So funktioniert eine Brennstoffzellen-Heizung

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Brennstoffzelle und Gewerbebau

Die Brennstoffzellen-Heizung erzeugt Strom und Wärme. Befürworter halten sie für das ideale Bindeglied zwischen fossiler und Wasserstoff-Energiewirtschaft. handwerk magazin hat Geräte von sechs großen Anbietern in einer Marktübersicht verglichen.

Von Daniela Becker

Das Callux-Projekt war die Initialzündung. In einem großen Praxistest für Brennstoffzellen-Heizgeräte arbeiteten bis 2015 diverse Hersteller und Forschungsinstitute daran, die Technologie marktreif und kundenfreundlich zu machen. Die Idee war, die Technologie aus dem Labor herauszuholen und unter realen Bedingungen mit vielen verschiedenen Anlagen zu testen.

Die Lernkurve war sehr steil: „Während das erste System noch so schwer war, dass es mit einem Kran in den Keller gehoben werden musste, haben sich die Installationsbedingungen bis zum Ende des Callux-Programms extrem verbessert“, sagt Erik Schumacher, Bereichsleiter Stationäre Brennstoffzellen bei der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW), die das Projekt koordinierte.

Funktion der Brennstoffzellen-Heizung

Als Energieträger dient der Brennstoffzelle Wasserstoff. Weil reiner Wasserstoff bislang noch nicht günstig verfügbar ist, wird er derzeit zumeist in einem vorgelagerten Prozess aus Erdgas gewonnen, das größtenteils aus der Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindung Methan (CH4) besteht. Übrig bleibt CO2, wobei der Ausstoß deutlich geringer ist als bei einem herkömmlichen Gaskessel. Stimmt die Qualität, kann für den Prozess natürlich auch umweltfreundlicheres Biomethan genutzt werden.

Die Brennstoffzelle nutzt eine umgekehrte Elektrolyse. Wasserstoff, so will es die Chemie, möchte zusammen mit Sauerstoff wieder zu Wasser reagieren. Im Herzstück der Brennstoffzelle, den „Stacks“, werden die beiden Elemente aber durch eine Elektrolytmembran getrennt, die nur die Wasserstoffprotonen durchlässt. Die Brennstoffzellen-Heizung funktioniert nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung .

Das bedeutet, die Anlage produziert für den Hausbewohner Strom und nutzt auch die beim Prozess entstehende Wärme. Das macht ihren Einsatz besonders effizient. Den Befürwortern der Technik gilt die Brennstoffzellen-Heizung daher als ideales Bindeglied zwischen heute üblichen konventionellen Energieträgern wie Erdöl und Gas zu einer künftig möglichen Wasserstoffwirtschaft.

Der Wirkungsgrad liegt bei Brennstoffzellen deutlich höher als zum Beispiel bei Verbrennungsmotoren, da keine mechanischen Reibungsverluste auftreten. Im Vergleich zu einem Gas-Brennwertkessel und dem üblichen Bezug von zentral erzeugtem Strom aus dem öffentlichen Netz sparen Betreiber nach Herstellerangaben bis zu 40 Prozent der Energiekosten ein. Außerdem reduzieren sich die Emissionen des klimaschädlichen Kohlendioxids um rund die Hälfte. Die Laufzeit einer Brennstoffzellen-Heizung liegt bei 50.000 bis 60.000 Stunden, ist also vergleichbar mit einer konventionellen Heizung.

Zwei Bauarten der Brennstoffzellen-Heizung

Die Bauarten der verschiedenen Brennstoffzellen unterscheiden sich in der Art der Elektrolyte, also den verwendeten Energieträgern, und den Betriebstemperaturen. Für den heimischen Keller finden die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM) und die Oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC) Verwendung. Die Betriebstemperaturen der PEM-Brennstoffzelle liegen zwischen 60 und 90 Grad Celsius.

Als Elektrolyt wird ein edelmetallhaltiger Katalysator, meist Platin, eingesetzt. Eine Hochtemperatur-Polymermembran (HTPEM)-Brennstoffzelle, mit der zum Beispiel der Hersteller Elcore arbeitet, läuft bei einer Betriebstemperatur von 140 bis 170 Grad Celsius und ist dafür geeignet, um die Wärme an das Heizungssystem auszukoppeln. Die SOFC-Technologie wird zum Beispiel vom Schweizer Hersteller Hexis verwendet. Bei SOFC hat die Brennstoffzelle eine feste Keramik als Elektrolyt. Sie wird bei sehr hohen Temperaturen von 750 bis 1.000 Grad betrieben und gilt als besonders effizient. Durch die hohe Betriebstemperatur liegt auch eine industrielle Abwärmenutzung nahe.

Geeignet für Altbauten

„Gerade im Altbau, wenn eine starke Wärmedämmung nur begrenzt Sinn macht und sich ein Mehr an Dämmung kaum lohnt, macht sich ein Brennstoffzellengerät bezahlt, weil es sofort Energie einspart“, erläutert Erik Schumacher. Doch auch im Neubau sind zahlreiche Anwendungen denkbar, etwa bei der Planung eines komplett neuen Quartiers. „Die Brennstoffzellen-Heizung ermöglicht einen flexiblen Betrieb“, so Schumacher. Das bedeutet, dass die Geräte im Neubauviertel durch den Energieversorger miteinander verschaltet und nach Bedarf angesteuert und gefahren werden können, um bei Schwankungen im Stromnetz stabilisierend einzuwirken.

Hauseigentümer können heute aus einer ganzen Reihe von Geräten wählen. Nicht nur von der Technologie unterscheiden sie sich sehr, sondern auch von der elektrischen Leistung: Die Palette reicht von Beistellgeräten, die die vorhandene Heizungsanlage ergänzen, über solche, die den kompletten Bedarf an Strom und Wärme decken, bis hin zu Anlagen, bei denen die Stromerzeugung für kleine und mittlere Gewerbe im Vordergrund steht. Der Verbraucher kann dann am meisten sparen, wenn er den selbst erzeugten Strom auch selbst nutzt.

„Wichtig ist, dass die Anlage jeweils optimal auf die jeweilige Immobilie ausgelegt ist. Das fängt bei den Platzverhältnissen an und hört bei der Leistung nicht auf“, sagt Lena Ostrovskih vom Berliner Heizungsbauer Thermondo. Seit 2016 hat das Unternehmen Brennstoffzellen-Geräte von Elcore und Viessmann im Produktportfolio. „Wenn man sich das Energie-Einsparpotenzial bei Brennstoffzellen ansieht, liegt es auf der Hand, dem Hauseigentümer auch diese Technologie vorzustellen“, so Ostrovskih.

Betriebe: Ausbildung im Wärme- und Strombereich erforderlich

Das Gesamtsystem aus Brennstoffzellen- und Spitzenlastmodul benötigt einen Erdgasanschluss, Vor- und Rücklauf des Heizungssystems, Kaltwasserzulauf und Warmwasser sowie eine Abgasleitung. Für die Brennstoffzelle ist kein zusätzlicher Wasseranschluss erforderlich. Hinzu kommt ein Zweirichtungszähler für den Strom. Zähler für Netto-Strom, Gas und die erzeugte Wärmemenge, die zur Abrechnung der staatlichen Stromförderung und der Energiesteuerrückerstattung benötigt werden, sind üblicherweise in die Geräte integriert.

Der ausführende Handwerksbetrieb muss sowohl im Wärme- als auch Strombereich ausgebildet und zertifiziert sein. Im Callux-Programm wurden Weiterbildungsmaßnahmen für Handwerksbetriebe entwickelt. Das Interesse könnte durchaus noch etwas größer sein, beschreibt Erik Schumacher die Nachfrage diplomatisch.

Förderung möglich

Auch wenn die Brennstoffzellen-Heizung besonders effizient Wärme erzeugt, ihre Anschaffung ist teuer. Geräte kosten zwischen 19.000 und 30.000 Euro. Um mehr Kaufanreize zu schaffen, hat die KfW-Bank ein Förderprogramm aufgelegt. Laut KfW wurden 2016 rund 350 Brennstoffzellensysteme gefördert, insgesamt wurden vier Millionen Euro für Darlehen zugesagt. Auch 2017 sei das Förderprogramm "Energieeffizient Bauen und Sanieren - Zuschuss Brennstoffzelle (Zuschuss 433)" rege nachgefragt worden.

Marktübersicht: Sechs Brennstoffzellen-Heizungen im Vergleich

Noch sind Brennstoffzellen-Heizungen Exoten in Deutschlands Heizungskellern. Doch die Produktpalette ist durchaus schon beachtlich und wird weiter wachsen. handwerk magazin hat Geräte von sechs großen Anbietern in dieser Marktübersicht verglichen.