Brennstoffzellen gelten als Innovation auf dem Heizungsmarkt. Doch was verbirgt sich eigentlich hinter der Thematik?
Redet man über die Bedeutung der Brennstoffzellentechnik, so dreht es sich im Grunde um einen Teilaspekt einer Energiewirtschaft auf Basis von Wasserstoff. Seit vielen Jahrzehnten wird der Weg in eine Wasserstoff-Wirtschaft untersucht. Ziel ist eine Energiewelt ohne umweltschädliche Emissionen. So kann Wasserstoff Erdöl und Erdgas als Brennstoff ersetzen. Er ist das häufigste Element im Weltall. Er lässt sich umweltfreundlich per Elektrolyse aus Wasser mit nicht benötigtem Solar- und Windstrom herstellen. Er ist speicherbar und er verbrennt mit Sauerstoff emissionsfrei zu Wasser. Das chemische Symbol H steht für Hydrogenium (Wasserbildner). Das Molekül H!SUB(2)SUB! ist ein farb- und geruchsloses Gas, das sich unterhalb -240 °C verflüssigt. In einer Brennstoffzelle lässt sich die im Wasserstoff enthaltene chemische Energie durch eine flammenlose (kalte) Verbrennung in elektrische Energie und Wärme umwandeln.
Haben wir schon Erfahrungen mit Wasserstoff?
Wasserstoff wurde bereits Ende des 18. Jahrhunderts als gasförmiges Element und als Bestandteil von Wasser entdeckt. Im 19. Jahrhundert wurde der Energieträger großtechnisch in Gaslaternen für die Stadtbeleuchtung eingesetzt. Im 20. Jahrhundert fand Wasserstoff Anwendung in der chemischen Industrie. Weltweit werden jährlich über 500 Mrd. m³ Wasserstoff erzeugt. Er kann in speziellen Tanks gespeichert und mit Tankwagen verteilt werden. Für größere Mengen empfehlen sich Rohrleitungen. Zum Beispiel betreibt die chemische Industrie in Nordrhein-Westfahlen bereits seit Jahrzehnten ein Leitungsnetz für gasförmigen Wasserstoff von rund 240 km Länge. Das Prinzip der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung wurde schon 1839 entdeckt.
Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Das Herz einer Brennstoffzelle (FC = Fuel Cell) besteht im Prinzip aus drei Komponenten: Anode, Kathode, dazwischen ein Elektrolyt. Die Funktionsweise ist vergleichbar der Wasserstoffelektrolyse, nur dass der Prozess umgekehrt abläuft. Wasserstoffgas wird anodenseitig zugeführt, die Atome werden unter Einfluss von Katalysatoren ionisiert, das heißt, sie geben ihr jeweiliges Elektron ab. Der Elektrolyt ist für positiv geladene Wasserstoffatome (Protonen) durchlässig. Diese wandern von der Anode zur Kathode, wo sie auf Sauerstoffatome treffen, mit denen sie sich zu Wassermolekülen vereinigen. Die Elektronen fließen über einen elektrischen Leiter außerhalb der Zelle von der Anode zur Kathode, wodurch sich der Stromkreis schließt. Man erhält Strom und Wasser. Die gleichzeitig entstehende Wärme wird beim Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH) zum Heizen und zur Warmwasserbereitung genutzt.
Welche verschiedenen Brennstoffzellentypen gibt es?
Der verwendete Elektrolyt gibt der Brennstoffzelle ihren Namen. Er ist auf unterschiedliche Betriebstemperaturen und Brennstoffqualitäten ausgelegt. Die Alkalische Brennstoffzelle "AFC" (80 °C) und die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle "PEMFC" (in Ausführung Niedertemperatur 50 °C bis 80 °C und Hochtemperatur 100 °C bis 200 °C) benötigen für den Betrieb absolut reinen Wasserstoff. Dieser lässt sich vor Ort zum Beispiel mit Hilfe von Reformern aus Erdgas (es besteht überwiegend aus Methan CH4) erzeugen. Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle "DMFC" (80 °C) arbeitet mit Methanol. Die Phosphorsaure Brennstoffzelle "PAFC" (200 °C), die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle "MCFC" (650 °C) und die Festoxid-Brennstoffzelle "SOFC" (um 900 °C) haben kein solch hohen Anspruch an die Reinheit des Wasserstoffs. Bei Einsatz von Erdgas reicht meist eine weniger aufwendige Aufbereitung und Reformierung. So ist die SOFC nicht so empfindlich gegenüber Verunreinigungen, wie Resten an Kohlenstoffverbindungen, wie die PEMFC. Generell verschlechtert sich bei Einsatz von Erdgas statt reinem, regenerativ erzeugtem Wasserstoff zwar die CO!SUB(2)SUB!-Bilanz, doch kann Erdgas als eine Brücke zu einer funktionierenden Wasserstoffwirtschaft angesehen werden.
Wie unterscheiden sich die Einsatzgebiete?
Im Heizungsmarkt mit Leistungen um 1 kW!SUB(el)SUB! konkurrieren derzeit Brennstoffzellen-Heizgeräte auf der Basis von PEMFC und SOFC. Darüber hinaus finden sich vielfältige Einsatzgebiete. Hauptanwendungen der AFC liegen in der Raumfahrt, bei U-Booten und in entlegenen Wetterstationen. PEMFC eigen sich durch ihr niedriges Leistungsgewicht und relativ gute Kaltstarteigenschaften besonders für mobile Anwendungen in Pkw und Bussen. Zudem werden sie zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) eingesetzt. DMFC finden sich für die Bordstromversorgung von Wohnmobilen oder als Energiequelle von Kommunikationseinrichtungen an Standorten ohne Netzanbindung. Die PAFC benötigt eine lange Anfahrzeit, internationalen Einsatz hat sie als dezentrales Blockheizkraftwerk (BHKW) mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Die DMFC ist mit Leistungen über 200 kW!SUB(el)SUB! für die KWK in Kommunen und Industrie interessant. Die Abwärme kann gar zur Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) genutzt werden. Zukunftskonzepte sehen die SOFC bei höheren Leistungen in Kombination mit nachgeschalteten Mikrogasturbinen oder Dampfturbinen, zur Notstromversorgung und zur KWK bei Energieversorgern und der Industrie.
Welche Aktivitäten gab es bereits in jüngster Zeit?
Treiber der Brennstoffzellentechnik waren in den 1990er Jahren zunächst die Automobilindustrie (als Stromquelle für den Elektroantrieb) und die Energieversorger (als Ersatz/Ergänzung für klassische, dezentrale Blockheizkraftwerke). Da bei letzteren vorrangig der Einsatz zur umweltschonenden Stromerzeugung im Vordergrund stand, lagen die elektrischen Leistungen der eingesetzten Test- und Demonstrationsanlagen meist zwischen 50 kW und einigen MW. Die Brennstoffzellenkraftwerke stammten von Unternehmen wie Alstom Ballard, MTU Friedrichshafen, UTC (United Technologies Corporation), HGC (Hamburg Gas Consult), Plug Power oder Siemens Westinghouse. Kommerzielle Anlagen zur dezentralen Stromversorgung waren damals bereits für 2003/2004 geplant. Und auch die Automobilindustrie hatte das ambitionierte Ziel von 1 Mio. Brennstoffzellen-Fahrzeugen bis zum Jahr 2010. Diese Ziele liegen jedoch auch heute noch in weiter Ferne. Übrigens gehörte MTU Friedrichshafen zuletzt als MTU Onsite Energy zur Tognum Gruppe. Bekanntes, vielfach getestetes Produkt war das "hotmodule". Ende 2010 entschied sich Tognum gegen ein weiteres Engagement im Bereich Brennstoffzellen, da sich das Geschäft mittelfristig unter den zu diesem Zeitpunkt weltweit erkennbaren Markt- und Förderbedingungen nicht kommerziell gestalten ließe.
Und wann kam die Heizungsbranche mit dem Brennstoffzellen-Heizgerät ins Spiel?
Schon 1997 startete Sulzer Hexis (heute gehört Hexis zu Viessmann) mit Feldversuchen und Vaillant rief das Forschungsprojekt Brennstoffzellen-Heizgerät ins Leben. Ende der 1990er Jahre nahmen auch Buderus (heute Teil von Bosch Thermotechnik) und Viessmann die Entwicklungen auf. Und auch HGC setzte erste BZH realen Betriebsbedingungen für den Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern aus (heute ist man als Baxi Innotech unter dem Dach von BDR Thermea aktiv). Die ersten Geräte von Vaillant waren mit 4,5 kW!SUB(el)SUB! für ein Sechs-Familien-Haus oder kleine Gewerbebetriebe ausgelegt. Das hehre Ziel, Verkaufsstart in 2003 sowie ein erwartetes jährliches Marktvolumen in 2010 von 250.000 Brennstoffzellen-Heizgeräten in Europa, 100.000 davon allein in Deutschland, musste man aber schon bald revidieren.
Wie ging die Entwicklung bei den Brennstoffzellen-Heizgeräten weiter?
In den Folgejahren erlebte das Brennstoffzellen-Heizgerät für die Hausenergieversorgung eine recht wechselhafte Zeit. Häufig wurden Technologien sowie Projekt- und Technologiepartner gewechselt. Zuletzt kamen Brennstoffzellenhersteller aus Japan mit ins Spiel, wie bei Viessmann (Panasonic), Bosch Thermotechnik (Aisin Seiki) oder Baxi Innotech (Toshiba Fuel Cell Power Systems). Spektakulär war zum einen die Übernahme von Hexis durch Viessmann. Der Heiztechnikhersteller fährt seitdem zweigleisig bei den Technologien: SOFC bei Hexis und PEMFC bei der Kooperation mit Panasonic. Zum anderen überraschte Solidpower mit der Übernahme von Personal und Assets der deutschen Tochter der CFC (Ceramic Fuel Cells). Ihr Produkt "BlueGen" ist seit 2012 auf dem Markt, über 700 Geräte sind derzeit in Europa installiert.
Wie stellt sich das Angebot an Brennstoffzellen-Heizgeräten heute dar?
Mittlerweile wird die Situation im Markt für Brennstoffzellen-Heizgeräte immer konkreter. Die in der IBZ (Initiative Brennstoffzelle) organisierten Hersteller sind mit ihren Produkten entweder schon auf dem Markt präsent oder haben die Absicht bekundet, noch in diesem Jahr, spätestens aber 2017, mit der Markteinführung ihres Brennstoffzellen-Heizgeräts zu beginnen. Insgesamt stehen den Verbrauchern dann acht Geräte zur Wahl – Buderus: "Logapower FC10" (SOFC mit 0,7 kW!SUB(el)SUB!), Elcore: "Elcore 2400" (PEMFC mit 0,3 kW!SUB(el)SUB!), Hexis: Galileo 1000 N (SOFC mit 1,0 kW!SUB(el)SUB!), Junkers: "CeraPower FC10" (SOFC mit 0,7 kW!SUB(el)SUB!), SenerTec: "Dachs Innogen" (PEMFC mit 0,7 kW!SUB(el)SUB!), Solidpower: "BlueGen" (SOFC mit 1,5 kW!SUB(el)SUB!) und "EnGen 2500" (SOFC mit 2,5 kW!SUB(el)SUB!), Vaillant: "xellPower" (SOFC mit 0,7 kW!SUB(el)SUB!), und Viessmann: "Vitovalor 300-P" (PEMFC mit 0,75 kWel).
!PAGEBREAK()PAGEBREAK!
Wo liegt der Unterschied zwischen PEMFC und SOFC?
Für den Einsatz in der Hausenergieversorgung liegt der Unterschied im Wesentlichen in der Unternehmensphilosophie der Hersteller. So hat die PEMFC über die Lebensdauer gesehen aufgrund der niedrigen Betriebstemperatur gegenüber der SOFC kaum Einschränkungen bei der Zahl der Start-Stopp-Zyklen. Dafür ist der notwendige Aufwand bei der Brennstoffaufbereitung höher. Auch lassen sich mit der SOFC höhere elektrische Wirkungsgrade erzielen. Durch kurze Anlaufzeiten erlaubt die PEMFC eine flexible Betriebsweise, während die SOFC durch lange Aufwärmphasen längere Laufzeiten bevorzugt. Ob wärme- oder stromgeführt: Prinzipiell empfiehlt sich zur maximalen Wertschöpfung für beide Brennstoffzellentypen ein kontinuierlicher Betrieb über das ganze Jahr, sprich über 8.000 Betriebsstunden.
Ersetzen Brennstoffzellen-Heizgeräte die klassische Heizung?
Das Brennstoffzellen-Heizgerät ist eine effiziente Alternative zur klassischen Energieversorgung mit Strom aus dem Netz und Wärme aus dem Heizkessel. Die Brennstoffzellen übernehmen in KWK die Grundversorgung eines Einfamilienhauses an Strom und Wärme. Ihre thermische Leistung liegt zwischen 0,6 kW!SUB(th)SUB! ("BlueGen") und 2 kW!SUB(th)SUB! ("EnGen 2500"). Je besser diese Wärme abgenommen wird, umso höher ergeben sich die Jahreslaufzeiten und umso kontinuierlicher ist die Stromproduktion. Den Restwärmebedarf des Gebäudes an Heizung und Warmwasser übernimmt in der Regel ein Gas-Brennwertkessel. Hier unterscheiden sich vom Ansatz her Vollheizsysteme und Beistellgeräte. Bei Vollheizsystemen ist der Gasbrenner bereits in der Anlage integriert, bei Beistellgeräten kommt er als externe Systemlösung zum Einsatz.
Wo liegen die besonderen Vorteile eines Brennstoffzellen-Heizgerät?
Ein Brennstoffzellen-Heizgerät ist hocheffizient, emissionsarm und leise. Der elektrische Wirkungsgrad liegt je nach Hersteller zwischen 32 Prozent und bis zu 60 Prozent. Der Gesamtwirkungsgrad (Strom und Wärme) liegt typisch für KWK bei 90 Prozent. Das mit Erdgas betriebene Brennstoffzellen-Heizgerät verbraucht im Vergleich zur konventionellen Strom- und Wärmebereitstellung rund 25 Prozent weniger Primärenergie und vermindert die CO!SUB(2)SUB!-Emissionen um bis zu 50 Prozent. Die Bilanz könnte künftig verbessert werden, wenn beispielsweise der aus Power-to-Gas-Anlagen erzeugte Wasserstoff nicht erst in Methan umgewandelt, sondern direkt in das Erdgasnetz eingespeist wird. Der DVGW (Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches) kommt in seinem Forschungsprojekt "Ermittlung der Wasserstofftoleranz der Erdgasinfrastruktur und assoziierten Anlagen" zu dem Ergebnis, dass das 500.000 km lange Erdgasnetz in Deutschland sehr gut für die Aufnahme und Speicherung von Wasserstoff aus erneuerbarem Strom geeignet ist.
Sind besondere Voraussetzungen für den Einsatz eines erdgasbetriebenen Brennstoffzellen-Heizgerät notwendig?
Im Grunde verhält es sich wie bei einer Gas-Brennwertheizung. Voraussetzung ist ein Erdgasanschluss. Angeschlossen werden Abgas-/Zuluftleitung, Heizungsvor- und -rücklauf, Trinkwasserleitung, Pufferspeicher, Warmwasserspeicher, Hydraulikmodul und der Energiemanager. Wesentlicher Unterschied ist der zusätzliche elektrische Anschluss (samt Stromzähler) für den Eigenverbrauch oder für die Netzeinspeisung des erzeugten Stroms und je nach Konzept eventuell auch ein Stromspeicher. Grundsätzlich wird das SHK-Handwerk vor der ersten Installation eines Brennstoffzellen-Heizgeräts durch die Hersteller speziell geschult. Und auch die Einbindung des Elektrohandwerks ist erforderlich. Da es sich um eine KWK-Anlage handelt, muss vorab auch der örtliche Netzbetreiber informiert werden und eine Zulassung beim BAFA (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) eingeholt werden. Hilfestellung zur Anmeldung und steuerlichen Behandlung gibt ein Leitfaden der ASUE (Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch).
Bereitet die Wartung eines Brennstoffzellen-Heizgeräts besondere Probleme?
Ist ein Gas-Brennwertgerät integriert, so unterliegt dies dem üblichen, klassischen Wartungsrhythmus. Die eigentliche Brennstoffzelle selber ist wartungsfrei. Bei den zugehörigen peripheren Komponenten der Brennstoffzelle fällt, je nach Brennstoffzellen-Heizgerät, ein regelmäßiger Austausch zum Beispiel des Luftfilters, des Wasserfilters oder der Entschwefelungspatrone an. Letztere verhindert, dass Schwefelverbindungen aus dem Erdgas den Reformer oder die Brennstoffzelle schädigen.
Wieweit wird der Einsatz eines Brennstoffzellen-Heizgerät gefördert?
Im Betrieb werden Brennstoffzellen-Heizgeräte als KWK-Anlage gefördert. So gibt es beispielsweise KWK-Zuschläge für den erzeugten Strom. Die Höhe ist abhängig von der Anlagengröße und dem Zeitpunkt der Inbetriebnahme. Maßgeblich ist das jeweils aktuelle KWK-Gesetz. Derzeit gibt es für KWK-Anlagen bis 50 kW!SUB(el)SUB! einen Zuschlag von 8 Cent/kWh bei Netzeinspeisung und 4 Cent/kWh bei Selbstverbrauch, begrenzt auf 60.000 Vollbenutzungsstunden. Für Brennstoffzellen-Heizgeräte, die in diesem Jahr bestellt und bis Ende 2017 in Betrieb gehen, kann auch unabhängig von der Verbrauchsart eine Zuschlagzahlung von 5,41 Cent/kWh wahlweise für einen Zeitraum von zehn Jahren oder für die Dauer von 30.000 Vollbenutzungsstunden in Anspruch genommen werden.
Wird denn auch die Investition in ein Brennstoffzellen-Heizgerät gefördert?
Die Möglichkeiten für eine Förderung sind vielfältig, ob durch einen Kredit oder einen Investitionszuschuss. Grundsätzlich sollte bei Förderanträgen der Zeitpunkt der Antragsstellung beachtet werden. In der Regel sind Anträge vor Beginn des Vorhabens zu stellen. Aktuelle Informationen bieten das BAFA oder die KfW (Kreditanstalt für Wiederaufbau). Auch bei den BZH-Herstellern oder bei der ASUE finden sich Hinweise über aktuelle Förderprogramme und Rahmenbedingungen. So unterstützen auch einige Bundesländer und Energieversorger die Investition in neue Technologien wie der Brennstoffzelle. Jüngst informierte das Bundeswirtschaftsministerium über das im August gestartete neue Förderprogramm "Energieeffizient Bauen und Sanieren – Zuschuss Brennstoffzelle" (KfW-Programmnummer 433). Mit der Förderung der Brennstoffzellen-Heizgeräte will man die Einführung der Brennstoffzellentechnologie in der Wärme- und Stromversorgung von Wohngebäuden unterstützen: "Bei Brennstoffzellen-Heizgeräten handelt es sich um eine innovative und hocheffiziente Technologie, die gerade am Beginn der Markteinführung steht." Gefördert wird der Einbau von Brennstoffzellensystemen mit einer elektrischen Leistung von 0,25 kW bis 5 kW in Wohngebäuden, wenn die Brennstoffzelle in die Wärme- und Stromversorgung des Gebäudes eingebunden wird. Dies gilt sowohl bei einem Neubau als auch bei einer energetischen Sanierung. Die Förderung erfolgt als Zuschuss mit einem Grundbetrag von 5.700 Euro und einem leistungsabhängigen Zusatzbetrag von 450 Euro je angefangener 100 W elektrische Leistung (so ergibt sich bei einem Brennstoffzellen-Heizgerät mit 1 kW!SUB(el)SUB! ein Zuschuss von 10.200 Euro). Die Förderung ist zudem mit Zulagen nach dem KWK-Gesetz kumulierbar.