Das Eigenheim als High-Tech-Energiezentrale

Brennstoffzellen – Energieerzeugung der Zukunft

Text: Dr. Timm Kehler | Foto (Header): © Studiotouch – stock.adobe.com

Klimaschonend, innovativ und hocheffizient – als kompakte Energiezentrale im Kühlschrankformat beliefert das High-Tech-Gerät „Brennstoffzelle“ Haushalte zuverlässig und geräuscharm mit Wärme und Strom. Die Brennstoffzelle sorgt für ein behagliches Raumklima sowie warmes Duschwasser – und leistet ganz nebenbei einen wichtigen Beitrag zum Ressourcenschutz bei der Energieversorgung.

Auszug aus:

EnEV Baupraxis
Fachmagazin für energieeffiziente Neu- und Bestandsbauten
Ausgabe Mai / Juni 2019
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Sinkende Energiekosten mit Kraft-Wärme-Kopplung

Dezentrale Energielösungen wie die Brennstoffzelle werden besonders angesichts des geplanten Atom- und Kohleausstiegs immer wichtiger für die deutsche Energieversorgung. Mit der Brennstoffzelle profitieren Eigentümer dabei sogar in mehrfacher Hinsicht: durch die äußerst effiziente Form der Kraft-Wärme-Kopplung senkt die Technologie den Energieverbrauch im Vergleich zu einer alten Gasheizung um bis zu einem Drittel. So reduzieren sich die Energiekosten durch den vermiedenen Strombezug um bis zu 66 %. Mithilfe der Brennstoffzelle produzieren Hauseigentümer im Durchschnitt 75 % des eigenen Strombedarfs. Hierdurch setzt die Brennstoffzelle im Hinblick auf die Senkung der CO2-Emissionen neue Maßstäbe. Knapp 70 % weniger Kohlendioxid werden dank der gleichzeitigen Erzeugung von Wärme und Strom ausgestoßen – eine wichtige Weichenstellung auf dem Weg in Richtung Klimaziele, die Verbraucher unabhängiger macht und ihren Geldbeutel nachhaltig schont.

Emissionsarme Gastechnologien – sicher und bewährt

Gerade im Gebäudebestand liegt ein großer Hebel für Klimaschutz, der mit Gastechnologien wie der Brennstoffzelle zügig umgelegt werden kann. Aktuelle Zahlen des Bundesverbands der Deutschen Heizungsindustrie (BDH) zeigen, dass zwei von drei Heizungen technisch veraltet sind, nicht mehr effizient arbeiten und somit unzählige unnötige Tonnen CO2 in die Luft pusten. Angesichts der selbstgesteckten Klimaziele ist die Herausforderung im Gebäudesektor enorm: Um bis zu 67 % sollen die CO2-Emissionen gegenüber 1990 bis zum Jahr 2030 gesenkt werden.

Gerade bei der energetischen Sanierung größerer Altbauten sowie im Neubau ist die hocheffiziente Brennstoffzelle daher eine interessante Option. Schon heute wird in jedem zweiten Haushalt Gas genutzt, sodass die notwendige Infrastruktur bereits vorhanden ist. Allein im Jahr 2018 setzten über 75 % der Modernisierer und Bauherren bei der Wahl eines neuen Heizgeräts auf Gastechnologien, wie Zahlen des BDH belegen. Damit sind sie für die Energieversorgung der Zukunft bestens gewappnet. Denn wo heute größtenteils noch konventionelles Erdgas zum Einsatz kommt, wird schon morgen nahezu vollständig klimaneutral mit grünen Gasen wie Biomethan oder synthetischem Gas geheizt.

 

Hoch- oder Niedertemperaturbrennstoffzelle?

Doch wie kann man sich das Innere einer Brennstoffzelle vorstellen? Der Aufbau lässt sich am ehesten mit dem Aufbau einer Batterie vergleichen (Bild 2). Zwei Elektroden – eine Anode (Pluspol) und eine Kathode (Minuspol) – sind je nach Art der Brennstoffzelle durch eine feste, flüssige oder gelartige chemische Substanz (Elektrolyt) voneinander getrennt.

Im Fall der sogenannten Polymerelektrolytbrennstoffzelle (engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cell, kurz: PEMFC) kommt eine feste, ionendurchlässige Polymermembran zum Einsatz. Jede der Elektroden ist mit einem Katalysator, bspw. Nickel oder Platin, beschichtet. Die Membran trennt die beiden Reaktionspartner Wasserstoff und Sauerstoff voneinander. Nachdem Wasserstoff der Anode zugeführt wurde, teilt er sich in Elektronen und Protonen. Das Elektrolyt lässt nur Protonen, also positiv geladene elektrische Teilchen, in Richtung der Kathode passieren. Die freien Elektronen werden als elektrischer Strom durch den äußeren Kreislauf genutzt. Das bedeutet, dass die Elektronen aus der Brennstoffzelle abgeleitet werden und über einen äußeren elektrischen Verbraucher zur Kathode fließen. An der Kathode verbindet sich schließlich der Sauerstoff aus der Luft mit den Elektronen aus dem äußeren Kreislauf und den Protonen, wodurch Wasser und Wärme entstehen. Zwischen Anode und Kathode kann sich nun eine Spannung aufbauen. Werden die beiden Elektroden miteinander verbunden, fließen die Elektronen von der Anode zur Kathode und liefern so Strom. Die entstandene Reaktionswärme wird zum Heizen und zur Warmwasserbereitung genutzt.

Da die Polymer-Brennstoffzelle mit vergleichsweise geringer Betriebstemperatur im Bereich von 70 bis 90 °C arbeitet, ist sie besonders langlebig und bedarf wenig Wartung.

In Festoxidbrennstoffzellen (engl. Solid Oxide Fuel Cell, kurz SOFC) wird hingegen eine feste, nur zwei hundertstel Millimeter starke Membran aus Zirkondioxid genutzt, die ab einer Betriebstemperatur von ca. 650 °C die Ionen durch sich hindurchleitet. Im Gegensatz zur PEMFC kann das Erdgas hier direkt als Brennstoff genutzt werden, dazu werden aber deutlich höhere Betriebstemperaturen bis zu 1.000 °C benötigt. Verbraucher profitieren dafür von einem besonders hohen elektrischen Wirkungsgrad, weshalb sich diese Art der Brennstoffzelle am besten für Haushalte und Gebäude mit einem relativ hohen elektrischen Energiebedarf von über 8.000 kWh im Jahr eignet.

Und so funktioniert die kompakte Energiezentrale: Über den Hausanschluss gelangt Erdgas zur Brennstoffzelle. Im Fall einer PEMFC wird im Reformer aus dem Erdgas zunächst Wasserstoff (H2) erzeugt. In der dann gerade beschriebenen „kalten Verbrennung“ reagieren Wasserstoff und Sauerstoff (O2) in einer umgekehrten Elektrolyse zu Wasser (H2O). Dabei entstehen in den hintereinander angeordneten Zellenstapeln der Brennstoffzelle, den „stacks“, Gleichstrom und Wärme, die direkt dem Heizkreislauf zugeführt wird. Für die Nutzung der elektrischen Energie muss der Gleichstrom noch im Wechselrichter (engl. Inverter) in Wechselstrom umgewandelt werden. Danach kann die elektrische Energie direkt im Haushalt genutzt werden. Überschüssige elektrische Energie kann in einer Batterie gespeichert oder gut vergütet ins Netz eingespeist werden.

 

Wirkungsgrade von über 90 %

Anders als in normalen Gasheizgeräten wird das Erdgas in Brennstoffzellengeräten nicht verbrannt. Vielmehr wird es in einer elektrochemischen Reaktion umgewandelt. Dadurch erzielt die Technologie gegenüber motor- oder brennerbasierten Systemen deutlich höhere Wirkungsrade von über 90 % sowie eine hohe Stromausbeute. Ein weiterer Vorteil für Verbraucher: Sie müssen keinen teuren Strom am Markt einkaufen, denn sie können Strom mithilfe von günstigem Erdgas selbst produzieren. Und das über Jahre hinweg, denn Brennstoffzellen haben nachweislich eine lange Lebensdauer von etwa zehn Jahren, bevor die Stacks ausgetauscht werden müssen. Ein langfristig effizienter Betrieb wird durch Wartungsverträge der Hersteller sichergestellt. Der Kunde trägt hierdurch kein Risiko im Falle eines erforderlichen Austauschs der Stacks.

Die Zuverlässigkeit der Technologie wurde bereits in mehrjährigen Feldtests umfassend erprobt. Und auch der Blick in andere Länder macht deutlich, dass es sich um eine technisch ausgereifte und flexible Heiztechnik handelt. So sind in Japan heute bereits mehr als 200.000 Geräte im Einsatz.

 

Breites Portfolio verschiedener Leistungsklassen

In Deutschland bieten sechs Heizgerätehersteller – Buderus, Viessmann, SenerTec, SOLIDpower, Remeha und Freudenberg – ein breites Portfolio an Modellen in verschiedenen Leistungsklassen an. Deren elektrischer Wirkungsgrad erreicht dabei bis zu 60 % und übertrifft damit den von konventionellen Großkraftwerken. Die elektrische Leistung reicht – je nach Modell – von 0,3 bis 1,5 kWel und die thermische Leistung von 0,4 bis 1,1 kWth. Somit eignet sich die Brennstoffzelle für jeden Immobilientyp – ob Gewerbebetrieb, Ein- oder Mehrfamilienhaus, ob Bestandsgebäude oder Neubau.

Brennstoffzellen werden als Kombinationsanlagen mit integrierter Brennwerteinheit zur Deckung der Spitzenlast oder als Beistellgeräte, z. B. zur Einbindung in ein vorhandenes Heizsystem, angeboten.

Ausgezeichnet mit dem Energieeffizienzlabel A++ erfüllen Brennstoffzellengeräte in Bestandsgebäuden so die Kriterien der EnEV. Und auch im Neubau werden die EnEV-Mindeststandards erfüllt, wenn Biogas oder eine Solarthermieanlage für die Trinkwassererwärmung berücksichtigt wird.

 

Zukunftssicher und CO2-neutral heizen mit grünem Gas

So wird die Brennstoffzelle starker Partner der erneuerbaren Energien, denn Eigentümer setzen mit ihr auf eine emissionsarme Heiztechnologie mit Zukunftspotenzial. Neben dem bewährten, emissionsarmen Energieträger Erdgas kann sie auch mit Biomethan oder synthetisch erzeugtem Erdgas bzw. Wasserstoff betrieben werden. Damit wird sogar CO2-neutrales Heizen möglich. Das Potenzial für die Erzeugung von Biomethan aus Abfall- und Reststoffen ist dabei erheblich. Schon heute erzeugen in Deutschland 200 Biogasanlagen  rund 10 TWh Biomethan pro Jahr. Diese Energiemenge reicht aus, um eine komplette Großstadt wie Frankfurt am Main ein Jahr lang mit grünem Gas zu beheizen.

Ergänzend können synthetische grüne Gase – erzeugt durch das Power-to-Gas-Verfahren – genutzt werden. Durch diese Technologie kann mithilfe von erneuerbarem Strom Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden. Dieser synthetisch erzeugte Wasserstoff kann in begrenzter Menge in das Gasnetz eingespeist werden oder durch einen zweiten Schritt – die Methanisierung – in synthetisches Erdgas umgewandelt werden. Da Letzteres die gleichen chemischen Eigenschaften wie konventionelles Erdgas besitzt, kann es unbegrenzt in das Gasnetz eingespeist werden. Das so erzeugte grüne Gas steht anschließend nicht nur zur Beheizung von Gebäuden zur Verfügung. Es kann auch zur Stromerzeugung und für die Mobilität eingesetzt werden. Auch hier leistet die Brennstoffzelle als Energiezentrale wichtige Dienste, denn von ihr erzeugter, überschüssiger Strom kann z. B. zum Laden von Batterieautos genutzt werden – bequem in der eigenen Garage. Nebenbei werden so die Stromverteilnetze entlastet und stabilisiert. Der Gasinfrastruktur und der Brennstoffzelle kommt somit eine Schlüsselrolle bei der Sektorenkopplung zu, was von der Bundesregierung durch Förderprogramme entsprechend anerkannt wird.

 

Bis zu 11.100 Euro Zuschuss durch staatliche Förderung

Seit fast drei Jahren treibt das Bundeswirtschaftsministerium die Markteinführung von Brennstoffzellengeräten konsequent voran. Im Rahmen des Anreizprogramms Energieeffizienz fördert die KfW den Einbau von hochmodernen Brennstoffzellensystemen in Form eines festen Zuschusses in Höhe von 5.700 Euro. Je angefangener 100 W elektrischer Leistung kommen noch einmal 450 Euro dazu, wodurch sich in der Regel ein leistungsabhängiger Zusatzbetrag von etwa 3.600 Euro ergibt. Zusätzlich greift auch die Förderung durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWK-G), dank dem für jede Kilowattstunde produzierten Stroms ein fester Förderbeitrag ausgezahlt wird. Dieser liegt bei 4 Ct/kW für Strom, der selbst verbraucht wird, und 8 Ct/kWh für Strom, der ins Netz eingespeist wird. Neben der zählergenauen Abrechnung ist alternativ auch die einmalige Auszahlung eines Pauschalbetrags von 1.800 Euro möglich. Insgesamt ergibt sich so eine Fördersumme von 11.100 Euro. Das umfassende Förderprogramm zeigt Erfolg, denn die bisherige Marktentwicklung übertrifft alle Erwartungen. Seit Beginn des KfW-Förderprogramms 433 „Zuschuss Brennstoffzelle“ im Sommer 2016 wurden knapp 5.700 Förderanträge bewilligt, wie aktuelle Zahlen des Bundeswirtschaftsministeriums zeigen. Das entspricht einem Fördervolumen von über 85 Millionen Euro. Deshalb wird das Förderprogramm mindestens bis Ende 2019 uneingeschränkt fortgeführt, wie das Ministerium erst kürzlich bestätigte.

 

Drei bis fünf Millionen installierte Brennstoffzellen bis 2050

Für eine Verlängerung der Förderung über das laufende Jahr hinaus macht sich insbesondere die im Jahr 2001 gegründete Initiative Brennstoffzelle (IBZ) stark, die mittlerweile vom BDH und der Brancheninitiative Zukunft ERDGAS getragen wird. Als Kompetenzzentrum für Brennstoffzellen-Systeme in der Hausenergieversorgung setzt sich die IBZ dafür ein, Brennstoffzellengeräte als wichtige Säule zum Gelingen der Energiewende nachhaltig im Wärmemarkt zu verankern. Zu den Aufgabenschwerpunkten zählen neben der Fortführung der staatlichen Förderung vor allem die Stärkung der Wahrnehmung der Technologie gegenüber den Kunden, der Politik, dem Handwerk und den Architekten. Auch die Reduzierung des administrativen Aufwands für den Betrieb von KWK-Anlagen hat sich die Initiative zur Aufgabe gemacht. Sie wird unter anderem durch die Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) sowie die Heizgeräteindustrie und zahlreiche Gasversorgungsunternehmen unterstützt. Seit ihrer Gründung haben sie daran mitgewirkt, die stationäre Brennstoffzelle zur Marktreife zu führen.

Und die Aussichten für die einst für Weltraummissionen entwickelte Technik stehen gut, denn die Gerätehersteller rechnen in den kommenden Jahren mit einem exponentiellen Marktwachstum. Ab dem Jahr 2023 sollen jährlich mehr als 75.000 Brennstoffzellen-Heizungen verbaut werden. Das entspräche einem Marktanteil von 10 %. Aus diesem Grund gehen Experten mittelfristig von einer Kostendegression durch Skaleneffekte aus, sodass die Brennstoffzelle unter Berücksichtigung der Förderung durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz zunehmend wettbewerbsfähig wird. Bis zum Jahr 2050 erwartet die Branche drei bis fünf Millionen installierte Brennstoffzellen.

 

62 Brennstoffzellen für das Neubaugebiet Langweid Village

In der Stadt Langweid in der Nähe von Augsburg wurde das Potenzial der innovativen Heiztechnik längst erkannt. So entsteht hier in Kooperation mit dem regionalen Energieversorger erdgas schwaben das erste Neubaugebiet Deutschlands, das vollständig mit Brennstoffzellen ausgestattet wird. Mehr als 30 Doppel- und Reihenhäuser wurden im ersten Bauabschnitt bereits errichtet. Sie sparen künftig jeweils 1,1 t CO2 pro Jahr ein. Doch in Sachen Klimaschutz ist noch lange nicht Schluss, denn insgesamt sollen 62 Gebäude mit der effizienten Brennstoffzellentechnologie ausgerüstet werden.

Für Installateure stellt die neue Technik keine besondere Herausforderung dar, denn Brennstoffzellen sind ähnlich zu installieren wie Gas-Brennwertheizungen. Die Komponenten – Hydraulik, Puffer- und Trinkwasserspeicher – sind größtenteils vormontiert und ermöglichen einen zeitsparenden Einbau. Außerdem können im Gebäudebestand in der Regel die vorhandenen Anschlüsse genutzt werden. Im Zuge der Installation findet zudem ein hydraulischer Abgleich der Wärmeverteilung im Gebäude statt. Darüber hinaus wird am Hausanschluss ein Zweiwegezähler installiert, damit der ins Netz eingespeiste Strom abgerechnet werden kann.

 

Vollwartung dank Service-Paket

Für die Wartung bieten die Gerätehersteller Service-Pakete mit einer Laufzeit von zehn Jahren an, die eine Leistungs- und Funktionsgarantie beinhalten. Somit wird auch der Austausch von Material – bspw. Luftoder Wasserfilter – vertraglich mit abgedeckt. Geschulte SHK-Fachhandwerksbetriebe führen die Wartung im Abstand von fünf Jahren durch. Einige Hersteller bieten zudem eine zusätzliche Fernüberwachung an, um auf mögliche Störungen sofort reagieren zu können.

 

Heizungskeller als Klimaschutzzentrale

Verbraucher, die sich für eine Brennstoffzelle entscheiden, sollten sich im Vorfeld der Installation über die notwendigen Genehmigungen informieren. So muss der Betreiber der Brennstoffzelle beim Stromnetzbetreiber als Stromproduzent registriert werden. Außerdem benötigt der Nutzer eine Zulassung des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle und muss beim Zoll für die Steuerentlastung angemeldet sein. Darüber hinaus ist ein Kombizähler für den eingespeisten und selbstgenutzten Strom erforderlich sowie eine Gewerbeanmeldung beim Finanzamt, die mit der jährlich notwendigen Umsatz- und Ertragssteuererklärung zusammenhängt.

Sobald dies erledigt ist, die Modellauswahl getroffen und das Gerät installiert wurde, steht der Erzeugung von Wärme und Strom im eigenen Zuhause nichts mehr entgegen. So wird der Heizungskeller schon heute dank Brennstoffzellentechnik nicht nur zur Energie-, sondern vor allem auch zur Klimaschutzzentrale der Zukunft.

Der Autor

Dr. Timm Kehler
Promovierter Maschinenbauer Industriedesigner
Dr. Timm Kehler ist Vorstand von Zukunft ERDGAS, der Initiative der deutschen Gaswirtschaft. Hinter Zukunft ERDGAS stehen führende Unternehmen der Erdgaswirtschaft, wie Importeure, Regionalversorger und Stadtwerke. Heizgeräteindustrie, Handwerk und Tankstellenbetreiber unterstützen Zukunft ERDGAS als Partner. Gemeinsam mit Andreas Lücke (BDH) ist Dr. Kehler seit Januar 2018 Sprecher der Initiative Brennstoffzelle (IBZ).

Kontakt:
zukunft.erdgas.info

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