspeichers durch das Gas-Brennwertgerät komplett vermieden, was zu der beachtlichen Effizienzsteigerung beiträgt. Das lässt sich anhand von zwei Betriebszuständen der Anlagen verdeutlichen:

• Zustand A: Ist die Pufferspeichertemperatur höher als die vom Heizkreis oder Warmwasserbereiter angeforderte Solltemperatur, bleibt das Brennwertgerät außer Funktion. Die geforderte Solltemperatur wird im Mischventil aus heißer Puffertemperatur und Rücklauftemperatur gemischt.

• Zustand B: Reicht die Temperatur im Pufferspeicher nicht zur Deckung der Solltemperatur im Heizkreis oder der Warmwasserbereitung aus, wird modulierend nur die Wärmemenge konventionell durch das Brennwertgerät beigesteuert, die auch benötigt wird.

Erzeugung passt zum Verbrauch

Die Buderus-Demonstrationsanlagen werden messtechnisch ausführlich überwacht, um die Energieflüsse zu dokumentieren.

Die Ergebnisse der ersten Anlagen stimmen nach mehr als einem halben Jahr Laufzeit durchweg positiv. Erzeugungs- und Verbrauchsprofil in den getesteten Anlagen passen gut zusammen. Im Durchschnitt werden 50 bis 80 Prozent des Haushaltsstrombedarfs durch die Brennstoffzellen-Energiezentrale gedeckt. Eine Demonstrationsanlage hat beispielsweise im September 2014 etwa 75 Prozent des Haushaltsstrombedarfs gedeckt.

Der Anteil des Eigenverbrauchs, also der Nutzung des durch die Energiezentrale erzeugten Stromes im Gebäude, ist abhängig vom elektrischen Tageslastgang des jeweiligen Gebäudes.

Die Brennstoffzelle deckt die Grundlast des Gebäudes vollständig ab. Bedarfsspitzen werden über das öffentliche Netz abgefangen und der Strom-Überschuss wird ins öffentliche Netz eingespeist. In Gebäuden mit mittlerem und höherem Stromverbrauch sowie bei höherer Strom-Grundlast ist die Eigenverbrauchsquote tendenziell höher als bei Gebäuden mit sehr niedriger Strom-Grundlast. Die Brennstoffzellen-Energiezentrale wird, wie die überwiegende Zahl der Anlagen zur dezentralen Stromerzeugung in Ein- und Zweifamilienhäusern, wärmegeführt betrieben. Das bedeutet, dass die Energiezentrale nur in Betrieb ist, wenn auch eine Wärmeabnahme im Gebäude durch Heizung oder Warmwasserbereitung erfolgt. Vorteil der Brennstoffzellen-Technologie ist die relativ niedrige thermische Leistung bei zugleich hohem elektrischem Wirkungsgrad, wodurch ein sinnvoller Betrieb mit langen Laufzeiten in Ein- und Zweifamilienhäusern möglich wird. Hier ist die Brennstoffzellen-Technologie im Vergleich zu anderen Technologien der dezentralen Stromerzeugung mit Verbrennungs- oder Stirlingmotor deutlich im Vorteil, weil bei diesen eine höhere thermische Leistung vorhanden ist. Der Pufferspeicher entkoppelt die Wärmeerzeugung vom Wärmebedarf des Gebäudes, indem er überschüssige Wärme zwischenspeichert. Sobald dauerhaft keine Wärme mehr abgenommen wird und der Pufferspeicher vollgeladen ist, sinkt die Leistung der Brennstoffzelle (Modulation) beziehungsweise das System wird abgeschaltet. Auf Grund des hohen elektrischen Wirkungsgrades bei Brennstoffzellen des Typs SOFC werden sehr lange Laufzeiten ohne Abschalten erreicht. Bereits in den ersten Monaten ließ sich anhand der Demonstrationsanlagen nachweisen, dass bei einwöchiger Abwesenheit der Bewohner in der Übergangszeit die Brennstoffzelle in Betrieb bleibt. Bei längerer Abwesenheit im Hochsommer schaltet die Brennstoffzelle einmalig ab und geht nach Rückkehr der Bewohner wieder in Betrieb. Im Winter bleibt die Brennstoffzelle auch bei längerer Abwesenheit dauerhaft in Betrieb.

Geeignet für die Modernisierung

Eine der ersten Demonstrationsanlagen hat Buderus in Weinstadt rund 15 Kilometer östlich von Stuttgart installiert. Die Buderus-Energiezentrale „Logapower FC10“ läuft im Heizungskeller eines sanierten Einfamilienhauses.

Die Kosten für Wärme und Strom deutlich zu senken – das hatte sich die Familie bei der Sanierung des Gebäudes aus dem Jahr 1957 zum Ziel gesetzt. Darüber hinaus wollten die Eigentümer neueste Energietechnik nutzen. Die Einbringung des Gerätes in den Heizungskeller gestaltete sich einfach. Die Brennstoffzellen-Energiezentrale wurde in vier Modulen geliefert, die man einzeln ins Gebäude transportierte. Die Außenmaße des Gesamtsystems betragen 1.200 x 1.800 x 600 mm (B x H x T). Montiert wurde die Anlage in Weinstadt in vier Teilschritten: Zuerst haben Mitarbeiter des ausführenden Fachbetriebes den Pufferspeicher ausgerichtet.

Im zweiten Schritt wurde das Brennstoffzellen-Modul aufgestellt und fixiert.

Nachdem die Verkleidungsteile angebracht waren, haben die Installateure im dritten Schritt neben dem Brennstoffzellen-Modul und dem Pufferspeicher den 75-Liter-Schichtladespeicher platziert und ausgerichtet. Zuletzt wurde das Gas-Brennwertgerät montiert und damit das Gesamtsystem vervollständigt.

Weil alle Module aufeinander abgestimmt sind, ließen sie sich mit den mitgelieferten Rohrgruppen einfach und schnell verbinden. Aufwändige Verrohrungen und Planungen der Hydraulik waren nicht nötig.

Das macht die Montage der Brennstoffzellen-Energiezentrale „Logapower FC“ vergleichbar mit einem handelsüblichen Brennwertgerät. Auch die Anbindung von Abgassystem und Heizkreis ist vergleichbar mit herkömmlichen Systemen.

Ein beim örtlichen Netzbetreiber eingetragener Fachbetrieb musste die Energiezentrale nur noch elektrisch installieren und ans Netz anbinden.

Fazit

Die im Praxisbetrieb gesammelten Erfahrungen und Messdaten der Buderus-Energiezentralen belegen, dass Brennstoffzellen-Technologie reif für den Einbau in Ein- und Zweifamilienhäusern ist. Der Großteil des Haushaltsstrombedarfs lässt sich über den per Kraft-Wärme-Kopplung erzeugten Strom decken, was zu einer deutlichen Energiekosten-Einsparung führt. Darüber hinaus machen sich Besitzer einer Brennstoffzellen-Energiezentrale damit unabhängiger gegenüber künftigen Strompreissteigerungen. Nicht zuletzt werden auch die CO2-Emissionen des Haushaltes deutlich gesenkt. Das integrierte Gas-Brennwertgerät geht nur in Spitzenlastzeiten in Betrieb, auch das trägt zu niedrigeren Energiekosten und einem umweltfreundlichen Betrieb bei. Von Vorteil für den Fachhandwerker ist die einfache Montage: Die Installation ist vergleichbar mit der eines Brennwertgerätes, womit sich die Energiezentrale auch für die Modernisierung eignet.

Weitere Informationen unter: www.buderus.de