Martin Calovini

Es ist noch ein Stück Weg bis zum Markteintritt von stationären Brennstoffzellen-Heizgeräten zurückzulegen, der sukzessive ab dem kommenden Jahrzehnt erfolgen wird. Doch die Rahmenbedingungen, die diesen Markteintritt flankieren, werden heute schon günstig bewertet.

Die seit 2001 in der Initiative Brennstoffzelle (IBZ) zusammengeschlossenen Brennstoffzellen-Hersteller und Energieversorger sehen sich auf dem richtigen Weg. IBZ-Sprecher Prof. Dr. Christian Beckervordersandforth formuliert die Zielvorgabe: "Die Brennstoffzelle muss problemlos Strom und Wärme erzeugen - zu akzeptablen Preisen und so zuverlässig, dass sie den Anforderungen der Verbraucher gerecht wird."

Die IBZ teilt mit vielen Energieexperten die Einschätzung, dass die Brennstoffzelle im stationären Bereich auf Jahrzehnte hinaus eine Erdgastechnologie bleibt. So lange die regenerative Wasserstoffgewinnung, zum Beispiel über riesige Solaranlagen, noch nicht realisiert ist, schlägt Erdgas die Brücke zur Wasserstoffwirtschaft. Ein weiterer Vorteil ist die heute schon nahezu flächendeckende Verfügbarkeit von Erdgas in den Heizkellern. Erdgas kann auf eine gute Infrastruktur von der Gewinnung über die Aufbereitung bis zur Verteilung in die Heizkeller von Wohn-, Gewerbe- und sonstigen Gebäuden zurückgreifen.
Das wasserstoffreiche Erdgas wird von den verschiedenen Brennstoffzellen-Typen auf unterschiedliche Weise "verarbeitet": Oxidkeramische Hochtemperatur-Brennstoffzellen des SOFC-Typs (Elektrolyt: Zirkonkeramik) gewinnen das für die elektrochemische Reaktion benötigte wasserstoffreiche Prozessgas bei einer Betriebstemperatur von 850 bis 1.000 Grad innerhalb der Zelle per Dampfreformierung aus dem Methan (CH₄) des Erdgases. Auch Schmelzcarbonat-Brennstoffzellen (Elektrolyt: Carbonatschmelze aus Alkalisalzen) reformieren das Erdgas bei rund 650 Grad intern. Niedertemperatur-Brennstoffzellen des PEM-Typs (Elektrolyt: Polymer-Membran) haben eine Betriebstemperatur von nur 60 bis 90 Grad. Hier erfolgt die Gewinnung von reinem Wasserstoff aus dem Erdgas über einen vorgeschalteten Reformer. Unternehmen wie Vaillant, Viessmann oder European Fuel Cell (efc) entwickeln "PEM"-Brennstoffzellen, Hexis und neuerdings auch Vaillant eine SOFC-Brennstoffzelle für Einfamilienhäuser.

Prototypen und Vorseriengeräte werden bereits seit Jahren unter Alltagsbedingungen erprobt. Die Anlagenhersteller kooperieren dabei mit Energieversorgungsunternehmen. EnBW (Energie Baden-Württemberg AG), EWE AG, MVV Energie AG, Verbundnetz Gas AG oder E.ON Ruhrgas AG betreuen die Anlagen.

Abbildung 1: Zukunftstechnik im Fachwerkhaus: Auch hier betreibt die Energie Baden-Württemberg AG eine Hexis-Hochtemperatur-Brennstoffzelle im Alltagstest. (Bild: EnBW)

Wie weit die technische Serienreife bereits fortgeschritten ist, zeigt die Tatsache, dass European Fuel Cell für seine Brennstoffzellen-Baureihe "Beta 1.5" jüngst die CE-Zertifizierung erlangt hat. Künftig muss also nicht mehr jedes Aggregat einzeln abgenommen werden, die Gerätereihe darf ohne weitere Prüfung in der EU eingesetzt werden. "Beta 1.5"-Brennstoffzellen-Heizgeräte bieten 1,5 kW elektrische und 3,0 kW thermische Leistung sowie ein 15 kW-Gas-Brennwertgerät. Seit Anfang 2006 sind vier Feldtest-Geräte im Einsatz, weitere werden folgen. Über 30 Brennstoffzellen-Heizgeräte testet Vaillant vor Ort und hat bei der Stromproduktion bereits eine Million Kilowattstunden erreicht. Die Aggregate der Feldtestgenerationen "EURO 1" und "EURO 2" weisen eine elektrische Nennleistung von 4,6 kW auf und versorgen Mehrfamilienhäuser und kleine Gewerbebetriebe mit Wärme und Strom. Den Einfamilienhaus-Bereich hat Vaillant durch eine Kooperation mit dem Automobilzulieferer Webasto ins Auge gefasst. Webasto entwickelt eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle des SOFC-Typs zur Bordstrom-Versorgung von Fahrzeugen. Auf diesen Zellentyp setzt auch die Hexis AG, deren Einfamilienhaus-Aggregate bereits langjährige Feldtests erfolgreich absolviert haben.

Abbildung 2: Jeden Monat will European Fuel Cell ein weiteres "Beta 1.5"-Brennstoffzellen-Heizgerät installieren. Die Baureihe erhielt jüngst die "CE"-Zertifizierung. (Bild: European Fuel Cell)

Brennstoffzellen-Heizgeräte passen sehr gut in zukünftige Energie-Szenarien: Sie folgen dem Trend zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), also der gemeinsamen Produktion von Strom und Wärme. Im Vergleich zu anderen KWK-Technologien vergleichbarer Größe bieten Brennstoffzellen deutliche Vorteile bei der Stromerzeugung. Zudem ermöglichen sie es, Versorgungsstrukturen überall dort zu schaffen, wo neben dem Strombedarf auch das ganze Jahr hindurch ein hoher Wärmebedarf besteht. Brennstoffzellen-Heizgeräte sind darauf ausgelegt, die Wärme- und Stromgrundlast eines Haushalts zu decken.
Einen Schritt weiter geht das seit Ende 2001 laufende Projekt "Virtual Fuel Cell Power Plant (VFCPP)", also "virtuelles Brennstoffzellen-Kraftwerk" unter maßgeblicher Beteiligung der Feldtest-Geräte von Vaillant. Die in Deutschland, Holland, Spanien und Portugal installierten Aggregate werden "virtuell" zu einem Kraftwerk verknüpft. Sie sind ans Stromnetz angeschlossen und mit Datenleitungen verbunden. So kann die wärmebedarfsgeführte Betriebsweise von einer strombedarfs- bzw. netzgeführten abgelöst werden: Das Brennstoffzellen-Heizgerät läuft nicht nur, wenn Wärme im Haus benötigt wird, sondern auch dann, wenn im Stromnetz Spitzenlasten abgedeckt werden müssen. Eine solche intelligente Verknüpfung zum "virtuellen Kraftwerk" gewährleistet dem Netzbetreiber die nötige Versorgungssicherheit.

Wer im Rahmen eines Feldtests heute einen Blick in den Heizkeller wirft, wird überrascht sein: Neben der Brennstoffzelle und eventuell einem Reformer sieht man ausschließlich Komponenten, die den Stand der modernen Gasheiztechnik bzw. Photovoltaik repräsentieren: Zur Deckung der Wärme-Spitzenlast ist ein Gas-Brennwertgerät integriert. Doch es können auch vorhandene Heizgeräte über eine hydraulische Weiche mit einer Brennstoffzelle verbunden werden. In diesem Fall wird das Brennstoffzellen-Heizgerät zum Nachrüst-Modul. Zelle und Therme werden von einer gemeinsamen Regelung gesteuert. Ein Pufferspeicher sammelt die gewonnene Wärme und verteilt sie an die angeschlossenen Verbraucher. Ein Wechselrichter wandelt den vom Brennstoffzellen-Stack gelieferten Gleichstrom in Wechselstrom um und ermöglicht damit die Einspeisung ins Niederspannungs-Stromnetz. Der Heizkeller der Zukunft benötigt neben einem Strom- und Wasseranschluss auch einen Anschluss für Erdgas. Dieses ist in drei von vier Neubauten bereits der Fall. Somit können Brennstoffzellen-Heizgeräte nahtlos in bestehende Heizsysteme integriert werden - ein evolutionärer Prozess mit einer revolutionären technischen Innovation. Die enge Verzahnung von Gas-Brennwerttechnik und Brennstoffzellen-Heizung ist dabei offensichtlich.

Abbildung 3: Brennstoffzellen-Heizgeräte lassen sich in bestehende Systeme der häuslichen Wärme- und Stromversorgung integrieren. (Grafik: Initiative Brennstoffzelle (IBZ)

Das Handwerk macht sich schon heute mit der neuen Technologie vertraut - im Rahmen von Feldtests oder spezieller Schulungen und Weiterbildungen.
Prof. Dr. Christian Beckervordersandforth fasst die anstehenden Aufgaben der IBZ und ihrer Mitglieder zusammen: "Trotz all der guten Rahmenbedingungen braucht die Brennstoffzellen-Technologie noch Zeit. Zuverlässigkeit, Robustheit und Langlebigkeit einzelner Komponenten müssen noch verbessert werden. Die Aggregate müssen noch leichter und kompakter werden. Und es gilt, den Markt für die neue Technologie weiter zu bereiten. Eine Voraussetzung für den wirtschaftlichen Durchbruch von Brennstoffzellen-Heizgeräten ist, dass sie sich innerhalb ihrer Lebensdauer bezahlt machen."