Brennstoffzellen als Heizung niemals monovalent betreiben! Autor: ralf_ausB

Zur Brennstoffzelle ...
Es gibt da mehrere Varianten, wie man da herangehen kann und jeder Hersteller macht es ein wenig anders ... klar, es gibt noch keinen richtigen Massenmarkt, der etabliert ist. Geht gerade erst los mit der Produktion in gößeren Stückzahlen. Daher hätte ich gern auch noch 1-2 Jahre gewartet. Nur leider ist unsere Therme anderer Meinung und stirbt gerade den Tot des zugesetzten Brenners.
Es gibt die "Einfach rein und fertig"-Lösungen in Form von Kombigeräten. Dort sind Brennstoffzelle und Spitzenlastbrenner in Form eines Gasbrennwertgerätes vereint. Puffer dazugestellt und dann zusehen, dass es irgendwie klappt. Diese Systeme sind für die Heizung "optimiert" und die Brennstoffzelle wird in den warmen Monaten abgeschaltet. Dann ist alles wie mit einer normalen Gastherme. Der durch die Zelle erzeugte "Nebenbei"-Strom ist nur ein netter Nebeneffekt. Die Gebäudespezifik bleibt in den Systemen, wie immer bei vorgedachten Lösungen von der Stange, außen vor.
Die andere Variante liegt darin, das Hauptaugenmerk auf die optimierte Stromerzeugung zu legen und eine einzelstehende Brennstoffzelle zu stellen und den Rest der Anlage daran anzupassen - was ich gerade versuche. Der Vorteil liegt in einer ganzjährigen, kontinuierlichen Stromerzeugung und einer gelieferten Grundlast an Wärme. Wenn es dann noch gelingt den selbsterzeugten Strom möglichst umfassend selbst zu nutzen, dann kommt man schnell in Bereiche einer Amortisation weit unter 10 Jahren. Für die Nutzung des Stromes haben wir die Umstellung auf E-Mobilität geplant. Hier gibt es noch reichlich Detailfragen, zB muss ich den Ladestrom ja auf die gerade gelieferte Leistung der Zelle begrenzen, sonst kauf ich ja wieder Strom dazu. Am Ende wird es wohl einen haufen Stromzähler geben und Einiges was automatisiert geregelt werden muss.
So jetzt noch was zu den Zellen selbst. Die Dinger sind furchtbar Träge und haben Anlaufzeiten von mehreren Tagen (!!) und wollen dann nicht abgeschaltet werden. Die Erzeugung von Strom findet durch die Umwandlung von Erdgas, was in der Zelle vorher in reinen Wasserstoff aufbereitet wurde, statt. Dies kann in Hochtemperaturzellen oder bei niedrigeren Temperaturen stattfinden. Naturgemäß wird die Hochtemperaturzelle für den Heizzweck besser sein.
Die Zellen selbst können in gewissen Grenzen in der Leistung modulieren, so dass man eigentlich eine recht Hohe Flexibilität erreichen können sollte, wenn die Hersteller ausreichend Regelungs- und Anpassungsmöglichkeiten liefern würden. Der Wirkungsgrad von echten 85% bis teilweise an die 90% ran (Herstellerangaben - Vorsicht!) sollte schon aufhorchen lassen.
Im Moment sind mir eigentlich nur 3 Typen von Brennstoffzellen bekannt:
Die Hexis AG hat eine selbstentwickelte Zelle am start ... ist aber von Viessmann gekauft worden, die eigentlich ein anderes System von Panasonic einsetzen. Diese Zelle liefert ordentlich Wärme und bietet einen guten Output an Strom. Durch die Kooperation mit Viessmann sehe ich ein Problem mit konzerninterner Konkurrenz und kann nicht beurteilen, ob beide Systeme nebeneinander in einer Firma bestehen können. Was überlebt ist unklar ...
Die meisten bekannten Marken setzen bei den Brennstoffzellen auf Panasoniczellen, die zwar recht bescheidene Leistungswerte haben, dafür aber schon seit Jahren in Japan im Echtbetrieb laufen.
Das dritte System kommt von Solidpower und ist ebenfalls eine Eigenentwicklung mit Blick auf die optimierte Stromproduktion. Diese Zelle ist als "Beistellgerät" konzipiert.
Eigen ist allen, dass die Hersteller noch nicht genügend Daten über ihre Produkte haben und sich den Betrieb meist vorbehalten - sprich sie wollen einen Wartungszugang zu den Zellen und die Möglichkeit einzugreifen, sollte mal was komplett aus dem Ruder laufen. Der Kunde "bezahlt" also auch hier mit Daten. Sollte man Wissen und vorher für sich abwägen, ob das ein Ausschlussgrund sein könnte.

Um nach dem Kopieren des Threads mal die Kurve zur Überschrift zu bekommen, nochmal der Hinweis auf die hohe Trägheit der Brennstoffzellen und als Überlegung mal in den Raum stellen: Was passiert, wenn das System mal "hart" runterfällt; bei einem Stromausfall zb oder der Unterbrechung der Gasversorgung. Soweit ich das bislang erlesen habe, können die Zellen bei einem Ausfall der Stromanbindung in einen "Selbsterhaltungsbetrieb" wechseln, in dem zumindest die Temperatur der Zelle gehalten wird, um Schäden zu verhindern. Danach muss der Zellenstack wieder kontrolliert, also langsam angefahren werden. Wenn der primäre Brennstoff ausfällt, wird es wohl noch länger dauern, da der Stack erstmal wieder einen konsistenten Zustand erreichen muss. Vermutlich durch komplettes Abkühlen. Möglicherweise kommt es hierbei zu Schäden.
... In diesen Zeiten möchte man sicher eine zweite, möglichst robuste Wärmequelle im Haus haben. Deshalb bin ich beim HV in den Überlegungen gelandet.

Noch allgemeine Infos: Der Zellenstack produziert Gleichstrom, der genau wie bei Fotovoltaik in einem Wechselrichter für das Netz aufbereitet werden muss. Die Hersteller integrieren den Wechselrichter wohl immer in die Geräte.
Brennstoffzellen werden durch die Bafa im Rahmen des BHKW-Programmes gefördert.
Der ins Netz eingespeiste Strom wird durch das EEG vergütet.

Durch die kontinuierliche Stromproduktion sollten Brennstoffzellen eigentlich zu Lieblingen der Netzbetreiber werden, da sie Grundlasten erzeugen und das auch noch dezentral, also die ja angeblich durch die Regenerativen so stark gequälten Netze entlasten.
Die Energieversorger werden sie im Gegenzug vermutlich verteufeln... Warten wir die ersten Schlagzeilen ab.

Alles was ich schreibe beruht auf angelesenen Erkenntnissen und ist sicher nicht erschöpfend oder in der Praxis von mir erlebt.

Zitat von nitroxatmer

Ok. Also hast Du die Zelle noch nicht ?

Um eine Planung zu machen braucht man verbindliche technische Parameter.

Richtig ... ist in Planung ... nicht mal das System steht zu 100% fest.
Technische Parameter werden von der Firmen teilweise noch wie Staatsschätze gehütet ... man will der Konkurrenz ja keinen zu tiefen Einblick gewähren. Siehe meine eigentliche Meinung "Es ist noch zwei Jahre zu früh".

Ähhh ... oO ... habe ich jetzt unwissentlich Deinen Beitrag editiert, nitroxatmer? ... hatte nur die Kommentarfunktion probiert ...

Na, jedenfalls noch ein "Ja!" bei Stromausfall versorgt sich die Zelle selbst mit dem nötigen Strom ... sie produziert ja genug davon. Aber sie geht sofort in einen "ungewöhnlichen" Betriebszustand, aus dem sie nur langsam und träge wieder herauskommt, um evt. Schäden zu erkennen und weitere zu vermeiden.

Mit der vollständigen Abkopplung meines Heimes vom öffentlichen Netz, wenn genug "interner" Strom da ist, habe ich auch schon geliebäugelt und ebenso mit einem größeren Stromspeicher, um die Phasen des "Inselbetriebs" möglichst lang zu bekommen. Aber alles der Reihe nach.

Moin @All ...
Hoffe Ihr hattet alle schöne Weihnachten und wartet nun gespannt, ob das nächste Jahr auch mal wieder erfreulichere Schlagzeilen bereithält.

Ich habe ein wenig Zeit und wollte Euch mal den Stand meines Projektes weitergeben ... Obwohl die Brennstoffzelle immer noch nicht läuft - das liegt aber im Moment am Netzbetreiber bei mir, der seinen Zähler noch nicht gewechselt hat - habe ich in den letzten Tagen eine ganze Menge Erfahrungen sammeln können.
Also zunächst: Die Entscheidung ist zu Gunsten der BlueGen von SolidPower gefallen. Die Zelle steht und ist betriebsbereit.
Die erste Erfahrung: Das Gehäuse ist etwa kühlschrankgroß bringt aber mit Stack knappe 300 Kilogramm auf die Waage ... und wird mit Erschütterungssensoren geliefert ... -> Das war kein Spass den Kasten an seinen Platz zu bringen.
Was wir bislang umgesetzt haben ist der komplette Umbau der alten Heizungsanlage: Der Gasbrennwerttherme unter dem Dach mit 120 Liter Warmwasserspeicher wurde der Heizkreis gekappt und der Warmwasserspeicher geklaut. Die Therme hat an dem Anschluss zur Warmwasseraufbereitung Anschluss an den neuen 1000 Liter Puffer im Keller gefunden (Vorlauf ganz oben rein in den Puffer, Rücklauf ganz unten raus aus dem Puffer - denke also klassisch nach "Lehrbuch"). Der Heizkreis vom Haus entnimmt am Puffer am Abgang MitteOben und führt zurück MitteUnten.
Achso ... Ich habe die vier Ebenen des Puffers Oben, MitteOben, MitteUnten und Unten benannt ... das klang halbwegs logisch und ist nachvollziehbar.
Das Warmwasser wird über eine Frischwasseraufbereitung just-in-time aufbereitet. Vorlauf am Puffer Oben (klar, wärmster Bereich) und Rücklauf Unten.
Alles diese Zu- und Abgänge "tummeln" sich direkt im Wasser der Puffers ... Die Brennstoffzelle wird zukünftig ihre Wärme über einen Wärmetauscher (Schlange im Puffer) über die komplette Höhe des Puffers abgegeben - dies dann allerdings ohne das Wasser im Puffer zu bewegen.

Folgende Befürchtungen hatte ich: Der Einbau des Puffers könnte das Heizen sehr träge machen. Das Warmwasser durch den "Durchlauferhitzer" würde bei niedrigen Puffertemperaturen nicht wirklich warm sein.
Am Abend als der Puffer gefüllt war und die Therme das erstemal den Puffer laden sollte, ermutigte mich mein Heizungsinstallateur noch:" Naja, das ist ja ne Brennwerttherme ... übermorgen könnte dann der Puffer 30° C Grad haben, aber dann merkt man das schon und es wird ein wenig warm im Haus!" ... Wie gut, dass sich dies als enorme Fehleinschätzung herausgestellt hat: Ja, die Therme ist ein Brennwertgerät und achtet auch peinlich genau darauf selbst beim Aufbereiten von Warmwasser - was sie ja bei mit tut, wenn der Puffer geladen wird - die Brennwertvorgaben in der Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf einzuhalten. Die Differenz zwischen Vor- und Rücklauf liegt bei meinem Gerät bei 20 °C. Aber: Wir haben mit der Pufferladung gegen 18:00 Uhr begonnen bei einer Puffertemperatur von winterlichem Leitungswasser, wohl so etwa 5°C und gegen 22:00 Uhr habe ich den Ladevorgang - damals noch manuell beendet, da ich in der Mitte des Puffers bereits 60 °C hatte (mit Backofenthermoter im Mantel ermittelt ... oO). ... Erleichterung ... die Erste.
Nach diesem Erlebnis wurde mit schnell klar, dass ich mich mit der Steuerung wohl beeilen müsste, um etwas mehr "zu sehen" und zu verstehen.
Die ganze Anlage ist bewußt einfach gehalten ... es gibt eine Wärmequelle und eine Pumpe - Schalter an und aus für "Puffer laden" und "Pumpe an zum Heizen". Im letzten Entwurf habe ich sogar noch die Pumpengruppe rausgeworfen, um die Vorlauftemperatur im Heizkreis zu regeln und mich entschieden es zunächst nur mit einem einzigen Regelort zu versuchen: Zeitgesteuerte Thermostate in allen Räumen. Hier bin ich skeptisch, ob ich das beibehalten kann, das wird die Zeit zeigen ...

Die ersten Versuche Warmwasser zu beziehen, haben dann den nächsten Stein plumpsen lassen. Die FriWa-Station hat einen kleinen aber sehr effektiven Wärmetauscher und es gibt wirklich warmes Wasser in nahezu beliebiger Menge :). Das war mit Temperaturen mit vermutlich etwas über 60° Oben im Puffer.
Grundsätzlich können wir also mit diesem Zustand die Hütte heizen und haben warmes Wasser.
Ich hatte mir von Anfang an vorgenommen, die Regelung und Steuerung der Heizung selbst zu bauen und zu programmieren, um den Spezifika unseres Hauses gerecht zu werden und eine maasgeschneiderte Lösung zu bekommen.
Da ich bereits seit Jahren einen Raspi mit ZWave-Modul betreibe, um kleinere Smarthome-Funktionen umzusetzen und mich der Pi in Punkto Zuverlässigkeit und Stabilität noch nicht enttäuscht hat, lag es für mich nahe auch wieder einen Pi für die Heizung zu nehmen. Mittlerweile in der Gen 3. Für das bisschen Heizungsregelung hat der Pi 3 genügend Kapazitäten ... und vor allem die Anschlussmöglichkeiten, die ich brauche: GPIOs für Relais zum Schalten der Heizungspumpe, sowie zur Ansteuerung einiger LEDs zur Statusanzeige und von Hause aus den One-Wire-Bus für Temperatursensoren, von denen es einige braucht, um nicht mehr "blind" zu sein. Als Sensoren habe ich die DS1820 verbaut ... Vier davon habe ich in Styroportaschen direkt auf den Puffer geklebt und mit etwas Wärmeleitpaste aus dem PC-Bau für den richtigen Kontakt zum Medium gesorgt. Die Sensoren selbst sind nicht sehr messgenau, +/- 1 °C glaube ich, aber für meinen Zweck hier ausreichend. Diese Konstruktion funktionert erstaunlich gut und ich bekomme sinnvolle Daten. Nicht vergessen: Das ist alles mehr oder weniger China-Technik ... also immer genug Ersatz da haben und die Karte im Pi immer schön als Image weglegen, dann ist ein Komplettausfall in 20 Minuten vergessen.
Als Programmiersprache habe ich node.js gewählt ... eine asynchrone Sprache, die Events vesteht. Das das wirklich wichtig für mich ist, habe ich genau dann erkannt, als ich mich entschloss alle Betriebsparameter in einen Redis-Keystore zu legen und die einzelnen Funktionen modulweise zu programmieren. Damit wird es möglich Keys im Redis-Store durch Events zu "überwachen" und völlig autonome Module darauf reagieren zu lassen. Zb gibt es ein Modul, welches nur die Temperatursensoren ausliest und die Ergebnisse in den Store schreibt ... Ein anderes Modul lauscht darauf, dass aktuelle Temperaturen geschrieben werden und schaltet dann bei erreichen eines Schwellwertes die Pufferladung ein. Noch ein anderes Modul schnappt sich die Temperaturen und "legt" sie für die Statistik weg ... So habe ich mir den Puffer visualisert (Bild im Anhang. Zu sehen ist der Temperaturverlauf im Puffer der letzten 60 Minuten ... mit einschalten der Ladung).
Wie man sieht lasse ich den Puffer im Moment bei etwa 3°C Aussentemperatur im oberen Bereich bei etwa 51 °C rumdümpeln ... das reicht immernoch locker für 45°C warmes Wasser zum Duschen und abwaschen.
Schön auf der Kurve zu erkennen ist auch ein Effekt, der mich total überrascht hat (obwohl er eigentlich logisch ist, man darüber als Laie aber nicht nachdenkt): Sobald das Laden des Puffers durch die Therme beginnt, verwirbelt das Wasser im oberen Drittel des Puffers ... das hat den schönen Effekt, dass beinahe SOFORT (dauert etwa drei Minuten) die Vorlauftemperatur (gelbe Kurve) im Heizkreis angehoben ist. Damit geht das Heizen mit Puffer sogar schneller als mit der Therme direkt am Heizkreis ... da hat es immer so 20 Minuten gedauert bis alle Heizkörper genug Temperatur bekommen haben - speziell nach der Nachtabsenkung.
Was auch jetzt schon gut klappt ist die Entlastung der Therme vor dem berüchtigten Takten (was ich vorher ja hatte, da die Therme nicht mehr im tief lastreduzierten Betrieb arbeiten kann). Bei den jetzigen Temperaturen habe ich die Schwellwerte für die Pufferladung so gesetzt, dass ein Ladezyklus etwa 45 bis 60 Minuten dauert. Danach kann bis zu mehr als drei Stunden aus dem Puffer geheizt werden ... und die Therme selbst ist nicht über Vorlauftemperaturen von 55 °C gegangen und die ganze Zeit im optimalen Brennwertbereich gefahren. Ich hoffe, dass die Brennstoffzelle dann diese Intervalle noch verlängert ... mal schauen ...
Fasst es als "Drohung" auf ... ich melde mich wieder

... ich tummel mich ja hier im Bereich "Aus Forschung und Technik" ... also mal ein ganz anderes während meines Projektes "Schreibe eine Heizungssteuerung in NodeJS" erlebtes "Forschungsergebnis":
NodeJS ist eine asynchrone Programmiersprache - wie schon gesagt eigentlich sau cooles Zeug - ABER: Mehrere Sensoren auf dem OneWire-Bus mit NodeJS auslesen, kann den Bus überfahren. Anfäglich hatte ich alle Sensoren in node-üblicher Weise parallel abgefragt und mich irgendwann gewundert, dass mal der eine, mal der andere Sensor nicht die erwarteten Daten geliefert hat, sondern alte Messergebnisse aus dem vorherigen Abfragezyklus zurück kamen. Irgendwann kam die Idee, die Temperatursensoren in einer sync-Kaskade abzufragen und damit immer schön nur eine Anfrage gleichzeitig auf dem OneWire-Bus zu haben ... und ja ... das war des Übels Wurzel. Seitdem bin ich (erstmal? ) überzeugt, dass die DS1820-Sensoren stabil und für diesen Zweck allemal ausreichend sind.

Weiter geht's ...
Die Brennstoffzelle ist am Montag vor zwei Wochen in Betrieb gegangen - zunächst in die Aufwärmphase. Nach fast exakt 48 Stunden hat die Zelle dann in den Wirkbetrieb gewechselt und schiebt seitdem kontinuierlich 1,5 Kwh Strom ins Netz; pro Tag also 36 KW.
Die Zelle erzielt dabei einen elektrischen Wirkungsgrad von 63% (Vergleich modernes Kohlekraftwerk 40-45%, Gaskombikraftwerk 60%) dazu kommen noch etwa 300 Watt nutzbare Abwärme - was etwa 20% der eingesetzten Energie entspricht. Gesamtwirkungsgrad liegt also gerundet bei 80%. Schon sehr fein ...
Die Kosten für eine Kilowattstunde aus dem eigenen Keller bezogen nur auf den Gasbezug liegen etwa um die 9ct - !! Milchmädchenrechnung !! Es fehlen Wartungskosten für die Zelle auf der verteuernden Seite sowie Erstattung der Energiesteuer und Förderung durch BAfA und Einspeisevergütung auf der vergünstigenden Seite.
Das zur Zelle ... Die Heizungsanlage selbst hat von der Brennstoffzelle eher gar nichts gemerkt. Naja, bei 300 Watt Wärmeleistung auch kein Wunder. Wie ich schon weiter oben vermutet habe "verschmiert" die Kühlung der Zelle ein wenig den Pufferspeicher. Soll heißen: Die Temperatur Oben bleibt ohne Entnahme nicht lange konstant, sondern driftet in den unteren Bereich des Puffers ab. Damit fällt die Temperatur Unten im täglichen Betrieb mit Heizung und Warmwasserverbrauch kaum noch unter 35°C.
Für das Laden des Puffers kann das tatsächlich positiv bewertet werden, da die Therme gleich mit hohen Vorlauftemperaturen von ~55°C zu Werke gehen kann. Für mich hieß es noch ein wenig in die Laderegeln des Puffers eingreifen zu müssen, da ich den oberen Pufferbereich für die Warmwasserversorgung etwas genauer und öfter betrachten muss und ich habe mir eine Funktion für den vorzeitigen Beginn eines Ladezyklusses für den Puffer gebastelt - falls man doch mal in die Dusche möchte, wenn der Puffer oben gerade die Komfortzone verlassen hat.
Es haben sich leider noch einige handwerkliche Schludrigkeiten aufgetan, die noch nachgezogen werden müssen. So scheinen im Metall eingestanzte Pfeile für die Anzeige der Durchflussrichtung durchaus interpretationsfähig zu sein. Leider funktionieren die Messgeräte dann irgendwie "anders" ...
... und ich habe im Moment eine wunderbare Schwerkraftheizung für die Vorerwärmung meiner Therme unter dem Dach, da es versäumt wurde eine Schwerkraftbremse in den Ladekreislauf einzubauen. Dies führt zu einem Wärmeleck, was im Moment tatsächlich 30 m3 Gas pro Monat verschlingt!! Ich kann das so prima beziffern, weil der eine Wärmemengenzähler entgegen seiner geplanten Durchflussrichtung eingebaut wurde und nun genau diese Verluste misst. Ein Glück, dass dieser Fehler passiert ist, sonst hätte ich das frühesten und mit viel Glück im Sommer bemerkt, wenn Rohre warm sind, die dann nicht warm sein dürften.
Damit neigt sich das "kleine" Projekt seinem Ende entgegen.
Als vorläufiges Fazit bleibt: Die Brennstoffzelle arbeitet wirklich so leise und effizient wie durch den Hersteller versprochen. Eine schnelle Wirtschaftlichkeit erreicht nur der, der es schafft den erzeugten Strom auch selbst zu verbrauchen (zB wie bei uns noch in Planung durch E-Mobilität) oder der, der die Verringerung seines persönlichen CO2-Fussabdruckes auf der Habenseite verbucht und/oder die Anschaffung der Brennstoffzelle als Wertsteigerung der eigenen Immobilie sieht (was durchaus plausibel ist).
Persönlich bin ich noch skeptischer geworden, was Brennstoffzellen angeht, die hauptsächlich zur Wärmeerzeugung gebaut werden. Die Trägheit durch die Aufheizzeiten lassen erahnen, dass diese Zellen doch in den wärmeren Monaten längere Zeit nicht in Betrieb sind. Mit zu viel Wärme im Haus wird es immer ein Problem geben ... zuviel Strom kippe ich im Notfall ins öffentliche Netz und bekomme etwas mehr als den Gestehungspreis auch zurück. Was mache ich mit zuviel Wärme? Die werde ich nicht los, geschweige denn ich würde finanziellen Ausgleich dafür erhalten ...
Wie immer bei Investitionen werde ich erst am Ende der Lebenszeit der Investition wissen, ob die Entscheidung gut war. Gefühlt würde ich das unter Einbeziehung der nicht monetären Vorteile schon heute behaupten.

Hallo, Jochen
Das interessiert mich jetzt doch schon ... die Zickigkeit von Viessmann bezüglich der Hydraulik ...
Ich verstehe eine Brennstoffzelle als ein Teil eines multivalenten Heizkonzeptes für ein Haus und finde es sehr seltsam, wenn genau dieses Konzept wieder durch einen Hersteller eingebremst wird. Solarkollektoren, wasserführende Kamine und ähnliches sollten daneben werkeln können.
Was hatte Viessmann denn für Bedenken geäußert, wenn eine weitere Wärmequelle vorhanden ist? ... das sie nicht aus dem Hause Viessmann ist?