Stationäre Brennstoffzellen-Anwendung - Erdgas umweltfreundlicher nutzen - www.zukunftaltbau.de - Zukunft Altbau
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Stationäre
Brennstoffzellen-Anwendung
Erdgas umweltfreundlicher nutzen
1
Inhalt
Wasserstoff und Brennstoffzellen:
Energieträger und -wandler 05
Stationäre Brennstoffzellen: Technologien 07
Einsatzbereiche für stationäre Brennstoffzellen 12
3.1 Hausenergieversorgung mit Brennstoffzellen 16
3.2 Notstromversorgung und unterbrechungsfreie
Stromversorgung mit Brennstoffzellen 17
3.3 Stationäre Anlagen für Industrie und Gewerbe 19
3.4 Einsatz von Rein-Wasserstoff in stationären
Brennstoffzellenanwendungen 16
Marktvorbereitung 23
4.1 Demonstrationsprojekte 23
4.2 Förderung von KWK-Anlagen 26
Unternehmen und Entwicklungsschwerpunkte 28
Potenzial und Ausblick 39
Anhang 42
7.1 Abkürzungen 42
7.2 Ergänzende Publikationen 43
7.3 Häufig gestellte Fragen 44
7.4 Broschürenreihe 46
Impressum 47
2
Vorwort
Fossile Energieträger sollten so effizient wie möglich
genutzt werden, das ist nichts Neues. Das bedeutet,
dass Erdgas nicht einfach nur verbrannt sondern
möglichst auch zur Stromerzeugung genutzt werden
sollte. Blockheizkraftwerke mit Verbrennungsmotoren
sind seit langem bewährt, vor allem aber in größeren
Einheiten wirtschaftlich. Gerade bei kleineren
Dr.-Ing. Volker Kienzlen
Objekten kann dagegen die Brennstoffzelle eine Geschäftsführer KEA Klimaschutz-
interessante Option sein. Ohne bewegte Teile ist sie und Energieagentur
Baden-Württemberg GmbH
hocheffizient, schadstoffarm und kann elektrische
Wirkungsgrade von bis zu 60 % erreichen. Damit sind
CO2-Einsparung gegenüber der getrennten Strom-
und Wärmeerzeugung von bis zu 40 % möglich.
Inzwischen bieten einige Hersteller zuverlässig Pro-
dukte an, die nicht mehr Platz benötigen als zwei
Kühlschränke.
Noch sind Investitionskosten hoch, aber die Kredit-
anstalt für Wiederaufbau (KfW) bietet derzeit hohe
Zuschüsse. Je nachdem welcher Anteil des Stroms im
Gebäude selbst genutzt werden kann, rechnet sich
die Investition teilweise schon in sieben Jahren. Gerade
für Gebäude mit hoher Strom-Grundlast ist eine Brenn-
stoffzelle heute schon sehr interessant.
Wollen Sie nicht auch mal prüfen lassen, ob sich
eine Brennstoffzelle für Sie lohnt?
3
Wasserstoff und Brennstoffzellen: Energieträger und -wandler
25
Prozent ist der Wert,
auf den die Bundesregierung
den Anteil der Strom-
erzeugung aus Kraft-Wärme-
Kopplung bis 2020
steigern will
©Bild: Lopolo/shutterstock.com
Heute verursachen die Erzeugung und Bereitstellung
von Strom und Wärme (ohne Prozesswärme)
ca. 65 Prozent der energiebedingten Emissionen.
04 4
Wasserstoff und Brennstoffzellen:
1 Energieträger und Wandler
Orientiert an den energie- und klimapolitischen Zielsetzungen der Bundes‑
regierung, u. a. einer Reduzierung der Treibhausgasemissionen um
80 – 95 Prozent bis zum Jahr 2050 (Basisjahr 1990), strebt die Landesregierung
Baden-Württemberg bis 2050 eine CO2-Minderung um 90 % an.
Zentrales Instrument zum Klimaschutz in Ba- Brennstoffzellen (BZ) sind elektrochemische
den-Württemberg ist das Integrierte Energie- Energiewandler, die Wasserstoff, Erdgas, Bio-
und Klimaschutzkonzept (IEKK), das landes- gas, Flüssiggas oder andere flüssige Kraftstoffe
weite Ziele zur Treibhausgasminderung festlegt. direkt in Strom und Wärme umwandeln. Sie
Eine wichtige Rolle hierbei spielt die weitere sind jedoch kein Energiespeicher, wie etwa eine
Steigerung der Energieeffizienz, vor allem bei Batterie, sondern benötigen eine externe Brenn-
der Strom- und Wärmeerzeugung. Heute verur- stoffversorgung (z. B. aus einem Brennstofftank
sachen die Erzeugung und Bereitstellung von oder einer angeschlossenen Gasleitung). Brenn-
Strom und Wärme (ohne Prozesswärme) ca. stoffzellen werden heute für mobile, stationäre
65 Prozent der energiebedingten Emissionen. oder portable Anwendungen entwickelt und
Mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) lässt sich der können vielfältig in unterschiedlichen Märkten
Gesamtwirkungsgrad der Stromerzeugung stei- eingesetzt werden.
gern, da auch die Abwärme des Kraftwerkes
genutzt wird. Die Bundesregierung plant, den Für die Zukunft wird ein stark wachsender
Anteil der Stromerzeugung aus Kraft-Wärme- Markt für Brennstoffzellenheizungen prognos-
Kopplung von ungefähr 15 Prozent im Jahr 2010 ti‑ziert: Laut dem Verband Deutscher Maschi-
auf mindestens 25 Prozent bis zum Jahr 2020 zu nen- und Anlagenbau e. V. (VDMA) wurden im
steigern. Jahr 2014 für kommerziell verfügbare Brenn-
stoffzellen-Heizgeräte Umsätze in Höhe von
Kleine KWK-Anlagen besitzen ein großes 70 Millionen Euro erzielt. Für das Jahr 2020
Potenzial zur Effizienzsteigerung in Ein- und erwarten die Hersteller einen Umsatz von
Mehrfamilienhäusern. Kleine Blockheizkraft- 1,8 Milliarden Euro [VDMA 2015].
werke (BHKW) können beispielsweise in
Wohngebäuden direkt Strom und Wärme
erzeugen und somit insbesondere alte konven-
tionelle Heizkessel ersetzen und den benö-
tigten Strombezug aus dem Netz reduzieren.
Mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) lässt sich der
Gesamtwirkungsgrad von Kraftwerken steigern,
da auch die Abwärme des Kraftwerkes genutzt wird.
5
Stationäre Brennstoffzellen: Technologien
In seiner Umsatzprognose geht der VDMA für Infrastruktur (BMVI), Wirtschaft und Energie
das Jahr 2020 von einem Anstieg auf 2 Mil- (BMWi), Bildung und Forschung (BMBF) sowie
liarden Euro in Deutschland aus. Optimistische Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicher-
Annahmen schätzen den globalen Markt für heit (BMUB) gemeinsam formulierten »Natio-
stationäre Brennstoffzellen auf bis zu 50 GW in nalen Innovationsprogramms Wasserstoff und
2020 [Pike 2013]. Brennstoffzellentechnologie« (NIP). Ergänzt
werden die Aktivitäten des NIP auf Ländere-
Langfristig werden fossile Brennstoffe ersetzt, bene. Zusätzlich hat die Europäische Kom-
um sowohl der Klimaerwärmung entgegenzu- mission und die Industrie über das gemein-
wirken als auch der zunehmenden Knappheit sam getragene »Fuel Cells and Hydrogen Joint
und den damit steigenden Preisen zu begegnen. Undertaking (FCH JU)« fast eine Milliarde
Der Zubau erneuerbarer Energien und die Erzeu- Euro im Zeitraum 2008–2013 des vergange-
gung von Wasserstoff, der Strom aus erneu- nen Rahmenprogramms FP7 bereitgestellt, um
erbaren Quellen in großen Mengen speichern die Marktfähigkeit von Wasserstoff- und Brenn-
und für eine breite Palette von Anwendun- stoffzellentechnologien zu unterstützen. Im
gen wieder zur Verfügung stellen kann, sind Nachfolgeprogramm FCH2JU unter Horizon
wichtige Elemente einer zukünftigen sicheren 2020 (2014–2020) wollen Industrie und Euro-
und nachhaltigen Energieversorgung. So kann päische Kommission gemeinsam weitere 1,33
Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen- Milliarden Euro investieren.
sowohl als Kraftstoff für den Verkehrssektor
wie auch als Zumischung oder Ersatz von Erd-
gas die Verbrennung fossiler Kohlenwasser-
stoffe (Öl, Erdgas, Kohle) reduzieren bzw.
vermeiden. Insbesondere in Brennstoffzellen
wird Wasserstoff sehr effizient in Strom und
Wärme umgewandelt. Die Bundesregierung un-
terstützt die Weiterentwicklung und Einfüh-
rung der Brennstoffzellentechnologien durch
gezielte Förderung im Rahmen des von den
Bundesministerien für Verkehr und digitale
Effizienzsteigerung durch
Kraft-Wärme-Kopplung
Bei der konventionellen Stromerzeugung und -bereit-
stellung werden 35 bis 60 Prozent der im Brennstoff
gepeicherten Energie als abgegebene elektrische
Energie zur Verfügung gestellt. Anfallende Wärme-
energie (>40 Prozent) bleibt bei der konventionellen
Stromerzeugung in Kraftwerken standardmäßig
ungenutzt. Die kombinierte Erzeugung und Nutzung
von Strom und Wärme bietet die Möglichkeit einer
Optimistische Annahmen schätzen den deutlichen Effizienzerhöhung. Blockheizkraftwerke
globalen Markt für stationäre Brennstoffzellen (BHKW) erreichen dabei Gesamtwirkungsgrade von
auf bis zu 50 GW im Jahre 2020. über 90 Prozent.
06 6
Stationäre Brennstoffzellen:
2 Technologien
Brennstoffzellen (BZ) sind hocheffiziente Ener- Aufbau zweier Brennstoffzellen
giewandler, die Wasserstoff (H2) oder Kohlen- Heizgerätehersteller setzen auf SOFC* und PEMFC**
wasserstoffe direkt in Strom und Wärme
umwandeln. Im Gegensatz zur konventionellen
Stromerzeugung, die dafür einen Umweg über
die Kraftstoffverbrennung und Umwandlung SOFC PEMFC
in Bewegungsenergie erfordert (z. B. mittels
Verbrennungsmotor oder Gasturbine), wird die
im Brennstoff gespeicherte Energie mithilfe
einer BZ elektrochemisch direkt in Gleichstrom
umgewandelt (siehe Abbildung unten).
Ähnlich wie bei einer Batterie besteht das Kern- Anode
stück einer Brennstoffzelle aus zwei Elektroden Elektrolyt
Kathode
(Anode und Kathode), die von einem Elektrolyt
getrennt werden. Im Gegensatz zur Batterie
wird bei der Brennstoffzelle jedoch der Brenn-
stoff kontinuierlich zugeführt, d.h. die Elektro-
lyten werden kontinuierlich versorgt. Mehrere
dieser Elektroden-Elektrolyt-Einheiten zusam-
*Solid Oxide Fuel Cell
mengeschaltet bzw. »gestapelt«, ergeben einen
**Proton Exchange Membrane Fuel Cell
Brennstoffzellen-Stack (englisch: Stack = Sta-
pel) (siehe Abbildung unten). Energieumwandlung - Stromerzeugung
Chemische Energie
des Brennstoffs Elektrische Energie
DIREKTE UMWANDLUNG
STROMGENERATOR
VERBRENNUNG
BRENNSTOFFZELLE
KONVENTIONELLE STROMERZEUGUNG
(Gasmotor, Gasturbinen)
INDIREKTE UMWANDLUNG
Thermische Energie Bewegungsenergie
Grundsätzlicher Aufbau einer Brennstoffzelle 7
Stationäre Brennstoffzellen: Technologien
Je nach Betriebstemperatur und Elektrolyt- gen die Ansprüche an Material und System
werden unterschiedliche Brennstoffzellen-Ty- (Beständigkeit, Temperaturregulierung, Last-
pen unterschieden. Grundsätzlich erhöht sich wechselverhalten, Systemkomplexität usw.). Die
die Toleranz gegenüber Verunreinigungen wie folgende Tabelle gibt einen Überblick über die
Kohlendioxid (CO2) oder Kohlenmonoxid (CO) verwendeten BZ-Typen, die anschließend de-
je höher die Betriebstemperatur ist. Dafür stei- tailliert erläutert werden.
Brennstoffzellen -Typen
Abkürzung Deutsche Bedeutung Typisch zugeführter Typische Betriebs-
Brennstoff temperatur
AFC Alkalische Brennstoffzelle Wasserstoff
1.000 °C
NT-PEMFC Niedertemperatur Wasserstoff
Polymer-Membran- Erdgas-Reformat 600
Brennstoffzelle oder
200
Protonenaustausch-
80
membran-Brennstoffzelle
DMFC Direkt-Methanol- Wasser-Methanol-Gemisch
~80°C
Brennstoffzelle
PAFC Phosphorsaure Erdgas-Reformat
Brennstoffzelle
1.000 °C
HT-PEMFC Hochtemperatur* Wasserstoff
Polymer-Membran- Methanol-Gemisch 600
Brennstoffzelle oder Erdgas-Reformat 200
Protonenaustausch- 80
Membran-Brennstoffzelle
~120 -200°C
MCFC Schmelzkarbonat- Erdgas
Brennstoffzelle
1.000 °C
SOFC Festoxid-Brennstoffzelle Erdgas 600
200
80
~600 -1.000°C
* Im Falle der PEM-Brennstoffzelle spricht man bei einer Betriebstemperatur über ~120 °C von einer „Hochtemperatur“-PEM BZ, auch wenn die
Betriebstemperatur maximal 200 °C beträgt. Im Vergleich zu anderen BZ, wie einer MCFC oder SOFC mit Betriebstemperaturen bis zu 600–1.000 °C,
müsste man genau genommen von einem »Mitteltemperaturbereich« sprechen. Diese Bezeichnung wird jedoch gewöhnlich nicht verwendet.
8
PEMFC PAFC
Polymer-Membran-Brennstoffzelle Phosphorsaure Brennstoffzelle
Während Unternehmen wie z. B. BAXI Inno- Einer der bekanntesten Anbieter kommerzieller
tech schon seit vielen Jahren NT-PEM-Brenn- PAFC-Systeme ist Doosan Fuel Cells America,
stoffzellensysteme für die Hausenergieversor- (ehemals UTC Power) aus Hartford, Connecti-
gung entwickeln und bereits über umfangrei- cut, USA. Das Unternehmen hat bereits mehrere
che Erfahrungen im Praxistest bei Privatkunden Hundert stationäre PAFC-Systeme ausgeliefert.
verfügen, werden erste erdgasversorgte NT- Mit dem 400 kWel-BZ-System »PureCell« bietet
PEM-Brennstoffzellensysteme von Viessmann Doosan ein kommerziell erhältliches BZ-System für
(Vitovalor 300-P) und HT-PEM-Brennstoffzellen- stationäre Industrie- und Gewerbeanwendungen
systeme von Elcore (Elcore2400) kommerziell an. Ein weiterer wichtiger Entwickler von PAFC-
zum Verkauf angeboten. Für die unterbrechungs- Systemen ist Fuji Electric, der in Kooperation mit
freie Stromvesorgung (USV) bzw Notstromver- der deutschen N2telligence GmbH PAFC-Sys-
sorgung arbeiten Unternehmen an mit Wasser- teme für Gewerbe und Industriekunden anbietet.
stoff oder Methanol versorgten PEM BZ-Syste- Die N2tellingence BZ-Anlage bietet durch eine
men in der Leistungsklasse bis 10 kWel. Anbieter Nutzung der sauerstoffarmen Kathodenluft der BZ
sind z. B. Acta Power, Ballard/Dantherm, Helio- zusätzlichen Brandschutz in geschützten Berei-
centris oder Horizon Fuel Cells. chen wie Rechenzentren (z. B. im Frankfurter
Rechenzentrum der Firma Equinix), Archiven,
Gefahrstofflagern, Telekommunikationsanlagen,
Tresorräumen oder Museen.
AFC
Alkalische Brennstoffzelle
Nur wenige Hersteller entwickeln heute AFC-Sys-
teme. Die britische AFC Energy plc ist ein etablier-
ter Entwickler von AFC-Systemen für industrielle
Anwendungen zur Strom-und Wärmeerzeugung.
Diese Systeme arbeiten bei einer Betriebstempe-
ratur von ~70 °C. In Zusammenarbeit mit Chemie-
unternehmen werden stationäre AFC-Systeme in
Europa entwickelt. Aktuelle Feldtests laufen z. B.
in Bitterfeld bei AkzoNobel oder im Rahmen des
EU-Förderprojektes POWER-UP in Stade.
* Behördenfahrzeuge haben häufig lange Standzeiten und müssen elektrische Verbraucher im Stillstand mit Strom versorgen. Das Anlassen
des Motors zur Batterieaufladung sollte vermieden werden, um die Flexibilität der Einsatzfahrzeuge zu erhöhen und z.B. bei verdeckten Er‑
mittlungen keine Aufmerksamkeit auf sich zu ziehen. Dabei muss die Stromquelle in einen PKW passen und sollte wenig bis keinerlei Signatur
erzeugen. All dies leistet eine Brennstoffzelle.
9
Stationäre Brennstoffzellen: Technologien
MCFC SOFC
Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle Festoxid-Brennstoffzelle
Einer der bedeutendsten Anbieter von stationären Heute entwickeln Hersteller verstärkt an SOFC-
MCFC-Systemen (0,3 bis 3 MWe) ist Fuel Cell En- Systemen. Für die Hausenergieversorgung sind
ergy, Danbury, Connecticut, USA. In Deutschland dies z. B. Bosch Thermotechnik /Aisin Seiki, SOL-
produziert das Tochterunternehmen Fuel Cell ID-power (vereint die früheren Anbieter Ceramic
Energy Solution GmbH mit Sitz in Dresden am Fuel Cells und SOFCpower), Ceres Power, Vaillant /
Standort Ottobrunn bei München. Ein weiterer Sunfire und Viessmann / HEXIS. Zu den Unterneh-
Hersteller von MCFC-Anlagen ist Ansaldo Fuel men, die an größeren Anlagen zur Versorgung
Cells, Teil des Finmeccanica-Konzerns in Italien. von gewerblichen und industriellen Anwendun-
gen (Erdgas, ~20–200 kWel) arbeiten, gehören z. B.
Bloom Energy, Convion Oy und Fuel Cell Energy.
DMFC
Direkt-Methanol-Brennstoffzelle
Wichtigster Anbieter für Direkt-Methanol-Brenn-
stoffzellen ist SFC Energy AG (SFC; ehemals
Smart Fuel Cells), das unter dem Namen »EFOY«
kommerzielle Systeme für den Campingbereich
anbietet. Daneben entwickelt SFC ein methanol-
betriebenes DMFC-System für die Notstromver-
sorgung. Auch für die Bordstromversorgung für
Behördenfahrzeuge* liefert SFC DMFC-Systeme.
Baden Württemberg informiert
über das Cluster Brennstoffzelle
Weiterführende Informationen und aktuelle Studien
zu Wasserstoff und Brennstoffzellen zum
Herunterladen über:
e-mobilbw.de/de/service/publikationen.html
10©Bild: Kaspars Grinvalds/shutterstock.com
Einsatzbereiche für
3 Stationäre Brennstoffzellen
Im Folgenden werden die Anwendungsfelder der Hausenergieversorgung zur
Strom- und Wärmeerzeugung, der Notstromversorgung bzw. unterbrechungs-
freien Stromversorgung (USV) und der industriellen Stromversorgung
vorgestellt sowie die Nutzung reinen Wasserstoffs zum Betrieb stationärer
Brennstoffzellen erläutert.
11Einsatzbereiche für Stationäre Brennstoffzellen
Hausenergieversorgung
3.1
mit Brennstoffzellen
Stationäre Brennstoffzellensysteme zur kom- Biogas möglich, und langfristig können sta-
binierten Erzeugung von Strom und Wärme tionäre Brennstoffzellen für die Hausenergie-
ersetzen klassische Heizungsanlagen in Ein- versorgung auch ohne Reformer direkt mit
und Mehrfamilienhäusern und tragen durch Wasserstoff betrieben werden (s. Kapitel 3.4).
die Stromeigenerzeugung dazu bei, den Strom-
bezug aus dem Stromnetz zu minimieren. Der Für den Markt der Hausenergieversorgung wer-
Nationale Entwicklungsplan [NEP 3.0] defi niert den, vor allem in Deutschland und Japan, erd-
für diesen Einsatzbereich einen typischen gasversorgte PEM- und SOFC-Brennstoffzellen-
Leistungsbereich der Brennstoffzellensysteme heizsysteme entwickelt. In Deutschland wurde
zwischen 1 und 5 kWel. die Markteinführung seit 2008 über das Leucht-
turmprojekt Callux vorbereitet. Seit August
Heute werden stationäre Brennstoffzellensys- 2016 ist eine Förderung über die Kreditanstalt
teme vor allem für eine Versorgung mit Erd- für Wiederaufbau (KfW) möglich (s. Kapitel 4.2).
gas entwickelt. Die bestehende Erdgas-
Infrastruktur wird weiter genutzt, konventio-
nelle Heizanlagen sind somit einfacher
ersetzbar (siehe Abbildung S. 14). Mittelfristig
ist auch der Betrieb von Brennstoffzellen mit
Bedarfsgerechte Energieerzeugung
Brennstoffzellenheizgerät im Wohngebäude
Strombedarf:
~4500 kWh/a Stromerzeugung Brennstoffzelle:
~4000–5500 kWh/a
Wärmebedarf:
15.000 -35.000 kWh/a Wärmeerzeugung:
Brennstoffzelle: 8000–11.000 kWh/a
Zusatzbrenner: Rest
Energiebedarf Gebäude: Energiebereitstellung Gerät:
Beispiel: Beispiel:
Einfamilienhaus, 4 Personen, Brennstoffzellen-Heizgerät
Bestand (140 kWh/m2 a), Galileo 1000 N, 4500–6000 h/a,
zentrale Warmwasserbereitung Kombi-Speicher 500 l
12Transparenz im Heizungskeller
Effizienzlabel für alte Heizkessel
A++
A+
A
B
C
D
E
Um Hauseigentümer auf ihre alten, ineffizienten Heizgeräte auf‑
merksam zu machen, hat der Gesetzgeber ab 2016 das Effizienzlabel
für Heizkessel eingeführt, die älter als 15 Jahre sind. Das Label,
das bereits von Hausgeräten bekannt ist, weist Effizienzklassen
von G bis A++ aus.
Laut Bundesministerium für Wirtschaft und Insbesondere für die Betreiber veralteter Gas-
Quelle: Pressemitteilung vom 08.03.2016 der Initiative Brennstoffzelle
Energie sind über 70 Prozent der installier- heizungen und bei vorhandenem Erdgasan-
ten Anlagen ineffizient und würden nur die schluss bietet sich der Umstieg auf eine Erd-
Effizienzklassen C, D oder E erreichen. Neue gastechnologie mit der Einstufung A++ an. Mit
Heiztechnik wie Brennstoffzellengeräte erzeu- der Einführung des Effizienzlabels für Altkessel
gen Wärme und Strom im Haus und erhalten die wird ein neues Heizsystem auf Basis von Erd-
beste Einstufung von A++. gas und Brennstoffzellen angeboten, das die
Höchsteinstufung erzielt. Zahlreiche Hersteller
Für das Heizgerät im Neubau ist der Ausweis haben die in vielen Praxistests erprobte Brenn-
der Effizienzklasse bereits Pflicht. Im Gebäude- stoffzellentechnologie im Programm und einige
bestand wird das Effizienzlabel nun stufen- Energieversorger bieten Komplettpakete über
weise eingeführt: Freiwillig im Jahr 2016, Contracting-Angebote an.
aber ab 2017 werden Schornsteinfeger Geräte
ohne Effizienzlabel kennzeichnen. Heizungs-
installateure, Schornsteinfeger und bestimmte
Energieberater sind berechtigt, das entsprech-
ende Etikett auf den Heizkesseln anzubringen.
13Einsatzbereiche für Stationäre Brennstoffzellen 14
15
Einsatzbereiche für Stationäre Brennstoffzellen
Notstromversorgung und unterbrechungsfreie
3.2
Stromversorgung mit Brennstoffzellen
Der Markt der Notstromversorgung bzw. der un- Stationäre Brennstoffzellen können grundsätzlich
terbrechungsfreien Stromversorgung (USV; auch beide Anwendungsfelder bedienen. Der typische
UPS –Uninterruptible Power Supply) gewinnt Leistungsbereich startet bei einigen kW und vari-
zunehmend an Bedeutung. Wichtige Anwendungs- iert applikationsabhängig. Im oberen Leistungs-
felder sind z. B. Krankenhäuser, Feuerwehr, Tech‑ spektrum gibt es einen Überschneidungsbereich
nisches Hilfswerk, Bundeswehr, Sicherheitsbehör‑ zu industriellen Anwendungen und Entwicklun-
den, Telekommunikation (DSL-Stationen, Mobil‑ gen. Als Brennstoff für USV-Anwendungen dienen
funkzentren), Behördenfunk (BOS-Net, TETRA), Wasserstoff, Methanol, Erdgas und Flüssiggas. Ent-
Rechenzentren, Verkehrsleittechnik (Straßenver‑ wickelt werden in Deutschland Systeme auf Basis
kehr, Luftverkehr, Bahn usw.), Brennstoffversor‑ von PEMBZ und DMFC.
gung (z. B.Pumpen bei Tankstellen) oder Prozesse
in der Le‑bensmittelversorgung (z. B. Kühlung). Es Im Rahmen der Marktvorbereitung förderten
gibt zwei typische Anwendungsfelder: BMVI und BMWi im Zeitraum von 2011 bis 2016 die
Entwicklung von Brennstoffzellensystemen für
Netzersatzanlagen für die Notstromversorgung Notstromversorgung bzw. USV mit über 64 Mil-
von Anlagen oder Liegenschaften werden lionen Euro.
zur Aufrechterhaltung des Betriebs bei längeren
Netzausfällen eingesetzt. Die Übernahme
Das Potenzial für den Einsatz von BZ in der Tele-
der Netzversorgung erfolgt dabei in der Regel
kommunikationstechnik liegt geschätzt weltweit
nicht unterbrechungsfrei.
bei über 4,5 Millionen Basisstationen. Das Wachs-
tum in diesem Bereich wird auf über 10 Prozent
Unterbrechungsfreie Stromversorgungen
pro Jahr geschätzt [Clean Power Net 2015].
(USV) werden zum Schutz hochsensibler tech‑
nischer Systeme wie z. B. Großrechner,
Server und Telefonanlagen gegen Netzschwan-
kungen und kurzfristige Netzausfälle einge‑
setzt und gewährleisten einen störungsfreien
Betrieb. USV-Anlagen sind gewöhnlich für
eine kurze Überbrückungszeit dimensioniert,
während technische Systeme in einen sicheren
Betriebszustand zurückgefahren werden Vorteile der Notstromversorgung
oder eine Notstromversorgung die weitere Strom-
versorgung übernimmt. Die Notstromversorgung mit Brennstoffzellen
bietet gegenüber aufladbaren Batterien (Akkumula-
toren) und Dieselgeneratoren Vorteile:
eine längere Autonomiezeit und Skalierbarkeit der
Autonomiezeit durch die Gasversorgung
deutlich längere Lebensdauer (bis zu 10 Jahren)
breiterer Bereich an Betriebsbedingungen
geringere Gesamtbetriebskosten (»total cost of
Quelle: NEP 3.0
ownership«)
höhere Betriebszuverlässigkeit
leise, emissionsfreie Stromerzeugung
163.3 Stationäre Anlagen für Industrie und Gewerbe
Funktionsprinzip QuattroGeneration
Strom
Brandschutz
BRENNSTOFFZELLE
GESCHÜTZTER
BEREICH
Wärme
Klimakälte
Die dezentrale Stromversorgung, insbesondere Der Nationale Entwicklungsplan für stationäre
von Industrieanlagen und Gewerbe, stellt einen Industrieanwendungen (NEP 3.0) umfasst auch die
rasch wachsenden Markt dar. Der NEP 3.0 schätzt Nutzung von SOFC und HT-PEM-Brennstoffzellen
das europäische Marktpotenzial für industrielle zur Erzeugung von Wärme und Strom für Neben-
Brennstoffzellenanlagen (Leistungsbereich >5 kW) aggregate auf Seeschiffen. Dabei spielt der zuneh-
auf über 1 GWe pro Jahr. Die kombinierte Erzeu- mende Einsatz von Erdgas als Schiffsbrennstoff
gung von Strom, Wärme und Kälte ermöglicht Ge- eine wichtige Rolle. Modulare Brennstoffzellen-
samtwirkungsgrade von über 90 Prozent. einheiten auf Schiffen lassen zukünftig eine hohe
Synergie zu den oben beschriebenen industriellen
Anwendungsfeldern erwarten. Typische Leis‑
tungsbereiche hierfür variieren von einigen
10 kWel bis zu wenigen MWel.
17Einsatzbereiche für Stationäre Brennstoffzellen
Quattro-Generation BZ-Anlagen in Affalterbach
STROM
WÄRME
ERDGAS
KLIMAKÄLTE
Quelle: N2Intelligence
BRANDSCHUTZ
Ein weiteres Einsatzfeld bildet die Stromerzeu-
gung in netzfernen Gebieten, die über keinen
Stromnetzanschluss verfügen bzw. für die ein
Anschluss nicht wirtschaftlich oder technisch
Tri-Generation
Normalerweise werden Brennstoffzellen-BHKW zur
realisierbar ist.
Produktion von Strom und Wärme eingesetzt. Bei
ausreichend hohen Abwärmetemperaturen, wie sie
Brennstoffzellensysteme können hier beispiels-
z. B. bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen entstehen,
weise Dieselgeneratoren ersetzen, geräuscharm
wird zusätzlich über Absorptionskältemaschinen
und emissionsfrei. In manchen Schwellenlän- Kälte erzeugt und bereitgestellt. Weil somit drei kom-
dern werden wasserstoffbetriebene Brenn- merziell nutzbare Produkte erzeugt werden, spricht
stoffzellensysteme auch eingesetzt, um den man dabei von »Tri-Generation«.
Diebstahl von Diesel zu unterbinden, was bei
klassischen Stromgeneratoren immer wieder
vorkommt. Quattro-Generation
Die sauerstoffarme Kathodenabluft von Brenn-
Weltweit werden für den Markt der dezentralen
stoffzellensystemen sorgt für eine Erhöhung des
Stromversorgung, der industriellen Kraft-Wär- Brandschutzes durch Sauerstoffreduzierung. Da der
me-Kopplung, der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung präventive Brandschutz für z. B. Rechenzentren oder
(KWKK oder auch Tri-Generation) SOFC, MCFC, Tiefkühllager mit hohem energetischem Aufwand
PAFC, Hoch- und Niedertemperatur-PEM-Brenn- verbunden ist, ist dies ein interessanter Anwendungs-
stoffzellen entwickelt. markt für Brennstoffzellen. Wo diese zusätzliche
Funktion eingesetzt werden kann, spricht man daher
auch von »Quattro-Generation«
(siehe Abbildung S. 17).
18Einsatz von Rein-Wasserstoff in stationären
3.4
Brennstoffzellenanwendungen
Die Nutzung von Reinwasserstoff für stationäre Wasserstoff heute verbrannt, um diese Wärme
Anwendungen bietet bereits heute Möglichkei- als Prozesswärme weiterzuverwenden oder um
ten zur kostengünstigen Strom- und Wärmeer- kein Sicherheitsrisiko einzugehen. Die Nutzu-
zeugung. Nicht genutzter Wasserstoff, der als ng des Wasserstoffpotenzials zur Strom- und
Nebenprodukt in der chemischen Industrie Wärmeerzeugung in Brennstoffzellen eröffnet
beispielsweise bei der Chlorgas-Produktion einen Einstiegsmarkt für die effizienten Energi-
anfällt, wird mithilfe von Brennstoffzellen ewandler.
effektiv in Strom und Wärme umgewandelt.
Bei ausreichend großen Produktionsmengen Entsprechende Einsatzmöglichkeiten wurden
könnten ausgewählte Gebiete und Regionen weltweit bereits in mehreren Anlagen erprobt.
großflächig mit Wasserstoffleitungen versorgt In Frankfurt am Main werden zum Beispiel bei
werden. Die Umrüstung von Erdgasleitungen Infraserv Höchst 30–50 Millionen Nm³/a Wass-
zur Nutzung von Reinwasserstoff könnte so in erstoff als Nebenprodukt erzeugt (vgl. Abbildung
Zukunft neue Möglichkeiten zur stationären rechts). Dies entspricht einem Energiegehalt
Strom- und Wärmeerzeugung aus Wasserstoff von 90–150 GWh, d.h. der Wochenproduktion
eröffnen. an Strom eines Großkraftwerks. Im Rahmen
des EU-geförderten Projekts »ZeroRegio« (2004–
Reiner Wasserstoff wird in einer Energiever- 2010) wurde hier eine 100-MPa-Wasserstoffpipe-
sorgung der Zukunft aus Strom erzeugt werden, line zur Versorgung einer Wasserstofftankstelle
welcher vorwiegend als erneuerbarer Über‑ erprobt , die heute noch in Betrieb ist.
schussstrom zur Verfügung steht. Aufgrund der
guten Speicherbarkeit kann dieser Wasserstoff Ein weiteres Beispiel ist der Chemiestandort
im Bedarfsfall zur ausgleichenden Strom- und Bitterfeld. Die Firma AFC Energy erprobt dort
Wärmeerzeugung in Brennstoffzellensystemen eine AFC-Brennstoffzellenanlage zur Nutzung
dienen. überschüssigen Reinwasserstoffs aus der Chlor-
gasproduktion.
Das Potenzial von Nebenprodukt-Wasserstoff
aus chemischen Prozessen umfasst in Deutsch‑
land schätzungsweise 800–1.000 Millionen Nm³
pro Jahr (~2,5–3 TWh/Jahr). Meist wird dieser
19Einsatzbereiche für Stationäre Brennstoffzellen
Potenzialabschätzung von chemischem Nebenproduktwasserstoff
in Deutschland in Mio. Nm³/Jahr (Millionen Normkubikmeter pro
Jahr) [LBST 1999]
Hamburg Mio. Nm³/Jahr
37,6 ICI, Wilhelmshaven
17,2 Bayer, Brunsbüttel
260 Dow, Stade
Berlin (35 Mio. m3)
Hannover 28,8 Elektrochemie Ibb,
Ibbenbüren
62,1 Solvay, Rheinberg
50 Bayer, Krefeld
Kassel Leipzig
Köln 86,1 Bayer, Dormagen
85,4 Bayer, Leverkusen
118 Air Products, ECE,
Degussa, Köln
43,4 Hoechst, Hürth
Frankfurt
30–50 Hoechst-Infraserv,
Wiesbaden
Frankfurt am Main
Darmstadt
78,1 BASF,
Ludwigshafen
16,1 Hoechst,
Gersthofen
Stuttgart
57,7 Buna AG, Schkopau
33,9 Chemie AG,
München Bitterfeld
45,3 Wacker, Burghausen
20,8 Hoechst, Gendorf
20Rozenburg
NETHERLANDS Marl
Bergen op Zoom Oberhausen Herne
Terneuzen Antwerp
Zeebrugge
Ghent Genk
Dunkirk
Duisburg
Brussels
GERMANY
Düsseldorf
Mons Feluy
Lille
Charleroi Leverkusen
Waziers
Maubeuge
FRANCE BELGIUM
Hydrogen and/or Hydrogen source
carbon monoxide facility
Hydrogen Hydrogen/unused
In den Niederlanden installierte der Brenn- Das dänische Gas Technologie Zentrum (DTG) er-
stoffzellenhersteller Nedstack bei AkzoNobel forscht die Umrüstung von Erdgasleitungen auf
eine 70-kWel-PEMBZ-Pilotanlage zur stationä‑ Wasserstoffbetrieb. Dabei gilt es, Leckagen und
ren Strom- und Wärmeerzeugung mittels Rein- Materialversprödungen zu untersuchen bzw. zu
wasserstoff aus einer Chlorgasanlage. Nach vermeiden und erforderliche Anpassungen sonsti-
positiven Erfahrungen wurde bereits Ende 2011 ger Armaturen (z. B. Gaszähler, Absperrventile) zu
eine stationäre PEMBZ-Anlage bestehend aus analysieren. Seit 2009 werden drei lokale Wasser-
12.600 PEM-Brennstoffzellen mit insgesamt 1 stoff-Leitungsnetze betrieben. Ein Beispiel hierfür
MWe Leistung in Belgien installiert. ist das Dorf Vestenskov in Lolland, Dänemark, das
als weltweit erste Wasserstoff-Kommune ein eu-
In den USA erprobt die Firma Ballard erste ropäisches Beispiel für einen weiteren Umstieg
PEMBZ-Anlagen der Reihe „CLEARgen“ mit auf Wasserstoff als Energieträger und -speicher
jeweils 1 MWe. Bereits heute verfügt die chemi- zum Ersatz von Kohlenwasserstoffen ist. Lollands
sche Industrie über umfangreiche Erfahrun- Windturbinen erzeugen 50 Prozent mehr Strom,
gen beim Betrieb von Wasserstoffpipelines. als benötigt wird. Der Stromüberschuss wird in
In Europa befinden sich ca. 1.600 km Wasser- Form von Wasserstoff gespeichert, mit dem über
stoffpipelines. Die längste H2-Druckleitung Stahlrohre 30 Haushalte versorgt werden.
(10 MPa) verläuft über eine Länge von ungefähr
1.000 km in Teilen Frankreichs, in Belgien und Der Grundgedanke bei dieser Anwendung ist die
den Niederlanden (siehe Abbildung Seite 18). In autarke Energieversorgung ohne fossile Brenn-
Deutschland existieren Wasserstoffleitungen stoffe und Anschluss an ein Stromnetz. In einer
seit vielen Jahrzehnten vor allem im Ruhrge- Strom-Insel kann erneuerbarer Strom, beispiels-
biet (~240 km, 1–3 MPa) und in der Region Leip- weise aus Photovoltaik- und Windkraftanlagen,
zig (Merseburg–Leuna–Bitterfeld–Dessau, ~100 der zum Zeitpunkt der Erzeugung nicht direkt
km, 2–2,5 MPa). Ferner gibt es kleinere H2-Pipe- genutzt wird, mittels Elekrolyse in Wasserstoff
lines in Norddeutschland, z. B. Brunsbüttel– gewandelt und gespeichert werden. Bei Strom-
Heide (34 km Länge, max. 4,5 MPa Druck). mangel können Brennstoffzellen aus dem ge-
speicherten Wasserstoff wieder Strom und Wärme
erzeugen.
21Marktvorbereitung
1,5
Tausend BZ-Systeme
werden zur Zeit in Deutsch-
land und Europa in Ein-
und Mehrfamilienhäusern
betrieben.
©Bild: Andrey_Popov/shutterstock.com
224 Marktvorbereitung
4.1 Demonstrationsprojekte
In den letzten Jahren wurden in Europa zuneh- Für 2020 sieht der Nationale Entwicklungsplan
mend stationäre Brennstoffzellen für die Haus- (NEP) die breite Markteinführung von stationären
energieversorgung in Privathaushalten installiert Brennstoffzellen in Deutschland mit einer jähr-
und erprobt. Allein in den beiden großen Demon- lichen Geräteproduktion von über 70.000 Stück
strationsprojekten »Callux« und »ene.field« wurden vor. Seit August 2016 unterstützt das Bundesmin-
in Deutschland bis 2016 bzw. in Europa bis 2017 isterium für Wirtschaft und Energie (BMWi) den
zusammen über 1.500 BZ-Systeme in Ein- und Einbau von Brennstoffzellen-Heizungen mit ei-
Mehrfamilienhäusern betrieben. Mittlerweile sind nem attraktiven Zuschuss. Darüber hinaus unter-
die ersten stationären Brennstoffzellen, insbe- stützen Energieversorger im Rahmen von regio-
sondere für die Hausenergieversorgung, bei Her‑ nalen privatwirtschaftlichen Förderprogrammen
stellern kommerziell verfügbar . die Einführungen der BZ-Heizgeräte.
Callux Praxistest für stationäre Cleargen Demo –
BZ Heizgeräte in Deutschland EU-Demonstrationsprojekt
Im bundesweit größten Praxistest von Brennstoff- Ziel des von der Fuel Cells and Hydrogen Joint
zellenheizsystemen für Ein- und Mehrfamilien- Undertaking (FCH JU) geförderten Projekts ist
häuser im Rahmen des Callux-Projektes wurden die Entwicklung und Demonstration eines 1 MWel-
zwischen 2008 und Ende 2014 ca. 500 Brennstoff‑ PEMBZ-Systems. Dabei soll überschüssiger Was‑
zellenheizgeräte installiert. Die BZ-Anlagen er‑ serstoff aus der Chemieindustrie in Bordeaux als
reichten eine Verfügbarkeit von > 97 Prozent und Brennstoff dienen. Projektpartner sind Dantherm
eine Stack-Lebensdauer von über 20.000 Stunden. Power AS (DK) (Tochter des kanadischen Brenn‑
In den über fünf Millionen Betriebsstunden wurde stoffzellenentwicklers Ballard Power System),
den Anlagen die für die Markteinführung notwen‑ Hydrogene de France (F), Aquipac SAS (F), Jema
dige Langlebigkeit attestiert. Das vom Bundes‑ Energy SA (E), Centre National de la Recherche
ministerium für Verkehr und Digitale Infrastruktur Scientifique (F), Loagn Energy Ltd. (GB), Linde Has
(BMVI) geförderte und von der NOW GmbH ko‑ Magyarorszag Zartkouen Mukodo Reszvenytar‑
ordinierte Projekt hatte ein Gesamtvolumen von sasag (H) und Budapesti Muszaki es Gazdasagtu-
75 Millionen Euro. domanyi Egyetem (H). Das Projekt läuft von 2012
bis Ende 2019.
www.now-gmbh.de
23Marktvorbereitung
ene.field – Cistem –
EU-Demonstrationsprojekt EU-Demonstrationsprojekt
Im Rahmen des EU-geförderten Demonstrations- Das CISTEM-Projekt (Construction of Improved
projekts ene.field wurden in zwölf europäischen HT-PEM MEAs and Stacks for Long Term Stable
Mitgliedsstaaten insgesamt rund 1.000 SOFC und Modular CHP Units) hat das Ziel, Hochtempera-
PEM-Brennstoffzellengeräte in Gebäuden instal- tur-PEM-Brennstoffzellen mit Betriebstempera-
liert. Das ene.field-Projekt mit Laufzeit 2012–2017 turen zwischen 140 und 180 °C für die Kraft-
gilt als partnerschaftliches Vorzeigeprojekt zur Wärme-Kopplung weiterzuentwickeln und zu
Vermarktung stationärer Brennstoffzellenheiz‑ testen. Dazu wird ein 100 kWel-BZ-KWK-System
geräte im Mikro-KWK-Bereich: Mit der Unter- demonstriert, bestehend aus Einzelmodulen mit
stützung von über 30 Versorgungsunternehmen, je zwei 4-kWel-Stacks und einem Reformer. Der
Wohnungsbaugesellschaften und Gemeinden er- Gesamtwirkungsgrad soll bei über 95 Prozent und
möglicht das EU-Projekt, Einblick in die Installa- der elektrische Wirkungsgrad bei mindestens
tion und Wartung einer Vielzahl von Brennstoffzel- 45 Prozent liegen. Das KWK-System soll zudem fle-
lenheizgeräten bei unterschiedlichen Kunden xibel mit Brennstoff versorgt werden können,
zu gewinnen. Teilnehmende Staaten sind Belgien, d. h. sowohl mit Erdgas als auch mit reinem Was-
Dänemark, Deutschland, Großbritannien, Frank- serstoff (H2) und Sauerstoff aus Elektrolyseanlagen,
reich, Luxemburg, Irland, Italien, Niederlande, um beispielsweise erneuerbaren Strom aus Wind-
Österreich, Slowenien und Spanien. Die BZ-Heiz‑ energie in Form von Wasserstoff zu nutzen. Vor-
geräte werden von Bosch Thermotechnik, Ceres gesehen ist, die vom BZ-System erzeugte Wärme in
Power, Elcore, HEXIS, RBZ, SenerTec/BAXI Inno- ein Fernwärmenetz einzuspeisen. Projektpartner
tech, SOLIDpower, Vaillant und Viessman geliefert. sind neben Danish Power Systems (DK) (MEA-En-
twicklung), Inhouse engineering (D) (BZ-Systeme)
und Eisenhuth GmbH & Co. KG (D) (Bipolarplatten),
ICI CALDAIE S.p.A. (KWK-System) (I), Next Energy –
Thüga Feldtest EWE Forschungszentrum (D), Oel-Waerme-Insti-
tut (D), University of Castilla-La Mancha (E) sowie
Seit Frühjahr 2013 prüften sieben Unternehmen University of Chemistry and Technology Prague
der Thüga-Gruppe in einem Feldtest ein Jahr lang (CZ). Das Projekt lief von Juni 2013 bis Juni 2016.
den Einsatz von Brennstoffzellen in Einfamilien-
häusern. In Partnerschaft mit der Firma Elcore www.project-cistem.eu
sind Brennstoffzellen des Typs Elcore 2400 bei
Kunden von Stadtwerken aus der Thüga-Gruppe
im gesamten Bundesgebiet im Einsatz, darunter
auch bei der ESWE in Wiesbaden. Ein Jahr lang
testeten die Unternehmen, wie viel Strom und
Wärme die Anlage zur Gesamtversorgung eines
Einfamilienhaushalts liefert.
24Power Up – Soft-Pact –
Eu-Demonstrationsprojekt Eu-Demonstrationsprojekt
In dem 5-Jahres-Demonstrationsprojekt (2013– Im Rahmen des von der Fuel Cells and Hydrogen
2017), das im Rahmen der FCH JU gefördert wird, Joint Undertaking (FCH JU) geförderten Demons-
wird ein 500 kWel-KWK-System, bestehend aus trationsprojekts SOFT-PACT (Solid Oxide Fuel
alkalischen Brennstoffzellen der Firma AFC En- Cell micro-CHP Field Trials) wurden zwischen
ergy (UK), hergestellt und getestet. Als Brennstoff Juli 2011 und Juli 2015 65 SOFC-Anlagen der
dient Industriewasserstoff, der als Nebenprodukt Firma CFC (heute SOLIDPower) in den Niederlan-
in Industrieanlagen der Firma DOW in Nieder- den, Großbritannien und Deutschland installiert
sachsen anfällt. Weitere Projektpartner sind G.B. und getestet. Weitere Projektpartner waren E.ON
Innomech Ltd. (UK), Zentrum für Brennstoffzel- (Energieversorger), Ideal (Hersteller von Heizungs-
len-Technik GmbH (D), Paul-Scherrer-Institut (CH) anlagen) und HOMA (Software). Ziel des Projektes
und FAST – Federazione delle Associazione Scien- war auch die Weiterentwicklung der CFC-Systeme
tifiche e Techniche (IT). und -Komponenten sowie die Sammlung von Be-
triebsdaten aus realen Tests.
www.project-power-up.eu
www.soft-pact.eu
©Bild: VH-studio/shutterstock.com
25Marktvorbereitung
4.2 Förderung von KWK-Anlagen
Seit Juli 2017 können sowohl Hausbesitzer als Dazu muss das System in die Wärme- und Strom-
auch kleine und mittlere Unternehmen (KMU) versorgung des Gebäudes einbezogen werden. Der
bei der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) Zuschuss setzt sich aus einem Grundbetrag in
einen Zuschuss für den Einbau eines Brenn- Höhe von 5.700 Euro und einem leistungsabhängi-
stoffzellenheizgerätes beantragen. Das KfW-För- gen Betrag von 450 Euro pro angefangener 100 We
derprogramm 433 (»Energieeffizientes Bauen und zusammen. Der Zuschuss ist mit den KWKG-Zula-
Sanieren – Zuschuss Brennstoffzelle«) ist das gen kombinierbar.
jüngste Paket aus dem Anreizprogramm Ener-
gieeffizienz (APEE) des Bundesministeriums für
www.kfW.de/433
Wirtschaft und Energie (BMWi), welches bereits
Anfang 2016 startete. Gefördert werden Anlagen
bis 5 kWel in Wohn- und Nichtwohngebäuden.
Fördermöglichkeiten für KWK‑
Anlagen >5 kWel bestehen durch
die BHKW-Begleitberatung.
www.klimaschutz-plus.
baden-wuerttemberg.de
Erfolgreiche Förderpolitik in Japan:
Ene.farm
Unter der Koordination und Förderung der halbstaatlichen Ein-
richtung »New Energy and Industrial Technology Development
Organziation« (NEDO) wurden in dem Programm »Ene.farm«
zwischen 2009 und Anfang 2015 über 100.000 gasversorgte
PEM- und SOFC-Systeme für die Hausenergieversorgung in
Japan installiert und gefördert. In diesem Zeitraum ließen
sich die BZ-System-Preise für die Kunden auf 1,5 Millionen
Japanische Yen (ca. 11.000 Euro) halbieren. Bis Ende 2016 ist
eine nochmalige Halbierung vorgesehen. Ziel ist es, bis 2020
kumuliert 1,4 Millionen und bis 2030 5,3 Millionen BZ-Heiz-
geräte in Japan zu verkaufen [Tobe 2015]. Durch die langjährige,
konsequente und zielgerichtete Förderung der BZ-Technik
konnten japanische BZ-Hersteller mit ihren Systemen die tech-
nische Marktreife erlangen, die BZ-System-Kosten kontinuierlich
senken und mit einer Serienfertigung und Massenproduktion
beginnen.
26Für jede Kilowattstunde gibt es Geld vom Staat –
Wenn die Heizung Strom erzeugt
Sparen mit der Brennstoffzelle
Für jede Kilowattstunde erzeugten Stroms gibt es Geld vom Staat
4 Cent/kWh für Strom
der selber verbraucht wird
Brennstoff-
zellengerät 8 Cent/kWh für Strom
erzeugt Wärme der ins Netz eingespeist wird
und Strom zuzügl. ca. 3,2 Cent/kWh
(Einspeisevergütung gemäß Marktpreis)
»Hauseigentümer und Bauherren haben heutzutage die Wahl: Installieren
sie eine Heizung, die nur Wärme und Warmwasser produziert, oder
eine, die zusätzlich auch Strom erzeugt? Anlagen, die nach dem Prinzip
der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) arbeiten, liefern immer zugleich
Wärme und Strom.
Aufgrund der hohen Effizienz dieser Technolo- lich etwa 100 Euro beträgt. Grundsätzlich spa‑
gie unterstützt der Gesetzgeber jeden, der KWK ren Hauseigentümer, die ihren Strom selbst
nutzt, mit einem Zuschlag auf jede erzeugte verbrauchen, einen großen Teil der Strom-
Kilowattstunde Strom. Dieser KWK-Zuschlag kosten, die durch den gelieferten Strom anfallen
wird sowohl gezahlt, wenn der Strom selbst würden. Zum Vergleich: Laut Bundesverband
verbraucht wird, als auch bei Einspeisung ins der Energie- und Wasserwirtschaft beträgt der Quelle: Pressemitteilung der Initiative Brennstoffzelle vom 10.05.2016
Netz. Der Gesetzgeber hat vorgesehen, dass bis durchschnittliche Strompreis für Haushalte
zu 60.000 Vollbenutzungsstunden der Eigenver- 28,69 Cent pro Kilowattstunde. Voraussetzung
brauch von KWK-Strom mit 4 Cent und die Lie- für die Installation einer Brennstoffzelle ist ein
ferung ins Netz mit 8 Cent pro Kilowattstunde vorhandener Erdgasanschluss. Die Anlagen
honoriert wird. gibt es als Vollheizsysteme und als Beistell-
geräte. Diese lassen sich mit dem vorhandenen
Wer seinen Strom abgibt, bekommt zudem eine Wärmeerzeuger kombinieren. Beide Anlagen-
Einspeisevergütung, die sich an marktübli- typen sind sowohl für den Gebäudebestand als
chen Handelspreisen an der Leipziger Strom- auch den Neubau geeignet.
börse orientiert. Wer zum Beispiel mit seinem
Brennstoffzellenheizgerät im Jahr 7.500 Kilo-
wattstunden Strom produziert und zwei Drit-
tel davon selbst verbraucht, erhält über den
KWK-Zuschlag 400 Euro vom Staat sowie die
Einspeisevergütung, die in diesem Fall zusätz-
27Unternehmens- und Entwicklungsschwerpunkte
©Bild: Arman Zhenikeyev/shutterstock.com
Unternehmens- und
5 Entwicklungsschwerpunkte
Heute entwickeln und erproben eine Vielzahl von Unternehmen Brennstoff-
zellensysteme für stationäre Anwendungen. Während einige Unternehmen
noch Systeme im Rahmen von Demonstrationsprojekten erproben und weiter-
entwickeln, bieten erste Unternehmen BZ-Geräte zum Kauf an.
BZ-Systeme weisen heute bereits die technische Eine Möglichkeit stellt hier die Kooperation mit
Zuverlässigkeit und Eignung auf und können aus japanischen Herstellern dar. Einige Hersteller pro-
technischer Sicht mit konventionellen Syste- duzieren jährlich über 30.000 BZ-Systeme für den
men konkurrieren. Gegenüber konventionellen japanischen Markt. Dadurch können die Produk-
motorischen KWK-Anlagen erreichen die BZ-Sys- tionskosten für das BZ-System deutlich reduziert
teme auch einen höheren Wirkungsgrad. Jedoch werden.
erschweren die relativ hohen Technologiekosten
eine schnelle Marktdurchdringung. Im Folgenden werden in alphabetischer Reihenfol-
ge Unternehmen mit unterschiedlichen Entwick-
Wichtig für die weitere Kommerzialisierung dieser lungsschwerpunkten hinsichtlich der Brenn‑
Technologie ist die Kostenreduktion durch die Se- stoffzellentechnologie bzw. der Anwendung kurz
rienfertigung und der Absatz großer Stückzahlen. vorgestellt.
28Acta S.p.A. entwickelt Ballard PEMBZ-Systeme in der MW-
Klasse. In Europa bietet Ballard im Bereich sta-
Das italienische Unternehmen Acta S.p.A. bietet
tionäre Anwendungen u. a. über das dänische
unter dem Namen ACTA POWER Brennstoffzellen-
Tochterunternehmen Dantherm Power PEM-
systeme mit Leistungen von 2 kWel oder 4 kWel an.
BZ-Systeme an.
Das System verfügt über einen Elektrolyseur und
einen Wasserstoffspeicher. www.ballard.com
www.dantherm-power.com
www.actaspa.com
Bloom Energy
AFC Energy
Das US-Unternehmen mit Sitz in Kalifornien
Das britische Unternehmen AFC Energy ist auf bietet erdgasversorgte SOFC-Systeme für die wei-
die Entwicklung alkalischer Brennstoffzellen mit testgehend netzstromunabhängige Versorgung
Luftsauerstoff spezialisiert. Aktuelle Feldtests mit von industriellen und gewerblichen Anlagen und
der Nutzung von überschüssigem Reinwasser- Bürogebäuden an. Sogenannte »Energy Server« in
stoff aus der Chlorgasproduktion finden u. a. in der Leistungsklasse 200 bis 250 kWel basieren auf
Bitterfeld und im Rahmen des EU-Förderprojektes 50 kWel-BZ-Modulen.
POWER-UP in Stade statt. Weitere Entwicklungen
laufen mit Partnern in Südkorea. www.bloomenergy.com
www.afcenergy.com
Bosch Thermotechnik GmbH
Das im hessischen Wetzlar ansässige Unterneh-
Air Liquide
men der Bosch-Gruppe, zu der seit 2007 auch
Air Liquide Advanced Business (Air Liquide Ad- Buderus gehört, entwickelt SOFC-Systeme für
vanced Business, AXANE, HyPulsion) mit Sitz die Hausenergieversorgung. Im Rahmen des Pro-
in Grenoble, Frankreich, entwickelt wasserstoff- jektes »ene.field.eu« erprobt Bosch Thermotechnik
betriebene NT-PEM-Brennstoffzellensysteme im 70 Mikro-KWK-Heizsysteme. Bosch Thermotech-
Leistungsbereich von 0,5 bis 10 kWel (u. a. Not- nik arbeitet mit dem japanischen Unternehmen
stromgerät). Aisin Seiki zusammen. Das SOFC-Brennstoffzel-
lenheizgerät wird sowohl unter der Marke Buderus
www.airliquideadvancedbusiness.com
(unter der Bezeichnung LOGAPOWER FC10) als
auch der Marke Junkers (mit Namen CERAPOW-
ER) angeboten.
Ballard Power Systems
www.bosch-thermotechnik.de
Das kanadische Unternehmen ist ein führen-
www.buderus.de
der Entwickler von NT-PEM-Brennstoffzellen für
www.junkers.de
mobile, stationäre und portable Anwendungen
und kooperiert weltweit mit vielen Partnern. Bis
heute hat das Unternehmen mehr als 2.000 Not-
strom-Systeme mit PEM-Brennstoffzellen für
einen Wasserstoff- oder Methanolbetrieb aus-
geliefert. Unter der Bezeichnung »CLEARgen«
29Ceres Power
Ceres Power entwickelt SOFC-Systeme mit ei-
ner Betriebstemperatur von nur 500 bis 600 °C
im Leistungsbereich zwischen 1 und 10 kWel. Im
Rahmen des Projektes »ene.field.eu« sollen in
Großbritannien mehr als 140 KWK-Systeme in
Privataushalten installiert und erprobt werden.
Quelle: Elcore
Weitere 30 SOFC-Heizsysteme sollen in die Nie-
derlande und nach Belgien geliefert werden.
www.cerespower.com
Convion Oy
Fuel Cell Energy Solution (FCES)
Das finnische Unternehmen Convion Oy führt seit
Anfang 2013 die Entwicklung von SOFC-Syste-
GmbH
men der Firma Wärtsila fort. Zielmärkte der Con- Die Fuel Cell Energy Solution GmbH ist ein Joint
vion SOFC-Systeme sind stationäre Anlagen für Venture des US-Unternehmens Fuel Cell Energy
Gewerbe, Handel, Dienstleistungen sowie kleine (FCE) mit dem Fraunhofer Institut für Kerami-
industrielle BZ-Systeme mit einer Leistung zwis- sche Technologien und Systeme (IKTS) in Dresden.
chen 50 und 300 kWel. Das im Jahr 2012 gegründete Unternehmen führt
die früheren Arbeiten der MTU Onsite Energy,
www.convion.fi
ursprünglich eine Tochter der MTU Friedrichs-
hafen, am Firmenstandort Dresden und dem
Fertigungsstandort Ottobrunn fort. FCE, mit Sitz
Doosan Fuel Cell America in Danbury, CT, USA, bietet kommerzielle erd-
gasbetriebene MCFC-Systeme der Produktreihe
Doosan Fuel Cells America, ein Tochterunterneh-
»Direct Fuel Cell« (DFC) in den Leistungsklassen
men der Südkoreanischen Doosan Corporation,
von 300 kWel bis 3 MWe für stationäre Anwendun-
hat die PAFC-Technik des Unternehmens UTC
gen an. Unter der Bezeichnung »DFC-ERG« können
Power übernommen. Mit dem unter dem Namen
zudem einzelne »DFC 3000«-Systeme (je 2,8 MWe)
»PureCell« bekannten stationären PAFC-System
mit einer Gasexpansionsturbine zu einem Multi-
entwickelte UTC eine Produktreihe, die in den letz-
MWe-System zusammengeschlossen werden. In
ten 20 Jahren insgesamt mehr als 10 Millionen Be-
Zusammenarbeit mit Partnern entwickelt FCE
triebsstunden und fast 2 Milliarden erzeugte kWhe
auch SOFC-Systeme mit mehreren MW Leis-
an praktischen Erfahrungen bei Kunden sammeln
tung. Von solchen BZ-basierten GuD-Kraftwerken
und eine Stack-Lebensdauer von 10 Jahren nach-
werden Wirkungsgrade von bis zu 70 Prozent
weisen konnte. Die Doosan PureCell mit einer el-
erwartet.
ektrischen Leistung von 440 kWel ist als KWK-An-
lage kommerziell verfügbar. www.fces.de
www.doosanfuelcell.com
30Fuji N2telligence Bedienfeld
Das in Hamburg ansässige Unternehmen Fuji Brennstoffzellen-Modul
N2telligence GmbH bietet in Zusammenarbeit Brennstoffzellen-Stapel
mit dem japanischen Mutterkonzern Fuji Elec-
Doppelkammer-
tric PAFC-Systeme in einer Leistungsklasse von Wärmetauscher mit
100 kWel an. Die BZ-Systeme können für eine Wärmedämmung
Brennstoffversorgung mittels Erdgas oder reinem
Zusatzbrenner
Wasserstoff konfiguriert werden. Im Jahr 2012
Quelle: Hexis
lieferte das Unternehmen die ersten Anlagen Entschwefelungsbehälter
nach Deutschland (Equinix in Frankfurt, Mercedes
in Hamburg), die mithilfe der sauerstoffarmen Wechselrichter
BZ-Abluft einen erhöhten Brandschutz gewähren.
Brennstoffzellen-Heizgerät
Galileo 1000 N von HEXIS,
www.n2telligence.com einem Tochterunterneh-
men der Viessmann Werke
Fronius Horizon Fuel Cell Technologies
Das österreichische Unternehmen Fronius hat in
Unter dem Namen »GreenHub« bietet Horizon aus
den letzten Jahren verschiedenste Brennstoffzel-
Singapur wasserstoffvesorgte NT-PEM-Brennstoff-
lenanwendungen erprobt. Dazu gehört auch die
zellensysteme für die netzunabhängige Stromver-
sogenannte Energiezelle Stationär, die Wasser-
sorgung im Leistungsbereich von 0,4 bis 4 kWel an.
stoff mit einer Gleichstromleistung von 2 bzw.
4 kWel in Strom umwandelt. Sie ist für autarke www.horizonfuelcell.com
PV-Systeme gedacht.
www.fronius.com
Hydrogenics
Der kanadische Hersteller von Niedertemperatur-
HEXIS AG
PEM-Brennstoffzellen bietet unter der Bezeich-
Das Schweizer Unternehmen HEXIS, mit einer nung »HyPM« wasserstoffbetriebene 30 kWel-Racks
Niederlassung in Konstanz, hat bisher das Brenn- (mit je 10 kWel-Einzelmodulen) für Rechenzentren,
stoffzellen-Heizgerät Galileo 1000 N hergestellt und Server oder Datenzentren an, die auf Basis eines
vermarktet. HEXIS hat als Kompetenzzentrum für Plattformkonzepts bis zu 1 MWe-Gesamtsystemen
Hochtemperatur-Brennstoffzellen auch den Gali- zusammengeschaltet werden können.
leio-Nachfolger entwickelt. Im Juli 2015 übernahm
dieViessmann-Gruppe100ProzentderUnternehmensan- www.hydrogenics.com
teile.
www.hexis.com
31Intelligent Energy Proton Motor Fuel Cell GmbH
Das britische Unternehmen Intelligent Energy Proton Motor, mit Sitz in Puchheim bei München,
bietet wasserstoffbetriebene Niedertemperatur- fertigt Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen-
Brennstoffzellensysteme für mobile und stationäre Stacks für Systeme zur unterbrechungsfreien
Anwendungen an. Für die Notstromversorgung Stromversorgung (USV) in modularen Leistungs-
von Telekommunikationseinrichtungen, speziell in klassen zwischen 5 und 20 kWel.
Märkten wie Indien oder Afrika, entwickelt das
www.proton-motor.de
Unternehmen wasserstoffversorgte Brennstoff-
zellensysteme. Dazu gehört beispielsweise ein
Quelle: Riesaer Brennstoffzellentechnik GmbH
wasserstoffbetriebenes Notstromsystem mit 5 kWel
(bestehend aus vier 1,25 kWel-PEM-Brennstoffzellen-
einheiten).
www.intelligent-energy.com
IRD Fuel Cell A/S
Unter der Bezeichnung »CHP« entwickelt der
dänische Brennstoffzellenhersteller wasserstoff-
betriebene NT-PEM-Brennstoffzellen für die Haus- Inhouse 5000+ PEMBZ-Systeme für Gewer-
be- und Industriekunden
energieversorgung.
www.ird.dk
Riesaer Brennstoffzellentechnik
GmbH (RBZ)
Nedstack Das Unternehmen mit Sitz in Riesa, Sachsen,
entwickelt Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzel-
Nedstack, ein Tochterunternehmen des Chemie-
lenheizgeräte für Gewerbe- und Industriekunden
unternehmens AkzoNobel, mit Sitz in Arnhem,
mit einer Leistung von 5 kWel und 7 kWth. Die
Niederlande, entwickelt Niedertemperatur-PEM-
PEM-Brennstoffzelle wird von Inhouse geliefert.
Brennstoffzellen-Stacks. Im Jahr 2007 installierte
Im Rahmen des durch das Nationale Innova-
das Unternehmen eine 70 kWel-PEMBZ-Pilotan-
tionsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzel-
lage zur stationären Strom-und Wärmeerzeugung,
lentechnologie (NIP) geförderte Projekt »inhouse«
versorgt mit Reinwasserstoff aus einer Chlor-
werden seit 2013 dreizehn Systeme der Serie »in-
gasanlage bei AkzoNobel in den Niederlanden.
house5000+« erprobt. Im Rahmen von »ene.field.
Nach positiven Erfahrungen wurde Ende 2011 in
eu« wurden weitere 39 Systeme in Haushalten
Belgien eine stationäre PEMBZ-Anlage bestehend
installiert.
aus 12.600 PEM-Brennstoffzellen mit insgesamt
1 MWe Leistung installiert. Neben stationären
www.rbz-fc.de
Anlagen für die Industrie entwickelt das Unterneh-
men wasserstoffbetriebene Notstromsysteme z. B.
für die Telekommunikation.
www.nedstack.com
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