Wasserstoff Brennstoffzellen BHKW

Herkömmlicherweise werden KWK-Anlagen und insbesondere BHKW an (Fern-) Wärmenetzen rein wärmegeführt betrieben. Das heißt, der Wärmebedarf ist die bestimmende Führungsgröße im Betrieb. Typischerweise werden BHKW in Kombination mit Spitzenlasterzeugern in einer Kesselfolgeschaltung betrieben. Dabei bedienen die Motoren die Grundlast des Wärmebedarfs und die Gaskessel – als schnell modulierende Wärmeerzeuger – den Teil der Last, der nicht durch KWK-Aggregate oder aus dem Wärmespeicher bedient werden kann. In dieser Betriebsweise werden Wärmespeicher vor allem eingesetz, um auch bei niedriger Wärmeabnahme eine minimale Laufzeit der Motoren zu ermöglichen und gleichzeitig auch um Lastspitzen abzupuffern. Die Regelung der Motoren und der Gaskessel erfolgt anhand von Temperaturen im Wärmespeicher sowie der Vorlauftemperatur des Verteilnetzes. Wärmeerzeugung aus den BHKW hat hierbei immer Vorrang.

Die wärmegeführte Betriebsweise kommt dann an seine Grenzen, wenn man zusätzlich zu der thermischen Seite weitere Führungsgrößen berücksichtigen möchte. So kann man bei dem Betrieb von stromgeführten KWK-Anlagen neben der aktuellen thermischen Situation auch nach dem lokalen Strombedarf steuern oder auf eine Erlösoptimierung im kurzfristigen Stromhandel hin optimieren.

Für einen ganzheitlich optimierten, stromgeführten KWK-Betrieb muss sowohl die Wärmeseite als auch die Stromseite berücksichtigt werden.

Durch die Energiewende verändern sich die Anforderungen an den Betrieb von Wärmenetzen und an den BHKW-Betrieb. Um den neuen Herausforderungen gerecht zu werden wurde vom Gesetzgeber im KWKG 2016 die Kategorie der innovativen KWK (iKWK) eingeführt. Diese modernen KWK-Anlagen zeichnen sich durch einen hohen Anteil an erneuerbarer Wärmeproduktion und ein hohes Flexibilitätspotential aus. Durch zunehmend komplexer werdende Betriebskonzepte mit erneuerbaren Wärmequellen in Kombination mit Wärmepumpen und Eisspeichern oder Power-to-Heat Anlagen wird eine optimale Betriebsführung über eine herkömmliche Anlagensteuerung immer herausfordernder. Durch eine stromgeführte Einsatzoptimierung wird es möglich eine Vielzahl von Kriterien explizit zu berücksichtigen. Eine Einsatzoptimierung übernimmt in einem komplexen Anlagensystem die Aufgabe einer übergeordneten Steuerung.

Quelle: https://dezera.de/kwk-im-wandel geladen am 22.09.2021

Bei einem Blockheizkraftwerk fallen prinzipbedingt immer Strom und Wärme gleichzeitig an. Die Auslegung eines BHKW kann daher entweder nach dem Strom- oder dem Wärmebedarf erfolgen.

Wärmegeführt

Blockheizkraftwerke die nach dem Wärmebedarf ausgelegt werden kommen regelmäßig in Ein- oder Mehrfamilienhäusern sowie Gewerbebetrieben zum Einsatz. Ein BHKW wärmegeführt auszulegen ist häufig sinnvoll, da die Unterschiede beim Wärmebedarf im Tagesverlauf nicht so stark schwanken wie beim Strombedarf. Zudem besteht der Vorteil, dass anfallender Strom, der nicht genutzt wird, problemlos jederzeit in das öffentliche Netz eingespeist werden kann. Wärmegeführte BHKW können an dem Spitzenbedarf oder der Grundlast orientiert werden, im zweiten Fall wird eine Zusatzheizung für Spitzenzeiten notwendig.

Stromgeführt

Wird ein Blockheizkraftwerk so betrieben, dass möglichst viel Strom produziert wird, dann handelt es sich um ein sogenanntes stromgeführtes BHKW. Allerdings wird in diesem Fall auch Wärme anfallen, die nicht sofort nutzbar ist. Deshalb wird bei einem stromgeführten BHKW ein Pufferspeicher für die Wärmespeicherung notwendig, sodass diese Wärme später genutzt werden kann. Es gibt zwei große Anwendungsbereiche, bei denen BHKW normalerweise stromgeführt betrieben werden: Zunächst gilt dies für BHKW, die im Inselbetrieb laufen, also nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind. Auch Blockheizkraftwerke, die mit nachwachsenden Rohstoffen betrieben werden, sind sie fast immer stromgeführt, da der Betreiber für den ins Netz eingespeisten Strom eine Vergütung erhält. Es lohnt sich daher, möglichst viel Elektrizität zu produzieren. Wird die anfallende Wärme entsprechend genutzt, ist hiergegen auch nichts einzuwenden. Wird anstatt eines Wärmespeichers jedoch überschüssig Wärme über einen Notkühler ungenutzt an die Umwelt abgeführt, wird der eigentliche Vorteil des Blockheizkraftwerks, die effiziente, zeitgleiche Nutzung von Wärme und Strom, hinfällig.

Netzgeführt

Bei netzgeführten BHKW erfolgt die Regelung der einzelnen Anlage nicht autonom vor Ort, sondern zentral etwa durch den Energieversorger. Netzgeführte Anlagen bilden dann ein sogenanntes virtuelles Kraftwerk, das aus mehreren stromgeführten BHKW und anderen Anlagen besteht. Diese werden dann je nach Bedarf an- und ausgeschaltet. Auch bei einer netzgeführten Anlage muss ein Wärmespeicher die beim Betrieb anfallende Wärme zwischenspeichern, da diese unabhängig vom Wärmebedarf anfällt.

Quelle: https://www.blockheizkraftwerk.org/betriebsarten geladen am 22.09.2021

Derzeit (September 2021) scheint es in Deutschland nicht möglich zu sein, als Privatperson Kleinstmengen an Strom auf dem Spotmarkt zu verkaufen.

Eine Vermarktung als Unternehmer und das Abonnement einer Stromcloud sind nicht erwünscht.

Deshalb entwicklen wir ein stromorientiertes Blockheizkraftwerk auf Wasserstoffbasis.

Ziel: Weitgehende Autarkie vom Stromnetz.

Vermeidung von überbordender Bürokratie und Regulierungswahn.

Keine Einspeisevergütung, Steuerberater etc.

Ansatz wie von der schwäbischen Hausfrau: nur kaufen, was unbedingt notwendig ist.

Ziel ist, ein weitgehend wartungsfreies System zu erfinden, dass 24 Stunden, 365 Tage rund um die Uhr läuft ohne Flamme, ohne Abgas und ohne Lärmemission (wie z. B. eine Luft-Wasser-Wärmepumpe).

Dazu ermittle ich den mittleren täglichen Strombedarf und konstruiere eine Brennstoffzelle, die genau diese Strommenge produziert. Die entstehende Wärme wird in einen (Erd-) Speicher geladen und im Winter für die Heizung verwendet oder “vernichtet”.

Ermittlung des Wärmebedarfs

Derzeit leben vier Personen im Haus, von denen zwei innerhalb der nächsten 5 Jahre ausziehen werden.

Da wir die neue Anlage für mindestens 20 Jahre planen, nehmen wir den aktuellen Wärmebedarf als Maximum (4 x täglich duschen, 4 beheizte Zimmer).

Unter Heizlast versteht man in der Bautechnik die zum Aufrechterhalt einer bestimmten Raumtemperatur notwendige Wärmezufuhr. Sie wird in Watt angegeben. Die Heizlast variiert mit der Lage des Gebäudes, der Bauweise der wärmeübertragenden Gebäudeumfassungsflächen und dem Bestimmungszweck der einzelnen Räume. Sie kann durch Wärmeschutzmaßnahmen verringert werden.

Die Ermittlung der Heizlast ist in der EN 12831 genormt. Nach der Heizlast richtet sich die von der Heizungsanlage zu erbringende Wärmeleistung.

Quelle: Seite „Heizlast“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 21. September 2021, 10:02 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Heizlast&oldid=215771306 (Abgerufen: 24. September 2021, 13:10 UTC)

Der Heizbedarf gibt an, welche thermische Energie zum Heizen notwendig ist. Für bautechnische Anwendungen steht speziell die Größe Heizenergiebedarf (Q_h, HEB) zur Verfügung.

Der Heizbedarf ist eine Größe der Energie (Wärmemenge) und wird in Joule (J), auch Kilojoule (kJ) oder Megajoule (MJ), oder (messtechnisch veraltet, in der Technik aber noch verbreitet) in Kilowattstunden (kWh) bzw. Megawattstunden (MWh) angegeben (1 kWh = 3,6 MJ). Er bemisst sich also aus Heizbedarf = thermische Leistung in Kilowatt (kW) × Heizzeit in Stunden (h)

Es ist zweckdienlich, den Heizbedarf auf eine Heizperiode (bzw. ein Jahr) zu bemessen, und gibt den Jahresenergiebedarf dann in Joule bzw. Kilowattstunden pro Jahr (kWh/a) bzw. Watt, in Einheiten der Leistung (Physik), den vom Heizsystem auf das Gebäude übertragenen Wärmestrom, bzw. die notwendige Heizlast. Auch monatliche Angaben sind üblich.

Der Heizenergiebedarf (Q_h, HEB) ist die Energiemenge, die für die Heizung eines Gebäudes notwendig ist. (EN 832)^[1]

Der Heizwärmebedarf (HWB, teils auch Nutzheiz-Energiekennzahl NEZ)^[4] ist die errechnete Energiemenge, die je Gebäudenutzfläche innerhalb der Heizperiode zuzuführen ist, um die gewünschte Innentemperatur aufrechtzuerhalten, z. B. wie durch Heizkörper an einen beheizten Raum abgegeben wird.

Er ist eine Baukenngröße, also für ein spezielles Gebäude typisch, und wird von der Gebäudehülle (Bauform, Dämmung), Standort (groß- und kleinklimatische Bedingungen) und seiner baulichen Nutzungsart bestimmt, ist aber vom Nutzerverhalten unabhängig. Die Bauform des Gebäudes geht über die Kompaktheit^[5] ein, die Wärmedämmung über die Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Werte) der Außen- und Trennflächen, außerdem enthält sie die Gesamtenergiedurchlassgrade (g-Werte) aller Fensterflächen, einschließlich Orientierung und allfällige Abschattung der Glasflächen, also Wärmegewinne durch Sonneneinstrahlung (ÖNORM B 8110-1).^[6]

Allgemein dient der Heizwärmebedarf für die Definition von Energiestandards bei Häusern. Für neugebaute Häuser wird laut der deutschen Energieeinsparverordnung (EnEV), etwa für den Niedrigenergiehaus-Standard, ein spezifischer Heizwärmebedarf von ≤ 50 kWh/m²a gefordert. Für unsanierte Altbauten liegt der Wert typischerweise über 150 bis weit über 300 kWh/m²a.

Der Jahres-Heizwärmebedarf einzelner Bauteile von Wärme übertragenden Hüllflächen kann mit Hilfe des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wertes) und den langjährigen mittleren Klimabedingungen abgeschätzt werden.

Warmwasserwärmebedarf (Trinkwasserwärmebedarf)

Der Warmwasserwärmebedarf (WWWB), auch Trinkwasserwärmebedarf (TWWB) ist die Energiemenge, die zur Erwärmung dem Wasser mit Trinkwasserqualität zugeführt werden muss. Verluste bei der Energieumwandlung (z. B. Verluste des Heizkessels), der Verteilung und sonstige technische Verluste sind nicht enthalten. Der Warmwasserwärmebedarf ist eine Größe der Nutzung, im Besonderen der Anzahl der Personen im Haushalt. Der Trinkwasserwärmebedarf wird bei manchen Verfahren pauschal mit 12,5 kWh/m²a angesetzt. Dies entspricht einem Bedarf von 23 l pro Person und Tag. Laut ÖNORM B 8110-5 beträgt der Warmwasserwärmebedarf für Wohnhäuser 35 Wh/m² und Tag. Bei Büros ist es die Hälfte, bei Krankenhäusern das Doppelte.

Quelle: Seite „Heizenergiebedarf“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 3. Februar 2021, 17:24 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Heizenergiebedarf&oldid=208399169 (Abgerufen: 24. September 2021, 13:30 UTC)

Wärmebedarfsausweis

Energieausweis

Unser Haus enspricht nach 20 Jahren immer noch einem Einfamilienhaus Neubau.

Ermittlung des Strombedarfs

Der derzeitige Strombedarf (2020) wird verzerrt durch zwei jugendliche Zocker und viel Home Office.

Da wir die neue Anlage für mindestens 20 Jahre planen, nehmen wir den aktuellen Stombedarf als Maximum.

Dazu wird der Zählerstand abgelesen und in einer Tabelle eingetragen.

Datum	Wasser	ET	NT	HT
202109230715	783	23717	24833	27113
202109241936	784	23729	24835	27121
202109251910	784	23737	24838	27124
202109261022	784	23739	24842	27124
202109270715	785	23748	24848	27126
202109280715	785	23756	24850	27130
202109290715	786	23766	24852	27137
202109300815	786	23773	24854	27144
202110010745	787	23778	24855	27151
202110021300	787	23788	24858	27160
202110031100	788	23796	24846	27160
202110040730	788	23807	24870	27167
202110050700	789	23813	24872	27169

95 kWh in 14 Tagen entspricht 6,79 kWh täglich für Warmwasser sind 2 476 kWh im Jahr! Dabei ist die Heizung aus.

Im Wärmebedarfsausweis wurde der Jahresprimärenergiebedarf für Trinkwassererwärmung mit 2 385 kWh angegeben.

Der reale Stromverbauch 2020 war 7 540 kWh, d.h. die Heizung hat nur 5 000 kWh gebraucht.

Im Wärmebedarfsausweis wurde der Jahresprimärenergiebedarf für die Heizung mit 9 900 kWh angegeben.

Bei Strom – anders als bei Erdgas (und Erdöl) – handelt es sich nicht um einen Primärenergieträger.

Deshalb muss der Wert umgerechnet werden.

Die in der Stromrechnung ausgewiesenen Kilowattstunden sind kWh_el und zeigen direkt den Endverbrauch von Strom im Haushalt auf.

Bei Gasrechnung wird meist eine Gasmenge in m³ angegeben und in kWh_th umgerechnet. Darin liegt eine gewisse Ungenauigkeit, weil der Energieinhalt eines Kubikmeters Gas abhängig von Druck und Temperatur schwankt. Deshalb werden Normbedingungen zugrunde gelegt. Das nennt sich thermische Abrechnung. Wie viel von den so errechneten Kilowattstunden dann tatsächlich in der Wohnung ankommt, hängt von der Effizienz der Heizanlage ab – u.a. vom Wirkungsgrad des Heizkessels und von Verlusten beim Speicher und der Wärmeverteilung. Zwischen den abgerechneten kWh_th und der in der Wohnung verbrauchten Wärme besteht eine Differenz.

Eine Elektrodirektheizung hingegen kann fast 100 Prozent des Stroms in Wärme umwandeln – das wär schon mal ein kleines Plus für die Elektroheizung. Doch bei einem Gaspreis von 6 ct/kWh und einem Strompreis von 25 ct/kWh fällt das kaum ins Gewicht.

Quelle: https://blog.paradigma.de/kilowattstunde-ist-nicht-gleich-kilowattstunde geladen am 05.10.2021

96 kWh ET in 14 Tagen entspricht 6,86 kWh täglich für Haushaltsstrom sind 2502 kWh im Jahr!

2 Kühlschränke, 1 Waschmaschine, 1 Trockner, 3 PCs und 2 Laptops, 1 Fernseher.

Der reale Stromverbauch 2020 war 4107 kWh, d.h. im Winter ist auch der Stromverbrauch höher.

Der Strombedarf eines Vier-Personenhaushalts liegt bei gut 4 000 kWh im Jahr. Mit einer Kilowattstunde (1 kWh) Strom kann ich:

• eine Maschine Wäsche waschen
• eine Stunde staubsaugen (1 000 W-Staubsauger)
• sieben Stunden lang fernsehen
• eine 10-Watt-LED-Lampe 4 Tage lang brennen lassen

Der Heizwärmebedarf eines zehn Jahre alten Hauses liegt größenordnungsmäßig bei 70 kWh pro Quadratmeter und Jahr, d.h. bei 140 Quadratmetern Wohnfläche gehen gut 10 000 kWh Heizwärme jährlich in das Haus, das entspricht etwa dem Energieinhalt von 1 000 Liter Heizöl.

Quelle: https://blog.paradigma.de/was-ist-eine-kilowattstunde-kwh geladen am 05.10.2021

Dimensionierung der Brennstoffzelle

Sobald der Wärmebedarf und der Strombedarf ermittelt wurden, muss die benötigte Größe der Brennstoffzelle berechnet werden.

Danach richtet sich der Wasserstoffbedarf und die Größe des (saisonalen) Wärmepeichers.

Eine Pufferbatterie könnte sinnvoll sein, wird aber evtl. gar nicht benötigt.

Ein Blockheizkraftwerk sollte zwischen 4 000 und 5 000 Betriebsstunden im Jahr unter Volllast laufen, damit es wirtschaftlich Wärme und Strom produziert. Deshalb kommt der Auslegung und der Betriebsweise des BHKW eine so entscheidende Rolle zu. Hat das BHKW eine zu große Leistung, kann es die notwendigen Volllaststunden nicht erreichen.

Quelle: https://www.heizsparer.de/heizung/heizungssysteme/bhkw/bhkw-auslegung geladen am 22.09.2021

Ein Jahr hat 8 760 Stunden.

Die elektrische Leistung des Dachs 0.8 beträgt 750 Watt, die thermische Leistung liegt bei 1 100 Watt. So kann die Anlage auch bei besonders geringem Wärmebedarf in modernen KfW 40-, Passiv- oder Plusenergiehäusern ausreichend lange Laufzeiten erzielen, um eine attraktive Stromproduktion zu ermöglichen. Der 300 l Pufferspeicher garantiert lange Laufzeiten. Für Lastspitzen – beispielsweise in sehr strengen Wintern oder bei einem erhöhten Warmwasserbedarf – ist ein Zusatzheizgerät integriert, um die zuverlässige Wärmeversorgung des Gebäudes jederzeit zu gewährleisten.

Quelle: https://www.senertec.de/brennstoffzellendachs geladen am 22.09.2021

750 Watt x 8 760 Stunden = 6 570 kWh Strom, d.h. bei 4 000 kWh Strombedarf könnten wir die Brennstoffzelle noch kleiner dimensionieren.

Brennstoffzellentyp

Zunächst muss geprüft werden, welchen Brennstoffzellentyp wir benötigen.

Vermutlich benötigen wir eine Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-
Brennstoffzelle (NT-PEMFC).

Rechtliche Rahmenbedingungen

Laut einer E-Mail unseres Steuerberaters ist es möglich, eine Photovoltaikanlage zu betreiben, ohne gewerblich zu handeln.

Auf Antrag entfällt die Meldung der Erlöse beim Finanzamt und dadurch auch die Notwendigkeit, einen Steuerberater für die Aufstellung der Erträge zu bezahlen.

Dies gilt ggfls. genauso für andere stromerzeugende Anlagen, die privat betrieben werden.

Wärmespeicher

Wir benötigen einen Saisonalspeicher, der ausreichend groß dimensioniert ist, um damit im Winter heizen zu können.

Da kein zusätzliches Brennwertgerät (mit Flamme) geplant ist, muss als Notversorgung bei extremer Kälte ein Heizstab im Pufferspeicher integriert sein. Dieser könnte dann über den HT/NT-Tarif vom Netz betrieben werden.

Wir bleiben am öffentlichen Stromnetz, versuchen jedoch, den externen Strombedarf so weit wie möglich zu senken.

Stromspeicher

Wir benötigen evtl. einen Batteriepufferspeicher, der die Lastspitzen über den Tag ausgleichen kann.

Alternativ beziehen wir die Lastspitzen aus dem öffentlichen Stromnetz und bezahlen dafür, da Batteriespeicher sehr teuer sind.

Energiemanagementsystem

Bei vielen modernen Anlagen sind Energiemanagementsysteme integriert oder können extern eingebunden werden.

Dies befriedigt das Bedürfnis vieler Hausbesitzer, Ihre Stromerzeugung und den Verbrauch überwachen zu können.

Zusätzlich wurden Apps entwickelt, um seine Haussteuerung weltweit kontrollieren zu können.

Dies alles ist nicht erwünscht weil teuer, unnötig und der Gefahr von Hackerangriffen.

Am Liebsten wäre uns ein bestehendes System, das sich über ein integriertes Kontrollpanel ohne Internetanschluss steuern lässt.

Wasserstoffspeicher

Wasserstoff kann von einem Gaseanbieter (z. B. Linde, Guttroff, Tyczka Industrie-Gase GmbH) gekauft und geliefert werden. Wasserstoff wird in Flaschen abgefüllt und in sog. Bündeln gelagert. Laut Landratsamt und Stadtwerken können Wasserstoffbündel genehmigungsfrei auf unserem Privatgrundstück gelagert werden.

Fa. Guttroff rechnet ca. 400 Euro für ein Bündel Wasserstoffflaschen. Der Austausch der Bündel ist sehr einfach durch Umlegen eines Hahns.

Alternativ kann Wasserstoff selbst über eine PV-Anlage und einen Elektrolyseur erzeugt werden (power-to-gas).