callux, praxistest brennstoffzelle fürs eigenheim...steuererstattung gemäß energiestg, 2014...
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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
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Agenda
Callux | Praxistest | BZH-Grundlagen | 01.05.2016
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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
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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)
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Primärenergiebedarf und CO2-Emissionen
Grundlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
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Abbildung/Quelle: Callux, http://www.callux.net/files/basismodul/start.html
Produkttypen KWK (kleine Leistung < 2 kWel)
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Mikro - KWK
Brennstoffzellen - HeizgeräteMotorische KWK
Ottomotor Stirlingmotor PEMFC SOFC
Vaillant
ecoPOWER1.0
Remeha
eVita 28cBaxi-Innotech
„Gamma Premio“
Hexis „Galileo“
Vaillant
Hersteller/Marken (Beispiele):
Grundlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
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Brennstoffzelle mit Bipolarplatte (Bsp.: PEMFC)
Grundlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
Brennstoffzellen-Heizgeräte
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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
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Das Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH)
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Das Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH)
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
Das Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH)
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
Normnutzungsgrad 106 % (N bei 50/30°C)
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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Das Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH)
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
Normnutzungsgrad 109 % (N bei 40/30°C)
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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
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Exkurs: Der Weg zur Brennstoffzelle
Geschichtliches zur Brennstoffzelle
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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
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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
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KWK-Auslegung
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KWK-Auslegung
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KWK-Auslegung
Zusammenspiel: Speicher und KWK-Anlage
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• 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
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3.500 kWh Strom
18.000 kWh Wärme
(davon 15.600 kWh
Heizwärme, 2.400 kWh
Warmwasser)
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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
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Der energetische Vorteil liegt bei ca. 12 %
(bei einer Laufzeit von 5.000 Vollbenutzungs-
stunden im Jahr).
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BZH Grundlagen
Primärenergievergleich
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
Abbildung/Quelle: Gertec GmbH
-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
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§ 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):
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BZH Wirtschaftlichkeit
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)
BZH Wirtschaftlichkeit
Vergleich der Energiekosten am Beispiel des
Musterhauses
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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
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BZH Wirtschaftlichkeit
Getrennte und gekoppelte Energieerzeugung
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Der energetische Vorteil liegt bei ca. 12 %
(bei einer Laufzeit von 5.000 Vollbenutzungs-
stunden im Jahr).
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BZH
Primärenergievergleich
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
Abbildung/Quelle: Gertec GmbH
-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
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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 . . .
Callux | Praxistest | BZH-Grundlagen | 01.05.2016
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
Callux | Praxistest | BZH-Grundlagen | 01.09.2013