Heinz-Piest-Institut für Handwerkstechnik an der Universität Hannover L-B-Systemtechnik GmbH, Ottobrunn Fraunhofer Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung,

Heinz-Piest-Institut für Handwerkstechnik an der Universität HannoverL-B-Systemtechnik GmbH, OttobrunnFraunhofer Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung, Karlsruhe

Anforderungen an das Handwerkdurch die Innovation Brennstoffzelle

1

Aktuelle Informationen auch unter

www.hpi-hannover.de/brennstoffzelle

Wolfgang Koschorke, Walter Pirk, Heinz-Piest-Institut für Handwerkstechnik

Dr. Ulrich Bünger, Martin Zerta, L-B-Systemtechnik GmbH

Dr. Frank Marscheider-Weidemann, Dr. Annette Roser, FhG-ISI

ISIFraunhofer Institut

Systemtechnik undInnovationsforschungL-B-Systemtechnik

Anforderungen an das Handwerk durch die Innovation Brennstoffzelle

(Foliensatz für Multiplikatoren)

Heinz-Piest-Institut

1. Problemstellung 2. Technologie 3. Markt/Akteure 4. Anforderungen an das Handwerk

http://wwwl.hpi-hannover.de/brennstoffzelle



3

20% 20% 21%39%

Industrie-feuerungen

Heizungsanlagen

Kraftwerke

Autos/Flugzeuge

Verantwortlich für die CO2 - Emissionen in Deutschland

Die Energiever(sch)wender

Stand: 2000




4

Private Haushalte - Verteilung des häuslichen Energieverbrauchs

WarmwasserKochen und Backen

Elektrische Geräte

und Licht

Heizen

3%10%

14%

73%

Die Spitzenreiter


Anteile des häuslichen

Energieverbrauchs



5

Status am liberalisierten Energiemarkt (Januar 2004)


Wieder ansteigende Strompreise insbesondere für Privatkunden Förderung Klein-KWK (< 30 kWel, 70%) im Energiewirtschaftsgesetz

verankert Freier Netzzugang für Stromerzeuger nur unzureichend umgesetzt Freie Wahl des Stromlieferanten erschwert Entkopplung von Stromerzeugung und Netzbetrieb sowie Festsetzung ange-

messener Netztransportkosten in Vorbereitung. (Regulierungsbehörde ab 07/04) Technologischer Fortschritt bei BHKW kleiner Blockgröße (10-100 kWel-Klasse:

Gasmotor, Brennstoffzelle, Mikrogasturbine, Stirlingmotor) Kraft-, Wärme-, Kältekopplung (Tri-Generation) gewinnt an Bedeutung Interesse am Energiedienstleistungsgeschäft gestiegen Konzentrationsprozess innerhalb der Energiewirtschaft (Strom- und

Gasunternehmen) Unsichere KWK-Wirtschaftlichkeit, da keine Bindung zwischen Erdgas- und

Strompreis Politische Zukunft der Energieversorgung der Haushalte insgesamt ungewiss



6

Ökonomische und ökologische Aspekte der Kraftwärmekopplung




7

Funktionsprinzip von Motor-BHKW




8

Beispiele für Motor-Blockheizkraftwerke


Motor-BHKW der Firma Kraftwerk, Hannover

Motor-BHKW der Firma senertec, Schweinfurt



9

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler: Aus einem Stoff wird durch direkte Umwandlung Strom.

Brennstoffzellen haben keine bewegten Teile, sind daher wartungsfreundlich und arbeiten nahezu geräuschlos.

Die Brennstoffzelle lebt von Oberflächen- statt Volumenprozessen, ihre Effizienz ist (daher) unabhängig von der Systemgröße.

Brennstoffzellen besitzen einen hohen Teillastwirkungsgrad.

Brennstoffzellen sind modular im Aufbau.

Brennstoffzellen zeichnen sich durch Brennstoff-Flexibilität aus.

Merkmale von Brennstoffzellen




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Reformer

Luft/H20

Brennstoff(z.B. Erdgas)

Wechselrichter

Luft

Strom

Wärme

H2O2

H2OH+

e-

Wasser AnodeKathodeMembran

CO2

Funktionsprinzip von Niedertemperatur-Brennstoffzellen (PEM)




11

V

AFC

PEM FC

DMFC

PAFC

MCFC

SOFC

e-

CH3OHCO2

H2O

2H2

CO2

O2

O2H2O

O2

100 °C

80 °C

80 °C

200 °C

650 °C

1000 °C

O2

O 2H2OO2CO2

Brennstoff Sauerstoff (Luft)

Anode Elektrolyt Kathode

2OH-Alkaline Fuel Cell

Proton Exchange Membrane FC

Direct Methanol Fuel Cell

Phosphoric Acid Fuel Cell

Molten Carbonate FC

Solid Oxide Fuel Cell

Quelle: Ledjeff-Hey

Funktionsprinzip verschiedener Brennstoffzellentypen

2H2H2O

H2

H2

H2

H2O

H2O


O2-

2 H+

H+

H+

CO2-3



12

Temperatur Bezeichnung Anwendung [°C]

Brennstoffzellentypen

40...90 PEM Fahrzeug, Portable Systeme AFC KWK: Haus- /Siedlungsenergie DMFC Notstrom, Dezentraler Strom,

Spitzenlaststrom

100...200 PAFC KWK: Siedlungsenergie,Spitzenlaststrom,Lokomotiven, Schiffe

600...950 MCFC KWK: Kraftwerke mit GT-Kombiprozess SOFC Industrieenergie, Grundlaststrom,

Lokomotiven, Schiffe




13

P

t t

Q

Haushaltsbedarf

Steuerung/Regelung

AC

DC

t

P

Elektrisches Netz

Wärmetauscher für Heizung

Warmwasser-speicherReformer

.

Kondensator

Abluft

P

t t

Q

Haushaltsbedarf

Kaltwasser

Steuerung/Regelung

AC

DC

t

P

Elektrisches Netz

Wärmetauscher für Heizung

Warmwasser-speicher

Methanol bzw.Erdgas

Reformer

Luft

H

bzw.Reformergas

2

.

Kondensator

Hausenergieversorgung

Komponenten eines PEM-BZ- Systems

PEM- Brennstoffzelle




14

Quelle: Celanese

Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle

Bipolar Plate with Flow Field

Membrane

Gas Diffusion Layer with Catalyst

End Plate




15

Wasserstoff - Energieträger der Zukunft




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Im PKW Im Bus

In der Hausenergie-versorgung

In der Industrie In portablen........Anwendungen

Anwendungsgebiete von Brennstoffzellen - Überblick

25 W DMFC von Smart Fuel Cell




17

Heizungsraum

Wärmeerzeuger

Brennstoffspeicher(z.B. Heizöl, Flüssiggas, Methanol)

Wärme-Übergabestation(Fern-, Nahwärme)

Raumheizfläche

Abgasführung

Warmwasserverteilung

Kaltwasser-Hausanschluss Erdgasanschluss und -zähler

Warmwasser-,Heizungspufferspeicher

Heizungsregelung

Brennstoffzellen BHKW

Komponenten von Hausheizungssystemen mit BZ

Heizwärmeverteilung




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Portable digital assistant (PDA) mit DMFC und 3-5 W

Portable DMFC für 20 h(Markteinführung 2004) DMFC (50 W)

Backup power NEXA (1,2 kW)

Beispiele portablerBrennstoffzellen

Quelle: Casio

Quelle: Coleman, Ballard

Quelle: Toshiba Quelle: SFC

Getränkeautomat

Anwendungsbeispiele portabler Brennstoffzellen

12 W portable Brennstoffzelle

Quelle: Toshiba




19

Quelle: NovArs

Quelle: BVG, PM Quelle: Zeitler

Quelle: Lada

Anwendungsbeispiele mobiler Brennstoffzellen




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Vaillant

PlugPower

HondaCelanese

Shell Hydrogen

Ebara

Buderus

Ballard

UTC

EuropeanFuel Cell

Siemens

Kooperation für Hausenergie-versorgung und Kraftwerke

Joint ventureStrategische Partnerschaft für MEA

MTU

EbaraBallard

Entwicklungspartnerschaft für den europäischen Markt

Fuel Cell Techno.

PEM (HEV und U-Boot)SOFC (Westinghouse)

Hydrogen Source

ViessmannSulzerHexis

Hot Modul von MTU(MCFC 250 kWel)

SOFC 1 kWel Kooperation mit EVUs

PEM 3,8 kWel, ONSI PC25 200 kWelBMWA-ZIP Projekt

SchunkFreuden-berg

Landis & Staefa

SGL Carbon

ZIP Projekt, Kooperation

mit FhG-ISE und ZSW

Kooperation/Beteiligung

eigene Stackentwicklung

Strategien von Herstellern im stationären Bereich (Stand 2003)

GEHydro-genics

FCE

Toshiba

GM/Opel


RWE



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H-tecHelio-centris

DMFC

Nexa-Module1,2 kWel

Schul- und Lehr-material (DMFC+PEMFC)

FraunhoferISE

Forschungsinstitute mit Demonstrationsprojekten

ZSW



PEMFC

ZBT FZJ Samsung

Motorola

Aktivitäten bei weiteren Herstellern von „4C“ Produkten

(Camcorder, cell phones, computers, cordless tools)

Toshiba

Strategien von Herstellern im portablen Bereich (Stand 2002)

Ballard Power

Manhattan Scientific

Smart Fuel Cell

H-tec industrial Axane

100%ige Tochter von Air Liquide

tubuläre BZ, Sitz München

Schwabach

h2-interpower

FC Power Systems

TIFC

NEC

Toshiba International FC: 51% Toshiba, 49 % UTC




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PSA

BMW

GM/OpelToyota

Hyundai

Renault Mazda EvoBus

DC

Nuvera BallardUTC Delphi

Mitsubishi

FordVolvo

VW

Celanese

Honda

FIATNissan



Einzelne Stacks geliefert

Feste Lieferverträge

33 % Anteil an MazdaEnge KooperationPkw Sparte bei FordFranzösische Forschungsinitiative

Enge Kooperationaber jeweils eigene Stackentwicklung

Plug Power

Brennstoffzellenstrategien von Automobilherstellern

Daihatsu

Irisbus




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Zukunftsinvestitionsprogramm (ZIP) der Bundesregierung BMWA-Initiative BERTA (Brennstoffzellen – Entwicklung und Erprobung für stationäre und mobile Anwendungen)

BERTA gliedert sich in:

1. Industrialisierung der Zellen 2. Genehmigung und Normung 3. Infrastruktur 4. Aus- und Weiterbildung/Öffentlichkeitsarbeit

Im Bereich Aus- und Weiterbildung/ÖffentlichkeitsarbeitZusammenarbeit des HPI-Konsortiums mit den Demonstrationszentren:

ZSW (Zentrum für Solarenergie- und Wasserstoffforschung) Ulm FZ (Forschungszentrum) Jülich


Hintergrund zum Projekt „Anforderungen an das Handwerk ...



24

Betroffene Handwerksberufe- Installateur und Heizungsbauer- Elektrotechniker- Kfz-Techniker- Schornsteinfeger

Bisherige Tätigkeiten (herkömmliche Technik)- Installation- Wartung- Überprüfung- Reparatur/Austausch- Beratung/Verkauf

Zukünftig: teilweise Substitution der herkömmlichen Technik- Zusätzliche Anforderungen- Verlagerung von Aufgabenschwerpunkten

Analyse der Ausgangssituation bei der BZ-Einführung




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Identifizierte Handlungsfelder

Ermittlung der Anforderungen der BZ-Technologie Initiierung von Informations- und Erfahrungsaustausch Stärkung der Position des Handwerks Feststellung der potenziellen Auswirkungen auf den

Arbeitsmarkt Vorbereitung von Weiterbildungsmaßnahmen Beratung beim Aufbau von Demozentren für das Handwerk Empfehlungen für die Überarbeitung von

- Berufsbildern - Meisterprüfungsordnungen- Ausbildungsordnungen


Projektdesign „Anforderungen an das Handwerk ...“



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Multiplikatorenschulung und Information Aufbau eines BZ-Bildungsportals unter Beteiligung

von ZSW Ulm und FZ Jülich Experteninterviews mit Herstellern von

- Brennstoffzellen-Heizanlagen- mobilen Brennstoffzellen-Systemen- portablen Brennstoffzellen-Systemen

Experteninterviews mit- verschiedenen Energieversorgungsunternehmen- Fachverbänden (Kfz, SHK, Elektro, Schornsteinfeger)- innovativen Handwerkern

Datenerhebung bei beteiligten Akteuren hinsichtlich Betrieb, Wartung, Service der Feldversuchsanlagen

Projekt-Aktivitäten „Anforderungen an das Handwerk durchdie Innovation Brennstoffzelle“




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Potenzielle Veränderung der Zulieferstruktur im Kfz-Bereich

24%

22%

12%

20%17%

6%

11%

11%

14% 13%

63%

11%21%

17%

4%

19%

5%

4% 4%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Ante

il am

Pro

dukt

ions

wert

Fahrzeugindustrie

Maschinenbau

Gießerei- undMetallerzeugnisseChemie

Kunststoffwaren

Regelungstechnik

Elektr. Bauelemente

Verbrennungs-motor

BrennstoffzelleMethanoltank

BrennstoffzelleWasserstofftank




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Potenzielle Veränderung der Komponentenstruktur* (Kfz)

* Die Gesamtkosten für den Brennstoffzellenantrieb

wurden um 50 % höher angenommen, als die

Kosten für einen Ottomotor.

45% 45%31%

12%

17%

24%

11% 20%

22%9%

21%4%16%

4%5%4%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Ante

il an

Kos

ten

des A

ntrie

bstra

nges

Tank

Abgasanlage

Kühlsystem

Getriebe

Fahrzeugelektrik

Elektronik

VM bzw. Stack u.Gaserzeugung

Verbrennungs-motor

BrennstoffzelleMethanoltank

BrennstoffzelleWasserstofftank




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1. Es sind strukturelle Veränderungen der Wirtschaft, die neue Rahmen bedingungen schaffen und das alte Selbstverständnis des Handwerks verändern, und nicht einzelne Technologien wie die Brennstoffzellentechnik.

2. Das Handwerk muss pro-aktive interne Lösungsansätze entwickeln, um neuen Wettbewerbsstrukturen frühzeitig begegnen zu können.

3. Das Handwerk sollte sich zur eigenen Stärkung zunächst intern abstimmen.

4. Das tradierte Rollenverständnis des Handwerks muss überwunden werden.

5. Die Entwicklung eines neuen Rollenverständnisses im Handwerk ist umgehend vorzubereiten.

6. Die Bildung von Netzwerkstrukturen kann die Entwicklung eines neuen Rollenverständnisses unterstützen.

6 Thesen zu den Auswirkungen auf das Handwerk




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Fachverbände und Kammern- Auseinandersetzungen mit neuen Energiemarktstrukturen- Untersuchung der Auswirkungen auf einzelne Gewerke bzw. deren Zusammenwirken - Aus- und Weiterbildungsmaßnahmen abstimmen und entwickeln- Gemeinsam frühzeitige Gespräche mit Energieversorgern suchen

Handwerksunternehmen- Grundsätzliche Aufgeschlossenheit gegenüber neuen Entwicklungen- Aktive Informationsbeschaffung (Internet, Handwerks- oder Herstellerseminare)- Frühzeitige Beteiligung an innovativen Pilotprojekten gemeinsam mit neuen Akteuren

Vorbereitende Aktivitäten im Handwerk




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Bereitstellung von Informationsmaterialien für Berater und Handwerker über Internet Schulungen der Technologie- und Innovationsberater

Initiierung einer Informationskampagne im Handwerk Abschätzung der arbeitsmarktpolitischen Bedeutung Empfehlungen für die Öffentliche Hand

Unabhängige Information und Beratung Förderung von Kooperationen innerhalb des Handwerks und auch mit der Wissenschaft

Empfehlungen bzgl. der zielgruppengerechten Entwicklung von Lehrmaterialien Empfehlungen bzgl. der Veränderungen der Berufsordnungsmittel

Zu erwartende Arbeitsergebnisse des Projektes




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Forum „Netzwerk Brennstoffzelle im Handwerk“

Information/Erfahrungsaustausch des Handwerks über aktuelle Entwicklungen

Spiegelung der BZ-Projektergebnisse

Erfassung bestehender Aktivitäten

Erörterung der weiteren Arbeit des Forums

Erarbeitung eines gemeinsamen Positionspapiers

Ziel: Plattform für alle Handwerksbereiche bundesweit




33

Heizungsanlagenhersteller sprechen seit kurzem von 2010 als Zeitpunkt für die kommerzielle Einführung der BZ-Technologie (Technologische Weiterentwicklungen und erforderliche Kostenreduktion)

Kraft-/Brennstoff-Infrastrukturfrage wurde unterschätzt

Synergien wurden bisher nur in Ansätzen genutzt

Dynamik im Ausland ist unerwartet groß Grundlagen- und Anwendungswissen um Brennstoffzellen in der EU ist fragmentiert

Brennstoffzellentechnik ist akzeptiert, aber...




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http://www.hpi-hannover.de/brennstoffzelle

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