Stationäre Nutzung von Wasserstoff mittels Brennstoffzellen

Von einer Wasserstoffwirtschaft kann erst gesprochen werden, wenn Wasserstoff von fast jedem Endverbraucher in Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) genutzt wird. Brennstoffzellen im Wasserstoffnetz sind daher das Herzstück einer Wasserstoffwirtschaft. Diese echte Wasserstoffwirtschaft hat noch nicht begonnen.

Zunächst soll der Stand der Technik bei der Kraft-Wärme-Koppling (KWK) kurz vorgestellt werden.

Der traditionelle Weg mit Motoren

KWK-Anlagen werden heute traditionell als Motoranlagen ausgeführt. Die Größe reicht von Anlagen für Einfamilienhäuser mit einigen kW bis zu großen Gebäuden mit mehreren Motoren im 100 kW-Maßstab. Eingesetzt wird überwiegend Erdgas. Für den Vergleich zu Brennstoffzellen wird hier eine Anlage für ein Einfamilienhaus beschrieben.

Quelle: Dax

Die obigen Abbildungen zeigt ein 5 kWel Gerät mit Gasmotor, links mit geöffneter Schallschutzhaube, rechts als Komplettanlage mit Steuerpult und Warmwasserspeicher. Der elektrische Wirkungsgrad beträgt maximal 27%. Der Wasserspeicher ist erforderlich, weil das Gerät intermittierend wärmegeführt betrieben werden muss. Die zweimal jährlich durchzuführende Wartung verschlingt einen großen Teil der KWK-Förderung. In den meisten Fällen ist ein eigenes Fundament zur Vermeidung von Körperschall erforderlich. Das Gerät kostet ohne Fundament und Wärmespeicher ca. 25000 €.

Bei großen Motor-KWK Anlagen für 10-100 Wohneinheiten muss ca. 5000 € je Wohnung investiert werden.

Brennstoffzellen im Erdgasnetz - eine Sackgasse

Begonnen hat die Einführung von Brennstoffzellen im Erdgasnetz. Dazu gibt es für die Hausenergieversorgung zwei Ansätze:

  • Das Vorschalten einer Mini-Wasserstoff-Fabrik (Reformer) vor jede Membranbrennstoffzelle (PEMFC)
  • Die Integration eines Reformers in jede Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC)

Mit den Reformern wird kein reiner Wasserstoff erzeugt, sondern nur ein wasserstoffreiches Gas. Dieses Gas kann auch nur zu ca. 70% genutzt werden, weil sonst die Brennstoffzelle an dem CO2 “erstickt”. Etwa 30% des Gases muss dann einfach verbrannt werden. Die Reformer arbeiten bei ca. 850°C. Da die SOFC auch bei ca. 850°C arbeitet, kann ein Teil des Gases an der Rückseite der Elektrode reformiert werden, was aber zu einer ungleichmässigen Temperaturverteilung an der Elektrode führt.

Quelle: Baxi

Das Bild zeigt eine Membranbrennstoffzelle (roter Pfeil) mit Reformer. Vom genutzten Erdgas, das die Zelle tatsächlich umsetzt, kann die Anlage heute ca. 30% in Strom umwandeln. Vom zugeführten Gas sind das ca. 21% (30*0,7). Das ist zu wenig. Die Haushaltsgröße ist typisch 0,8 kW. Neben dem erwähnten Abgasbrenner ist noch ein konventioneller Heizkessel und ein Warmwasserspeicher erforderlich. Da der Reformer nur schwer regelbar ist, muss die Anlage mit konstanter Leistung fahren. Die Anbindung an das Stromnetz ist zwingend erforderlich.

 

Die Brennstoffzellenheizung mit SOFC-Brennstoffzelle hat eine ähnliche Leistung und ein ähnliches Bauvolumen. Der elektrische Wirkungsgrad ist mit Bezug auf das eingespeiste Erdgas mit 42% aber doppelt so hoch, wie beim PEMFC-Typ. Leistungsänderungen sind nur sehr begrenzt möglich.

 

Beide Typen werden zurzeit für einen nicht kostendeckenden Preis von ca. 25000 € ausgeliefert. Die Branche gibt an, bei Massenfertigung 10000 €/ Stück zu erreichen. In Deutschland wurden in den letzten 5 Jahren ca. 300 Stück ausgeliefert. In Japan sind es bereits 50000. Allein Panasonic hat davon 34000 Stück installiert

Dezentrale Wasserstoffwirtschaft mit Brennstoffzellen

Erst mit PEMFC-Brennstoffzellen im Wasserstoffnetz können die Vorzüge einer Wasserstoffwirtschaft voll ausgeschöpft werden. Diese Brennstoffzellen sind flink, hocheffizient (60%el), klein und billig (< 30 €/kW). Eine Anbindung an das Stromnetz ist nicht erforderlich. Es wird weder ein Abgasbrenner noch ein zusätzlicher Heizkessel benötigt, auch kein Schornstein und kein Schornsteinfeger. Der zuviel erzeugte Strom kann, wenn er nicht in das Stromnetz eingespeist werden soll, zur Heizung oder zum Betrieb von Wärmepumpen genutzt werden.

Eine Brennstoffzelle produziert Strom, Wärme, Wasser und sonst nichts.

Das Bild zeigt die Nutzung einer einfachen PEMFC (80-110°C). Die maximale Leistung wird man nach der maximalen Wärmeleistung auslegen. Falls ein netzunabhängiger Betrieb gewünscht wird, auch nach der maximalen elektrischen Leistung. Für einen typischen Haushalt dürften 5 KWel ausreichen. Das sind ca. 10 kW Gesamtleistung, wovon dann im Mittel ca. 9,5 kW als Wärmeleistung zur Verfügung stehen.  Die genaue Luft- und Wasserführung ist hier nicht dargestellt. Ob der Wasserkreislauf der Brennstoffzelle von dem Wasserkreislauf der Heizung hydraulisch getrennt werden sollte und ob ein Warmwasserspeicher integriert wird, muss die Heizungsfirma mit dem Hersteller der Brennstoffzelle herausfinden. Mit einem Warmwasserspeicher können bis zu 0,5% der jährlichen Energiekosten eingespart werden. Auch die Rückgewinnung der Wärme aus der Abluft ist ein wichtiges Thema. Anders als im PKW-Bereich, gibt es für die Hausenergieversorgung mit einfachen Membranbrennstoffzellen kein fertiges System. Man kann aber vermuten, dass ein System hier weniger kostspielig sein wird als beim PKW. Auf jeden Fall ist es sehr viel weniger aufwendig als bei den oben dargestellten Reformer-Brennstoffzellen.

 

Wenn der Strom nicht genutzt werden kann, kann er mittels Tauchsieder an den Heizkreislauf abgegeben werden oder mit Heizlüftern oder Strahler genutzt werden. Auf diese Weise brauchen die Räume erst dann elektrisch beheizt werden, wenn sie auch genutzt werden. Das spart Energie. Die Produktion von Wasser sollte man nicht überbewerten, weil das nur ein Eimer/Tag ist. Relevanter ist da schon, dass die Kosten zur Klärung des giftigen Kondensats aus konventionellen Brennwertkesseln entfallen. Das entlastet die Kläranlagen.

Von Fachleuten wurde übereinstimmend herausgefunden, dass eine Strahlungsheizung das Wohlbefinden erhöht. Selbst bei etwas abgesenkter Raumtemperatur hat man dieses Wohlfühlempfinden. Das Bild zeigt eine elektrisch beheizbare Keramikplatte. Vorstellbar sind auch elektrisch beheizbare Kunstwerke oder eine Tapetenheizung.

Quelle: STIEBEL ELTRON

Der Grund dafür, dass sich die dezentrale KWK nicht durchgesetzt hat, liegt also hauptsächlich an den hohen Installationskosten und dem fehlenden Wasserstoffangebot. Enttäuschend ist auch, dass damit keine Unabhängigkeit vom Stromnetz erreichbar ist. Das könnte sich mit Wasserstoff im Gasnetz sehr schnell ändern. Welche Wege für den Übergang zur Wasserstoffwirtschaft möglich sind, ist hier dargestellt. Der Zusatznutzen einer Wasserstoffwirtschaft bezüglich Netzstabilisierung ist hier beschrieben.

aktualisiert: 05.07.2014

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