Kraft-Wärme-Mobilität-Kopplung

Bei einem zunehmenden Anteil erneuerbarer Energien wird es wichtiger, mehr als nur einen der Endenergieverbraucher Elektrizität, Wärme und Mobilität zu berücksichtigen. H2-Fahrzeuge können hierbei eine bedeutende Rolle spielen, weil sie den Energieträger Wasserstoff in Mobilität umsetzen und so – mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff – eine kohlendioxidfreie Mobilität erlauben. Dadurch werden der elektrische Energieverbrauch und der Sektor Verkehr miteinander verknüpft, wie dies bei den elektrischen Bahnen bereits der Fall ist. Außerdem könnten Fahrzeugbrennstoffzellen das Gebäudewärmemanagement unterstützen. Im Gegenzug kann mit Hilfe von Solaranlagen und Elektrolyseuren Wasserstoff für eine regenerative und autarke Mobilität erzeugt werden. Aus einem „Solar Building“ würde somit „Solar Living“. Für die Arbeit „Synergien zwischen Solargebäude und Brennstoffzellenfahrzeug“ wurde diese Kombination per Computersimulation untersucht.

Ein Einfamilienhaus mit sehr niedrigem Heizenergiebedarf (Passivhaus; ca. 12 kWh/m2a) wird mit thermischer Solaranlage und Photovoltaik bestückt. Dazu kommt ein Wasserstoffsystem mit Elektrolyseur und Speicher. Das Fahrzeug-Brennstoffzellensystem übernimmt dann im Stand die Kraft-Wärme-Kopplung, während das ebenfalls zur Anlage gehörende Batteriesystem tagsüber bei abwesendem Fahrzeug überschüssige Energie aufnimmt. Stromgeführte Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) findet bei diesem zunächst als Inselsystem ausgelegten Konzept fast nicht statt. Die Brennstoffzelle lädt zumeist bei wärmegeführter KWK den Wärmespeicher auf. Die von ihr gelieferte elektrische Energie kann dabei durch Heizelemente genutzt werden, wesentlich effizienter ist jedoch eine Wärmepumpe, die mit Hilfe der Umgebungsenergie aus dem Strom – der Arbeitszahl entsprechend – die drei- bis fünffache Wärmemenge macht.

Oberstes Gebot ist dabei Energiesparen. Im Passivhaus sollten nur etwa 1.800 kWh an elektrischer Energie im Jahr verbraucht werden und das Fahrzeug, das etwa 14.000 km im Jahr zurücklegt, verbraucht den Gegenwert von zwei Litern Dieselkraftstoff auf 100 km. Mit dem System ist es möglich, die Bedürfnisse eines Einfamilienhaushaltes an elektrischer, thermischer und mobiler Energie zu decken.

Abb. 3: Simulationsresultate im Jahresverlauf: Energieinhalt der Batterie (o.), des Wasserstoffspeichers (m.), insgesamt gespeicherte Energie (u.), y-Achse in Kilowattstunden, x-Achse als Zeitachse beginnend im Frühjahr

Da ab dem (meteorologisch simulierten) Monat April die Energiebilanz positiv ausfällt, erscheint eine Inbetriebnahme des Systems im Frühjahr sinnvoll. Das System wird dann so ausgelegt, dass nach Ablauf eines Jahres die gespeicherte Energiemenge nicht negativ wird; für eine praktische Auslegung sind entweder ein Netzanschluss oder eine Überdimensionierung nötig.

Anlagenauslegung
Passivhäuser mit sehr niedrigem Energiebedarf sind verfügbar, ebenso Photovoltaikmodule mit hohen Wirkungsgraden und Solarthermieanlagen mit Heizungsunterstützung. Zur Energieversorgung mit Solarstrom reicht durchschnittlich eine PV-Anlage mit einer Leistung von 9,2 kWp aus. Beim Einsatz moderner PV-Module genügt für etwa 10 kWp eine Dachfläche von 50 bis 70 m2. Für die solarthermische Anlage werden 15 m² für Vakuumkollektoren mit einem 2.000 l fassenden Warmwasserspeicher benötigt. Auf der Wasserstoffseite wären notwendig:

Leistung der Fahrzeugbrennstoffzelle: 40 kW
Elektrolyseur: 5 kW
H2-Speicher: 2.100 kWh (= 70 kg)

Ergebnis Es ist sinnvoll, eine Fahrzeugbrennstoffzelle in einem Passiv- oder Niedrigenergiehaus mit thermischer und elektrischer solarer Energieversorgung einzusetzen. Über die Möglichkeit der vollständigen energetischen Autarkie eines Haushaltes hinaus hat sich dabei gezeigt, dass durch eine auf der Fläche eines Einfamilienhausdaches in Deutschland installierte PV-Anlage (entsprechend einer heutigen Einspeiseanlage) eine Mobilität gewährleistet werden kann, die der durchschnittlichen Jahreskilometerzahl eines Fahrzeuges entspricht. Durch die Effizienz eines Brennstoffzellenfahrzeugs und die Speicherung von Energie in Form von Wasserstoff ist dies trotz der jahreszeitlichen Schwankung der Sonneneinstrahlung machbar. In Deutschland könnten solche Anlagen bis über 40% des Bedarfs an elektrischer, thermischer und mobiler Energie decken. Eine solche Wasserstoff-Selbstversorgung kann auch schrittweise eingeführt werden.

Literatur: Blome, C., Synergien zwischen solarer Gebäudetechnik und Brennstoffzellen

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