Strom und Wärme erzeugen: Brennstoffzellen auf dem Vormarsch

12.04.2017

Heiko Schwarzburger

Brennstoffzellen sind eine junge Technik, die sich zur kombinierten Strom- und Wärmeversorgung eignen. Wir geben eine Überblick über den Stand der Technik, die Preisentwicklung und die Fördermöglichkeiten.

© Viessmann
Viessmann gehörte zu den ersten Anbietern von Heizgeräten mit Brennstoffzellen. Darin stecken ein Aggregat von Panasonic, ein Pufferspeicher und eine Gastherme.

Stationäre Brennstoffzellen gehören zu den Blockheizkraftwerken, auch als stromerzeugende Heizung bezeichnet. Klassische BHKW erzeugen Strom und Wärme. Dabei sitzt der Generator auf der Antriebswelle eines Gasmotors. Der rotierende Generator erzeugt Wechselstrom (AC), die Abwärme der Brennkammern wird für Heizzwecke genutzt (wassergeführte Heizung). Das Brennstoffzellen-BHKW hingegen nutzt die elektrolytische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, um auf kaltem Wege (ohne Verbrennung) Strom zu erzeugen. Es entsteht eine Gleichspannung.

Kombiniert man Brennstoffzellen mit herkömmlichen Gasthermen, spricht man vom Brennstoffzellen-Heizgerät. Dieses kann wie ein herkömmliches BHKW in die Haustechnik der Stromversorgung und der Heiztechnik eingebaut werden. Brennstoffzellen allein haben in der Regel nur wenig ausreichende Abwärme für die Einbindung in eine wassergeführte Heizung, zumindest in Bestandsanlagen mit Heizkörpern (Radiatoren).

Zwei Systeme dominieren den Markt

Bei den Brennstoffzellen sind zwei unterschiedliche Systeme vorherrschend auf dem Markt. Aus der Technik ergeben sich verschiedene Geräte und Anwendungen:

Festoxid-Brennstoffzelle (solid oxide fuel cell – SOFC): Der Elektrolyt im Stack besteht aus einer hauchfeinen Keramikschicht, die Sauerstoffionen leiten kann, aber Elektronen sperrt. Die SOFC brauchen Betriebstemperaturen von 650 bis 1.000 Grad Celsius.
Dagegen laufen die Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane – PEM) mit halbdurchlässigen Kunststoffmembranen (Ionomer), die für Protonen durchgängig, für Gase jedoch gesperrt sind. Sie brauchen nur rund 80 Grad Celsius als Betriebstemperatur. Um auch die Wärmeversorgung in einem Gebäude abdecken zu können, werden PEMFC meist mit Gasthermen als Brennstoffzellen-Heizgeräte gekoppelt.

Bei SOFC ist der Stromanteil im Aggregat höher, deshalb werden sie vorzugsweise stromgeführt angesteuert. PEMFC hingegen werden aufgrund der kombinierten Heiztechnik in der Regel wärmegeführt – wie klassische BHKW mit Gasmotor.

Kombination mit Photovoltaik und Stromspeicher

In Kombination mit Photovoltaik und Stromspeichern lösen die Brennstoffzellen das Problem der autarken Versorgung über das gesamte Jahr. Wenn die Sonne nicht mehr ausreichend scheint, springt die Brennstoffzelle an und versorgt das Gebäude. Die meisten am Markt verfügbaren Systeme sind als Langläufer konzipiert. Das bedeutet, sie laufen ganzjährig durch. Steigt der Strombedarf im Sommer – etwa aufgrund von Kühlbedarf – kommt die Photovoltaik hinzu. Gut geeignet sind solche Kombisysteme auch für die Hotellerie und Touristik, deren Nutzerprofile saisonal stark schwanken.

Strom für Elektroautos und Heizgeräte

Da Wasserstoff derzeit dezentral noch nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung steht und sicherheitstechnisch nicht ganz einfach zu meistern ist, kommt als Energieträger meist Erdgas (Methan) zum Einsatz. Bald wird es möglich sein, Wasserstoff im Sommer elektrolytisch mithilfe von überschüssigem Sonnenstrom aus Wasser zu erzeugen und für den Winter zu speichern.

Mit der Brennstoffzelle wird es auch möglich sein, die am Gebäude andockenden Elektrofahrzeuge sowie elektrische Heizgeräte zu versorgen. Nach der Photovoltaik wird die Brennstoffzelle einen starken Schub zur Elektrifizierung der Wärmeversorgung und des Individualverkehrs auslösen, indem sie ausreichend Strom in den sonnenarmen Monaten liefert. Stichwort: Sektorenkopplung.

Die Brennstoffzelle unterstützt die Forderung der privaten und Gewerbekunden nach möglichst weitgehender Autonomie und Autarkie in der Energieversorgung. Der Anschluss an ein Gasnetz ist nicht zwingend notwendig, auch temporäre Zwischenspeicher können den Wasserstoff beziehungsweise Erdgas puffern.

Neues Standbein für Installateure

Für die Fachinstallateure bieten die neuen Aggregate ein weiteres Produkt, das gute Margen verspricht und die Kunden fasziniert. Ähnlich den Stromspeichern erweitert es die Systemtechnik rund um die Photovoltaik und ergänzt die elektrische Haustechnik. Die Brennstoffzelle unterliegt den Anschlussvorschriften von elektrischer Betriebstechnik in der Niederspannung, wie die motorbetriebenen BHKW, die Photovoltaik und die Stromspeicher. Deshalb öffnet sich für Elektrohandwerker und Solarteure ein neues Standbein, um ihren Kunden die komplette Vollversorgung durch die Haustechnik anzubieten. Die Brennstoffzelle (kombiniert mit einem ausreichend großen Stromspeicher) macht sogar den Hausanschluss an das Stromnetz überflüssig.

Absatz- und Preisentwicklung bei den Brennstoffzellen

Der deutsche Markt wächst bis 2019 um 9.000 Geräte, schätzt die Initiative Brennstoffzelle (IBZ). In den ersten drei Jahren danach (2019 bis 2021) werden 6.000 bis 8.000 Brennstoffzellengeräte pro Jahr installiert. Ab 2022 rechnet die IBZ mit 11.000 Anlagen pro Jahr.

Um die breitere Markteinführung der Brennstoffzelle zu flankieren, wurde Ende 2016 das Förderprogramm 433 der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) eingeführt. Es bietet Investoren lukrative Zuschüsse für stationäre Brennstoffzellen-Heizgeräte mit 0,25 bis fünf Kilowatt Leistung. Zudem könnten stark steigende Absatzzahlen dazu führen, dass die Hersteller aus der Kleinserie herauskommen. Mit zunehmend industrieller Produktion werden die Kosten für die Geräte sinken. Ob die Lernkurve vergleichbar steil wie die der Stromspeicher oder Photovoltaikanlagen verläuft, wird sich noch zeigen.

Weitere Informationen zu Brennstoffzellen-Heizgeräten verschiedener Hersteller finden Sie unter www.ibz-info.de/modelle.