Auf der diesjährigen ISH gaben die Unternehmen Stiebel Eltron, Hoval und Hexis ihre Kooperation im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen bekannt.
Die Technik des Brennstoffzellen-Heizgeräts ‚Galileo 1000 N’ 
„Galileo“ arbeitet mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen vom Typ SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Der Elektrolyt ist bei dieser Entwicklung keramisch und hat eine Betriebstemperatur zwischen 800 und 900 Grad. Die Brennstoffzelle liefert eine elektrische Leistung von etwa einem Kilowatt und eine thermische Leistung von rund zwei Kilowatt. Brennstoffzellen
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, die einen Brennstoff direkt in Strom und Wärme umwandeln und dabei sehr hohe elektrische Wirkungsgrade ermöglichen. Der Brennstoff und die Reaktionsluft werden der Brennstoffzelle separat zugeführt und durch einen Elektrolyt getrennt. Der Elektrolyt ist nur für Sauerstoff-Ionen durchlässig. Der erzeugte elektrische Strom wird durch einen äußeren Stromkreis – letztlich den Stromverbraucher – genutzt. Der im ‚Galileo 1000 N’ eingesetzte Elektrolyt besteht aus Oxid-Keramik und arbeitet bei Temperatur von 800-900°C. Eine Serienschaltung mehrerer Brennstoffzellen ergibt einen Brennstoffzellenstapel. Beim ‚Galileo 1000 N’ sind ca. 65 Zellen in Serie geschaltet. Im Betrieb ergeben sich daraus eine Spannung von ca. 40 Volt und ein Strom von ca. 25 Ampere. Das Gerät kann also eine elektrische Leistung von 1 Kilowatt erbringen und ist konzipiert für die Nutzung im Einfamilienhaus.
Das Brennstoffzellen-Heizgerät "Galileo" besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen. Im oberen Bereich sitzt das Brennstoffzellenmodul, im unteren Teil befinden sich die Komponenten für Stromumwandlung, Wärmeauskopplung und Bereitstellung der Zusatzwärme. Bild: Hoval, Hexis und Stiebel Eltron Systemaufbau
Der Brennstoffzellenstapel ist in ein Modul integriert, welches die Betriebsrahmenbedingungen bereitstellt. Es beinhaltet die Vorwärmung der Reaktionsluft, die Umwandlung des zugeführten Brennstoffs (Erdgas) in ein wasserstoffreiches Gasgemisch, die Zuführung des Gasgemischs und der Reaktionsluft in den Brennstoffzellenstapel und die Nachverbrennung des restlichen Gases zu einem sauberen Abgas. Dieses Modul bildet somit das Herzstück und ist im oberen Teil des Geräts angeordnet.
Die Systemperipherie im unteren Teil sorgt für die Umwandlung des Gleichstroms in netzüblichen Wechselstrom sowie für die Nutzung der Abwärme aus der Brennstoffzelle. Ein integrierter Zusatzbrenner kann bei Spitzenbedarf zusätzlich Wärme bereitstellen. Die Elektronik ermöglicht einen effizienten und zuverlässigen Betrieb des Systems und ist auch für das Energiemanagement im Haus in Verbindung mit dem Wärmespeicher zuständig.
Das System ist so konzipiert, dass es den Stromgrundbedarf und den kompletten Wärmebedarf (Heizung und Warmwasser) eines Einfamilienhauses oder kleinen Mehrfamilienhauses bereitstellt. Es ersetzt somit den bestehenden Heizkessel.
Stand der Entwicklung
Die Entwicklung von ‚Galileo 1000 N’ ist bereits weit fortgeschritten: Der Aufbau des Systems basiert weitgehend auf industriell gefertigten Komponenten und Standardbauteilen. Für die Komponenten des Brennstoffzellenstapels existiert ebenfalls eine industrielle Zulieferkette. Die Herstellung der Zellen erfolgt bei Hexis in einer teilautomatisierten Fertigungslinie.
Technische Daten ‚Galileo 1000 N’ (Auslegungsdaten) - Elektrische Leistung Brennstoffzellen: 1 kW max.
- Thermische Leistung Brennstoffzellen: 2 kW
- Elektrischer Wirkungsgrad: 30-35 %
- Gesamtwirkungsgrad: > 90 %
- Thermische Leistung Zusatzbrenner: 20 kW
- Brennstoff: Erdgas, Netzdruck
- Elektrischer Anschluss: 230 V AC, 50 Hz
- Breite x Tiefe x Höhe: 55 x 55 x 160 cm
- Gesamtgewicht installiert: 170 kg
Die technischen Auslegungsdaten konnten in mehreren Systemen demonstriert werden. Im Rahmen von Feldtests werden nun die Langzeitstabilität des Brennstoffzellenstapels und die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems getestet. Dazu werden auch ca. 200 Systeme im Rahmen des deutschen Projekts „Callux“ (Praxistest Brennstoffzelle fürs Eigenheim) bis 2012 geliefert und praxisnah getestet.
Einbindung in Gebäude
Galileo 1000 N wird installiert und angeschlossen wie ein Gas-Heizkessel. Zusätzlich gibt es eine elektrische Anschlussbox für die Rückspeisung ins Stromnetz. Weiters wird das System mit einem Wärmespeicher kombiniert, um die kurzfristigen Schwankungen im Wärmebedarf abzupuffern. Es wird angestrebt, dass das System im Winterhalbjahr im Dauerbetrieb arbeitet. Durch modulierenden Betrieb passt es sich den Anforderungen der Nutzer an. Im Sommer ist der Wärmebedarf im Haus typischerweise zu gering, um die gesamte Abwärme der Brennstoffzelle zu nutzen. Die Brennstoffzelle wird in diesem Fall abgeschaltet und der integrierte Zusatzbrenner stellt bei Bedarf die Wärme bereit.
Betriebserfahrungen
Hexis hat derzeit zwölf Systeme im Labor und mehr als 15 Systeme bei Kunden in Betrieb. Der längste Betrieb läuft nun seit über 12.000 Stunden und der Brennstoffzellenstapel zeigt nach wie vor eine gute Leistung. Die Geräte im Feld sind noch nicht so lange in Betrieb – sie wurden teilweise erst zum Start der Heizperiode 2008/09 installiert. Die Installation erfolgt durch geschulte Handwerker mit Unterstützung durch die Projektpartner, die auch die Inbetriebnahme durchführen. Es zeigt sich, dass auch hier ein sehr fortgeschrittener Stand erreicht wurde, sodass viele Arbeiten direkt durch lokale Installateure erledigt werden können.
Die Zuverlässigkeit der Systeme während des Betriebs konnte deutlich verbessert werden und erreicht bereits einen ordentlichen Stand. Hauptherausforderungen für die weitere Entwicklung sind: der Nachweis der Lebensdauer des Zellenstapels und die weitere Erhöhung bis auf 40.000 Stunden, die weitere Verbesserung der Zuverlässigkeit, die weitere Erhöhung des elektrischen und des Gesamtwirkungsgrades sowie die Reduktion der Kosten.
Markt
Aktuell liegt der Fokus auf Demonstrationsprojekten und Feldtests zur Überprüfung der technischen Reife und der Weiterentwicklung des Systems. Die Markteinführung bei Endkunden ist ab 2012 geplant.
(Stand 10. März 2009)