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.
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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.
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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.
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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.
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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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