Callux, Praxistest Brennstoffzelle fürs Eigenheim...Steuererstattung gemäß EnergieStG, 2014 Energiesteuererstattung für die im KWK-Prozess benötigte Gasmenge: 0,55 ct/kWh Hs Alternativ

Callux, Praxistest Brennstoffzelle fürs

Eigenheim

Brennstoffzellen-Heizgeräte

− Grundlagen − Stand | 01.05.2016

1. Grundlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

2. Das Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH)

3. KWK-Auslegung

4. BZH im Einfamilienhaus

5. Wirtschaftlichkeit

2

Agenda

Callux | Praxistest | BZH-Grundlagen | 01.05.2016

3

I. Grundlagen

I.1. Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

Definition:

„§ 3 Begriffsbestimmungen

(1) Kraft-Wärme-Kopplung ist die gleichzeitige

Umwandlung von eingesetzter Energie in elektrische

Energie und in Nutzwärme in einer ortsfesten technischen

Anlage. […]“Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-

Kopplung (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWK-G), 2016)

Abbildung/Quelle: WBZU, ZSW, Callux / ModernLearning GmbH

Gas / Öl KWKWärme

Strom


4

Der energetische Vorteil einer gekoppelten

Erzeugung von Kraft und Wärme

Quelle: „Das KWK-

Gesetz 2012“; ASUE

Arbeitsgemeinschaft für

sparsamen und

umweltfreundlichen

Energieverbrauch e. V.

www.asue.de

Grundlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)


5

Primärenergiebedarf und CO2-Emissionen



Abbildung/Quelle: Callux, http://www.callux.net/files/basismodul/start.html

Produkttypen KWK (kleine Leistung < 2 kWel)

6

Mikro - KWK

Brennstoffzellen - HeizgeräteMotorische KWK

Ottomotor Stirlingmotor PEMFC SOFC

Vaillant

ecoPOWER1.0

Remeha

eVita 28cBaxi-Innotech

„Gamma Premio“

Hexis „Galileo“

Vaillant

Hersteller/Marken (Beispiele):



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Brennstoffzelle mit Bipolarplatte (Bsp.: PEMFC)


Brennstoffzellen-Heizgeräte


PEMFCProton Exchange Membrane Fuel Cell

Niedertemperatur BZ

Erdgasbetrieb mit interner

Gasaufbereitung, hohe

Anforderung an Gasreinheit

Katalysatormaterial (Platin)

Demineralisierung von

Wasser mittels Kartusche

Gut regelbar auf

Teillastbetrieb

Schnell zu starten (0,5-1 h)

SOFCSolid Oxide Fuel Cel

Hochtemperatur BZ

Erdgasbetrieb mit interner

Gasaufbereitung

Katalysatormaterial Nickel

Meist begrenzte

Regelbarkeit

Lange Start- und

Abschaltzeiten

8

Das Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH)


9


Schematische Darstellung einer BZ


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Hexis Galileo 1000 N

KWK-Teil

Typ Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)

Leistung (el/th) 1,0 kWel / 1,8 kWth

Modulation 100-50 %

Brennstoff Erdgas, Bioerdgas

el. Wirkungsgrad (Hi) 30-35 %

Gesamtwirkungsgrad 95 %

Integriertes Zusatzheizgerät

Typ Brennwertgerät

Leistung 4-20 kW

Normnutzungsgrad 109 % (N bei 40/30°C)

Gesamtgerät:

Gesamtwirkungsgrad > 95 % (nach EN 50465 bei VL/RL 60/40°C)

Größe (cm), BxTxH 62 x 58 x 164

Gewicht ca. 170 kg

Gehäuse lackiert, vollgekapselt

Erdgasdruck 20-25 mbar (EN 437)

Elektrischer Anschluss 230 V/ 50 Hz

Betriebsart wärmegeführt, Energiemanager geregelt,

Steuerung auch über Fernzugriff


Die Geräte im Callux-Praxistest


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SenerTec - Dachs InnoGen

KWK-Teil:

Typ Niedertemperatur PEM-Brennstoffzelle

Leistung (el/th) 0,25 kWel / 0,7 kWth

Modulation ca. 100 – 40 % PelN

Brennstoff Erdgas Typ E und LL

el. Wirkungsgrad (Hi) 38 %

th. Wirkungsgrad KWK 51 %

Gesamtwirkungsgrad 89 %

Zusatzheizgerät:

Typ Brennwertgerät

Leistung 5,2 - 21,8 kW


Gesamtgerät:

Größe (cm), LxBxH 125 x 106 x 180 (BZ-Einheit)

Gewicht ca. 120 kg (BZ-Modul)

Gehäuse lackiert, vollgekapselt

Erdgasdruck 20 / 25 mbar (EN 437)

Elektrischer Anschluss 230 V / 50 Hz

Betriebsart stromgeführt, wärmegeführt, Energiemanager geregelt, zentral gesteuert (virtuelles Kraftwerk)

Die Geräte im Callux-Feldtest (2):

I. Grundlagen

I.3. Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH)


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Die Geräte im Callux-Praxistest

Vaillant

(Technische Zielwerte)

Typ Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)

Leistung (el/th) max. 1,0 kWel / 2,0 kWth

Einsatzbereich Einfamilienhaus

Brennstoff Erdgas, Bioerdgas

el. Wirkungsgrad (Hi) 30 %

Gesamtwirkungsgrad KWK80 – 85 %

Gerätedaten

Größe (mm), LxBxH 600 x 625 x 986

Gewicht ca. 150 kg

Gehäuse lackiert, voll gekapselt

Erdgasdruck 20-25 mbar (EN 437)

Elektrischer Anschluss 230 V/ 50 Hz

Betriebsart wärmegeführt, Energiemanager geregelt,Steuerung auch über Fernzugriff

Externes Zusatzheizgerät

Typ Brennwertheizgerät

Leistung je nach Bedarf konfigurierbar



Geburt der Brennstoffzelle 1839: Die Entdeckung der Brennstoffzelle durch

Sir W. Grove

Renaissance der Brennstoffzelle: Raumfahrt

60er Jahre: Entwicklung und Einsatz Apollo-

Programm

80er Jahre: Entwicklung und Einsatz für Space-

Shuttle-Programm

Sir W. Grove

Bildquelle: Wikipedia

Bildquelle: NASA

14

Exkurs: Der Weg zur Brennstoffzelle

Geschichtliches zur Brennstoffzelle


Seit ca.1990: Wiederentdeckung der Brennstoffzelle

Seit ca.2000: Prototypen und Vorserienprodukte

Derzeit stehen bereits kommerziell erhältliche

Produkte zur Verfügung. Andere stehen vor der

Markteinführung.

Bildquelle: SFC Energy AG , WBZU, Daimler, Baxi Innotech

DirektmethanolzelleUnterbrechungsfreie

StromversorgungPKW

Hausenergie-versorgung

15

Exkurs: Der Weg zur Brennstoffzelle

Frühe Märkte


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Ermittlung des Strom-und Wärmebedarfes

Ermittlung oder Simulation einer Jahresdauerlinie

Sortierung der Verbrauchsdaten und Erstellung

einer geordneten Jahresdauerlinie

Aufteilung der Wärmebedarfs in Grundlast und

Spitzenlast

Auslegung/Dimensionierung der KWK-Anlage

anhand der Grundlast

Auslegung/Dimensionierung eines Pufferspeichers

zur Optimierung der Anlagenauslastung

KWK-Auslegung

Eckpunkte der KWK-Auslegung


17

KWK-Auslegung


18

KWK-Auslegung


19

KWK-Auslegung

Zusammenspiel: Speicher und KWK-Anlage


• Freistehendes Einfamilienhaus, bewohnt von 4 Personen

• Baujahr 1953, 2010 modernisiert

• Beheizte Fläche: 101 m²

• Wärmebedarf: 18.000 kWhth:

15.600 kWh Heizung,

2.400 kWh Warmwasser

• Strombedarf: 3.500 kWhel

• Brennstoffzellenheizgerät (BZH)

Elektr. Leistung: 1 kWel,

Therm. Leistung: 1,87 kWth,

• Zusatzheizgerät (ZHG)

therm. Leistung max. 15 kWth

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BZH im Einfamilienhaus

Eckdaten des Musterhauses


3.500 kWh Strom

18.000 kWh Wärme

(davon 15.600 kWh

Heizwärme, 2.400 kWh

Warmwasser)

21

BZH im Einfamilienhaus

Wie lässt sich der Energiebedarf mit dem

geringsten Primärenergieeinsatz decken?


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BZH Grundlagen

Primärenergievergleich

Primärenergieeinsatz – getrennte Erzeugung:

Wärme18.000 kWhth18.947kWhHi Erdgas

Erzeugung von Strom =

Mix aller Energieträger

Strom 3.500 kWhel6.300 kWhPE

20.842 kWhPE

Summe: 27.142 kWhPE

Primärenergiefaktor

Strom = 1,8

Primärenergiefaktor

Erdgas = 1,1

Abbildung/Quelle: WBZU, ZSW, Callux


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Primärenergieeinsatz – gekoppelte Erzeugung:

BZH Grundlagen

Primärenergievergleich18.0

00 k

Wh

thW

ärm

e

14.737 kWhHi

3.5

00

kW

hel S

trom

2.980 kWhelEigenstromnutzung

16.211 kWhPE

10.313 kWhPE

Summe: 23.824 kWhPE

SOFC - BZH

9.000 kWhth

ZHG

2.020 kWhelRückspeisung

-3.636 kWhPE

Strombezug 520 kWhel936 kWhPE

Abbildung/Quelle: WBZU, ZSW, Callux

9.000 kWhth9.375 kWhth


Der energetische Vorteil liegt bei ca. 12 %

(bei einer Laufzeit von 5.000 Vollbenutzungs-

stunden im Jahr).

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BZH Grundlagen


Primärenergieeinsatz – Getrennte und gekoppelte

Erzeugung im Vergleich:

Abbildung/Quelle: Gertec GmbH

22.000

23.000

24.000

25.000

26.000

27.000

28.000

getrennteErzeugung

gekoppelteErzeugung

27.142

23.823

Prim

äre

ne

rgie

[kW

hP

E/a

]

PE-Aufwand gesamt


-5.000

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

getrennteErzeugung

gekoppelteErzeugung

-3.636

Prim

äre

ne

rgie

[kW

hP

E/a

]

PE-Aufwand nach Energieform

Stromgutschrift

Strombezug

konv. Wärmeerzeugung(Heizkessel oder ZHG)

BZH


25

§ 1 – Ziel des Gesetzes:“Dieses Gesetz dient der Erhöhung der Nettostromerzeugung aus Kraft-Wärme-

Kopplungsanlagen auf 110 Terrawattstunden bis zum Jahr 2020 sowie auf 120

Terrawattstunden bis zum Jahr 2025 im Interesse der Energieeinsparung sowie

des Umwelt- und Klimaschutzes.“ (KWK-G; 2016)

BZH Wirtschaftlichkeit

Allgemeines

Das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWK-G):


26


Allgemeines

Vergütung und Steuererstattung:

Leistungsanteil < 50 kWel 51-100

kWel

101-250

kWel

251-2.000

kWel

> 2.000

kWel

Netzeinspeisung (§7) [ct/kWh]8 6 5 4,4

3,1

Eigenverbrauch (§7) [ct/kWh] 4 3 - - -

Kundenanlagen (§7)

(Contracting) [ct/kWh]4 3 2 1,5 1

Eigenverbrauch in

stromkostenintensiven

Unternehmen [ct/kWh]

5,41 4 4 2,4 1,8

Förderdauer (§8) [h] 60.000 30.000

Anlagen < 2 kWel (§9)Optional: Pauschalierte Vorabauszahlung der KWK-Zuschläge für

60.000 Vollbenutzungsstunden zu 4 ct/kWh.

Steuererstattung gemäß

EnergieStG, 2014

Energiesteuererstattung für die im KWK-Prozess benötigte

Gasmenge: 0,55 ct/kWhHs

Alternativ bis Ende 2016* Generelle Vergütung mit 5,41 c/kWh

(Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWK-G2016))

* §35 (4) KWKG 2016; gilt nur für BZH, die bis 31.12.2016 verbindlich bestellt sind und die Inbetriebnahme dieser Anlagen bis 31.12.2017 erfolgt.


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Varianten:

Getrennte Erzeugung: Gasbrennwertkessel &

Solarthermie

Gekoppelte Erzeugung: BZH & Zusatzheizgerät (ZHG)

Eckdaten:

Strombezugspreis: 25,00 ct/kWh

Gasbezugspreis: 5,55 ct/kWhHs

Vergütung gem. KWK-G: 8/4 ct/kWh (Einspeisung/Eigenverbrauch)


Vergleich der Energiekosten am Beispiel des

Musterhauses


Energiekosten im Vergleich Gekoppelte Erzeugung

BZH

Getrennte Erzeugung

Gas-BW+Solar

Strombezug

Verbrauchspreis

Grundpreis

+ 130,00 EUR/a

+ 81,36 EUR/a

+ 840,00 EUR/a

+ 81,36 EUR/a

Stromeinspeisung

Kaufmän. Abnahme - 63,63 EUR/a

KWK-Zuschlag für den eingespeisten/-

eigenverbrauchten Strom

- 280,80 EUR/a

Gesamtkosten Strom - 133,07 EUR/a + 921,36 EUR/a

Gasbezug:

Verbrauchspreis

Grundpreis

+ 1.404,97 EUR/a

+ 182,04 EUR/a

+ 919,65 EUR/a

+ 182,04 EUR/a

Energiesteuererstattung für in der BZE

umgesetzte Gasmenge - 89,96 EUR/a

Gesamtkosten Gas + 1.497,05 EUR/a + 1.101,69 EUR/a

Gesamtkosten Energie + 1.363,98 EUR/a + 2.058,06 EUR/a

28


Getrennte und gekoppelte Energieerzeugung


Der energetische Vorteil liegt bei ca. 12 %

(bei einer Laufzeit von 5.000 Vollbenutzungs-

stunden im Jahr).

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BZH


Primärenergieeinsatz – Getrennte und gekoppelte

Erzeugung im Vergleich:


22.000

23.000

24.000

25.000

26.000

27.000

28.000

getrennteErzeugung

gekoppelteErzeugung

27.142

23.823

Prim

äre

ne

rgie

[kW

hP

E/a

]

PE-Aufwand gesamt


-5.000

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

getrennteErzeugung

gekoppelteErzeugung

-3.636

Prim

äre

ne

rgie

[kW

hP

E/a

]

PE-Aufwand nach Energieform

Stromgutschrift

Strombezug

konv. Wärmeerzeugung(Heizkessel oder ZHG)

BZH


30

sind technisch ausgereift,

sind in Feldversuchen flächendeckend erprobt,

stehen kurz vor der Markteinführung,

haben einen deutlichen energetische Vorteil,

können in Zukunft wirtschaftlich betrieben werden,

können einen wichtigen Beitrag zur Energiewende

leisten.

Fazit

Brennstoffzellen-Heizgeräte . . .


Vielen Dank für

Ihre Aufmerksamkeit!

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In Zusammenarbeit mit:

Callux-Arbeitskreis „Marktpartner“

Elektro Technologie Zentrum (etz)

Stuttgart

Handwerkskammer Osnabrück-

Emsland

Heinz-Piest-Institut (Hannover)

Max-Taut-Schule (Berlin)

ModernLearning GmbH (Berlin)

Weiterbildungszentrum Brennstoffzelle

Ulm (WBZU)

unter der Leitung von:

Prof. Dr. Manfred Hoppe

Forschungsgruppe Praxisnahe

Berufsbildung (FPB)

Universität Bremen

Herausgeber:

Callux, Praxistest

Brennstoffzellen fürs

Eigenheim, 2013,

www.callux.net

Impressum


Documents

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