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Eine Brennstoffzellenheizung erzeugt aus selbst produziertem Wasserstoff Wärme und Strom. Sie gehört zu den fortschrittlichsten Technologien in der Wärme- und Energiegewinnung. In Japan werden Brennstoffzellen-Heizgeräte bereits hunderttausendfach eingesetzt. In Deutschland ist diese Technologie noch nicht sehr weit verbreitet, aber absolut zukunftsweisend. Wir erklären Ihnen, wie eine Brennstoffzellenheizung funktioniert, welche Vor- und Nachteile sie hat und wie Sie sie in Ihrem Zuhause nutzen können.

1. Wie funktioniert eine Brennstoffzellen-Heizung?

Eine Brennstoffzellen-Heizung wird mit Erdgas betrieben. Aus diesem stellt das Gerät Wasserstoff her, der dann durch eine chemische Reaktion Wärme und Strom produziert.

Vergleichbar ist das Prinzip der Brennstoffzelle mit einer Batterie. Auch dort kommt es zu einer chemischen Reaktion, durch die Strom entsteht. In der Batterie sind die Chemikalien natürlich verkapselt. Bei der Brennstoffzellen-Heizung werden dagegen Wasserstoff und Sauerstoff kontinuierlich von außen zugeführt.

Technische Funktion einer Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle besteht aus drei Teilen: der Anode, der Kathode und einer Elektrolyt-Membran. Die Anode wird mit Wasserstoff versorgt, die Kathode mit Sauerstoff. Auf der Anodenseite wird der Wasserstoff mithilfe eines Katalysators aufgespalten. So entstehen positiv geladene Wasserstoff-Ionen (im Bild die roten Kugeln mit dem Plus-Zeichen) und negativ geladene Elektronen (im Bild die kleinen gelben Kügelchen mit dem Minus-Zeichen).

Die Elektronen machen sich durch einen Leiter auf den Weg zur Kathode – es fließt also Strom. Die positiv geladenen Wasserstoff-Ionen diffundieren durch eine Elektrolyt-Membran, die die beiden Gase trennt. Diese Trennung ist wichtig, um eine Knallgasexplosion zu verhindern. Vielleicht erinnern Sie sich noch aus dem Chemieunterricht daran?

Auf der Seite der Kathode verbinden sich dann die Wasserstoff-Ionen mit dem Sauerstoff aus der Luft. Dabei entstehen Wärme und Wasserdampf. Die Wärme wird über einen Kühlkreislauf ausgekoppelt und kann zum Heizen genutzt werden.

Damit die Spannung sinnvoll genutzt werden kann, werden mehrere Brennstoffzellen zu sogenannten Stapeln („Stacks“) in Reihe geschaltet. Das können Sie sich vorstellen wie bei einem Solarmodul, das ja auch aus vielen einzelnen Zellen besteht.

1.1. Woher kommt der Wasserstoff für die Brennstoffzellen-Heizung?

Wasserstoff ist eines der häufigsten chemischen Elemente auf der Erde. Allerdings ist es immer mit anderen Verbindungen gebunden. Für Brennstoffzellen-Heizungen verwendet man üblicherweise den Wasserstoff, der in Erdgas steckt. Alternativ ist je nach Anlage auch Biogas nutzbar.

Es gibt zwei Möglichkeiten, wie die Brennstoffzellen-Heizung den Wasserstoff aus dem Erdgas lösen kann:

1.1.1. Möglichkeit 1: Niedertemperatur-Brennstoffzellen

Bei dieser Methode wird der Wasserstoff in einem vorgeschalteten Reformierungsprozess aus dem Erdgas herausgelöst. Das ist aktuell der Standard, der im Haus genutzt wird.

1.1.2. Möglichkeit 2: Hochtemperatur-Brennstoffzellen

Bei dieser Möglichkeit wird der Wasserstoff direkt innerhalb der Brennstoffzelle durch große Hitze aus dem Erdgas gewonnen. Je nach Gewichtung von Wärme- und Stromanteil wird die Effizienzbilanz optimiert, indem an der Brennstoffzelle die Funktion auf Strom- oder Wärmeführung eingestellt wird.

Übrigens: Die Energieerzeugung der Brennstoffzellen-Heizung hat einen deutlich geringeren Emissionsausstoß als die anderer Erzeugungsarten.

Die Brennstoffzellen-Heizung nutzt die chemische Reaktion von Sauerstoff aus der Luft und Wasserstoff aus Erdgas. Dadurch entstehen Wärme und Strom. Im Vergleich zu Blockheizkraftwerken entfallen dadurch mehrere Schritte (im Schaubild rot markiert). Dadurch ist der Wirkungsgrad bei einer Brennstoffzelle grundsätzlich höher.

Wirkungsgrad Vorteile von Brennstoffzellen

Weitere Infos zu dem Potential von Blockheizkraftwerken unter: //www.dlr.de/

2. Was sind die Vor- und Nachteile einer Brennstoffzellen-Heizung?

Damit Sie besser für sich entscheiden können, ob eine Brennstoffzellen-Heizung für Sie infrage kommt, stellen wir Ihnen die Vor- und Nachteile vor:

2.1. Vorteile einer Brennstoffzellen-Heizung

  • Brennstoffzellenheizungen haben einen sehr hohen Wirkungsgrad.

  • Eine Brennstoffzellenheizung reduziert die Kosten für den Strombezug vom Energieversorger.
    Schließlich produzieren Sie eigenen Strom, den Sie teilweise nutzen und teilweise ins Stromnetz einspeisen können.

  • Im Vergleich zu einem Gas-Brennwertkessel mit Solarunterstützung sind gleiche oder niedrigere Energiekosten zu erwarten.

  • Die CO2-Emissionen einer Brennstoffzellen-Heizung liegen um bis zu 40 % niedriger als bei einem Brennwertgerät. Dadurch verbessern Sie Ihre CO2-Bilanz.

  • Brennstoffzellen-Heizungen sind sehr flexibel anpassbar, was die elektrische und thermische Leistungsabgabe angeht. Je nach dem aktuellen Bedarf nutzen Sie mehr Strom oder mehr Wärme.

  • Eine Brennstoffzellen-Heizung arbeitet nahezu geräuschlos.

  • Die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer eines solchen Systems sind sehr hoch.

  • Der Wartungsaufwand ist gering, weil es kaum mechanischen Teile gibt, die verschleißanfällig wären.

  • Die Politik in Deutschland und in der EU steht hinter der Technologie, sodass Sie hohe Förderungen nutzen können.

CO2-Belastung und Energiekosten bei Brennstoffzellen

2.2. Nachteile einer Brennstoffzellen-Heizung

Der Hauptnachteil von Brennstoffzellen-Heizungen ist der hohe Anschaffungspreis. Das hat vor allem damit zu tun, dass sie in Deutschland noch nicht lange auf dem Markt sind und noch nicht in hohen Stückzahlen produziert werden.

3. Ist der Einbau einer Brennstoffzellen-Heizung kompliziert?

Die kurze Antwort: Nein! Brennstoffzellen-Geräte werden ganz einfach an das hauseigene Erdgasnetz angeschlossen. Ab dann erzeugt die Brennstoffzelle Strom und Wärme.

Brennstoffzellen-Heizungen sind sehr kompakte Geräte mit wenigen mechanischen Komponenten. Sie brauchen nur einen Erdgas- und Wasseranschluss sowie als Abgasanlage einen brennwerttauglichen Schornstein.

In der Regel ist in der Brennstoffzellen-Heizung zusätzlich ein Erdgas-Brennwertkessel integriert. Dieser springt an, wenn gerade besonders viel Wärme gebraucht wird. Er kann kurzfristig und schnell eine große Menge zusätzlicher Wärme zur Verfügung stellen, wenn es nötig wird. Der Strom für den Brenner wird aus der Brennstoffzelle genutzt.

Auch ein Pufferspeicher ist meist enthalten, damit Sie Energie, die Sie gerade nicht brauchen, später noch nutzen können.

Der Platzbedarf für eine Brennstoffzellen-Heizung ist etwa so groß wie bei einer herkömmlichen Heizung. Der Montageaufwand entspricht dem eines Gas-Brennwert-Wandgeräts.

4. Gehören Brennstoffzellen zur Kraft-Wärme-Kopplung?

Ja! Sowohl technisch als auch im Bezug auf Förderungen zählen Brennstoffzellen-Heizungen zur Kraft-Wärme-Kopplung. Sie gelten als Mikro-KWK-Anlagen und sind als kleinstes Leistungssegment für die Grundlastversorgung von Ein- und Zweifamilienhäusern gut geeignet.

Virtuelle Kraftwerke

5. Virtuelle Kraftwerke mit Brennstoffzellen-Heizungen

Brennstoffzellen-Heizungen können in virtuellen Kraftwerken vernetzt werden, wodurch der Wirkungsgrad noch weiter gesteigert wird. Dabei werden viele kleine, dezentrale Stromlieferanten zu einem Verbund zusammengeschlossen, der eine zentrale Steuerung hat.

Im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken bietet das virtuelle Kraftwerk einige Vorteile:

Lastanpassung virtuelle Kraftwerke vs. Großkraftwerke

  • Es entstehen nur geringe Übertragungsverluste, da die Energie in erster Linie dort genutzt wird, wo sie auch produziert wurde.

  • In der Praxis bestehen virtuelle Kraftwerke beispielsweise aus Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen. Diese sind im Betrieb flexibler als Großkraftwerke. Großkraftwerke können die Last in einem Bereich von 50 bis 100 % der Nennleistung anpassen. Im Normalbetrieb geschieht das mit Geschwindigkeiten von etwa 4 bis 5 % der Nennleistung pro Minute. Die Anpassung ist also vergleichsweise träge. KWK-Anlagen dagegen können die Last zum Teil um bis zu 60 % oder mehr reduzieren. Dabei sind sie auch noch sehr viel schneller: Gas-Blockheizkraftwerke schaffen zum Beispiel 2,5 % pro Sekunde! Die Produktion kann also sehr schnell auf die Nachfrage reagieren.

  • Bei kleineren KWK-Anlagen im Wohnbereich mit einer Leistung ab 1 kWel wird durch die gleichzeitige Produktion von Strom und Wärme ein Gesamtwirkungsgrad von über 90 % erreicht.

  • Weitere Infos z.B. unter: //www.hypos-eastgermany.de/fileadmin/content/downloads/hypos-forum-3/HYPOSForum2017_2.3_H2-Home_TUBAF_Herrmann.pdf

6. Das sind die Kosten der Brennstoffzellen-Heizung

Im Betrieb ist eine Brennstoffzellen-Heizung günstig, aber Sie müssen zunächst leider eine recht hohe Erstinvestition tätigen.

Eine Brennstoffzelle für den Heizungskeller kostet inklusive Montage und Einstellung etwa 20.000 bis 30.000 Euro.

Zum Vergleich: Ein Heizkessel mit Erdgas kommt inklusive Installation gerade mal auf 6.000 Euro. Allerdings kann dieser natürlich keinen Strom erzeugen. Bei Ihrer Kalkulation müssen Sie neben den Verbrauchswerten von Wärme und Strom und eventuell möglichen Rückvergütungen auch Förderungen und Finanzierungsmöglichkeiten berücksichtigen.

6.1. Förderung und Finanzierung von Brennstoffzellenheizungen

Für keine andere Heizungsart existiert aktuell ein größeres Förderungs- und Rückvergütungsangebot als für kleine Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen, zu denen auch Brennstoffzellenheizungen zählen.

Leider ist die Förderungslage gerade bei Brennstoffzellenheizungen immer noch recht unübersichtlich. Das liegt daran, dass es immer wieder zeitlich begrenzte oder neue Förderungen der Bundesländer, der regionalen Versorger oder sogar von einzelnen Landkreisen gibt. Dadurch ist es gar nicht so einfach, den Überblick über mögliche Förderungen zu behalten.

Einerseits können Sie bei Ihrem lokalen Gasversorger nachfragen, welche Möglichkeiten Ihnen zur Verfügung stehen.

Wir empfehlen aber primär, die Hersteller von Brennstoffzellen direkt anzusprechen. Diese haben immer die aktuellsten Übersichten über alle alten und neuen Förderprogramme, da Förderungen schließlich wichtige Verkaufsargumente sind. Lassen Sie sich deshalb vom Hersteller beraten, welche Förderungen Sie nutzen können!

Förderung von Brennstoffzellen-Heizungen

Auf ein paar wichtige Aspekte wollen wir trotzdem kurz hinweisen:

  • Von der KfW gibt es Zuschüsse von bis zu 28.200 Euro je Brennstoffzelle. Förderungsfähig sind neu eingebaute Geräte in neue oder bestehende Gebäude. Auch die Kosten für den Einbau und die Wartung können unter Umständen mit gefördert werden. Die entsprechende Förderung heißt „Energieeffizient Bauen und Sanieren – Zuschuss Brennstoffzelle“.

  • Auch für die Stromnutzung und -einspeisung gibt es Förderungen. Bei Eigenverbrauch (also ohne Einspeisung ins Stromnetz) werden nur Anlagen bis 50 kWel mit 4 ct/kWhel gefördert. Mit Netzeinspeisung erhält man für Brennstoffzellen-Heizungen bis 50 kWel statt 5,41 ct/kWhel sogar 8 ct/kWhel.

//www.kfw.de/inlandsfoerderung/Privatpersonen/Bestandsimmobilie/F%C3%B6rderprodukte/Energieeffizient-Bauen-und-Sanieren-Zuschuss-Brennstoffzelle-(433)/#3

6.2. Contracting und Stromrückvergütung

Wenn Ihnen die Anschaffung einer Brennstofftzellen-Heizung zu teuer ist, können Sie auf Contracting ausweichen. Hierbei ist ein Energieversorgungsunternehmen der Contractor. Das Gerät steht bei diesem System in Ihrem Heizungskeller oder Hauswirtschaftsraum, aber es gehört dem Contractor. Er übernimmt je nach Vertrag die Beratung und Planung, die Finanzierung, die Installation und den Betrieb sowie die Instandhaltung der Brennstoffzellen-Heizung.

Als Kunde zahlt man diese Leistungen dann im Nachhinein über den Preis für die gelieferte Energie. Der Kunde macht dann zum Beispiel eine einmalige Anzahlung und zahlt ab dann monatliche Raten sowie die Energiekosten. Dafür ist er sein eigener Wärme- und Stromproduzent und kann den überschüssigen Strom zudem ins Netz einspeisen.

7. Für Nerds: Die Entwicklung von Brennstoffzellen

Auswahl für Stand der Technik von Brennstoffzellensystemen (Quelle fz-juelich.de)
Die ursprüngliche Seite der fz-Jülich ist leider nicht mehr verfügbar.

Hier ein Screenshot der ursprünglichen Seite

Wesentlicher Meilenstein auf dem Weg zum Markterfolg ist für alle Systeme - zum Erreichen der Konkurrenzfähigkeit zu konventionellen Techniken - die Reduktion der Kosten; die Definition des 'richtigen' Energieträgers stellt insbesondere für die Markteinführung von Brennstoffzellen-Kraftfahrzeugen eine bedeutende Hürde dar.

  • PEFC- Niedertemperatur-Brennstoffzellen mit festem Elektrolyten als Stromerzeuger für Anwendungen mit Start bei niedrigen Temperaturen und hoher Dynamik wie z.B. für Fahrzeugantriebe
  • PEFC - mit Synergieeffekten - für portable, Hausenergie- und mobile Anwendung
  • DMFC -auf der Basis einer PEFC für portable Anwendungen
  • PEFC (s.o.), PAFC bei 250 oC sowie MCFC und SOFC als Hochtemperatur-Brennstoffzellen für stationäre Anwendung
  • PEFC und SOFC für Auxiliary Power Unit (APU) als Stromerzeuger in Kfz
  • AFC für Sonderanwendungen

Je nach Brennstoffzellentyp müssen verschiedene Anforderungen erfüllt werden. Diese Anforderungen hängen wiederum vom Anwendungsbereich ab. Die Kostensituation hängt auch u.a. von der Größe (Leistung) des Brennstoffzellensystems und insgesamt der Nutzungsart ab Stationäre. Kraft-Wärme-Kopplungs (KWK) -Anlagen können für Einfamilienhäuser (< 10 kWe), für Siedlungen (100-300 kWe) oder für Stromerzeugungsanlagen vor Ort (> 1000 kWe) zum Einsatz kommen, Brennstoffzellensysteme können in Fahrzeugen für Antriebe oder An-Bord-Stromerzeugung und auch für portable Geräte genutzt werden.

 PEFCPAFCMCFCSOFC
Strom250 kW e200 kW e280 kW e100 kW e
elektr. Wirkungsgrad~ 34 %~ 38 %~ 48 %~ 47 %
Stand der Technik KWKFeldtestSerieFeldtestFeldtest
Kosten Euro/kWe< 10000> 5000< 800020000

Tabelle: Auswahl für Stand der Technik 2012 von Brennstoffzellensystemen (Quelle fz-juelich.de)

 

FAQ - Häufig gestellte Fragen in Kürze

  • checkWie teuer ist eine Brennstoffzellen-Heizung?

    Eine Brennstoffzelle für den Heizungskeller kostet inklusive Montage und Einstellung etwa 20.000 bis 30.000 Euro.

  • checkWie funktioniert eine Brennstoffzellen-Heizung?

    Ähnlich wie in einer Batterie wird durch eine chemischen Reaktion Strom erzeugt. In der Batterie sind die Chemikalien verkapselt. Bei der Brennstoffzellen-Heizung werden die Chemikalien (Wasserstoff und Sauerstoff) kontinuierlich von außen zugeführt. Der benötigte Wasserstoff stammt in der Regel aus dem häuslich verfügbaren Erdgas.

  • checkIst der Einbau einer Brennstoffzellen-Heizung kompliziert?

    Nein! Die kompakten Brennstoffzellen-Geräte werden einfach an das hauseigene Erdgasnetz angeschlossen. Ab dann erzeugt die Brennstoffzelle Strom und Wärme.

Geschrieben von: Jascha Schmitz , 04. Oktober 2020


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