Brennstoffzellen-Heizgeräte
Eine alternative Lösung im Wärmemarkt?!
Nach langer Entwicklungszeit sind seit rund zwei Jahren serienreife Brennstoffzellen-Heizgeräte heimischer Hersteller auf dem Markt. Der Beitrag gibt einen Überblick über den aktuellen Stand der Hersteller und Geräte.
Heute sind weltweit unzählige Brennstoffzellen in Maschinen, Geräten und Anlagen wie z.B. in Elektroantrieben und Energiequellen im Einsatz. Zu letzteren zählen Brennstoffzellen-Heizgeräte (BZH), deren Entwicklung von einigen Rückschlägen gekennzeichnet war, letztendlich aber erfolgreich abgeschlossen werden konnte. Zu jener Zeit waren in der Branche zahlreiche Firmenneugründungen und ‑kooperationen zu beobachten; viele von ihnen nahmen an gemeinsamen Feldtests teil, z.B. im Rahmen von „Callux“ (Deutschland) und „ene.field“ (EU); nicht alle blieben bis zum Ende. Am aktuellen Marktauftritt in Deutschland sind zurzeit Solidpower, Hexis, Viessmann, Senertec und Elcore sowie Bosch Thermotechnik mit den Marken Buderus und Junkers beteiligt. Sicher werden bald weitere Hersteller folgen, die heute noch weniger bekannt sind oder ihren Sitz im Ausland haben.
Förderprogramme sollen BZH-Markt pushen
Die aktuell positive Entwicklung werde anhalten, davon zeigte sich der Vorstandsvorsitzende der VDMA Arbeitsgemeinschaft Brennstoffzellen Arbeitsgemeinschaft, Dr. Manfred Stefener, auf der Hannover Messe 2018 fest überzeugt. Dass er recht behalten könnte, zeigen die mehr als 2.800 Förderzusagen, die die KfW bis Ende Juni 2018 verschickt hat (siehe Bild 1). Ende August 2018 könnten es nach inoffiziellen Zahlen, die auf dem letzten IBZ-Innovationsforum Mitte Oktober 2018 kursierten, bereits rund 4.200 gewesen sein. Die optimistische Sichtweise der Branche beruht also nicht zuletzt auf dem aktuellen Förderprogramm der Bundesregierung, das im August 2016 startete und am 1. Juli 2017 erweitert wurde. Das Programm wurde aufgelegt, weil auch die als reichlich teuer angesehenen Brennstoffzellen-Heizgeräte mithelfen sollen, die ambitionierten Klimaschutzziele Deutschlands zu erreichen. Informationen zum Thema Förderung sind häufig auch bei den Herstellern zu finden. So errechnet Viessmann für sein Brennstoffzellen-Heizgerät „Vitovalor 300-P“ einen Zuschuss in Höhe von rund 11.000 €, die aus dem Programm KfW433 der KfW-Bank und der Stromförderung aus dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz fließen. Buderus nennt für sein „Logapower FC 10“ mit 10.350 € eine ähnliche Summe.
Hersteller und ihre Brennstoffzellen-Heizgeräte
Die Entwicklung, wie sie die Firma Solidpower GmbH aus Heinsberg genommen hat, ist in ähnlicher Form auch bei einigen anderen Unternehmen nachzuvollziehen: Zunächst (2006) fasste die italienischen Eurocoating-Turbocoating Group ihre SOFC-Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten in einem eigenständigen Start-up-Unternehmen mit dem Namen SOFCpower zusammen. Diese übernahm dann Anfang 2007 die schweizerische HTceramix SA, einem Ableger der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL), die sich auf die Entwicklung von Hochtemperatur-Membranreaktoren spezialisiert hatte. Mit diesem eingesammelten Know-how baute man dann erste SOFC-Brennstoffzellen-Heizgeräte, die man anschließend, u.a. im Rahmen des europäischen Feldtestprogramms „ene.field“, an ausgewählte Partner aus der Energiewirtschaft auslieferte, um ihre Tauglichkeit für den Betrieb unter Normalbedingungen zu testen. In der zweiten Jahreshälfte 2014 erhielt das Unternehmen einen neuen Namen und firmierte von da an als Solidpower. Den vorläufigen Schlusspunkt der Entwicklung bildete die Übernahme der Ceramic Fuel Cells GmbH aus Heinsberg im Jahr 2015, dem Hersteller des SOFC-Systems „BlueGen“. Mit diesem Schritt erweiterte Solidpower nicht nur seine Produktpalette, sondern sicherte sich auch einen Standort in Deutschland inklusive der Übernahme der dortigen Fertigungs-, Vertriebs- und Servicekapazitäten sowie des Mitarbeiterstamms und – last but not least – des Know-hows.
Zu Beginn des Jahres 2016 konnte Solidpower die ersten „BlueGen“-Systeme an europäische Endkunden ausliefern. Das Gerät produziert laut Angaben des Unternehmens rund 13.000 kWh emissionsarmen Strom pro Jahr. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei 60 %. Es sei unbedingt zu beachten, dass man bei der Entwicklung und Herstellung des „BlueGen“ – im Gegensatz zu anderen Herstellern – den Fokus auf die Stromerzeugung gelegt habe. Daraus resultiere auch das umgekehrte Strom-zu-Wärme-Verhältnis (siehe Produktübersicht). Die geringe Wärmeabgabe, maximal 0,61 kW, ermögliche einen ganzjährigen, stromgeführten Betrieb, unabhängig vom lokalen Wärmebedarf. Damit könne man den „BlueGen“ auch dort einsetzen, wo nur eine geringe Wärmesenke abzudecken sei, so ein Firmenvertreter. Der „BlueGen“ lasse sich mit nahezu allen anderen Wärmeerzeugern kombinieren.
Der KWK-Hersteller SenerTec Kraft-Wärme-Energiesysteme GmbH, ein Unternehmen der BDR-Thermea-Gruppe, konnte bei der Entwicklung und Konstruktion seines Brennstoffzellen-Heizgeräts „Dachs InnoGen“ auf die Erfahrungen des Kooperationspartners Toshiba Fuel Cell Power Systems und der Konzernschwester Baxi-Innotech GmbH zurückgreifen. Toshiba zählt mit über 50.000 installierten Einheiten weltweit zu den Marktführern der Brennstoffzellentechnologie. Das japanische Unternehmen stehe für einen reichhaltigen Erfahrungsschatz im Bereich der Brennstoffzellentechnologie, heißt es bei Senertec. Baxi-Innotech, ein Entwicklungsunternehmen der BDR-Thermea-Gruppe, hatte bislang auf zahlreichen Messen vor allem mit seinem Brennstoffzellen-Heizgerät „Gamma Premio“ auf sich aufmerksam gemacht. Das „Gamma Premio“ ist damit quasi der Vorgänger des „InnoGen“. Dieses neue Mitglied der Dachsfamilie ist mit einer Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle ausgestattet, die es auf einen elektrischen Wirkungsgrad von 37 % (bei Volllast) und einen Gesamtwirkungsgrad von 90 % bringt; die elektrische Leistung beträgt 0,70 kW, die thermische 0,96 kW. Zum System gehören außerdem ein 300-l-Pufferspeicher mit einem Hydraulikmodul, eine Frischwasserstation und ein Energiemanager mit Touchscreen. Mit seiner Modulationsfähigkeit (250 bis 700 Wel, 210 bis 950 Wth) lassen sich mit dem „Dachs InnoGen“ trotz der heute typischen Bedarfsschwankungen hohe Laufzeiten erzielen.
Auch die Hexis AG aus Winterthur zählt sich – mit rund 40 Mitarbeitern – zu den weltweit führenden Unternehmen im Bereich der Brennstoffzellentechnologie für stationäre Anwendungen im Bereich von weniger als 10 kW elektrischer Leistung. In Kooperation mit internationalen Partnern der Energieversorgungswirtschaft entwickelt und produziert man in Winterthur und Konstanz SOFC-Brennstoffzellen-Heizgeräte für Ein- und kleinere Mehrfamilienhäuser. Das „Galileo 1000 N“ hat nach Angaben des Unternehmens die technische Marktreife erreicht und kann über ausgewählte Fachhandwerker oder Energiedienstleister erworben werden. Die technischen Daten: elektrische Leistung: 1,0 kW; thermische Leistung: 1,8 kW; Modulation: 100 bis 50 %; elektrischer Wirkungsgrad: 30 bis 35 %; Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle: 95 %.
Das konzernunabhängige Technologieunternehmen Elcore GmbH aus München startete im Jahr 2008 die Entwicklung einer Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle (HTPEM), die heute in seinen Brennstoffzellen-Heizgeräten zum Einsatz kommen. 2011 nahm man das erste Brennstoffzellen-KWK zur Strom- und Wärmeversorgung von Einfamilienhäusern probeweise in Betrieb. 2012 folgten die ersten Feldtests bei Endkunden. Den endgültigen Markteintritt des wandhängenden Brennstoffzellen-Heizgeräts „Elcore 2400“ konnte man im Jahr 2015 realisieren, nachdem es am europäischen Brennstoffzellen-Demonstrationsprogramm „ene.field“ teilgenommen hatte. Elcore ist der einzige der hier genannten Hersteller, der eine Hochtemperatur-Polymermembran-Brennstoffzelle (HTPEM) einsetzt. Deren Betriebstemperatur von 140 bis 170 °C sei ideal dafür, Wärme an das Heizungssystem abzugeben, heißt es in der Website des Unternehmens. Zu den Marktchancen des „Elcore 2400“ schreibt Geschäftsführer Dr. Manfred Stefener auf Nachfrage. Das Produkt werde bereits von vielen Handwerksunternehmen und Fachpartnern für Endkunden angeboten. Man plane, mit steigenden Verkaufszahlen die Produktionskapazitäten am Unternehmensstandort München auszubauen. Das „Elcore 2400“ hat nach Angaben des Unternehmens eine elektrische Leistung von 300 W sowie eine thermische Leistung von 700 W und deckt im typischen Einfamilienhaus rund 50 % des Strombedarfs sowie 100 % des Bedarfs an Trinkwarmwasser ab.
Da der im Bild 3 gezeigte Systemaufbau bei vielen Herstellern ähnlich aussieht, lohnt sich an dieser Stelle eine kurze Beschreibung der einzelnen Bestandteile (im Bild wiederum von links):
Die Viessmann Werke GmbH & Co. KG aus Allendorf waren schon früh in die Brennstoffzellentechnologie für Heizgeräte eingestiegen und zunächst auch am „Callux“-Projekt beteiligt, bevor sie im April 2009 mitteilten, dass man die Entwicklung von Brennstoffzellen-Heizgeräten auf Basis der PEM-Brennstoffzelle vorläufig einstelle. Man habe bis dato alle Entwicklungsziele erreicht, was durch den erfolgreichen Betrieb mehrerer Feldtestanlagen bestätigt worden sei. Viessmann blieb jedoch nicht untätig und stieg im September 2012 bei der Hexis AG aus Winterthur ein, die sich in Sachen Brennstoffzelle der SOFC-Hochtemperatur-Technologie verschrieben hat. Aber auch die PEM-Brennstoffzelle blieb im Rennen. Man kooperierte mit dem japanischen Elektronikkonzern Panasonic und konnte gemeinsam ein in Großserie produziertes Brennstoffzellen-Heizgerät in den europäischen Markt einführen. Das „Vitovalor 300 P“ ist für den Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern gedacht.
Die Bosch Thermotechnik GmbH ist mit seinen beiden Marken Buderus und Junkers auf dem Brennstoffzellen-Heizungsmarkt vertreten. Die Energiezentrale „Logatherm FC10“ von Buderus beinhaltet eine SOFC-Brennstoffzelle, das Brennwert-Hybridgerät „Logamax plus GBH172“ sowie einen Warmwasser- und einen Pufferspeicher (75 l/140 l). Für das reibungslose Zusammenspiel dieser Komponenten sorgt die Systemregelung „EMS Plus“. Die Energiezentrale lässt sich bei einer Heizungsmodernisierung auch in bestehende Heizsysteme von Ein- und Zweifamilienhäusern einsetzen.
Das Brennstoffzellen-Heizgerät „Cerapower FC10“ von Junkers basiert auf der im eigenen Haus vorhandenen Solar-Brennwertlösung „Cerapur Solar“. Wie Buderus hat auch Junkers sämtliche Komponenten in einem Gehäuse zusammengefasst: ein bewährtes Gas-Brennwertgerät, eine Brennstoffzelle sowie zwei Speicher für die effiziente Bevorratung von erwärmtem Trink- und Heizwasser. Die Abstimmung zwischen dem stromerzeugenden Modul und dem Brennwertgerät erfolgt mit Hilfe des aus der „Cerapur Solar“ bekannten Beimischventils, was dem Fachhandwerker, der die Bauteile schon kennt, die Arbeit erleichtert.
Obwohl nicht mit einem BHZ am Markt vertreten, sei zum Abschluss noch auf die Aktivitäten der Vaillant Deutschland GmbH & Co. KG, hingewiesen. Das Unternehmen hat nach eigenen Angaben über viele Jahre hinweg Erfahrung mit allen Brennstoffzellentechnologien für die Energieversorgung im Einfamilienhaus gesammelt. Nach umfangreichen Feldtests und anschließender Evaluierung konzentrierte sich Vaillant auf die Hochtemperatur-Technologie SOFC. Das in der Website der „Initiative Brennstoffzelle“ präsentierte erdgasbetriebene Brennstoffzellen-Heizgerät „xellpower“ hat eine elektrische Leistung von 0,7 kW und eine thermische Leistung von 1,3 kW. Im Innern arbeitet ein Stackmodul der sunfire GmbH. Anlässlich der ISH 2017 kündigte das Unternehmen an, auf die Markteinführung von Brennstoffzellen-Heizgeräten für Wohnhäuser zu verzichten, da sie sich nicht wirtschaftlich betreiben ließen. Die Entwicklungsarbeit will man aber wohl weiterführen, wenn auch in stark vermindertem Umfang.
