Strom- und Wärmeerzeugung mit der Brennstoffzelle.

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Mit einer Technik, die sich bereits im Weltraum bewährt hat, kann man seit einiger Zeit auch seinen häuslichen Energiebedarf decken.
Foto: Viessmann

Mit einer Technik, die sich bereits im Weltraum bewährt hat, kann man seit einiger Zeit auch seinen häuslichen Energiebedarf decken – mit der Brennstoffzelle. Sie erzeugt Strom und Wärme, leise und effizient, aus Wasserstoff und Sauerstoff.

Bitte nicht irreführen lassen vom Slang der Ingenieure: „Kalte Verbrennung“ nennen sie das, was in einer Brennstoffzelle vor sich geht, und dennoch entstehen dabei Strom und Wärme, allemal genug fürs Beheizen eines Hauses, für die Warmwasserbereitung und die ­Deckung des Grundbedarfs an Strom.

Energiezentrale mit Hochtemperatur-Brennstoffzelle.
Energiezentrale mit Hochtemperatur-Brennstoffzelle, Gasbrenner und Speicher: Hochtemperatur-Brennstoffzellen können sogar mehr Strom als Wärme liefern, günstig in Häusern mit geringem Wärmebedarf. Foto: Buderus

Umgekehrte Elektrolyse

Wer im Chemieunterricht bei der ­Sache war, der weiß, dass man per Elektrolyse Wasser (H2O) unter Einsatz von Strom in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufspalten kann. In einer Brennstoffzelle wird dieser Prozess einfach umgekehrt. In ihrem Herzstück, den „Stacks“, wollen Wasserstoff und Luftsauerstoff mit­einander reagieren, sind aber durch eine Elektrolytmembran getrennt, die nur die Wasserstoffprotonen durchlässt. Die negativ geladenen Elektronen müssen den Umweg über einen Leiter nehmen. Fließende Elektronen jedoch sind nichts anderes als – Strom. Finden Wasserstoff und Sauerstoff endlich zusammen, bildet sich Wasserdampf, also H2O plus Wärme. Da reiner Wasserstoff noch kaum ­verfügbar ist, werden die Modelle für den Hausgebrauch mit Erdgas be­trieben, das größtenteils aus Methan besteht, einer Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindung (CH4). Übrig bleibt deswegen auch CO2, wobei der ­Ausstoß, so die Branche, um ein Drittel geringer sei, als er es mit normalem Gaskessel wäre.

Die Zelle bestreitet die Grundversorgung, die Therme springt bei erhöhtem Wärmebedarf ein.
Trio aus Brennstoffzelle und Gas-Brennwerttherme sowie Pufferspeicher (von links nach rechts): Die Zelle bestreitet die Grundversorgung, die Therme springt bei erhöhtem Wärmebedarf ein. Foto: Elcore

Mehr Strom!

Kann ein Gerät – nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) – Elektrizität und Heizwärme liefern, gehört es in die Gruppe der Blockheizkraftwerke oder BHKW. In den bisher üblichen BHKW für Gebäude treiben Verbrennungs- oder Stirlingmotoren Generatoren an, immer dann, wenn Wärme angefordert wird. Je besser nun ein Haus gedämmt ist, desto weniger hat das Kraftwerk zu tun, desto öfter muss es Zwangspausen einlegen. Dumm, denn der Strom könnte den mittlerweile teuren Netzstrom ersetzen – Stichwort Eigenverbrauch – oder ­gegen Vergütung ins Netz eingespeist werden.

Die innovative Technik arbeitet leise, muss nicht unbedingt im Heizungskeller versteckt werden.
Die innovative Technik arbeitet leise, muss nicht unbedingt im Heizungskeller versteckt werden. Diese Design-Studie enthält Hochtemperatur-Brennstoffzelle, Gasbrenner und Warm – wasserspeicher. Foto: Buderus

Um längere Laufzeiten und in Summe eine höhere Stromproduktion zu erreichen, kurz: eine bessere Wirtschaftlichkeit, hat man die Geräte daher verkleinert, hat nach dem Mini- das Mikro- und das Nano-BHKW entwickelt, kombiniert mit kleinem Gasbrenner für die ­Bedarfsspitzen. Selbst das allerdings ist für ein modernes Einfamilienhaus oft zu leistungsstark. Da kommen die Brennstoffzellen mit ihren besonders kleinen Leistungsgrößen gerade ­richtig, die überdies schon so viel elektrische wie thermische Energie bereitstellen können, das heißt, einen hohen elektrischen Wirkungsgrad haben. Auch sie besitzen einen Gasbrenner, die Zellen selber be­dienen beständig und mit hoher Effizienz die Grundlast, arbeiten bis zu 6.000 Stunden im Jahr, versorgen zum Beispiel den Kühlschrank und die anderen „Dauerläufer“, füllen den Heizungs-Pufferspeicher.

Brennstoffzellen-Heizgerät Vitovalor 300-P.
Brennstoffzellen-Heizgerät Vitovalor 300-P, inklusive Gasbrenner für Spitzenlast (links oben) und Warmwasserspeicher
(links unten) Foto: Viessmann

Die Brennstoffzelle als Allround-Kraftwerk

Laut den Organisatoren eines Feldtests mit landesweit knapp 500 ­Geräten waren die Hausbesitzer ­überwiegend angetan von ihren leisen Kellerkraftwerken, mit denen sie im Vergleich zur Kombination aus ­­ Gas-Brennwertkessel und Bezug von Netzstrom ein Drittel an Kosten ­sparen konnten. Noch gehört man mit einer Brennstoffzelle im Heizungskeller sicher zur Avantgarde, was auch mit dem ­Anschaffungspreis zu tun hat. Es könnte indes sein, dass man dieser Technik in Zukunft öfter begegnet, in Bussen, in Autos, als Stromver­sorger für Tablet und Smartphone. Betrieben mit Wasserstoff, gewonnen aus Wasser – unter Einsatz von Wind- und Sonnenstrom. Die Planer der Energiewende haben in Chemie gut aufgepasst.

Funktionsprinzip der Polymermembranoder PEM-Brennstoffzelle.
Funktionsprinzip der Polymermembranoder PEM-Brennstoffzelle: Der Wasserstoff (orange) will zum Sauerstoff (blau),
die Membran (grün) lässt aber nur die Protonen passieren, die Elektronen (gelb) müssen als Strom den Umweg über den
Leiter machen und betreiben dabei Verbraucher (hier: die Glühbirne). Rechts entsteht aus Wasserstoff und Sauerstoff Wasserdampf oder: H2O und Wärme. Foto: IBZ

Infos

Kosten:
ab ca. 20.000 €

Förderung:
Weil BHKW die Kraft-Wärme-Kopplung beherrschen (KWK), machen sie mehr aus ihrem Brennstoff und werden daher gefördert, im Neubau allerdings nicht sehr üppig. Man kann derzeit wählen, ob man eine Vergütung des Stroms nach der alten oder nach der neuen Fassung des KWK-Gesetzes beziehen will. Nach ersterer bekäme man 5,41 ct/kWh, auch für im Haus verbrauchten, für eingespeisten Strom zusätzlich noch den aktuellen Preis der Strombörse, ca. 4 ct/kWh. Nach der novellierten Fassung wären es 4 ct/kWh für Eigenverbrauch und 8 ct/kWh zuzüglich Börsenpreis bei Einspeisung. Die Erträge müssen versteuert werden, man sollte sich vom ­Anlagenplaner oder Energieberater beide Varianten durchrechnen lassen. Über eventuelle Förderung auf Landesebene und durch die Energiever­sorger informiert die IBZ, die „Initiative Brennstoffzelle“, ein Zusammenschluss von Herstellern und Energieversorgern.

Weitere Infos:
Die IBZ beantwortet darüber hinaus Fragen zu Technik, Montage, Wartung sowie zu den Bezugsquellen, auch im Rahmen des Contracting, bei dem der Energieversorger Eigentümer des BHKW ist und sich um alles kümmert. ­Interessenten sollten sich zuerst an die Initiative wenden, nicht an ihren Heizungsbauer, da bislang nur wenige Installateure mit dem neuen Gerätetyp vertraut sind.

„Die Wirtschaftlichkeit hängt auch von der Eigenbedarfsdeckung ab“

Der Hersteller Viessmann bietet seit 2014 ein Brennstoffzellen-Heizgerät an. Markus Dönges, beim hessischen Unternehmen Leiter des Bereichs Produkt-Sales-Management, stellten wir Fragen rund um die innovative Technik. 

Das Einfamilienhaus:
Blockheizkraftwerke erzeugen immer ­parallel Strom und Wärme, neu gebaute Einfamilienhäuser haben heute aber nur einen ­geringen Wärmebedarf – geringe Strom­produktion wäre die Folge. Wie löst Viessmann dieses Problem?
Markus Dönges:
Mit unserer stromerzeugenden Heizung auf Brennstoffzellenbasis, der Vitovalor 300-P, werden im Betrieb nur 0,75 kW Strom und 1 kW thermische Leistung erzeugt. Die ­Brennstoffzelle kommt somit auf sehr lange Laufzeiten und produziert damit ganzjährig Strom und Wärme. Sollte der ­Wärmebedarf mal stark steigen, etwa weil es sehr kalt wird, springt ein integrierter Gas-Brennwertkessel mit bis zu 19 kW ­zusätzlicher Heizleistung ein. DEH:
Reicht die Stromproduktion für ein Einfamilienhaus?
M.D.:
Viele Verbraucher denken zuerst an Haushaltsgeräte wie Föhn oder ­Wasserkocher, die mehr als 750 W ziehen. Allerdings werden die meist nur wenige Minuten am Tag betrieben, die ­Dauerläufer sind Kühlschränke oder Stand-By-Geräte, mit deutlich geringeren Leistungsaufnahmen. Die Vitovalor liefert an einem Tag bis zu 15 kWh an elektrischer Energie, circa 60 Prozent des Strom­bedarfs im Haus können wir so abdecken. In Kombination mit Stromspeichern und PV-Anlagen können es 90 Prozent werden.
DEH:
Auf wie viele Betriebsstunden jährlich muss die Vitovalor kommen, um wirtschaftlich zu sein?
M.D.:
Wenn das System etwa die Hälfte eines Jahres in Betrieb ist, werden es circa 4.000 kWh Strom. Die Wirtschaftlichkeit hängt jedoch nicht allein von der Strommenge ab, sondern ganz ­wesentlich auch von der Eigenbedarfsdeckung.
DEH:
Wie lange dauert die Montage im Durchschnitt?
M.D.:
Die Montage unterscheidet sich zeitlich und technisch kaum von der Montage eines Standard-Brennwertgerätes, ­ledig­­lich durch den Netzanschluss. DEH: Braucht der Installateur eine ­Zusatzausbildung? M.D.: Grundsätzlich nicht. Viessmann qualifiziert seine ­Fachhandwerker in einer zweitägigen Schulung. Dort erlernen die Heizungsbauer alles Wichtige im Umgang mit dem Produkt.
DEH:
Wie sieht es mit der Lebensdauer aus?
M.D.:
Sie entspricht in etwa der eines wandhängenden ­Gas-Brennwertgerätes.
DEH:
Das EEWärmeG, das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz, verlangt im Neubau die wenigstens teilweise ­Nutzung von Sonne, Holz oder Umweltwärme für die Wärmeversorgung …
M.D.:
Dank der hocheffizienten Nutzung des Erdgases für ­­ Strom- und Wärme­erzeugung werden sowohl EnEV als auch EEWärmeG erfüllt.
DEH: Wie hoch sind die Kosten, ohne Montage?
M.D.:
Der Listenpreis des Geräts beträgt 19.500 Euro, zuzüglich Umsatzsteuer.
DEH:
Gibt Viessmann eine Garantie ­bezüglich Lebensdauer und Leistung? Sollte man einen Wartungsvertrag ­abschließen?
M.D.:
Standardmäßig bietet Viessmann eine 5-jährige Garantie, die optional auf 10 Jahre erweitert werden kann. Hierbei erhält der Verbraucher eine Funktionsgarantie und eine Leistungs­garantie über 10 Jahre bzw. 60.000 Betriebsstunden.

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