Die Bestandteile eines Brennstoffzellen-Heizgeräts:

• Brennstoffzellen-Einheit: Sie besteht aus Brennstoffzellen-Stapel, Reformer (beim Typ PEMFC), Wechselrichter, Wärmetauscher und interner Steuerung. Die Brennstoffzellen-Einheit deckt die Grundlast des Strom- und Wärmebedarfs ab.
• Zusatzheizgerät zur Abdeckung der Wärme-Spitzenlast, die über das Speichervermögen des Pufferspeichers hinaus geht. Das Zusatzheizgerät - in der Regel ein Gas-Brennwertgerät - kann in das Brennstoffzellen-Heizgerät integriert oder eine externe Zusatzheizung sein.
• Weitere Systemkomponenten wie Wärmespeicher u.a.

Systemregelung zur automatischen Steuerung des Brennstoffzellen-Heizgeräts und aller weiterer Komponenten des Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems sowie des Kraft-Wärme-Kopplungssystems. Es koordiniert alle Komponenten und stellt sowohl den Wärmekomfort im Gebäude als auch den optimalen Betriebszustand des Brennstoffzellen-Heizgeräts sicher. Bei einer externen Anbindung des Geräts stellt die Systemregelung außerdem die Schnittstelle zur Leitzentrale oder zum Kundendienst dar.

Die Geräte im Callux-Projekt haben eine Nennleistung von 1 kW elektrisch und 1,7 bis 2 kW thermisch. Im Vergleich zu herkömmlichen KWK-Anlagen ist dies ein sehr günstiges Strom-Wärme-Verhältnis. Bei motorbetriebenen Anlagen kann aus physikalisch-technischen Gründen die Leistung nicht beliebig verkleinert werden. Dagegen ermöglicht der elektrochemische Prozess einer Brennstoffzelle auch in sehr kleinen Leistungsbereichen gute Wirkungsgrade. Damit eignen sich Brennstoffzellen-Heizgeräte besonders gut für den Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern. Für die Abdeckung des Spitzenwärmebedarfs sind die Geräte mit einem separaten oder auch integrierten Brennwertkessel ausgestattet. Dessen Leistung wird an das Gebäude und den Wärmebedarf angepasst.

Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung werden nach ihrer elektrischen Leistung eingeteilt:

• Mikro-KWK ≤ 2 kWel: Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern
• Mini-KWK ≤ 15 kWel: Einsatz in Mehrfamilienhäusern, kleineren Gewerbe- und Industriebetrieben
• Kleinst-KWK ≤ 50 kWel: Einsatz in Mehrfamilienhäusern, Gewerbe und Industrie
• Klein-KWK ≤ 2.000 kWel: Einsatz in Mehrfamilienhäusern, Wohnanlagen, Gewerbe und Industrie
• Große KWK-Anlagen bis mehrere MW: Heizkraftwerk; Einsatz in großen Wohnanlagen, Krankenhäusern, Industrie und Gewerbe

Die im Rahmen von Callux erprobten Brennstoffzellen-Heizgeräte sind Mikro-KWK-Anlagen.

Bei den Geräten von BAXI Innotech kommt die PEMFC-Technologie, bei den Geräten von Hexis und Vaillant die SOFC-Technologie zum Einsatz. PEM-Brennstoffzellen arbeiten auf niedrigerem Temperaturniveau (60 bis 70 Grad Celsius) und benötigen einen vorgeschalteten Reformer. Bei SOFC-Hochtemperatur-Brennstoffzellen (Arbeitstemperatur 800 bis 1.000 Grad Celsius) findet die Aufbereitung des Prozessgases intern, ohne einen solchen Reformer, statt. Ihr Einsatz ist bei langen Laufzeiten ohne Unterbrechung sinnvoll. Weiterführende Informationen hierzu finden sich bei den Geräteherstellern:

• www.baxi-innotech.de
• www.hexis.com
• www.vaillant.de

Beim Feldtest-Projekt Callux werden Geräte-Prototypen unter Praxisbedingungen getestet, um Erfahrungen zu sammeln und aus den auftretenden Fehlern und Störungen zu lernen. Die bisherigen Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die Geräte zukünftig mit Konkurrenztechnologien vergleichbar sein werden. Gegenwärtig liegen die Herausforderungen bei den Feldtests bei PEM-Brennstoffzellen-Heizgeräten schwerpunktmäßig in der Systemintegration, zum Beispiel in der Abstimmung von Pumpen, Ventilen und anderen Peripheriekomponenten. Unabhängig davon spielt die Stack-Lebensdauer und die Verbesserung der System-Robustheit sowohl bei PEM- als auch SOFC-Brennstoffzellen-Heizgeräten eine große Rolle. Insgesamt wurden die bisher gesteckten Ziele an die Anlagenverfügbarkeit und die Stack-Lebensdauer erreicht.

Grundsätzlich enthalten Brennstoffzellen-Heizgeräte kaum mechanisch beanspruchte und damit wartungsintensive Teile. So ist zum Beispiel – im Gegensatz zu motorbetriebenen Anlagen – kein regelmäßiger Ölwechsel erforderlich. Prinzipiell ist also ein geringer Wartungsaufwand zu erwarten. Im Rahmen der Wartung sollte auch eine Feinabstimmung des Gesamtsystems durchgeführt werden. So kann zum Beispiel nach der Analyse der Betriebsstunden von Brennstoffzellen-Einheit und Spitzenlastkessel gegebenenfalls eine Optimierung des Betriebs vorgenommen werden.
Letztlich hängt die Wartungshäufigkeit vom jeweiligen Hersteller und Brennstoffzellen-Heizgerät ab. Eindeutiges Ziel ist jedoch, dass sich der Wartungsaufwand im Rahmen dessen bewegen muss, was heutige Technologien erfordern. Bei den derzeit laufenden Feldtests laufen Geräte-Prototypen, bei denen die Wartungshäufigkeit aktuell mit etwa 2 bis 3 Mal pro Jahr noch etwas größer ist. Häufig sind die Geräte per Fernleitwarte mit den Servicecentern der Hersteller oder den Energieversorgern verbunden, die die Anlagen betreiben. Bei der Fernwartung können sich Servicemitarbeiter online über den Betriebszustand informieren oder erhalten Fehlermeldungen. Aus der Ferne erfolgt die Fehlerdiagnose sowie ggf. die Neu-Einstellung der Anlage.
Neben der Fernwartung ermöglicht eine solche Kommunikationsschnittstelle auch ein externes Energiemanagement wie etwa die Einbindung in ein virtuelles Kraftwerk.

Während der Feldtests installieren ausgewählte Fachhandwerker die Brennstoffzellen-Heizgeräte und warten zusammen mit den kooperierenden Energieversorgungsunternehmen die Anlagen. Derzeit dürfen nur vom Brennstoffzellen-Heizgeräte-Hersteller geschulte Fachhandwerker an den Geräten arbeiten. Nach ihrer Marktreife können Brennstoffzellen-Heizgeräte wie gewohnt über die Heizgerätehersteller oder deren Vertriebspartner erworben werden.
Alternativ besteht für den Privatkunden die Möglichkeit, Brennstoffzellen-Heizgeräte über sogenanntes Contracting zu nutzen. Beim Contracting bietet der Energie-Dienstleister, also beispielsweise der Energieversorger, in Kooperation mit geschulten Fachpartnern, ein Komplettpaket an, das je nach Ausgestaltung des Vertrags unterschiedliche Leistungspakete umfasst: Beratung, Planung, Finanzierung, Realisierung, Betrieb und Instandhaltung der Systeme. Die Anlage bleibt im Besitz des EVU, und der Kunde bezahlt nur die Energie, die er verbraucht. Ansonsten hat er keinerlei Aufwand mit der Anlage. Contracting beschleunigt die Einführung neuer Energiespar-Techniken, weil der Kunde weder investieren noch die technischen Risiken des Anlagenbetriebs tragen muss. Derzeit werden speziell für Brennstoffzellen-Heizsysteme geeignete Contracting-Modelle entwickelt. Dies ist eine der Aufgaben der Initiative Brennstoffzelle.

Wasserstoff ist ein hoch brennbares Gas. Den Ruf, besonders gefährlich zu sein, hat das Gas jedoch zu Unrecht. Werden die Sicherheitsvorkehrungen eingehalten, ist Wasserstoff ebenso sicher zu handhaben wie andere Brennstoffe und Gase auch. Bei den Brennstoffzellen, die in der Hausenergie eingesetzt werden, wird aus Erdgas immer nur so viel Wasserstoff erzeugt, wie gerade in der Brennstoffzelle benötigt wird. Einen Wasserstofftank im Haus gibt es nicht. Daher sind solche Systeme ebenso sicher wie ein herkömmlicher Heizkessel. Außerdem überwacht eine interne Regelung in der Brennstoffzellen-Einheit den sicheren Betrieb. Bei Abweichungen erfolgen automatische Korrekturmaßnahmen bzw. die Abschaltung des Geräts.
Brennstoffzellen-Heizgeräte durchlaufen vor ihrer Markteinführung eine Vielzahl von Prüfverfahren. Diese prüfen auch die Betriebssicherheit mit den in Deutschland und der EU erforderlichen Genehmigungen (CE, GS, VDE, TÜV etc.).

Für KWK-Anlagen gilt grundsätzlich: Je länger die Laufzeiten, desto höher die Effizienz. Aus diesem Grund ist eine Solaranlage zur Warmwasserbereitung oder zur Heizungsunterstützung keine sinnvolle Ergänzung eines Brennstoffzellensystems. Solaranlagen decken besonders in den Sommermonaten bereits die Wärmegrundlast. In dieser Zeit müsste die Brennstoffzelle häufig abgeschaltet oder heruntergefahren werden und würde dann auch keinen elektrischen Strom mehr liefern.

Bisher werden Brennstoffzellen für die Hausenergie ausschließlich im Rahmen von Feldversuchen der Hersteller und Energieversorger erprobt. Für die Feldtests werden derzeit ausgewählte Fachhandwerker von den Brennstoffzellen-Heizgeräte-Herstellern intensiv geschult, bevor sie den Service und die Wartung an den Geräten durchführen. Handwerker, die Interesse an einer Teilnahme haben, können sich an einen der Hersteller oder an das betreffende Strom- und Gasunternehmen wenden.

Die Brennstoffzellen-Heizgeräte-Technik wird nicht nur zum Aufbau und zur Sicherung von Arbeitsplätzen bei Zulieferern und Herstellern in Deutschland beitragen, sondern wird auch den Fachhandwerkern in Deutschland neue Perspektiven in Richtung Beratung und Verkauf, Installation, Service und Wartung bieten. Zudem wird die Förderung der Brennstoffzellen-Heizgeräte-Technik durch Politik und Industrie den Knowhow-Standort Deutschland im globalen Wettbewerb stärken. Darüber hinaus sind Brennstoffzellen-Heizgeräte auch für die Umsetzung von neuen Geschäftsmodellen im Bereich der Energie-Dienstleistungen geeignet, wodurch weitere neue und anspruchsvolle Arbeitsplätze im Zusammenhang mit Betrieb, Wartung und Abrechnung entstehen werden.
Insgesamt findet mit der Energieversorgung auf der Basis von Brennstoffzellen ein zunehmender Teil der Wertschöpfung im eigenen Land statt. Die Brennstoffzellen-Heiztechnik wird damit positive wirtschaftliche und soziale Impulse auslösen.

Die Wärmespeicherung nimmt einen hohen Stellenwert im Betriebskonzept von Brennstoffzellen-Heizgeräten ein, weil damit ein Ausgleich von Wärmebedarf und Brennstoffzellen-Heizgeräte-Grundleistung erfolgt. Durch den Speicher sind längere, gleichmäßige Laufzeiten der Anlage gewährleistet. Die richtige Speicherauslegung ist somit eine wichtige Voraussetzung für den wirtschaftlichen Betrieb des Brennstoffzellen-Heizgeräts. Größe und Art des Speichers ergeben sich aus der Leistung des Brennstoffzellen-Heizgeräts sowie der maximalen Heizlast.

Brennstoffzellen-Heizgeräte benötigen etwas mehr Platz als beispielsweise eine herkömmliche Gas-Brennwertheizung. Beim Aufstellort ist vor allem zu prüfen, ob er den Gewichts- und Platzanforderungen des Brennstoffzellen-Heizgeräts inklusive des Speichers genügt. Weitere Aspekte sind die Möglichkeiten der Zuluft- und Brennstoffzuführung sowie der Abgasabführung.

Brennstoffzellen-Heizgeräte sind im Gegensatz zu motorbetriebenen KWK-Anlagen im Betrieb praktisch lautlos. Eine geringe Geräuschentwicklung geht lediglich von den integrierten Pumpen und einigen anderen Systemkomponenten aus.

Brennstoffzellen-Heizgeräte werden anschlussfertig und mit CE-Zertifizierung geliefert. Da es neben der Wärme- und Stromerzeugung auch um die Strom-Einspeisung geht, müssen – wie bei konventionellen KWK-Anlagen auch - entsprechende Genehmigungen und Anmeldungen durchgeführt werden. Im einzelnen sind dies Anmeldungen beim Erdgasversorger, beim Schornsteinfeger und beim zuständigen Betreiber des Stromnetzes. Mit diesem wird zudem ein Einspeisevertrag abgeschlossen. Ein zusätzlicher Gaszähler für die KWK-Einheit oder ein Wärmemengenzähler können je nach Kundenwunsch hinzukommen.
Die Installation des Brennstoffzellen-Heizgeräts an das vorhandene Wärmenetz im Haus unterscheidet sich kaum von der Installation eines konventionellen Heizkessels. Die hydraulische Einbindung von Brennstoffzellen-Einheit und Spitzenlastkessel erfolgt gemäß Herstellervorgaben. Bei den in der Regel mit Erdgas betriebenen Geräten sind die entsprechenden Vorschriften (z. B. TRGI) zu beachten. Bei der Abgasführung muss den jeweiligen Herstellerangaben entnommen werden, ob für die Brennstoffzellen-Einheit und den Spitzenlastkessel eine gemeinsame Abgasanlage möglich ist.
Stromseitig erfolgt die Netzanbindung durch einen befugten Elektroinstallateur über den bestehenden Hausanschluss. Vor Inbetriebnahme muss sie beim Netzbetreiber angemeldet werden.

Bevor ein Brennstoffzellen-Heizgerät eingebaut wird, muss in jedem Fall die vorhandene Heizungsanlage analysiert werden. Sehr häufig sind zumindest ein hydraulischer Abgleich und eine neue Umwälzpumpe nötig. Doch sollten sich auch weitere wichtige Komponenten auf dem aktuellen Stand der Technik befinden. Grundsätzlich jedoch ist ein Brennstoffzellen-Heizgerät für die Abdeckung der Wärme-Grundlast konzipiert – egal wie im bestehenden Heizungssystem die Wärmeverteilung erfolgte.

Die elektrische Anlage muss vor der Installation eines BZ-Heizgerätes überprüft werden. Für die verschiedenen Betriebszustände (Strom-Eigenverbrauch oder -Einspeisung) sind entsprechende Zähler notwendig. Der Fachhandwerker prüft, ob die Zählerplätze, die Leitungsdimensionen sowie Sicherungen und Schutzeinrichtungen den Vorschriften entsprechen. Ein Wechselrichter zur Umwandlung des erzeugten Gleich- in Wechselstrom ist in der Regel in das Brennstoffzellen-Heizgerät bereits werksseitig integriert.
Wird der erzeugte Strom im Gebäude selbst verbraucht, kann das Brennstoffzellen-Heizgerät mit relevanten Energieverbrauchern im Haushalt wie Beleuchtung, Waschmaschine, Lüftung oder Klimatisierung regeltechnisch verbunden werden. Eine solche Gebäudeleittechnik steigert die Energieeffizienz des gesamten Gebäudes und ergänzt die Leistung des Versorgungsnetzes.