Was ist ein Brennstoffzellenheizung?

Was ist die Brennstoffzellenheizung?

Die Brennstoffzellenheizung nutzt nicht die herkömmliche Verbrennung zur Energiegewinnung, sondern die kalte Verbrennung. Und auch das Endprodukt unterscheidet sich von den herkömmlichen Heizungen. Hier erhalten Sie nämlich zusätzlich zur thermischen Energie, welche Sie für ihre Heizkörper nutzen, obendrein noch elektrische Energie in Form von Strom. Der dafür verantwortliche Effekt wird auch Kraft-Wärme-Kopplung genannt, welche durch einen elektrochemischen Prozess nutzbar gemacht wird. Brennstoffzellenheizung sind dabei nicht viel größer als andere und erzielen sogar höhere Wirkungsgrade

Obwohl der Ruf nach Alternativen wie Solaranlagen oder Wärmepumpen zu herkömmlichen Verbrennungsmethoden durch Klimawende und Wasserstoffprogramm der Bundesregierung immer größer wird, sind die Brennstoffzellenheizung den meisten Menschen immer noch fremd. Da sich diese Technik allerdings stetig weiterentwickelt, wird die sogenannte BZH eine immer attraktivere Möglichkeit, das Eigenheim mit Strom und Wärme zu versorgen. Doch ganz frei von fossilen Rohstoffen sind Sie vorerst nicht. Das liegt daran, dass die kalte Verbrennung nur mit Wasserstoff ablaufen kann und dieser aktuell noch aus Erdgas gewonnen werden muss.

Die Geschichte der Brennstoffzellenheizung

Der Weg zu Brennstoffzellenheizung  lang, mühsam und ging stets Hand in Hand mit der Erforschung von Wasserstoff. Energie aus Wasserstoff zu beziehen ist ein alter Traum der Menschen und rührt daher, dass Wasserstoff das am häufigsten vertretenen Element auf unserem Planeten ist. Der Trick des Ganzen ist jedoch, dass es fast ausschließlich in gebundener Form vorhanden ist, also zuerst extrahiert werden muss. Und gerade das stellte sich als besonders knifflig heraus.

Die Erfindung der Brennstoffzellenheizung geht auf den italienischen Arzt und Physiker Luigi Galvani zurück. Per Zufall und auch nicht ganz vollendet stellte er die Theorie von der Umwandlung chemischer in elektrische Energie auf. Zeitgleich legte er die Grundlage für die Entdeckung der nach ihm benannten galvanischen Zelle, die bei Opferanoden entsteht.

Kurz darauf, im Jahr 1800, um genau zu sein, gelang es Johann Wilhelm Ritter dann zum ersten Mal Wasserstoff per Elektrolyse herzustellen. Das Interessante an seinem Erfolg ist, dass sich an der Methodik nichts geändert hat. Genau wie vor 221 Jahren werden immer noch U-Rohre verwendet, um dieses chemische Wunder zu bewerkstelligen.

38 Jahre später, also 1838, baute Christian Friedrich Schönbein den ersten Prototypen einer Brennstoffzellenheizung. Doch patentiert wurde eine Version der BZH auf Kohlenstoffbasis vom Wiliam W. Jacques. Seit diesen weltverändernden Ereignissen hat sich die Brennstoffzellenheizung so weit entwickelt, dass sie im zwanzigsten Jahrhundert hauptsächlich in der Raumfahrt eingesetzt wurde.

Heutzutage muss man zum Glück nicht mehr ins All fliegen, um diese Technologie zu nutzen. Die stetige Weiterentwicklung der Brennstoffzellenheizung kann nun auch für Ihr Zuhause genutzt werden und wird Jahr für Jahr preisgünstiger. Angetrieben wird das Ganze nicht zuletzt durch die Forschungsförderungen der Bundesregierung, welche im Programm „Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie“, kurz NIP2, vergeben werden.

Funktionsweise

Hauptträger der Funktionsweise sind Stichworte wie Kraft-Wärme-Kopplung, kalte Verbrennung und Elektrolyse.  Dabei werden elektrische und thermische Energie unter Herstellung von Wasserstoff und dessen kalter Verbrennung hergestellt. Als Wasserstofflieferanten benutzt man immer noch Erdgas. Somit nutzt die Brennstoffzellenheizung keinen grünen Wasserstoff, dafür brauchen Sie allerdings lediglich einen Gasanschluss, um ihre neue Heizung zu betreiben.

Kalte Verbrennung

Dieser chemische Prozess steht im Mittelpunkt der Brennstoffzellenheizung. Er läuft ab, sobald Wasserstoff einem Oxidationsmittel zugeführt wird. Zuvor wurde der Wasserstoff aus dem Erdgas extrahiert, wohingegen man den Sauerstoff aus der Luft gewinnt.

Nun treffen die beiden in einem Raum, der durch eine durchlässige Membran getrennt ist, aufeinander. In den beiden Kammern befinden sich jeweils Elektroden – die positiv geladene Anode und die negativ geladene Katode. Treffen nun Wasserstoffmoleküle auf die Anode, so werden sie in zwei Produkte mit unterschiedlicher Ladung gespalten. Wir erhalten einerseits negativ geladene Elektronen und positiv geladene Wasserstoffionen. Die Elektronen wandern über einen elektrischen Leiter in Richtung Anode und Voilà, wir haben Strom. Der erste Teil der Kraft-Wärme-Kopplung ist also geschafft.

Die Wasserstoffionen hingegen diffundieren durch die Membran in Richtung negativ geladener Kathode. In diesem Raum gehen die Wasserstoffionen nun eine Verbindung mit Sauerstoff ein. Folglich entsteht Wasser und thermische Wärme, die genutzt werden kann. Insbesondere der letzte Teil wird kalte Verbrennung genannt und bietet den so attraktiven Effekt für das Eigenheim.

Wie man sieht, bedient sich das System denkbar einfachen Vorgängen, die doch einen sehr großen Unterschied im Gesamtbild der Energieschöpfung ausmachen. Übrigens: das Wasser, welches bei der kalten Verbrennung entsteht, ist so sauber, dass man es sogar verzehren könnte. Auch wenn davon im eigenen Haus abzuraten ist, so hat man es in der Raumfahrt durchaus genutzt, um Astronauten zu versorgen.

Die Gewinnung von Wasserstoff

Bisher wird Wasserstoff noch aus Erdgas gewonnen. Somit nutzt die Brennstoffzellenheizung grauen statt grünem Wasserstoff. Kurzum gefasst handelt es sich bei grauem Wasserstoff um Wasserstoff, dessen Herstellungsweg nicht ganz ohne ökologischen Fußabdruck auskommt. Dass man nicht einfach Wasser benutzt, liegt zum einen daran, dass die Gewinnung von Wasserstoff aus Erdgas recht einfach ist und zum anderen nur ein Gasanschluss benötigt wird, welcher bei den meisten Häusern eh schon vorhanden ist. Obendrein würde der Transport von reinem Wasserstoff den Preisrahmen noch weiter sprengen.

Für die Isolation von Wasserstoff aus Erdgas wird ein Katalysator im Inneren des Reformators genutzt. Obgleich diese Variante nicht das Ideal der Energiegewinnung ist, erzielt sie dennoch einen weitaus höheren Wirkungsgrad als die meisten herkömmlichen Geräte. Somit kann man nach dem Einbau einer Brennstoffzellenheizung mit Verlaub behaupten, man heize weitaus grüner als mit einer Ölheizung.

Die grüne alternative

Wer die Nachrichten der Energiewende verfolgt, wird feststellen, dass es zwischen den zahlreichen schlechten Nachrichten auch Lichtblicke gibt. So sind bereits größere Anlagen zu Herstellung von grünem Wasserstoff im Bau und die Branche drumherum boomt. So genannte Elektrolyseanlagen werden bisher nur in sehr großem Stil gebaut, da das Verfahren, welches Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet, sehr viel Strom aus regenerativen Ressourcen verlangt. Doch wenn wir uns anschauen, in welch kurzer Zeit die Menschheit die Brennstoffzellenheizung vorangetrieben hat, ist es da so unwahrscheinlich, dass Elektrolyseanlagen bald auch zu Hause verfügbar sind?

Aufbau und Betrieb

Obwohl der Prozess im Inneren der Brennstoffzellenheizung komplex und aufwendig klingt, so ist der Aufbau eines solchen Systems doch recht simpel. Neben dem Katalysator und dem dazugehörigen Reformer gibt es im inneren die sogenannten Stacks. Diese Stacks sind mehrere Brennstoffzellen, die in Reihe geschaltet werden. Eine BZH besteht also nicht aus einer einzelnen, sondern aus sehr vielen kleinen Zellen. Das liegt der geringen Spannung zugrunde. Eine einzelne Zelle wäre niemals in der Lage, ein ganzes Einfamilienhaus zu versorgen.

Die Liste des Aufbaus wird jedoch umso größer, je mehr dazugehörige Systeme man sich anschaut. Denn für einen effizienten Betrieb braucht man einiges an Zubehör.

Voraussetzung für den effizienten Betrieb der Brennstoffzellenheizung

Der Prozess ist kompliziert, der Aufbau denkbar einfach und das Drumherum für eine effiziente Brennstoffzellenheizung zahlreich. Doch wie passt das zusammen? Um das zu klären, müssen wir einen blick auf die Liste werfen, welche Komponenten unabdingbar für einen effizienten Betrieb sind.

• Gasanschluss
• Warmwasserspeicher
• Brennstoffzellenheizung
• Gas-Brennwertheizung

Sowohl Gasanschluss, Speicher als auch Brennstoffzellenheizung sind einleuchtend, aber warum braucht man denn eine zweite Heizung?

Die Unterstützung bei Spitzenlast

Brennstoffzellenheizungen benutzt man lediglich, um die Grundlast abzudecken. Dafür gibt es zwei Gründe:

1. Die einzelnen Brennstoffzellen sind sehr fragil.
2. Die Heizung kann die Spitzenlast nicht abdecken.

Aus diesem Grunde braucht man eine weitere Heizung zur Unterstützung. Um die CO2-Bilanz nicht vollends in die Höhe zu treiben oder eine aufwendige Wärmepumpe einzubauen, die lange Vorlaufzeiten hat, ist die einzig logische Wahl eine Gas-Brennwertheizung. Der Gasanschluss ist bereits gelegt, der Brennwert erzielt Spitzenleistungen beim Wirkungsgrad und ist sehr schnell in ihrer Reaktionszeit.

Darüber hinaus sind Brennstoffzellenheizungen so gebaut, dass sie dauerhaft im Betrieb sein müssen. Dies liegt an der empfindlichen Membran der Stacks. Werden diese zu häufig beansprucht, zum Beispiel durch Häufiges ein und ausschalten, entstehen Schäden. Deshalb stellt man so ein System selbst bei der Wartung nicht ab.

Gewonnene Energie muss genutzt werden

Ein weiteres wichtiges Kriterium für die Effizienz einer Brennstoffzellenheizung ist die Notwendigkeit der Nutzung der Energie. Dank der Kraft-Wärme-Kopplung entsteht nur dann Strom, wenn auch Wärme entsteht. Aus diesem Grund braucht die Brennstoffzellenheizung lange Arbeitszeiten. Schaltet sie immer nur für ein paar Sekunden ein, werden sich die hohen Anschaffungskosten wahrscheinlich nie akkumulieren. Deshalb empfehlen Heizungsplaner solche Geräte meist für Ein- oder Zweifamilienhäuser, in denen Familien wohnen, die einen höheren und konstanteren Verbrauch haben.

Aber nicht immer braucht man Strom und Wärme gleichzeitig. Im Sommer zum Beispiel, wenn die gesamte Familie die Akkus ihrer Smartphones lädt und das Fußballspiel des Abends läuft, ist es eher unwahrscheinlich, dass man die Heizung einschaltet. Damit die erzeugte Wärme nicht verloren geht, ist der Einbau eines Speichers unerlässlich.

Die unterschiedlichen Brennstoffzellenheizungen

Allerdings ist Brennstoffzellenheizung nicht gleich Brennstoffzellenheizung. Wie bei so vielen anderen Geräten gibt es auch hier verschiedene Bau- und Funktionsweisen. Die naheliegendste Unterscheidung ist die in Nieder- und Hochtemperatur. Genaugenommen ist damit die Temperatur gemeint, bei welcher die kalte Verbrennung abläuft.

Brennstoffzellenheizung bei Hochtemperatur

Bei einer solchen BZH wird eine Hitze zwischen 550 und 1100 Grad Celsius erreicht. Das wäre bei Spitzenleistung sogar heiß genug, um Gold zum Schmelzen zu bringen. Der große Vorteil ist, dass diese Heizung auch unreinen Wasserstoff nutzen kann. Es sind also keine externen Reformatoren zur anfänglichen Aufbereitung notwendig. Dafür gibt es dementsprechend lange Vorlaufzeiten, um diese hohen Temperaturen zu erreichen.

Brennstoffzellenheizung bei Niedertemperatur

Hier handelt es sich um Temperaturen, die gerade mal Wasser zum Kochen bringen könnten. Der elektrochemische Prozess läuft bei unter 100 Grad Celsius ab und steht somit in keinem Vergleich zu Hochtemperatursystemen. Anders als ihr Gegenstück ist diese Form sehr reaktionsschnell und kann ihnen sogar kurzfristig Strom und Wärme liefern. Nun liegt der Teufel wie immer im Detail, denn die verwendeten Materialien sind sehr reaktionsfreudig und somit auch empfindlich. Daher lässt sich mit solchen Heizungen nur reiner Wasserstoff verwenden.

Vorteile der Brennstoffzellenheizung

Wie viel kostet eine Brennstoffzellenheizung?

Für gewöhnlich kann man bei Heizungen zu dieser Frage eine ziemlich präzise Antwort geben. Doch auch in diesem Punkt unterscheidet sich die Brennstoffzellenheizung zu herkömmlichen Systemen. Denn der Markt für diese Geräte ist bei Weitem nicht so transparent wie der von normalen Brennwertgeräten oder Heizungen die erneuerbaren Energien verwenden. Das resultiert aus fehlenden offiziellen Preislisten. Deshalb muss man sich nicht wundern, wenn der Installateur den Preis vorgibt.

Die positive Preisentwicklung der Brennstoffzellenheizung

Das Alter dieser Technologie hingegen ist ein zweischneidiges Schwert. Zwar sind diese Geräte im Vergleich noch immer sehr teuer, doch wenn man bedenkt, dass solche Systeme vor wenigen Jahren noch im Bereich um die 50.000 € rangierten und man etwaige Heizungen heute schon für 30.000 € erhält ist diese Entwicklung mehr als beachtlich.

Dabei beläuft sich der Preis für die reine Heizung auf etwa 25.000 €. Obendrauf kommen natürlich Zahlungen für die Montage und die zusätzlich notwendigen Gerätschaften wie eine zweite Brennwerttherme, ein Wärmespeicher und eventuell der Gasanschluss.

Amortisierung einer Brennstoffzellenheizung

Im Regelfall geht man von einem Energieersparnis von rund 50 % aus. Wenn man sich die monatlichen Strom- und Gasrechnungen anschaut, wird schnell klar, dass sich so eine Heizung sehr schnell amortisiert. Insbesondere diejenigen unter uns, die ihre Heizung besonders häufig beanspruchen, werden davon guten Gebrauch machen können, denn je intensiver dieses System genutzt wird, umso schneller rentiert sich die Anschaffung.

Dabei steht Ihnen die Wartung nicht im Wege, denn Brennstoffzellen sind sehr wartungsarm.

Fördermittel für eine Brennstoffzellenheizung

Wie sich bereits erahnen lässt, hat die Bundesregierung ein besonders großes Interesse daran, die Nation auf innovative Wasserstofftechnologien umzustellen und so ist es auch kein Wunder, dass ein beachtlicher Teil der Kosten von Fördermitteln getragen werden kann.

Das hierfür zuständige Institut ist die Kreditanstalt für Wiederaufbau, kurz KfW. Im Teilprogramm 433 „Energieeffizient Bauen und Sanieren – Zuschuss Brennstoffzelle“ werden die Anforderungen Höhe und auch Möglichkeiten einer Förderung zusammengefasst. Grundsätzlich sind die zu fördernden Mengen auf 40 % der Gesamtkosten gedeckelt. Diese setzen sich aus einem Grundbetrag von aktuell 6800 € und 550 € pro 100 Watt elektrischer Leistung. Doch damit Sie diesen Betrag einstreichen können, müssen Sie beim Einbau gewisse Bedingungen erfüllen.

Dazu gehören das Einbeziehen eines Energieberaters, die Durchführung eines hydraulischen Abgleichs, das Abschließen eines 10-jährigen Wartungsvertrages und das Einbinden der Brennstoffzellenheizung in das Wärme- und Stromnetz eines Gebäudes. Dazu sollte allerdings auch erwähnt werden, dass sowohl der hydraulische Abgleich als auch der Energieberater unter gewissen Umständen vom KfW oder dem Bafa gefördert wird.

Das Contracting-Modell als alternative

Sollten Sie trotz der umfangreichen Fördermöglichkeiten von den hohen Anschaffungskosten abgeschreckt sein, könnte das Contracting-Modell eine attraktive Alternative darstellen. Bei dieser Anschaffungsvariante schließen Sie einen Vertrag über einen gewissen Zeitraum ab, in dem Ihnen eine Brennstoffzellenheizung zur Verfügung stellt. Das bedeutet unter dem Strich, dass Sie nicht der finale Besitzer des Gerätes sind. Dadurch ergibt sich einerseits, dass Sie am Ende der Laufzeit entweder einen neuen Vertrag abschließen oder sich ein ganz neues Gerät zulegen müssen. Dennoch bestehen entscheidende Vorteile bei diesem Modell.

Der Contracter, also der Anbieter ist nämlich verpflichtet, sich ebenso um den sicheren und einwandfreien Betrieb wie auch um die Anschaffung und Installation zu kümmern. Im Prinzip bleiben Ihnen also gewisse Sorgen und Kosten sogar erspart. Ihnen wird dafür ein kleiner Aufpreis im Preis für die bereitgestellte Energie berechnet. Trotzdem wird sich diese Vertragsart rentieren, wenn man bedenkt, wie hoch die Strompreise liegen und wie instabil der Gaspreis in letzter Zeit war. Allerdings sollten Sie beim Vertragsabschluss darauf achten, was mit der eingebauten Brennstoffzellenheizung passiert.