Wandhängendes Brennstoffzellen-Heizgerät

Die ISH 2011 ist kaum vorüber, da präsentierte der Heiztechnikhersteller Vaillant erstmalig im Rahmen der Hannover Messe bereits die nächste Innovation: Das SOFC-Brennstoffzellen-Wandheizgerät. Im Jahr 1998 hatten die Remscheider mit ersten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten rund um die Brennstoffzelle begonnen. Nach Entwicklungsarbeiten mit drei verschiedenen Brennstoffzellentechnologien und vier Prototyp-Generationen startet das Unternehmen jetzt im Herbst den Callux-Feldtest.

Gerade erst hat Vaillant unter dem Namen „Vaillant ecoPOWER 1.0“ das erste Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungs-System mit hocheffizienter Gasmotorentechnologie für das Einfamilienhaus dem breiten Fachpublikum auf der ISH 2011 vorgestellt (der HaustechnikDialog hat hier darüber berichtet), da machen die Remscheider in Sachen KWK-Technologie bereits den nächsten großen Schritt. „Wir setzen massiv auf Effizienz“, erläuterte Dr. Carsten Voigtländer, Vorsitzender der Geschäftsführung der Vaillant Group, den technologischen Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen-Technologie. „Energieeffizienz wird die wichtigste Energiequelle der Zukunft sein“, so Voigtländer weiter, „und die Kraft-Wärme-Kopplung schont die Energieressourcen durch hohe Primärenergieeffizienz“. 

Das erstmalig in Hannover im Rahmen der Hannover Messe 2011 präsentierte Brennstoffzellen-Wandheizgerät ist sowohl für Neubauten als auch für die energetische Sanierung im Gebäudebestand konzipiert und wird mit Erdgas und Bioerdgas betrieben. Im Vergleich zu herkömmlichen motorbetriebenen KWK-Systemen soll das Brennstoffzellen-System bei gleichem Energieeinsatz deutlich mehr Strom erzeugen und den CO2-Ausstoß gegenüber derzeit verfügbaren Hocheffizienztechnologien nochmals deutlich senken. Neben der höheren elektrischen Effizienz sieht Voigtländer weitere Vorteile in dem deutlich leiseren Betrieb, dem geringeren Wartungsaufwand (z.B. kein Ölwechsel) und der langen Lebensdauer, da nur wenige mechanisch beanspruchte Teile eingebaut sind. „Die Kraft-Wärme-Kopplung mit Motortechnik ist ausgereift und kommt jetzt in den Markt, aber mit einem Mikro-KWK-Sytem auf Brennstoffzellen-Basis, welches im Gegensatz zur Motortechnik auch für die Etagenwohnung geeignet ist, können wir später noch viel größere Marktanteile erreichen“, machte Joachim Berg, Leiter der Entwicklung Kraft-Wärme-Kopplung bei Vaillant, eine ganz andere Dimension deutlich. 


Brennstoffzellen-Forschung bei Vaillant 
Ende der 90iger Jahre hatten die Remscheider bereits das Potential der Brennstoffzellentechnologie erkannt, doch bis zum Erreichen dieses Meilensteins – Präsentation eines für den Callux-Feldtest bereiten SOFC-Brennstoffzellen-Wandheizgerät – war es ein langer Weg, der einen erheblichen Entwicklungsaufwand und Investitionen in vielfacher Millionenhöhe forderte. Nach drei Jahren Forschung und Entwicklung präsentierte Vaillant auf der ISH 2001 (der HaustechnikDialog hat schon 2001 berichtet) den ersten Prototypen eines Brennstoffzellen-Heizgerätes. Es folgten erste eigene Feldtests und später auch die Teilnahme an europaweiten Feldtests. Doch die Hausenergieversorgung stellt enorme Anforderungen an die Technologie bis dort ein Gerät zur Serienreife kommt, müssen wichtige Entwicklungsschritte erfolgreich umgesetzt werden. Kompaktheit und Robustheit des Heizgerätes waren stets dabei mit die wichtigsten Ziele für Vaillant bei der Entwicklung. 

Im Laufe der Zeit wurden dabei Erfahrungen mit drei verschiedenen Brennstofftechnologien gemacht. Neben Forschungsarbeiten mit der Niedertemperatur (NT)-PEM-Technologie (PEM - Polymer Elektrolyte Membrane) und der Hochtemperatur (HT)-PEM-Technologie wurde auch mit der SOFC-Technologie gearbeitet. Die Abkürzung SOFC steht für „Solid Oxide Fuel Cells“ - Festoxid-Brennstoffzelle, bei dem der Elektrolyt aus einem festen keramischen Werkstoff, der Sauerstoffionen leitet, für Elektronen aber isolierend wirkt, besteht. Sie stellte sich für Vaillant als die aussichtsreichste Technologie dar und so wurden die Forschungsarbeiten mit SOFC intensiviert. Im Oktober 2008 hatte man sich dann endgültig für die SOFC-Technologie entschieden. Dies bedeutete eine Entscheidung zur Eigenentwicklung aller wesentlichen Komponenten und des Gesamtsystems mit Unterstützung durch das Fraunhofer IKTS in Dresden und dem Industriepartner Staxera GmbH, die das SOFC-Stack-Modul entwickelten. 

Von großer Bedeutung für das Entscheiden war die Eignung dieser Technologie für ausreichende Start/Stoppzyklen pro Jahr. „Kein Hausherr wird sich vorschreiben lassen, ob, wann und wie oft er sein Heizgerät an- und ausstellt“, führte Berg aus. 


Vier Gerätetypentwicklungen in zweieinhalb Jahren 
Mit der Entscheidung für die SOFC-Technologie ging es mit großen Entwicklungsschritten voran. Innerhalb von zweieinhalb Jahren wurden vier aufeinander aufbauende Prototyp-Generationen entwickelt. 

Das erste System G1 hatte dabei im Sommer 2009 über 12.000 Betriebsstunden erreicht und zeigte damit eine gute Betriebsfestigkeit. Mit G2 erfolgte eine deutliche Größenreduktion und alle Technik musste in ein Gehäuse gebracht werden. Die Laufzeiten der G2-Prototypen liegen derzeit bei rund 5000 - 6000 Stunden. Mit der Prototyp-Generation G3 sollte 1 kW elektrische Leistung möglich werden. Um ein wandhängendes Design realisieren zu können, musste für G3 das Gewicht nochmals um 40 Prozent und die Größe um weitere 50 Prozent reduziert werden. Weiterhin sollten sehr geringe Abgasemissionen erreicht werden. Die unterschiedlichen G3-Prototypen laufen mittlerweile 2000 - 3000 Stunden. 

Vaillant hatte den Grundsatz die Entwicklungstiefe des für den Callux-Test eingesetzten Gerätes diesmal sehr weit voranzutreiben. „Es wird kein Prototyp für den Calluxtest eingesetzt, wir haben uns gesagt, das Gerät soll so weit sein, dass es nach dem Feldtest serienfähig ist“, erläuterte Voigtländer das Vorgehen. Mit der vierten Prototyp-Generation erreicht das jetzt vorgestellte Brennstoffzellen-Wandheizgerät Mitte dieses Jahres die Anforderungen des Callux-Programms und folgende technische Zielwerte. 


Vaillants SOFC-Brenstoffzellen-Wandheizgerät: 

  • Wandhängendes Gerät auf Basis von Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)
  • 1 kW elektrische Leistung und 2 kW thermische Leistung
  • Elektrischer Wirkungsgrad: 30 bis 34 Prozent
  • Gesamtwirkungsgrad: 80 bis 85 Prozent
  • Modulation: 1:2
  • Kaltstartzeit: 2 bis 3 Stunden
  • Start-Stopp-Fähigkeit
  • Aufstellung: wandhängend mit folgenden Abmessungen: 98 x 62 x 60 cm
  • Installationsgewicht: 150 kg
  • Degradationsgrad: 0,8 % nach 1.000 Stunden
  • Lange Wartungsintervalle (10.000 Stunden)

Die Entwicklungssprünge zeigen sich bspw. bei der Kaltstartfunktion: Bei G1 hat es nach einem Kaltstart noch etwa 9 Stunden gedauert, bis das Gerät die volle Leistung gebracht hat, während das jetzige Gerät nur noch 2 - 3 Stunden benötigt. Das derzeitige Gerät ist laut Berg gegenüber anderen Brennstoffzellen-Geräten etwas moderater in der Effizienz, dafür aber kompakt und robust. „Die Materialentwicklung muss noch weitergebracht werden, aber jetzt muss die Technik in das Feld gebracht werden“, brachte Berg den nächsten Schritt auf den Punkt. 

Vom Labor in die Praxis 
Um den Einsatz der innovativen Brennstoffzellen-Technologie voranzutreiben ist Callux, der bundesweit größte Praxistest von Brennstoffzellen-Heizgeräten fürs Eigenheim, ein gemeinsames Projekt von Partnern aus der Energiewirtschaft und Heizgeräteindustrie mit Unterstützung des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) entstanden. Beteiligt sind die drei Gerätehersteller BAXI INNOTECH, Hexis und Vaillant sowie die fünf Energieversorger EnBW, E.ON Ruhrgas, EWE, MVV Energie, VNG Verbundnetz Gas. Auf der Projektebene übernimmt das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) die Koordination von Callux. Beim Callux-Test sollen rund 800 Brenstoffzellen-Heizgeräte über einen Zeitraum von acht Jahren in Eigenheimen getestet werden. 

Ab Herbst 2011 wird das Brennstoffzellen-Wandheizgerät von Vaillant in diesem Rahmen erprobt. Das Ziel des weiteren Prozesses besteht in dem Nachweis der Technologiereife von SOFC-Brennstoffzellen für die Kraft-Wärme-Kopplung. In diesem Jahr ist geplant mit 25 Geräten in den Test gehen. Insgesamt sollen von Vaillant in den nächsten zwei Jahren 150 Geräte zu dem Callux-Test beigesteuert werden. Die durch die Testphase gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend ausgewertet und die entsprechenden Optimierungen bis zur Serienreife dieser neuen, vielversprechenden Technik vorgenommen werden. Bis zum konkreten Markteinstieg muss nach erfolgreichem Abschluss des Praxistests noch einmal mit etwa 2 - 3 Jahren finaler Entwicklungsarbeit gerechnet werden.