Wie funktioniert eine Brennstoffzellenheizung und wann lohnt sie sich?

Die Brennstoffzellenheizung nutzt das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung - die gleichzeitige Erzeugung von mechanischer Energie (Strom) und von Wärme. Die Energieerzeugung erfolgt dabei in einer Brennstoffzelle. Sie wandelt die bei einer chemischen Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff entstehende Energie in Strom und Wärme um. Der Sauerstoff wird der Luft entnommen, der Wasserstoff der Brennstoffzelle stammt aus Erdgas. Der Strom wird dann für den eigenen Stromverbrauch genutzt, überschüssige Strommengen werden in das öffentliche Stromnetz eingespeist, wofür Einspeisevergütungen gezahlt werden. Die erzeugte Wärme dient der Heizung und Warmwasserbereitung.

In diesem Sinne ist die Brennstoffzelle hauseigenes E-Werk und Heizung zugleich, im übertragenen Sinn eine "Elektroheizung". Sie besteht üblicherweise aus einem Brennstoffzellen-Gerät - oft mit eingebauter Gas-Brennwert-Technik - mit Anschluss an einen Warmwasserspeicher und das Stromnetz. Außerdem wird ein Erdgasanschluss benötigt.

Brennstoffzellen können stromgeführt oder wärmegeführt betrieben werden. Bei stromgeführtem Betrieb richtet sich die Leistung der "Elektroheizung" nach dem Strombedarf, bei wärmegeführtem Betrieb nach dem Heizungsbedarf.

Brennstoffzellen funktionieren ähnlich wie eine Batterie. Im Unterschied zur Batterie benötigt eine Brennstoffzelle allerdings eine laufende Brennstoffzuführung von außen. Sie ist reiner Energieumwandler, kein Energiespeicher. Dafür funktioniert sie sehr effizient, weil Energie unmittelbar erzeugt wird und nicht wie sonst über Zwischenschritte, was stets mit Verlusten verbunden ist.

Die Brennstoffzelle besteht aus zwei voneinander getrennten Elektroden - einer Anode (-) und einer Kathode (+). Jede Elektrode hat eine Katalysator-Schicht (oft Nickel oder Platin). Dazwischen liegt ein Elektrolyt als Ionenleiter. Als Elektrolyten dienen gelöste Laugen oder Säuren, Keramiken oder auch Membranen. Beim sogenannten Vorgang der "kalten Verbrennung" wird die Anode kontinuierlich mit Wasserstoff aus einem Erdgas-Reformer versorgt, der Kathode wird gleichzeitig Sauerstoff aus der Luft zugeführt. Der Wasserstoff der Brennstoffzelle wird dabei in Elektronen (-) und Protonen (+) aufgespalten. Die Elektronen bewegen sich durch den Elektrolyten zur Kathode, dadurch kommt ein Stromfluss zustande, der für die häusliche Stromversorgung genutzt werden kann. Die Protonen reagieren dagegen auf der Kathodenseite mit dem zugeführten Sauerstoff zu Wasser. Bei diesem Vorgang entsteht Wärme, die zum Heizen oder für Warmwasserbereitung dient.

Eine Notwendigkeit für Strom und Heizung mit Brennstoffzelle ist ein Erdgasanschluss, da das Gas das Ausgangsprodukt für den benötigten Wasserstoff ist.

Außerdem ist eine zentrale Heizungsanlage erforderlich. Die Brennstoffzellenheizung funktioniert nämlich nur, wenn die erzeugte Energie auch tatsächlich abgenommen wird. Beim erzeugten Strom ist das kein Problem, weil überschüssiger Strom einfach ins Netz eingespeist und so verbraucht wird. Bei Wärme ist das nicht in dieser Weise möglich. Hier braucht man einen Wärmespeicher als Puffer, der die erzeugte Wärme aufnimmt, vorhält und je nach Bedarf in das Heizsystem abgibt. Das geschieht zum Beispiel über einen mit Heizungswasser gefüllten großen Behälter.

Der Energieausgleich ist auch in umgekehrter Richtung erforderlich. Die Leistung von Brennstoffzellenheizungen reicht üblicherweise nicht aus, um Spitzenlast-Bedarf abzudecken. Das wäre zwar technisch möglich, aber unwirtschaftlich. Strom ist hier wiederum das geringere Problem. Wenn der selbst erzeugte Strom nicht ausreicht, wird er aus dem Netz bezogen. Für Heizungszwecke sorgt häufig ein integrierter Gas-Brennwertkessel im Bedarfsfall für benötigte zusätzliche Heizenergie.

Die Investitionskosten sind das bislang größte Hindernis für eine größere Verbreitung von Brennstoffzellenheizungen. Es reicht dabei nicht, nur eine Brennstoffzelle zu kaufen, es müssen auch Kosten für weitere Geräte, für Montage und Anschluss berücksichtigt werden.

• Für die reine Brennstoffzellenheizung liegt der Preis bereits in einer Bandbreite von 10.000 bis 20.000 Euro. Das ist deutlich mehr als eine konventionelle Heizung kostet.
• Für einen Brennwert-Kessel - sofern nicht bereits in die Brennstoffzelle integriert - fallen weitere 3.000 bis 5.000 Euro an.
• Ein Warmwasserspeicher und weitere Geräte erfordern zusätzlich 5.000 bis 9.000 Euro.

Alles in allem summiert sich bei der Brennstoffzellenheizung der Preis der Anschaffung auf eine Größenordnung von 30.000 bis 35.000 Euro.

Neben den Investitionskosten fallen bei der Brennstoffzellen-Heizung Kosten im laufenden Betrieb an. Dazu gehören vor allem Kosten für das benötigte Erdgas, daneben Kosten für Wartung - die Brennstoffzelle gilt als wartungsarm - und für die Finanzierung.

Brennstoffzellenheizungen werden umfangreich öffentlich gefördert.Ein maßgebliche Fördermaßnahme bildet das Programm "EnergieeffizienzBauen und Sanieren - Zuschuss Brennstoffzelle" der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW). Gefördert wird der Einbau stationärer Brennstoffzellensysteme mit einer elektrischen Leistung von mindestens 0,25 Kilowatt bis maximal 5,0 Kilowatt in neuen oder bestehenden Wohngebäuden, zum Beispiel eine Brennstoffzellen-Heizung für ein Einfamilienhaus. Antragsberechtigt sind Eigentümer von Ein- oder Zweifamilienhäusern und Eigner von Eigentumswohnungen. Für die Antragstellung ist die Einbeziehung eines in einer KfW-Liste eingetragenen Energie-Effizienz-Experten erforderlich.

Das KfW-Programm bietet einen Zuschuss bis zu 40 Prozent der förderfähigen Kosten, maximal 28.200 Euro je Brennstoffzelle. Der Zuschuss setzt sich zusammen aus einem leistungsunabhängigen Festbetrag von 5.700 Euro und einem leistungsabhängigen Betrag, der 450 Euro je angefangener 100 Watt elektrischer Leistung beträgt.

Die KfW-Förderung kann mit der Stromförderung aus dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz kombiniert werden. Danach können Betreiber für selbst erzeugten Strom eine Auszahlungs-Pauschale in Anspruch nehmen oder sie nutzen Einspeisevergütungen. Für jede ins Netz eingespeiste Kilowattstunde gibt es 8 Cent, für jede Kilowattstunde selbst verbrauchten Strom 4 Cent. Die Bezuschussung erfolgt für bis zu 60.000 Betriebsstunden.

Für weitere energetische Maßnahmen im Zusammenhang mit Sanierung oder Neubau sind auch die KfW-Programme "Energieeffizient Sanieren" und "Energieeffizient Bauen" einsetzbar. Eine Förderung über diese darlehensbasierten Maßnahmen steht der Zuschussförderung über das Brennstoffzellenprogramm nicht entgegen.

Die Wirtschaftlichkeit der Brennstoffzellenheizung hängt entscheidend davon ab, ob und wann sich die hohen Anschaffungskosten amortisieren. Brennstoffzellen haben eine lange Lebensdauer, von daher ist es nicht unwahrscheinlich, dass der "Break-even-Point" erreicht wird.

Der Gewinn der Brennstoffstellenheizung liegt im hohen Wirkungsgrad und in der Tatsache, dass sowohl Wärme als auch Strom erzeugt wird. Der Einspareffekt wird dabei vom jeweiligen Wärme-, Strom- und Warmwasserbedarf bestimmt. Neben den reinen Einsparungen generiert die Brennstoffzelle Einnahmen über die Einspeisevergütungen für Strom, die bei der Kalkulation mit berücksichtigt werden müssen. Generell gilt, dass eine hohe jährliche Laufzeit Voraussetzung dafür ist, dass die Anlage wirtschaftlich läuft.

Brennstoffzellenheizungen besitzen mit über 90 Prozent einen besonders hohen Wirkungsgrad. Er beruht u.a. darauf, dass die benötigte Energie unmittelbar vor Ort erzeugt wird. Heizen und Strom-Erzeugung über eine Brennstoffzelle basieren auf dem Energieträger Erdgas, der im Vergleich zu anderen Energiequellen (Öl, Kohle) als vergleichsweise umweltfreundlich gilt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Heizungen können die sonst anfallenden CO2-Emissionen um bis zu 50 Prozent reduziert werden. Bei einer größeren Verbreitung von Brennstoffzellenheizungen ließen sich wissenschaftlichen Schätzungen zufolge in Deutschland bis zu 1,5 Mio. Tonnen CO2 jährlich einsparen. Durch den umfangreicheren Betrieb von Brennstoffzellen würde auch das Stromnetz insgesamt entlastet, weil insgesamt weniger Fremdstrom benötigt und überschüssiger eigener Strom ins Netz eingespeist werden könnte. Aus energiepolitischer Sicht wäre dies ein Vorteil.

Brennstoffzellen-Heizung - Erfahrung im Überblick

Die Brennstoffzellenheizung ist noch eine relativ neue Technologie, die keine langen Zeitreihen mit Erfahrungswerten vorweisen kann. Immerhin wurde mit dem 2008 gestarteten Callux Projekt bereits ein über sieben Jahre währender Test durchgeführt, bei dem 500 Brennstoffzellenheizungen dreier Geräte-Generationen im Praxisbetrieb untersucht wurden. Die wichtigsten Erkenntnisse des Projektes sind:

• die Energiekosten der Teilnehmer-Haushalte wurden durch die Brennstoffzellenheizung im Schnitt um ein Drittel gesenkt;
  
• die Brennstoffzellenheizungen stießen durchschnittlich ein Drittel weniger CO2 aus als eine Brennwertheizung;
  
• die Langlebigkeit der Brennstoffzellen konnte im Test nachgewiesen werden;
  
• bereits während der Projektlaufzeit ließen sich nachhaltige technische Verbesserungen bei den eingesetzten Brennstoffzellen realisieren. Es wurde ein Gesamtwirkungsgrad von 96 Prozent erzielt. Größe und Gewicht der Anlagen reduzierten sich um die Hälfte;
  
• die Kosten sanken während des Projektes von Gerätegeneration zu -generation - die Anschaffungspreise um 60 Prozent, die Kosten für Reparatur und Wartung um 90 Prozent.