Ein langer Weg - Brennstoffzellen für Strom und Wärme im Eigenheim

Der Weg zum Ziel war lang. In den Testläufen zeigten sich immer wieder schwer zu lösende technische Probleme. Um die Markteinführung zu beschleunigen, startete das damalige Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) im September 2008 gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft das deutsche Projekt „Callux“, um durch eine Vielzahl von Praxistests die bis dahin zähe Entwicklung neu zu beleben und zügig voranzutreiben. So wollte man ursprünglich bundesweit bis zum Jahre 2012 sukzessiv im Rahmen von Callux über 800 Brennstoffzellen-Kraftwerke in privaten Ein- und Mehrfamilienhäusern installieren und ihre Praxistauglichkeit testen. Dieses ambitionierte Ziel schmolz bald auf noch etwa 560 Geräte, die bis Ende 2013 im Praxistest in Betrieb genommen werden sollten. Im Februar 2014 sprach dann Stefan Schmitt, Referatsleiter beim BMVBS, in einem Beitrag zum Callux-Newsletter (Ausgabe 6 vom 12. Februar 2014) von mehr als 350 Einheiten, der Verfasser des Newsletters selbst einige Zeilen später von fast 400. Diese kurze Vorgeschichte und das Informations-Wirrwarr lassen erahnen, dass die Entwicklung der Brennstoffzellen-Kraftwerke bis zur Marktreife mit zahlreichen Schwierigkeiten gepflastert war.
Dass Callux bei aller Mühseligkeit dennoch ein Erfolg war, betonte Norbert Barthle, Staatssekretär im Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI), im November 2015 bei einer Abschlussveranstaltung, auf der das Projekt in die Geschichte verabschiedet wurde: „Das Callux-Verbundvorhaben hat sein Ziel der Marktvorbereitung von Brennstoffzellen-Kraftwerken erreicht. Über drei Gerätegenerationen wurden entwickelt, die heute an der Schwelle zum kommerziellen Markteintritt stehen. Durch die Weiterentwicklung im Callux-Praxistest wurden Brennstoffzellen-Kraftwerke im Schnitt rund 70% günstiger.“ Und auch die unmittelbar am Projekt Beteiligten betonten den Erfolg. So hieß es in einem Newsletter, man habe die Zahl der Serviceeinsätze halbieren, einen höheren Wirkungsgrad sowie niedrigere CO2-Emissionen erreichen und jede Menge Erfahrung sammeln können. Des Weiteren sei es gelungen, das Gerätedesign zu verbessern, die Herstellungskosten zu senken und den Energieverbrauch zu reduzieren.
Neben dem deutschen Callux gibt es auch ein europäisches Projekt, das der Entwicklung markttauglicher Brennstoffzellen-Kraftwerke dienen soll: ene.field. Beteiligt sind Hersteller, Forschungsinstitute und Energieversorger aus 11 europäischen Ländern. Die Ziele ähneln denen der Callux-Initiative. Das Projekt wird Mitte 2017 auslaufen.

Ausgewählte marktgängige Brennstoffzellen-Kraftwerke
Die Bosch Thermotechnik GmbH mit ihren Marken Buderus und Junkers erweitert ihr Produktportfolio aus Öl- und Gas-Brennwert-Wärmeerzeugern konsequent um neue Entwicklungen aus dem Bereich der Erneuerbaren Energien und der Brennstoffzellentechnologie, wie das Unternehmen aus Wetzlar mitteilte. „Mit der Energiezentrale ‚Logapower FC10‘ bietet Buderus seit Sommer 2016 eine hocheffiziente, stromerzeugende Heizung auf Brennstoffzellenbasis an. Als Designstudie, die zu einem späteren Zeitpunkt als ‚BZH192iT‘ auf den Markt kommen wird, wurde sie bereits mit dem iF Design Award 2016 ausgezeichnet.“ Fachhandwerker könnten dann nicht nur auf ein besonders umfangreiches Angebot an Wärmeerzeugern zurückgreifen, so der Heizungsbauer weiter, sondern auch auf spezielle Kundenwünsche und Anforderungen bei Neubau oder Modernisierung eingehen, beispielsweise dann, wenn für das Ein- oder Zweifamilienhaus nicht nur eine effiziente Strom- sondern auch Wärmeerzeugung gewünscht ist. „Unsere Energiezentrale ‚Logapower FC10‘ ermöglicht das per Kraft-Wärme-Kopplung“, erläutert die Bosch-Kommunikation. Das Gerät, das am europäi-
schen Brennstoffzellen-Demonstrationsprogramm ene.field teilgenommen hat, erreicht laut Unternehmensinformation einen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 85% und einen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 45%. Herzstück ist eine SOFC-Brennstoffzelle, die vom Brennwert-Hybridgerät „Logamax plus GBH172“ sowie einem 75-Liter-Warmwasser- und 135-Liter-Pufferspeicher ergänzt wird. Eine intelligente Systemregelung sichert das Zusammenspiel der Komponenten.
Das nach eigenen Angaben konzern­unabhängige Technologieunternehmen Elcore GmbH aus München beteiligte sich am europäischen Brennstoffzellen-Demonstrationsprogramm „ene.field“. Ziel sei es, bis 2017 in etwa 1000 Privathaushalten in Europa zwei- bis dreijährige Praxiserprobungen mit Brennstoffzellen-Systemen durchzuführen und dabei systematisch Erkenntnisse aus deren Betrieb zu gewinnen. Zu ihrem Brennstoffzellen-KWK-Gerät „Elcore 2400“ schreibt Geschäftsführer Dr. Manfred Stefener auf Nachfrage, das Produkt sei marktreif und werde bereits von vielen Handwerksunternehmen und Fachpartnern für jeden Endkunden angeboten. Man plane, mit steigenden Verkaufszahlen die Produktionskapazitäten am Unternehmensstandort München auszubauen. Das „Elcore 2400“ hat eine elektrische Leistung von 300 W und eine thermische von 600 W und deckt im typischen Einfamilienhaus 50 % des Strombedarfs und 100% des Bedarfs an Trinkwarmwasser. Stefe­ner weist außerdem noch auf Förderprogramme hin: „Immer mehr Bundesländer fördern die Brennstoffzellen-Technologie in Wohngebäuden mit Programmen. Nach Nordrhein-Westfalen und Sachsen haben jetzt Baden-Württemberg und Hessen Maßnahmenpakete beschlossen. Wir begrüßen diese Initiativen sehr und wünschen uns, dass diese als Vorbild für weitere Unterstützung dienen werden.“ Zur ISH 2015 in Frankfurt stellte das Unternehmen neben dem Basisgerät Elcore 2400 die Paketlösung „Elcore 2400 MAX“ vor. Zu ihm gehören neben der Brennstoffzelle ein Pufferspeicher, eine Frischwasserstation und eine Gasbrennwerttherme.
Mit über 200 Systemen, die bereits in Einfamilienhäusern installiert worden seien, sehe man sich führend in der Entwicklung von Brennstoffzellen-Kraftwerken in Europa, schrieb die Baxi Innotech GmbH, Anfang des Jahres 2014 noch ein Entwicklungsunternehmen der BDR Thermea Gruppe. Dann vereinbarte man einen Kooperations- und Liefervertrag mit der japanischen Toshiba Fuel Cell Power Corporation. Zu den Hintergründen hieß es: „Bei der Überprüfung unserer Strategie zur Vermarktung von Brennstoffzellen-Heizgeräten stellten wir fest, dass wir einen Partner finden mussten, der unser Wissen und unsere Führungsrolle beim Vertrieb von KWK-Systemen in Europa ergänzen würde. Mit Toshiba haben wir einen Partner gefunden, der eine weltweit führende Technologie und wichtige Erfahrungen im Verkauf und Service von Brennstoffzellen- Heizgeräten in privaten Haushalten mitbringt. Unser Know-how wird durch unsere Muttergesellschaft BDR Thermea vervollständigt, die sich bereits mit ausgedehnten Vertriebswegen, Expertenwissen und maßgeschneiderten Systemlösungen als Europas führender Hersteller im Bereich KWK etabliert hat.“ Toshiba habe bereits 35000 Geräte auf dem japanischen Markt abgesetzt, heißt es in der Pressemitteilung weiter. Das zukünftige Brennstoffzellen-Heizungssystem von Baxi Innotech werde ein Modulkonzept sein, bestehend aus der Brennstoffzelleneinheit, einem Zusatzheizgerät, Hydraulikmodul, Speicher und Energiemanager mit Smart-Home- und Smart-Grid-Optionen. Das Gerät wurde zur ISH 2015 von der Baxi-Schwester SenerTec Kraft-Wärme-Energiesysteme GmbH unter dem Namen „Dachs InnoGen“ vorgestellt.
Die Vaillant Deutschland GmbH & Co. KG, die sich in den Bereichen Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik zu den Technologie und Marktführern zählt, hat nach eigenen Angaben im Web langjährige Erfahrung mit allen Brennstoffzellentechnologien für die Energieversorgung im Einfamilienhaus gesammelt. Nach umfangreichen Feldtests und anschließender Evaluierung konzentriert sich Vaillant jetzt auf die Hochtemperatur-Technologie SOFC. Das in der Website der „Initiative Brennstoffzelle“ (www.ibz-info.de) präsentierte erdgasbetriebene Brennstoffzellen-Heizgerät hat eine elektrische Leistung von 1,0 kW und eine thermische von 2,0 kW. Der elektrische Wirkungsgrad beträgt 35%, der Gesamtwirkungsgrad 80 – 90%. Herzstück des Geräts ist ein Stackmodul (ISM) der sunfire GmbH. Vaillant hat in 2014 mit der Produktion einer Kleinserie für Einfamilienhäuser begonnen.
Die Hexis AG aus Winterthur, heute Teil der Viessmann-Gruppe, zählt sich – mit rund 35 Mitarbeitern – zu den weltweit führenden Unternehmen im Bereich der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Technologie (SOFC) 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 Brennstoffzellen-Kraftwerke für Ein- und Mehrfamilienhäuser. Das „Galileo 1000N“ 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 – 50%; elektrischer Wirkungsgrad: 30 – 35%; Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle: 95%.
Die in unseren bisherigen Marktübersichten häufig genannte australische Ceramic Fuel Cells GmbH (CFC) mit ihren „BlueGen“-Geräten ist heute Teil von SolidPower, einer Unternehmensgruppe, die sich auf die Entwicklung und Herstellung von stationären Strom/Wärme-Erzeugern auf Basis von SOFC-Brennstoffzellen spezialisiert hat. Am Hauptsitz in Mezzolombardo in Italien entwickelt und fertigt das Unternehmen Brennstoffzellen-Aggregate mit der Typenbezeichnung „Engen-2500“. Die Entwicklung des Stacks erfolgt im unternehmenseigenen Technologiezentrum in der Schweiz. Die Geräte werden zurzeit im Rahmen verschiedener Projekte, wie z.B. ene.field, in praxisnahen Umgebungen getestet. Die Brennstoffzellen-Geräte des Typs „BlueGen“ werden nach wie vor in Heinsberg bei Aachen produziert und von dort europaweit vermarktet. Wie von BlueGen verlautet, sei man im Rahmen von Callux auf allen Gebieten ein großes Stück vorangekommen. Beleg dafür seien die inzwischen mehr als 500 installierten Anlagen und über 5 Mio. Betriebsstunden bei einem besonders hohen Verfügbarkeitsgrad von über 99%. Gemeinsam mit Vertriebspartnern forciere man zurzeit die Vermarktung in den Kernmärkten Deutschland, Großbritannien und Benelux. Ein „BlueGen“-Gerät liefert nach Unternehmensangaben etwa 13000 kWh Strom pro Jahr und eignet sich besonders für Gebäude mit einem hohen Strom- und einem geringen Wärmebedarf, also beispielsweise für kleine bis mittelgroße Büro- und Gewerbegebäude sowie öffentliche Einrichtungen. Als Energieträger kommen Erd- oder Bioerdgas infrage. Das Herzstück eines „BluGens“ bildet ein im eigenen Haus entwickeltes Brennstoffzellenmodul, mit dem sich ein elektrischer Wirkungsgrad von bis zu 60% und ein Gesamtwirkungsgrad von bis zu 85% erreichen lassen.
Die Viessmann Werke GmbH & Co. KG aus Allendorf waren schon früh in die Brennstoffzellen-Technologie für Heizgeräte eingestiegen und zunächst auch am Callux-Projekt beteiligt, bevor sie im April 2009 mitteilten, dass man die Entwicklung von Brennstoffzellen-Kraftwerken auf Basis der PEM-Brennstoffzelle vorläufig einstelle. Man habe bis dato alle Entwicklungsziele erreicht, was durch den erfolgreichen Betrieb mehrerer Feldtestanlagen sowie der Auszeichnung mit dem „f-cell award 2008“ 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. Und auch die PEM-Brennstoffzelle blieb bei den Allendorfern im Rennen. Man kooperierte mit dem japanischen Elektronikkonzern Panasonic und konnte im April dieses Jahres – nach eigenen Angaben als erster Hersteller – ein in Großserie produziertes Brennstoffzellen-Heizgerät in den europäischen Markt einführen. Das „Vitovalor 300 P“, so der Name des Geräts, ist für den Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern gedacht. Panasonic hatte diese mit Erdgas betriebene Brennstoffzelle in den vergangenen sechs Jahren in Japan bereits über 34000-mal verkauft. Die europäische Ausführung besteht aus zwei Einheiten, dem Brennstoffzellenmodul und einem Modul mit Gas-Brennwert-Kessel für die Abdeckung von Spitzenlasten. Sie lassen sich separat ins Gebäude einbringen. Im Gesamtsystem untergebracht sind ferner die komplette Hydraulik sowie die Puffer- und Trinkwasserspeicher. Laut Viessmann hat das „Vitovalor 300 P“ ein elektrisches Leistungsvermögen von maximal 750 W und ein thermisches von 1 kW. Der modulierende Gas-Spitzenlastkessel leistet zwischen 5,5 und 19 kW.

Energieversorger zeigen großes Interesse
Erfreulicherweise bewegt sich auch bei Energieerzeugern und Stadtwerken so einiges. So hat Anfang Oktober 2012 die Trianel GmbH aus Aachen das nach eigenen Angaben erste kommerzielle virtuelle Brennstoffzellen-Kraftwerk in Deutschland in Betrieb genommen. Grundlage des Projekts sind Mikro-BHKWs mit Brennstoffzelle vom Typ „BlueGen“ des Herstellers Ceramic Fuel Cells. Das virtuelle Kraftwerk vernetzt im Schnitt 25 Brennstoffzellen. An dem Projekt nehmen 15 Stadtwerke und kommunale Regionalversorger aus Deutschland sowie das Energie Kompetenz Zentrum Rhein-Erft-Kreis GmbH teil. Eine Evaluation, die er zur Verfügung stellen könne, gebe es leider nicht, sagt Michel Nicolai, Leiter Dezentrale Erzeugung bei der Trianel GmbH. „Gemeinsam mit den Stadtwerken des Trianel-Netzwerks“, so Nicolai weiter, „haben wir das virtuelle Brennstoffzellen-Kraftwerk ausgiebig getestet. Das Projekt bestätigte die vermuteten Potenziale, die sich allerdings in der gegenwärtigen Fördersituation leider nicht heben lassen. Dies liegt unter anderem an den Regelungen zur Kraft-Wärme-Kopplung im Rahmen der EEG-Novelle. Langfristig jedoch sind  derartige virtuelle Kraftwerke durchaus eine spannende und zukunftsweisende Option, die wir weiter verfolgen werden.“
Ein Interesse an einer erfolgreichen Markteinführung von Brennstoffzellen-Technologien in den Energiemarkt zeigt auch die Wingas AG. Sie erprobt gemeinsam mit einigen Stadtwerken den Einsatz verschiedener erdgasbetriebener Brennstoffzellen-Kraftwerke. Nach einem Jahr konnte das Unternehmen im August dieses Jahres eine erste positive Zwischenbilanz ziehen. „Die eingesetzten Brennstoffzellen arbeiten zuverlässig und vor allem effizient – das hat die erste Phase unserer Testreihe eindrucksvoll gezeigt“, erklärte Wingas-Geschäftsführer Dr. Ludwig Möhring. „Der Test verdeutlicht, dass die Technologie praxistauglich ist.“ Beteiligt sind u.a. die Stadtwerke Aachen (STAWAG), die Stadtwerke aus Gütersloh (SWG) und Bielefeld sowie die Technischen Werke Ludwigshafen (TWL). Und auch sie werden vom Einsatz von Brennstoffzellen-Kraftwerken profitieren, wie Detlef Mirsch glaubt. Der Leiter Technische Dienstleistungen bei Wingas ist davon überzeugt, dass die lokalen Energieversorger als Partner vor Ort ihre Kunden mit der attraktiven und hocheffizienten Brennstoffzellen-Technologie stärker an sich binden und neue Geschäftsfelder erschließen können.
Aus Sicht der „Initiative Brennstoffzelle“ benötigt die Markteinführung der Brennstoffzellen-Kraftwerke unbedingt Unterstützung seitens staatlicher Stellen. Im August 2014 erschien im Monatsbericht des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) ein Artikel, der geförderte Aktivitäten des Ministeriums rund um Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien zusammenfasst. Das Ministerium ist von der Zukunftsfähigkeit von Brennstoffzellen-Kraftwerken überzeugt: „Die Brennstoffzelle bietet eine effiziente und umweltschonende Form der Energiewandlung. Im Einklang mit den gesamtgesellschaftlichen Zielen der Energiewende kann sie daher einen Beitrag zum Energiesystem der Zukunft leisten. Dazu soll auch eine in Deutschland verankerte Wertschöpfungskette entstehen, welche alle Systembestandteile abdecken kann. Somit plant die Bundesregierung auch über das Auslaufen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) im Jahr 2016 hinaus eine zielgerichtete und effektive Forschungsförderung auf dem Gebiet Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie, um die gerade in diesem Technologiebereich notwendige Kontinuität zu gewährleisten und aufgebautes Know-how bestmöglich für die Weiterentwicklung der Technologie zu nutzen.“

Autor: Wilhelm Wilming

Anreizprogramm Energieeffizienz
Der Staat unterstützt  im Rahmen des „Anreizprogramms Energieeffizienz“ der KfW die Markteinführung der innovativen Technologie mit einem Festbetrag von 5700 Euro, der darüber hinaus mit einem Zusatzbetrag von 450 Euro je angefangener 100 Watt elektrische Leistung aufgestockt wird. Für ein Gerät mit einer Leistung von 1 kWh gibt es z.B. 10200 Euro. Der Zuschuss ist grundsätzlich mit der Stromvergütung für KWK-Anlagen kombinierbar. Andere KfW-Programme, z.B. „Energieeffizient Sanieren“ oder „Energieeffizient Bauen“, lassen sich außerdem nutzen.
Der Antrag ist vor Beginn des Vorhabens zu stellen und dieses durch einen Sachverständigen zu begleiten. Die Energieexpertenliste des Bundes ist unter www.energie-effizienz-experten.de in der Kategorie „Energieeffizient Bauen und Sanieren – Wohngebäude bzw. Nichtwohngebäude“ abrufbar. Weitere Anforderungen sind z.B. ein hydraulischer Abgleich und der Abschluss eines Vollwartungsvertrags mit einer Mindestlaufzeit von zehn Jahren. Brennstoffzellen sollten durch Fachunternehmer eingebaut werden, die vom jeweiligen Hersteller im Vorfeld geschult wurden. Geräte haben z.B. die Anbieter Buderus, Hexis, Junkers, Senertec, Solidpower, Vaillant und Viessmann im Programm. Auch Energieversorger bieten Brennstoffzellen-Komplettlösungen an, z.B. die Unternehmen EnBW in Baden-Württemberg und EWE in Niedersachsen.
Das Merkblatt zum KfW-Programm 433 und eine Geräteübersicht stehen zum Download unter www.ibz-info.de, Rubrik „Förderung“, zur Verfügung.