Brennstoffzellen-Heizungen inzwischen marktreif!

Ein Meilenstein ist erreicht und dennoch nimmt sich der Trubel bescheiden aus: Brennstoffzellen-Heizungen haben den Markt erreicht.

Gleich zwei Systeme sind erhältlich, die sich zudem noch technisch voneinander unterscheiden. Effizienz und Sauberkeit können sich jedoch beide auf die Fahnen schreiben. Am verhältnismäßig hohen Preis ist jedoch zweifellos zu erkennen, dass diese Technik noch am Anfang ihrer Karriere steht.

Einsatzbereitschaft verdeutlicht die Marktreife 

Es bedurfte vieler Feldversuche und sechs Jahre an Erfahrungen mit einem Pilotprojekt namens Callux, um die technischen Herausforderungen und Schwierigkeiten mit Kleinanlagen aus dem Weg zu räumen. Vier Anbieter konnten mit ihren Geräten mittlerweile die Marktreife erreichen - weitere sollen folgen.

Die Mühen, die in Forschung und Entwicklung gesteckt wurden, haben sich allerdings gelohnt. Herausgekommen sind Brennstoffzellen-Heizungen, deren Einsatzbereitschaft bei 99 Prozent liegt. Kunden müssen sich also keine Gedanken darum machen, dass der Stromerzeuger seine Dienste verweigert. Hinzu kommen langfristige Garantien und Wartungsverträge vonseiten der einzelnen Hersteller. Außerdem werden sämtliche Heizungen aus der Ferne überwacht.

Hoher ökologischer Nutzen 

Was soll potenzielle Kunden nun dazu antreiben, sich künftig per Brennstoffzelle mit Energie zu versorgen? Die Botschaft dürfte bereits von anderen Techniken bekannt sein: Steigende Preise bei konventionell erzeugter Energie machen es lohnenswert, sich Strom und Wärme künftig einfach selbst herzustellen. 

Die Brennstoffzelle stellt die Ideallösung dar, wenn es um Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) geht. Das zeigt sich vor allem im Wirkungsgrad, denn gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren zeichnen sich Brennstoffzellen durch einen Gesamtwirkungsgrad aus, der zwischen 85 und 95 Prozent liegt. Hier muss schließlich keine Mechanik in Bewegung gehalten werden, was übrigens auch den Wartungsaufwand deutlich verringert. Die Brennstoffzelle ist zudem kompakt, leise im Betrieb und noch dazu vibrationsfrei. 

Der größte Vorteil ist jedoch bei den Abgasen zu finden, denn die Emission von Kohlenmonoxid ist äußerst gering und Stickoxide entstehen nicht.

Hohe Anschaffungskosten schrecken noch ab

Wo liegen nun die Schattenseiten dieser Technik und warum ist noch nicht jedes Haus damit ausgestattet? Der Grund dafür liegt in den vergleichsweise hohen Anschaffungskosten - und das trotz der beachtlichen Kostensenkungen in der Produktion. Vom Preis her ist eine Brennstoffzelle leider immer noch rund doppelt so teuer wie eine vergleichbare KWK-Anlage mit Verbrennungsmotor. Die neue Technik wird sich aber mittelfristig durchsetzen. 

Damit das in Zukunft etwas schneller vonstatten geht, bieten immerhin vier Bundesländer hohe Zuschüsse an. Eine bundesweite Förderung ist zumindest in der Diskussion.

Prinzip Brennstoffzelle - älter als gedacht!

Die Technik mag derzeit neu sein, die Idee dahinter hat aber schon einige Jahre auf dem Buckel. Der Chemiker Christian Friedrich Schönbein hat das dahinterstehende Prinzip bereits 1838 entdeckt. Er verfolgte es nur deswegen nicht weiter, weil es einfacher war, Strom per Generator zu produzieren. Es brauchte dann mehr als ein Jahrhundert, bis die Brennstoffzelle für die Raumfahrt interessant und wieder aufgegriffen wurde. 

Der Brennstoff wird in der Zelle elektrochemisch umgewandelt. Eine Verbrennung findet daher nicht statt. Trotz der verschiedenen Bauarten, die es mittlerweile gibt, ist die grundlegende Funktion einer Brennstoffzelle stets die gleiche: Elektrodenpaare sind zunächst durch einen festen oder flüssigen Elektrolyten getrennt. Dann werden Wasserstoff, der aus üblichem Erdgas gewonnen wird, und Luft zugeführt, was die Protonen des Brennstoffes dazu veranlasst, durch die Elektrolyten hindurch von der Anode zur Kathode zu wandern. Die Protonen des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs wandern in umgekehrter Richtung und verbinden sich letztlich zu Wasser. Die Elektronen müssen jedoch einen Umweg über einen elektrischen Leiter nehmen. Da sie nicht durch die Elektrolyten laufen können. Dadurch fließt Gleichstrom, der dann in Wechselstrom umgewandelt werden kann. Eine einzelne Zelle kommt dabei auf eine Spannung von etwa einem Volt. Deswegen ist es nötig, mehrere Zellen zu sogenannten Stacks zu stapeln, bis die benötigte Spannung erzielt wird.


Worin unterscheiden sich die einzelnen Bauarten?

Die einzelnen Bauarten unterscheiden sich in erster Linie durch die Art der eingesetzten Elektrolyte im jeweiligen Brennstoff. 

Für den normalen Hausgebrauch eignen sich Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) und Oxidkeramische Brennstoffzellen (SOFC). Für Kleinanlagen eher ungeeignet sind Modelle, die auf Elektrolyte auf Basis von Methanol, Laugen, Säuren und geschmolzenen Alkalikarbonaten zurückgreifen.

Die erste Variante, die PEMFC, arbeitet mit vergleichsweise niedrigen Temperaturen von um die 80° Celsius. Bekannt ist sie auch aus Fahrzeugen, die mittels Brennstoffzellen betrieben werden. Beim Elektrolyt handelt es sich um eine Membran, die über eine Platinbeschichtung verfügt, welche als Katalysator dient. Beim SOFC dient eine feste Keramik als Elektrolyt, was deutlich höhere Temperaturen zwischen 750° und 1.000° Celsius nötig macht.

Autos mit Brennstoffzelle werden mit Wasserstoff betankt. Dies ist in einer normalen Hausinstallation nicht sinnvoll. Daher wird bei Brennstoffzellen für den Heizungsbereich übliches Erdgas als Grundprodukt verwendet. Zum Zwecke der Kraft-Wärme-Kopplung muss Wasserstoff in einem vorgeschalteten Prozess erst aus dem im Erdgas enthaltenen Methan reformiert werden, wobei verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen können. Zudem muss das Gas zuvor gereinigt werden.

Japan ist Deutschland übrigens aus genau diesem Grund weit voraus, was die Brennstoffzellentechnik betrifft. Das Erdgas in Japan ist sehr homogen und sehr sauber. Treten Verschmutzungen mit Schwefel oder Kohlenmonoxid im Gas auf, können diese die Zelle zerstören. Rund 50.000 Einheiten sind dort bereits  installiert.

Generell lässt sich feststellen, dass Brennstoffzellen wie SOFC, die mit höheren Temperaturen arbeiten, gegenüber solchen Verschmutzungen unempfindliche reagieren. Dafür benötigen sie etwa einen Tag lang, um auf Betriebstemperatur gebracht zu werden. Hinzu kommt, dass solche Geräte empfindlich auf rasches Abkühlen reagieren. 

Wirtschaftliche Aspekte bei der Brennstoffzelle

Ein wichtiges Entscheidungskriterium aus Sicht des Kunden ist es, ob in erster Linie Wärme oder Strom benötigt wird. Dementsprechend besitzt das Verhältnis von produziertem Strom zu produzierter Wärme hohe Relevanz bei der Kaufentscheidung. 

Der elektrische Wirkungsgrad bei Brennstoffzellen liegt zwischen 30 und 60 Prozent. Zum Vergleich: KWK-Anlagen mit Verbrennungsmotor kommen hier auf Werte um die 25 Prozent. Eine Brennstoffzelle sollte jedoch möglichst viele Stunden im Jahr laufen, weswegen sich ihr Einsatz in Gebäuden mit geringem Heizbedarf kaum lohnt.

Gerade die hohe Wärmeleistung kann in den Sommermonaten dazu führen, dass sich für die erzeugte Wärme kein Abnehmer findet. Die Anlage schaltet dann automatisch ab, sobald die Kapazität des Pufferspeichers ausgeschöpft ist. Hinzu kommt, dass für den Winter noch eine Zusatzheizung nötig ist. Die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen-Heizung sollte deswegen so gewählt werden, dass allein der Grundbedarf gedeckt wird. Der Rest kommt dann aus Heizungsanlage und Stromnetz. 

Einfacher verhält es sich bei überschüssigem Strom, denn der kann für derzeit 11 Cent pro Kilowattstunde ins Netz gespeist oder einfach in einer Batterie zwischengespeichert werden.

Viessmann Vitovalor 300-P

Die erste kombinierte Brennstoffzellen-Heizung am Markt trägt die Bezeichnung Vitovalor 300-P und kommt vom Hersteller Viessmann. Die PEMFC Brennstoffzelle wird vom Hersteller Panasonic aus Japan geliefert. Laut Viessmann musste das Gerät erst an die unterschiedlichen Gasqualitäten in Europa angepasst werden, mittlerweile liefe die Reformierung jedoch ohne Probleme und auch die Entschwefelung des Erdgases sei laut Viessmann wartungsfrei. Das Gerät benötigt im Keller weniger als einen Quadratmeter an Fläche und ist imstande, 0,75 kW elektrisch und 1 kW thermisch zu erzeugen. Der elektrische Wirkungsgrad wird vom Hersteller mit 37 Prozent angegeben. Kombiniert wird die Anlage mit einem Brennwertkessel, der über eine Leistung von 19 kW verfügt. Der Verkaufspreis dieser Anlage liegt bei rund 17.000 Euro. Kommt noch die Installation hinzu, steigen die Anschaffungskosten auf Beträge zwischen 21.000 und 23.000 Euro an. Abzüglich staatlicher Förderungen ist die Vitovalor 300-P preislich vergleichbar mit einer Sol-/Wasser-Wärmepumpe. Dank des Stromverkaufs bzw. der Nutzung des produzierten Stroms rechnet sich die Vitovalor 300-P damit relativ schnell. 

Blue Gen von Ceramic Fuel Cells

Vom deutsch-australischen Hersteller Ceramic Fuel Cells kommt eine stromgeführte Anlage, bei der die Wärme als Nebenprodukt entsteht, um die vorhandene Heizung zu ergänzen. Das Blue Gen genannte Gerät ist eine SOFC, die auf eine Betriebstemperatur von 750° C kommt. Die Reformierung wird von einer Nickeloxid-Anode mit Wasserdampf durchgeführt. Das bedeutet, dass hierfür keine Energie zugeführt werden muss. Das führt zu einem beachtlichen elektrischen Wirkungsgrad von 60 Prozent. Die elektrische Leistung liegt bei 1,5 kW, wohingegen sich die thermische mit 0,6 kW eher bescheiden ausnimmt. Laut CFC-Geschäftsführer Frank Obernitz können bis zu 13.000 kWh an Strom pro Jahr produziert werden. Blue Gen sei deshalb sinnvoll für größere Haushalte und Gewerbetreibende, die jährlich auf einen Stromverbrauch von mehr als 15.000 kWh kommen, um die kontinuierliche Auslastung der Anlage sicher zu stellen.

Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle sinkt nur in geringem Maße, wenn sie bis auf 0,5 kW herunter geregelt wird. Somit eignet sie sich auch bestens für virtuelle Kraftwerke, bei denen mehrere dezentral verteilte Einheiten zur Stromerzeugung bei Bedarf zusammengeschaltet werden. Das bislang größte Kraftwerk dieser Art soll derzeit auf der holländischen Insel Ameland entstehen. Laut Obernitz sind dort bereits 45 Blue Gen aufgestellt.

Elcore bereitet sich auf Markteintritt vor

Der Münchner Hersteller Elcore plant einen baldigen Markteintritt mit seinem Gerät Elcore 2400. Das Gerät fällt durch seine geringe Größe auf, arbeitet mit einer Membran (PEMFC) und erreicht im Betrieb Temperaturen zwischen 100° und 200° C. Konzipiert ist das Gerät eher als Beistelllösung, die neben der bestehenden Heizungsanlage montiert wird. Dementsprechend soll es mit seinen 0,3 kW (elektrisch) bzw. 0,6 kW (thermisch) auch nur einen Teil der Grundlast bewältigen können. Nach Angaben des Herstellers können pro Jahr 2.400 kWh erzeugt werden. Konkrete Informationen zum Preis gibt es derzeit noch nicht, die Elcore 2400 soll sich aber im Bereich um 9.000 Euro bewegen.

Niedrigere Preise durch höhere Stückzahlen

Auch aus der Schweiz gibt es eine Entwicklung zu vermelden. Die Gesellschaft Hexis bietet unter der Bezeichnung Galileo 1000N eine SOFC an, die es leistungstechnisch auf 1 kW elektrisch und annähernd 2 kW thermisch bringen soll, womit der Schwerpunkt dieses Geräts auf der Wärmeerzeugung liegt. Hinzu kommt noch ein Brennwertkessel mit 21 kW. Viessmann ist übrigens mit 50 Prozent an Hexis beteiligt, womit man sich laut Viessmann beide Wege offenhalten wolle. Das Gerät soll über ausgewählte Fachhändler zu einem Preis von etwa 29.000 Euro plus Installationskosten vertrieben werden.

Hinzu kommt noch eine Reihe weiterer Hersteller, die alle im nächsten oder übernächsten Jahr einen Markteintritt planen. Darunter finden sich namhafte Hersteller wie Buderus, Vaillant und Junkers.

Alle Hersteller haben derzeit eines gemeinsam: sie möchten die Preise durch höhere Stückzahlen senken. Ein durchaus realistisches Ziel, denn die Kostensenkungspotenziale sind groß. Laut Carl Berninghausen, Vorstandsvorsitzender beim Hersteller Sunfire, sollen die Materialkosten bei gerade mal 20 Prozent der gesamten Herstellungskosten liegen. Seiner Einschätzung nach seien die Brennstoffzellengeräte bald günstiger als konventionelle Heizungen.

Wir hoffen Sie ausgiebig zum Thema Heizen mit einer Brennstoffzelle informiert zu haben. Wenn auch Sie sich für einen Brennstoffzellen-Heizung interessieren, nehmen Sie gerne Kontakt mit uns auf. Wir beraten Sie wie immer gerne.