In der Menschheitsgeschichte kennen technologische Innovationen prinzipiell nur zwei Wege: Entweder sie geschehen völlig überraschend und kurzfristig oder sie entstehen nach langen Jahren intensiver Forschung und Entwicklung. Das Brennstoffzellen-Heizgerät hat eindeutig den zweiten Weg genommen. Bereits vor einem Jahrzehnt stand diese „stille Revolution“ im Heizungskeller nach Meinung mehrerer Unternehmen kurz vor der Marktreife. Teilweise zogen sich dann in den Folgejahren auch große Hersteller der Branche aus der Entwicklung zurück. Nachdem es lange Jahre ruhig um Brennstoffzellen-Heizgeräte gewesen ist, kommen jetzt erfreuliche Nachrichten – nicht nur aus den Forschungslabors, sondern aus Hunderten Haushalten, in denen die verschiedenen Generationen von Brennstoffzellen-Heizgeräten seit Langem zuverlässig arbeiten.
 
Was sind Brennstoffzellen-Heizgeräte (BZH)?

Brennstoffzellen können chemisch gebundene Energie direkt in nutzbare elektrische und thermische Energie umwandeln. Deshalb arbeiten sie sehr effizient und umweltschonend. Ausgangsprodukt für diesen Prozess ist je nach Brennstoffzellentyp u. a. wasserstoffreiches Gas, das mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft chemisch reagiert. Bei der Strom- und Wärmeerzeugung für Gebäude lässt sich die Frage der Gaszufuhr relativ einfach lösen: Als Energielieferant für die Brennstoffzelle wird meist Erdgas verwendet. Es enthält viel Wasserstoff und steht vielfach bereits im Haus zur Verfügung.

SOFC UND PEMFC – UNTERSCHIEDLICHE WEGE MIT DEM GLEICHEN ZIEL

Bei den BZH setzen die meisten Hersteller auf die beiden Varianten SOFC und PEMFC. Das SOFC-Prinzip steht für Solid Oxide Fuel Cell, auch Festoxidbrennstoffzelle, PEMFC bedeutet Proton Exchange Membrane Fuel Cell, die auch als Polymerelektrolytbrennstoffzelle bezeichnet wird.

Worin bestehen die Unterschiede?

Während die SOFC-Brennstoffzelle über einen Elektrolyten aus Keramik verfügt, dient dazu bei PEMFC-Brennstoffzellen eine Kunststoffmembran. Grundsätzlich arbeiten SOFC-Brennstoffzellen im Bereich der Hochtemperatur zwischen 700 und 900 Grad Celsius, PEMFC-Geräte hingegen auf dem niedrigen Temperaturniveau von 60 bis 90 Grad Celsius. Darüber hinaus wird noch eine HT-PEM-Variante mit rund 160 °C Betriebstemperatur erforscht. Zwischen SOFC und PEMFC gibt es außerdem Unterschiede bei der Reformierung des eingesetzten Brennstoffs. Die Reformierung ist notwendig, um beispielsweise aus Erdgas Wasserstoff zu gewinnen. Für diesen Prozess werden den Brennstoffzellen katalytische Reaktoren (Reformer) vorgeschaltet. Bei der SOFC-Brennstoffzelle ist der Reformer sehr einfach aufgebaut, während er bei der PEMFC-Brennstoffzelle deutlich aufwendiger ist. Für diesen Beitrag soll insbesondere die Entwicklung des SOFC-Brennstoffzellen-Heizgerätes im Mittelpunkt stehen.

Vaillant hatte bereits 1997 mit einem ersten, reinen Forschungsprojekt zum Einsatz von erdgasbetriebenen Brennstoffzellen-Heizgeräten in Wohngebäuden begonnen. Ende 2008 startete die Entwicklung eines 1 kW SOFC Brennstoffzellen-Heizgerätes, welches mittlerweile in der fünften Generation vorliegt. Standen bei den ersten vier Typen die generelle Funktion und der jederzeit komplikationslose Betrieb in allen objektspezifischen Anwendungen im Mittelpunkt der Forschungen dreht sich bei der aktuellen Gerätegeneration G5 alles um die Themen Vereinfachung, Kostenreduzierung und Robustheit. Ob dieser Typ noch als Feldtest, oder bereits als serienreifes Produkt bezeichnet wird, liegt ganz im Auge des Betrachters: In 2013 wird das Unternehmen alleine mehr als 110 Geräte in einer vollwertig aufgebauten Serienproduktionsstraße herstellen. Die derzeit in Planung befindliche und in 2015 voraussichtlich umsetzbare Gerätegeneration G6 wird mit einer deutlich höheren Stückzahl hergestellt und eingesetzt werden.

Die Entwicklung des SOFC BZH wird gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags.

Generell stehen BZH für deutlich höhere Primärenergie-Wirkungsgrade als derzeit verfügbare Technologien im Bereich der KWK. Darüber hinaus entwickeln sie weder Vibrationen noch störende Geräuschemissionen. NOx ist im Abgas nicht mehr enthalten und die CO-Emissionen sind äußerst gering. Ebenso ist auch der Wartungsaufwand im Vergleich zur gasgestützten KWK minimal – bewegliche Teile wie einen Gas-Verbrennungsmotor enthält ein BZH nicht mehr.

Demgegenüber bietet ein BZH kaum die Möglichkeit zu häufigen Start / Stopp-Zyklen wie ein Gas-Verbrennungsmotor und aktuelle BZH sind noch vergleichsweise stoßempfindlich. Die tatsächliche Lebensdauer konnte noch nicht definitiv ermittelt werden, wobei die erste BZH-Generation aber bereits mehr als 20.000 Betriebsstunden ohne die Notwendigkeit eines Wechsels des Brennstoffzellen Stapels erzeugte. Die sehr gute Degradationsrate von weniger als 0,8 % / 1.000 h Betrieb konnte bislang überzeugen und weitere Optimierungen wurden bereits umgesetzt.

ROBUSTER, ZUVERLÄSSIGER BETRIEB UND EINFACHE INSTALLATION IM MITTELPUNKT

Zielsetzung bei der Entwicklung der Vaillant Brennstoffzellenheizung waren dementsprechend insbesondere die Themen Robustheit, Zuverlässigkeit und hohe Lebensdauer. Diese Basis soll vorab beschrieben werden, damit die nachstehenden Entwicklungsschritte in ihrer Konsequenz auf diese Ziele hin deutlich werden. Generell werden Innovationen vom Markt und dem ausführenden Fachhandwerk deutlich besser akzeptiert, wenn bereits bekannte Installationen und Vorgehensweisen zugrunde liegen – wie beispielsweise bei der 2009 erstmals in den Markt eingeführten Zeolith Gas-Wärmepumpe. Die eigentliche Innovation – die Brennstoffzelle, bzw. das Zeolith-Modul - muss in diesem Fall als eine Art Blackbox im Gesamtsystem verbaut und konfiguriert sein, ohne dass hieran besondere Installations- oder Wartungsarbeiten über die Lebensdauer erforderlich sind. Die Marktakzeptanz wird nicht nur von diesen Faktoren, sondern auch von einem absolut störungsfreien Betrieb abhängig sein.

Wie stellt sich der aktuelle Entwicklungsstand anhand der Einzelkomponenten derzeit dar?

In der Entwicklung arbeitet Vaillant seit Oktober 2008 mit Teams des Unternehmens Sunfire (vorm. Staxera) für die Entwicklung und Produktion des SOFC-Stacks und dem Fraunhofer-Institut IKTS aus Dresden zusammen.

DEUTLICHE VEREINFACHUNG DER KOMPONENTEN

Die eigentliche Kernkomponente der BZH ist das Prozessgasmodul (PGM), das aus dem SOFC-Stack, dem Reformer, dem Nachbrenner und dem Heißgaswärmetauscher besteht. Das PGM konnte weitere Optimierungen erfahren: Die Leistung wurde gesteigert, das Packaging und die Wärmedämmung optimiert sowie Kosten und Degradation nachhaltig reduziert. Bereits heute ist absehbar, dass das PGM sich in der kommenden Gerätegeneration noch einmal um 40 % verkleinern wird. Abgaswärmetauscher und Wechselrichter konnten in den vergangenen Jahren genau auf die Bedingungen in BZH hin spezifiziert und für einen robusten Betrieb entsprechend modifiziert werden.

In umfangreichen Tests erwies sich die Elektrolyt getragene SOFC Zelle mit einer Reformierung ohne Wasser (CPOX) als äußerst robust und langlebig. Der CPOX-Reformer wurde mit dem Ziel einer höheren Robustheit und längeren Lebensdauer weiter entwickelt. Dabei standen Zündversuche im Mittelpunkt, mit denen die jeweilige Starttemperatur ermittelt wurde, gleichzeitig wurde die axiale und radiale Temperaturverteilung gemessen, die Luftzahl Lambda bei verschiedenen Leistungspunkten variiert und das Verhalten mit unterschiedlichen Grenzgasen bewertet. Darüber hinaus wurde eine optimierte Reformerwabe entwickelt und in den ersten Gerätegenerationen nachgerüstet.

In der aktuellen Gerätegeneration G5 konnte insbesondere auch der Startbrenner deutlich vereinfacht und mit dem Nachbrenner zu einer gemeinsamen Komponente zusammengeführt werden.

SOFC-PROZESSREGELUNG UND SICHERHEITSELEKTRONIK AUF GEMEINSAMER PLATINE

Wurde bis zur vierten Gerätegeneration noch eine handelsübliche speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) zur Regelung eingesetzt hat Vaillant für die derzeit aktuellen Geräte eine eigene Platine als Fuel Cell Management Unit entwickelt, welche die Funktionalität der Sicherheitslektronik und der SOFC Prozessregelung verbindet. Als Basis hierfür konnte ein bereits vorhandenes Board aus einer bestehenden Heizgeräteserie verwendet werden. Darüber hinaus wurde die Software des Gesamtanlagenreglers, dem sogenannten Energiemanager angepasst, der im Serien-Motor BHKW ecoPOWER 1.0 bereits im Markt eingeführt ist. Neben der Kommunikation mit den Komponenten der Heizungsanlage und der Fuel Cell Management Unit erfolgt ein Datenaustausch zwischen dem Energiemanager und der im Rahmen des CALLUX Demonstrationsprojekts entwickelten, so bezeichneten Callux-Box. Diese dient einerseits als Gateway, um mit einem OpenVPN-Tunnel einen Fernzugriff des BZH-Herstellers auf den Energiemanager zu ermöglichen. Andererseits erfüllt die Callux-Box für den jeweiligen Energieversorger Aufgaben als zentraler Datencontainer.

Mit dynamischen Systemsimulationen werden bei der Entwicklung eines BZH systemtechnische Bewertungen – wie zum Beispiel „Betriebsdauer vs. Starthäufigkeit“ getroffen. Ideal dafür eignete sich die kommerzielle Simulations-Software Matlab/Simulink/Stateflow, mit der sich beliebige komplexe heterogene Systeme dynamisch nachstellen lassen. Mit Strömungssimulationen wurden die internen Strömungs- und Mischvorgänge z. B. von Brenngas und Luft optimiert. Erreicht werden konnte z. B. eine deutliche Verringerung des Druckverlustes bei gleichbleibend guter Mischungs-, Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung im Nachbrenner.

NEUE ENTSCHWEFELUNGSKARTUSCHE BIETET LANGE STANDZEIT

Zu den weiteren Aufgaben gehört auch die Entschwefelung des Brenngases, da nahezu alle Elektrokatalysatoren in technischen Brennstoffzellensystemen über ein hohes Maß zur Sulfidbildung verfügen. Dies kann in der Regel zu einem irreversiblen starken Performanceverlust der Brennstoffzelle führen. Darum werden schwefelhaltige Brennstoffe wie z. B. Erdgas vor dem Einsatz entschwefelt. Erdgas enthält nicht nur von Natur aus Schwefelverbindungen, sondern gebräuchlicherweise werden Erdgas in Deutschland auch schwefelhaltige Verbindungen zur Odorierung zugesetzt.

Vaillant verwendet bei seinen BZH das Verfahren der adsorptiven Entschwefelung. Vorteil gegenüber reaktiven Techniken wie der hydrierenden Entschwefelung ist der geringe apparative Aufwand. In einem öffentlich geförderten Projekt wurde für die Branche eine standardisierte Entschwefelungskartusche entwickelt, die zum einen deutlich kleiner als früher gebräuchliche Produkte ist. Zum anderen konnte das Wechselintervall auf zwei bis vier Jahre verlängert werden. Als ausschlaggebend für eine lange Standzeit erwies sich dabei die Betriebstemperatur an den Kartuschen. Im Forschungsprojekt konnte eine weniger sensible Entschwefelungslösung gefunden werden, die gleichzeitig eine bessere Integration in das BZH mit geringeren Betriebstemperaturen erlaubt. Darüber hinaus konnte der Druckverlust deutlich reduziert werden. Die Annahme, dass die Gasgeschwindigkeit ebenfalls relevant für die Standzeit sei, erwies sich als falsch.

Welche Ausprägungen in der äußeren Gestaltung ein BZH künftig haben wird, ist derzeit noch nicht absehbar. So bot sich bereits mit der Gerätegeneration G3 die Möglichkeit ein wandhängendes BZH zu fertigen, das aktuellen wandhängenden Gas-Brennwertgeräten ähnelt. Aus diesen Erfahrungen wurden in der vierten Generation die Komponenten so angeordnet, dass im Feldtest insbesondere auch ein einfacher Service ermöglicht werden sollte. Von dieser wandhängenden Brennstoffzelle wurden bereits 28 Geräte produziert. Im Feldtest konnte hier ein Gesamtwirkungsgrad von 84 % bei einem elektrischen Anteil von 31 % nachgewiesen werden.

ELEKTRISCHER WIRKUNGSGRAD KONTRA ROBUSTHEIT?

Zwar sind derzeit mit alternativen SOFC Gerätekonzepten noch höhere elektrische Wirkungsgrade erreichbar, jedoch positioniert sich Vaillant auch in diesem Teilbereich mit seiner Entwicklung eindeutig zugunsten eines robusten und langlebigen Gerätekonzeptes. Der Unterschied der beiden Konzepte besteht insbesondere im Aufbau der eigentlichen Brennstoffzelle. Zum besseren Verständnis ist hierzu ein Exkurs in die Funktion des Brennstoffzellen-Prozesses erforderlich. Oxidkeramische Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells – SOFC) arbeiten bei Temperaturen von etwa 850°C, bei denen bestimmte oxidische Keramiken für Sauerstoffionen leitfähig werden und so als Elektrolyt dienen. Die im Ofen gebrannte Keramik wird auf der Anoden- und Kathodenseite mit Elektrodenkatalysatoren beschichtet (ESC-Zelle – Electrolyte Supported Cell). Der Elektrolyt hat eine „Dicke“ von rund 100 µm und bietet dadurch den Sauerstoffionen in der Diffusion noch einen spürbaren Widerstand. Um diesen Widerstand zu verringern und damit die Effizienz zu erhöhen kann die tragende Nickelschicht der Zelle vergrößert werden, damit sich der Elektrolyt auf nur noch 10 µm verkleinern lässt (ASC-Zelle – Anode Supported Cell).

Der Vorteil, die Anode statt der Elektrolytschicht oder der Kathode als Träger zu verwenden, liegt in der höheren thermischen und elektrischen Leitfähigkeit. Diese Zellen sind jedoch aufgrund ihres Aufbaus nach dem aktuellen Stand der Technik deutlich anfälliger für Störungen. Gelangt beispielsweise im heißen Zustand Sauerstoff an die Anode verändert diese ihre Struktur, dehnt sich aus und der gesamte Zellenstapel könnte irreparable Schäden erleiden. Deswegen lassen sich Anoden getragene Zellen nur unter genau definierten Bedingungen aufheizen und abkühlen.

Start-Stopp-Zyklen, die im Praxiseinsatz in einem Gebäude immer wieder vorkommen, sind dadurch derzeit kaum umsetzbar. Hier besteht noch umfangreicher Forschungsbedarf.

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, einen höheren elektrischen Wirkungsgrad durch die Anreicherung des Brennstoffes Erdgas mit entsprechend konditioniertem Wasserdampf zu erzielen. Dieser Prozess, der Dampfreformierung genannt wird, sorgt über einen Katalysator dafür, dass zusätzlich Wasserstoff entsteht, der dann für einen höheren elektrischen Wirkungsgrad sorgt.
 
Der Nachteil ist die Notwendigkeit zur Erzeugung von Dampf und das Handling mit vollentsalztem Wasser, das sich nur über teils aufwendige Systeme der Wasseraufbereitung realisieren lässt.

Beide Möglichkeiten sprechen gegen die Basismaxime, eine möglichst hohe Robustheit des kommenden BZH für die Installation durch das SHK-Fachhandwerk und die Verwendung im Einfamilienhaus erzielen zu können. Demgegenüber wird der Stack des Catalytic Partial Oxidation (CPOX)-Reformer mit ESC-Zellen mit rund 15 Jahren auf die Gesamt-Lebensdauer des Gerätes ausgelegt sein, sodass ein kostenintensiver Stacktausch während der Gerätelaufzeit vermieden werden kann.

Aus dem Callux-Feldtest kommen bislang überzeugende Rückmeldungen zu Erfahrungen mit den BZH. Im Rahmen dieses Leuchtturmprojektes der Branche werden im Zeitraum von 2011 bis 2016 BZH betrieben und getestet. Die vorletzte Generation G4 des BZH hat nach dem Stand Mai 2013 bei 22 installierten Geräten mittlerweile kumuliert 190.000 Betriebsstunden und mehr als 240 Start/Stopp-Zyklen erreicht. Dies ist eine Bestätigung des robusten Systemdesigns des Vaillant BZH-Konzeptes.

50 %IGE KOSTENREDUZIERUNG VON VIERTER ZU FÜNFTER GENERATION

In der derzeit aktuellen Gerätegeneration G5 konnte bereits eine signifikante Kostenreduzierung von über 50 % gegenüber den G4-BZH erreicht werden. Dies lässt sich in erster Linie auf die Vereinfachung der Heißgaskomponenten, ein optimiertes Stackmodul, die Reduzierung von Aktorik und Sensorik sowie ein neues Elektronik-Board zurückführen. Gleichzeitig wurde das Gewicht um ein Viertel verringert. Die Abgasführung von BZH und Spitzenlastgerät konnte erstmals gemeinsam geführt werden.

Für den Weg in den Markt sind weitere Demonstrationsprojekte wie ene.field erforderlich. Dieses von der EU mitfinanzierte Projekt ermöglicht neun europäischen Brennstoffzellen-Heizgeräteherstellern, alle derzeit bestehenden Brennstoffzellen-Technologien in einem Praxistest zu erproben. Dazu werden rund 1.000 Anlagen in Wohngebäuden in zwölf EU-Mitgliedstaaten erprobt. Hierdurch lässt sich eine weitere Reduzierung der Herstellkosten sowie eine breite Absicherung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit erzielen. Dennoch erscheint eine Förderung zum Markteintritt notwendig, um trotz der weiterhin vergleichsweise hohen Herstellkosten bei den anfangs zu erwartenden geringen Absatzmengen einen akzeptablen Marktpreis für den Nutzer realisieren zu können.

FAZIT:
Das BZH steht vor der Markteinführung und hat in mehreren Gerätegenerationen sein robustes Konzept und die hohe Effizienz bestätigen können. Künftig werden BZH die mit Abstand effizienteste Möglichkeit sein, den Energieträger Gas zu nutzen und dabei gleichzeitig die geringstmöglichen Emissionen zu verursachen. Von der aktuellen Gerätegeneration wird Vaillant über 200 Einheiten, von der kommenden Baureihe G6 bereits deutlich mehr fertigen. Dafür wurde eine serienfähige Produktionsstraße aufgebaut. Durch zahlreiche Innovationen konnten sowohl die Kosten als auch das Gewicht bereits deutlich reduziert und der notwendige Service vereinfacht werden. Spätestens ab 2017 wird Vaillant das BZH dann im Einfamilienhaus als eine innovative Ergänzung zur aktuellen KWK mit Gas-Verbrennungsmotoren in die Produktpalette mit aufnehmen können. 


Autor: Jochen Paulus

• Studium der Energie- und Wärmetechnik an der FH Giessen-Friedberg, Dipl.-Ing. (FH)
• 1988 Entwicklungsingenieur Technische Systemanalyse
• 1991 Sachgebietsleiter Sonderanwendungen von Gasfeuerstätten und Wohnungslüftung
• 1997 im Forschungsprojekt Brennstoffzelle verantwortlich für die Systemintegration
• 1999 Projektleiter Mikro-KWK mit NT-PEM und HT-PEM Technologie
• 2003-2009 Initiierung von weiteren Mikro-KWK Projekten: Gasmotor BHKW, Stirling, Kooperation mit Honda für ecoPOWER 1.0
• Seit 2006 Leiter Systementwicklung SOFC Brennstoffzellen-Heizgerät und verantwortlich für die Technologieentwicklung des SOFC Brennstoffzellen-Heizgerätes