Brennstoffzellenheizgeräte (BZH)

Brennstoffzellenheizgeräte sind Mikro-Blockheizkraftwerke, die Wärme und Strom nicht wie herkömmliche BHKW mit einem Verbrennungs- oder Stirlingmotor, sondern durch eine elektrochemische Energiewandlung erzeugen. Die elektrische Leistung der auf dem Markt erhältlichen Geräte liegt zwischen 0,3 kWel und 5,0 kWel, die thermische Leistung zwischen 0,6 kWth und 7,5 kWth. Durch diese geringe thermische Leistung eignen sie sich besonders für Niedrigenergiehäuser und energetisch sanierte Bestandsgebäude mit niedrigem Raumwärmebedarf. Auch der Einsatz in Gebäuden mit höherem Raumwärmebedarf ist möglich. Dann kommen hybride Systeme, bestehend aus einem Brennstoffzellenmodul und einem Gasbrennwertgerät zur Deckung von Wärmebedarfsspitzen zum Einsatz.

Gallerie

Brennstoffzelleneinheit
Das Herzstück eines Brennstoffzellenheizgeräts ist die Brennstoffzelleneinheit. Sie ist an das Erdgasnetz angeschlossen und besitzt einen Reformer, der das zugeführte Erdgas in ein wasserstoffreiches Gas aufspaltet. Der Wasserstoff reagiert in den Brennstoffzellen mit Luftsauerstoff zu Wasser. Dabei entsteht Gleichstrom und es wird Wärme frei. Eine einzelne Brennstoffzelle erreicht nur etwa ein Volt Spannung. Um für die praktische Anwendung ausreichend hohe Spannungen zu erzielen, sind deshalb mehrere Brennstoffzellen zu Stapeln, sogenannten Stacks, zusammengeschaltet. Der erzeugte Strom wird von einem Wechselrichter in netzkonformen Wechselstrom umgewandelt und ins Netz eingespeist oder im Gebäude verbraucht. Die produzierte Wärme trägt zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung bei.

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.

Hybridgeräte mit Gasbrennwertkessel
Werden Brennstoffzellenheizgeräte in Gebäuden mit höherem Raumwärmebedarf eingesetzt, benötigen sie neben der Brennstoffzelleneinheit einen Gasbrennwertkessel zur Abdeckung von Spitzenlasten im Heiz- und Warmwasserbetrieb. Die Brennstoffzelleneinheit im Gerät deckt nur die Wärmegrundlast des Gebäudes ab. Dadurch lässt sich ein Wärmeüberschuss vermeiden, denn um wirtschaftlich zu arbeiten, sollten Brennstoffzellenheizgeräte möglichst lange im Dauerbetrieb laufen. Ziel ist es, den Stromertrag zu maximieren, damit der Betreiber keinen teuren Netzstrom zukaufen muss. Der zusätzliche Gaskessel ist entweder in das Gehäuse des Brennstoffzellenheizgeräts integriert oder wird als Beistellgerät ergänzt. Auch vorhandene Gasheizungen lassen sich einbinden.

Wirkungsgrad
Da Brennstoffzellenheizgeräte den eingesetzten Brennstoff ohne mehrstufigen Verbrennungsprozess direkt in Energie umwandeln, erreichen sie höhere elektrische Wirkungsgrade als konventionelle BHKW. Er beträgt auch im kleineren Leistungsbereich dreißig bis sechzig Prozent. Kombiniert, also elektrisch und thermisch, kommen marktgängige Brennstoffzellenheizgeräte auf einen Gesamtwirkungsgrad von 85 bis 104 Prozent.

CO2-Emissionen
Zusätzlich punkten Brennstoffzellenheizgeräte mit vierzig bis fünfzig Prozent geringeren CO2-Emissionen im Vergleich zu einem Gasbrennwertkessel und dem Strombezug aus dem Netz. Der zum Betrieb der Brennstoffzellen nötige Wasserstoff könnte in Zukunft auch regenerativ aus Biogas oder durch Elektrolyse aus Wasser mit Hilfe von überschüssigem und sonst abgeregeltem Solar- oder Windstrom gewonnen werden. Brennstoffzellenheizgeräte wären dann nahezu emissionsfrei.

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