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Brennstoffzellenheizgeräte sind Nano- oder Mikro-Blockheizkraftwerke, die Wärme und Strom nicht wie herkömmliche BHKW durch Verbrennung in einem Motor, sondern durch eine elektrochemische Energiewandlung erzeugen. Wichtigstes Bauteil in diesen Geräten ist die Brennstoffzelle, in der Wasser und Sauerstoff durch „kalte Verbrennung“ zu Wasser umgewandelt werden und dabei Strom und Wärme entstehen. Brennstoffzellenheizungen arbeiten am effizientesten, wenn sie dauerhaft betrieben werden, weshalb zusätzliche Pufferspeicher sinnvoll sind. Aber auch Hybridsysteme, etwa mit zusätzlichem Gasbrennwertgerät zur Deckung von Spitzenlasten, kommen zum Einsatz. In der Energiewende sind Brennstoffzellengeräte eine gute und zukunftsträchtige Alternative.

Funktionsweise

Herzstück von Brennstoffzellenheizgeräten ist – der Name verrät es bereits – die Brennstoffzelle. Meist ist heutzutage damit eine sogenannte Wasserstoff-Brennstoffzelle gemeint. Bei ihr handelt es sich um einen Energiewandler, der chemische Energie in Elektrizität und Wärme umwandelt, also nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung arbeitet. Die Theorie der Umwandlung chemischer in elektrische Energie geht bereits auf das Jahr 1780 und den italienischen Arzt und Physiker Luigi Galvani zurück. Den Grundstein für die Brennstoffzelle legte der deutsche Wissenschaftler Christian Friedrich Schönbein im Jahr 1838, als er den ersten Prototypen einer Brennstoffzelle entwickelte.

Die Zellen selbst bestehen aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), die durch eine bedingt durchlässige Membran voneinander getrennt sind. Trifft nun der Wasserstoff auf die erste, negativ geladene Anode, spaltet ein Katalysator die Elektronen und die Protonen voneinander ab. Die Elektroden wandern über einen elektrischen Leiter zur positiv geladenen Kathode, wobei Strom erzeugt wird. Die Protonen wandern gleichzeitig durch die nur für sie durchlässige Membran und verbinden sich dort mit den Elektronen sowie Sauerstoff aus der Luft, wodurch reines Wasser entsteht. Diese Reaktion setzt außerdem thermische Energie frei, die als Wärme etwa zum Heizen genutzt werden kann. Da eine einzelne Zelle nur relativ wenig Energie liefert, sind mehrere Zellen zu sogenannten Stacks in Reihe geschaltet, wodurch sich die Energiewerte summieren. Die als Gleichstrom gewonnene elektrische Energie wird schließlich durch einen Wechselrichter in netzkonformen Wechselstrom umgewandelt.

Wasserstoff und dessen Produktion

Der für die Brennstoffzelle benötigte Wasserstoff wir heutzutage meist noch aus Erdgas gewonnen. Mittels eines sogenannten Reformers wird dabei aus dem Erdgas der Wasserstoff herausgelöst. Übrig bleibt dabei CO₂, das in der Regel an die Atmosphäre abgegeben wird. Natürlich ist auch die direkte Einspeisung von Wasserstoff denkbar, doch dessen Lagerung ist sehr kostenintensiv, besonders in der Dimension von Einfamilien- oder Mehrfamilienhäusern. Wasserstoff lässt sich jedoch auch aus Biogas gewinnen, was die Klimabilanz bereits deutlich verbessern würde. Ideal wäre der Einsatz von grünem Wasserstoff, der nicht mittels Gas, sondern durch Elektrolyse von Wasser erzeugt wird, bei der keine klimaschädlichen Endprodukte entstehen. Der Strom für die Elektrolyse wird bestenfalls regenerativ erzeugt.

Brennstoffzellentypen

Bei der Bauweise der Brennstoffzellen setzen die Heizungshersteller derzeit auf PEMFC- (Polymer Elektrolyt Membran Fuel Cell / Proton Exchange Membran Fuel Cell) oder SOFC-Konzepte (Solid Oxide Fuel Cell). PEMFC sind Niedertemperatur-Brennstoffzellen mit einer Arbeitstemperatur von 60 bis 90 Grad Celsius. Im Gegensatz dazu arbeiten SOFC als Hochtemperatur-Brennstoffzellen im Bereich von 650 bis 1.000 Grad Celsius.

Wirtschaftlichkeit und Hybridlösungen

KWK-Anlagen mit Brennstoffzellen kommen ohne klassischen Verbrennungsprozess aus und arbeiten daher effizienter. Ihre Effizienz liegt bei nahezu hundert Prozent (zum Vergleich: Ein klassischer Benzinmotor hat einen Wirkungsgrad von etwa 24 Prozent). Brennstoffzellenheizgeräte produzieren annähernd gleich viel Strom und Wärme, im Gegensatz zu motorbetriebenen KWK-Geräten, die mehr Wärme als Strom erzeugen. Überschüssiger Strom kann in einer Batterie gespeichert oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist (und vergütet) werden, die produzierte Wärme jedoch muss im Gebäude direkt genutzt oder in einem Pufferspeicher zwischengelagert werden. Wird für dieses System also keine Wärme mehr benötigt, schaltet sich das Brennstoffzellenheizgerät ab – wodurch auch kein Strom mehr erzeugt wird. Deshalb ist es wichtig, das Gerät richtig zu dimensionieren. Als grobe Orientierung kann man davon ausgehen, dass eine Brennstoffzelle mit einer Leistung von 750 Watt im Jahr rund 5.500 kWh Strom erzeugt.

Wie bei allen KWK-Anlagen kann es jedoch sinnvoll sein, die Anlage so zu dimensionieren, dass sie möglichst ohne Unterbrechung und somit effizient laufen kann (Vollbenutzungsstunden). Oftmals werden diese deshalb so dimensioniert, dass sie den Grund-Wärme- und Strombedarf decken und für die Spitzenlasten bei der Heizung dann ein Gasbrennwertkessel einspringt. Die Wirtschaftlichkeit von Brennstoffzellenheizgeräte hängt also von der Leistung des Geräts, den Vollbenutzungsstunden, den Kosten für den Wasserstoff (resp. Erd- oder Biogas) sowie von der Vergütung durch den Netzbetreiber ab. Dabei gilt: Der Verbrauch der selbst erzeugten Energie im eigenen Gebäude ist immer der sinnvollste Weg. Welches System in einem Gebäude allerdings am besten geeignet ist, sollte von einem Energieberater oder den jeweiligen Herstellern der Geräte errechnet werden.

Rolle der Brennstoffzellenheizung in der Energiewende

In ihrer Wasserstoff-Roadmap gehen die Fraunhofer-Institute für System- und Innovationsforschung ISI und für Solare Energiesysteme ISE davon aus, dass Brennstoffzellenheizungen Teil der Lösung sein können, um Treibhausgasneutralität zu erreichen. Regenerativ erzeugter Strom wird künftig zwar in vielen unterschiedlichen Bereichen eingesetzt (etwa Wärmepumpen), überschüssiger Strom aber kann nutzbringend zur Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse eingesetzt werden. Auch die Nationale Wasserstoffstrategie sieht Wasserstoff als einen der Energieträger der Zukunft. Brennstoffzellenheizungen haben einen hohen Wirkungsgrad, sind leise, zuverlässig und außerdem sehr verschleiß- und wartungsarm, da sich darin keine beweglichen Teile befinden. Zusätzlich punkten Brennstoffzellenheizgeräte mit vierzig bis fünfzig Prozent geringeren CO₂-Emissionen im Vergleich zu einem Gasbrennwertkessel und dem Strombezug aus dem Netz. Bei Einsatz von regenerativer Energie zur Gewinnung des Wasserstoffs wären Brennstoffzellengeräte dann nahezu emissionsfrei. Staatliche Förderungen sind außerdem möglich.

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