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Eine Brennstoffzellen-Heizung gehört zu den fortschrittlichsten Technologien in der Wärme- und Energiegewinnung.

In Japan werden diese Brennstoffzellen-Heizgeräte aktuell bereits zehntausendfach eingesetzt. In Deutschland steht die Markteinführung aber aktuell erst am Anfang. Grundsätzlich sind Brennstoffzellen volkswirtschaftlich in zwei Bereichen relevant:

In erster Linie liegt dies an den hohe Anschaffungskosten und teilweise auch an der steuerlicher Komplexität. Tatsächlich bieten sie aber das größte Potenzial für eine Kraft-Wärme-Kopplung im Einfamilienhaus.

Vergleicht man übliche KWK-Systeme mit einer Brennstoffzellen-Heizung, dann ist diese deutlich effizienter. Sie verringert die laufenden Energiekosten im Haushalt um bis zu 40 Prozent verringern und reduziert den CO2-Ausstoß um ca. 50%

Wünschen Sie dauerhaft niedrige Heiz- und Stromkosten, dann ist die Brennstoffzelle für Mehr- als auch Einfamilienhäuser die zukunftsweisende Technologie.

1. Gehören Brennstoffzellen zur Kraft-Wärme-Kopplung?

Ja! Sowohl technisch als auch in Bezug auf Förderungen zählt die Brennstoffzellentechnik zur Kraft-Wärme-Kopplung. Sie zählen zu den Mikro-KWK-Anlagen und sind als kleinstes Leistungssegment für die Grundlastversorgung von Ein- und Zweifamilienhäusern gut geeignet.

2. Ist der Einbau Brennstoffzellen-Heizung kompliziert?

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

Da dies dezentral geschieht, entlasten Brennstoffzellen-Heizungen somit die Stromnetze. Außerdem können sie zu einem „virtuellen Kraftwerk“ zusammengeschlossen werden.

  • sehr kompakt
  • wenige mechanische Komponenten
  • sehr langlebig
  • wartungsarm.

Mit einem extrem günstigen Verhältnis von elektrischer und thermischer Leistung erreichen sie lange Laufzeiten und produzieren dabei überproportional viel Strom. 

  • Dieser erzeugte Strom reduziert den Fremdbezug. 
  • Stromüberschuss wird ins öffentliche Netz eingespeist, wofür der Anlagenbetreiber eine Vergütung erhält.

Spitzenlasten kein Problem

In Brennstoffzellen-Heizungen ist in der Regel ein Erdgas-Brennwertkessel integriert, welcher anspringt, wenn besonders viel Wärme benötigt wird. Dieser erzeugt auch kurzfristig und schnell eine große Menge zusätzlicher Wärme. Der Strom für den Brenner wird aus der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt.

Für beide Funktionen reicht also ein einziger Gasanschluss. Die gemeinsame Abgasanlage ist ebenfalls für beide Funktionen ausreichend. Wie im Bereich der Heizwärme so sind auch Spitzenlasten im Stromverbrauch durch korrekte Einstellung der Brennstoffzellen ausgleichbar. 

Da Brennstoffzellen-Heizungen sehr hohe Wirkungsgrade erzielen und nahezu geräuschlos arbeiten, gelten sie als die Zukunft der Kraft-Wärme-Kopplung.

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle

Dazu ein kleiner Ausflug in den Chemie-Unterricht.

Vergleichbar ist das Prinzip der Brennstoffzelle mit einer Batterie. Auch in der Batterie kommt es zu einer chemischen Reaktion (zwischen zwei Elektroden), welche Strom produziert. In der Batterie sind die Chemikalien natürlich „fest“ verkapselt. Bei der Brennstoffzellen-Heizung werden dagegen die „Chemikalien“ (Wasserstoff und Sauerstoff) von außen zugeführt – und das kontinuierlich.

 

Auf dem Bild sehen Sie, dass die Anode mit Wasserstoff versorgt wird und die Kathode mit Sauerstoff. Die Brennstoffzellen-Heizung nutzt übrigens den Wasserstoff, welcher im Erdgas vorhanden ist.

Auf der Anodenseite wird dieser Wasserstoff mit Hilfe eines Katalysators aufgespalten.

  • in positiv geladene Wasserstoffionen (Rot mit einem „+“)
  • und negative Elektronen (Gelb mit einem „-“)

Die Elektronen machen sich durch einen Leiter auf den Weg zur Kathode - es fließt also Strom. Die positiv geladenen Wasserstoffionen (rot mit einem Plus) diffundieren durch eine Elektrolyt-Membran, welche die beiden Gase trennt (um eine Knallgasreaktion zu vermeiden). Auf der Seite der Kathode verbindet sich dann das Wasserstoffion mit dem Luftsauerstoff. Dabei entsteht Wärme und Wasserdampf. Die Wärme, wird nun 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. Ähnlich wie ein Solarmodul ja aus vielen einzelnen Zellen besteht.

Wie erhält man den Wasserstoff aus dem Erdgas?

Möglichkeit 1 - Niedertemperatur-Brennstoffzellen:

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

Möglichkeit 2 - Hochtemperatur-Brennstoffzellen:

Hier wird der der Wasserstoff direkt innerhalb der Brennstoffzelle druch 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 wärmegeführt eingestellt wird.

Übrigens: Die Energieerzeugung der Brennstoffzellen-Heizung hat einen Emissionsausstoß, der nur etwa 50% der anderen Erzeugungsarten beträgt.

Zusammenfassung

Die Brennstoffzellen-Heizung nutzt die chemische Reaktion von Sauerstoff (aus der Luft) und Wasserstoff (aus dem Erdgas), bei welcher Wärme und Strom entstehen. Somit entfallen die sonst nötigen Schritte (rot markiert):

Der Wirkungsgrad der Energiewandlung mittels Brennstoffzelle ist deshalb grundsätzlich höher.

Voraussetzungen für eine Heizung mit Brennstoffzellen

Der Betrieb eines solchen Heizsystem ist in fast allen Haushalten möglich. Denn die Voraussetzungen sind relativ schnell gegeben:

  • Ein Erdgasanschlusses
    Dieser liefert den benötigten Wasserstoff für das Brennstoffzellenmodul. Das Gas-Brennwertmodul wird durch die gleichen Gasleitung versorgt.
  • Platzbedarf in etwas wie bei einer herkömmlichen Heizung
  • Als Abgasanlage: Jeder brennwerttaugliche Schornstein
  • Der Montageaufwand entspricht dem eines Gas-Brennwert-Wandgeräts.

2.1. Virtuelle Netzwerke mit KWK

Brennstoffzellen-Heizungen können in virtuellen Kraftwerk vernetzt werden, und damit den Wirkungsgrad noch weiter steigern.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) definiert das virtuelle Kraftwerk allgemein wie folgt: es „[…] ist die Zusammenschaltung kleiner, dezentraler Stromlieferanten zu einem Verbund mit gemeinsamer Steuerung.“

Ein virtuelles Kraftwerk besteht aus etlichen kleineren Kraftwerken, welcher aber durch eine zentrale Steuerung wie ein Großkraftwerk gesteuert werden und größere Energiemengen bereitstellen.

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

  • In der Praxis bestehen virtuelle Kraftwerke beispielsweise aus KWK-Anlagen. Diese sind im Betrieb flexibler als Großkraftwerke sind. Großkraftwerken können die Last in einem Bereich von 50 % bis 100 % der Nennleistung anpassen. Im Normalbetrieb geschieht dies mit Geschwindigkeiten von ca. 4 bis 5 Prozent der Nennleistung pro Minute ändern. Bei KWK-Anlagen kann die Last zum Teil um bis zu 60% oder mehr reduzieren und das viel schneller – bei Gas-Blockheizkraftwerken zum Beispiel um 2,5 % pro Sekunde! Die Produktion kann also sehr schnell auf die Nachfrage reagieren.
  • Bei kleinere 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.
  • Es entstehen nur geringe elektrische Übertragungsverluste, da die Energie primär dort genutzt wird, wo sie auch produziert wurde.

3. Kosten der Brennstoffzellen-Heizung

Den niedrigen Energieverbrauchskosten in diesem Bereich geht eine hohe Erstinvestition voraus.

Eine Brennstoffzelle für den Heizungskeller kommt auf 20.000 bis 30.000 Euro inklusive Montage und Einstellung.

Zum Vergleich:
Ein Heizkessel mit Erdgas kommt inklusive Installation gerade mal auf 6.000 Euro – dieser kann aber auch keinen Strom erzeugen!

Bei Ihrer Kalkulation müssen neben den Verbrauchswerten von Wärme und Strom und eventuell möglichen Rückvergütungen auch Förderungen und Finanzierungsmöglichkeiten berücksichtigt werden.

3.0.1. Förderung, Vergütung und Finanzierung von Brennstoffzellen-Heizgeräten

Für keine andere Heizungsart existiert aktuell ein größeres Förderungs- und Rückvergütungsangebot als für „Mini-Kraft-Wärme-Kopplung-Anlagen“.

Leider ist die von Brennstoffzellen aber immer noch recht unübersichtlich. Das liegt daran, dass immer wieder zeitlich begrenzte oder neue Förderungen der Bundesländer oder auch regionaler Versorger und sogar von Landkreisen die Übersicht verkomplizieren.

Unsere Empfehlung ist es, am zum einen bei ihrem lokalen Gasversorger nachzufragen. Primär sind aber die Hersteller von Brennstoffzellen die besten Ansprechpartner. Diese haben immer die aktuellsten Übersichten, über alle neue und alten Förderprogramme, da Förderungen schließlich ein wichtiges Verkaufsargument sind!

Dennoch möchten wir kurz einige Hinweise geben:

3.0.2. Stromvergütung

  • Bei Eigenverbrauch:
    Ohne Einspeisung werden nur Anlagen bis 50 kWel mit 4 ct/kWhel gefördert.
  • Mit Netzeinspeisung:
    Mit Einspeisung erhält man für Brennstoffzellen-Heizungen bis 50 kWel statt 5,41 ct/kWhel sogar 8,0 ct/kWhel.

3.0.3. KfW – Zuschuss Brennstoffzelle

Gefördert wird:

  • bis zu 28.200 Euro Zuschuss je eingebauter Brennstoffzelle
  • für den Einbau von Brennstoffzellensystemen in neue oder bestehende Wohngebäude

Der Betrag für die Leistungsklasse setzt sich zusammen aus:

  • einer Grundförderung: Festbetrag in Höhe von 5.700 Euro und
  • einer Zusatzförderung: leistungsabhängiger Betrag von 450 Euro je angefangener 100 W elektrischer Leistung für die Leistungsklassen von 0,25 bis 5,0 kW elektrischer Leistung.

Weitere Informationen unter:

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

Landesförderungen

Auch viele Bundesländer fördern Heizungen auf Brennstoffzellen-Basis.

Aktuell fördert Nordrhein-Westfalen Demonstrations-Vorhaben mit Brennstoffzellen

  • für kleine Unternehmen mit bis zu 65%
  • für mittlere Unternehmen mit bis zu 55%

Aber auch u.a. Hessen fördert Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen. Gefördert werden Unternehmen, natürliche und juristische Personen, Vereinigungen und Energiedienstleister, die Anlagen für Dritte errichten mit 50% der Investitionsausgaben bis maximal 17.500 Euro mit einem nicht rückzahlbaren Zuschuss.

Contracting und Stromrückvergütung

Ist einem die Anschaffung zu teuer, so kann man auf Contracting ausweichen. 

Hierbei ist ein Energieversorgungsunternehmen der Contractor übernimmt je nach Vertrag

  • Beratung, Planung
  • Finanzierung
  • Installation, Betrieb
  • und Instandhaltung der Brennstoffzellen-Heizung

Als Kunde zahlt man diese Leistungen dann im Nachhinein über den Preis für die gelieferte Energie. Der Kunde macht dann z.B. 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.

Vorteile einer „Heizung“ mit Brennstoffzellen

  • Sind in elektrischer und thermischer Leistungsabgabe sehr flexibel anpassbar – je nach benötigtem aktuellen Bedarf.
  • Eine Brennstoffzellen-Heizung reduziert die Kosten für den Strombezug vom Energieversorger.
  • Im Vergleich zu einem Gas-Brennwertkessel mit Solarunterstützung sind gleiche oder niedrigere Energiekosten zu erwarten sind.
  • Reduziert CO2-Emissionen um bis zu 40% gegenüber einem Brennwertgerät und verbessert so die CO2-Bilanz.
  • Die Politik steht hinter der Technologie. Die Bundesregierung hat die Forschung dazu in einem 10 Jahresprogramm ausgeweitet.
  • Nahezu geräuschlos
  • Wartungsaufwand ist gering
  • Zuverlässigkeit und Lebensdauer sehr hoch.

Nachteile

  • Anfangsinvestition sehr hoch
  • Für den Durchbruch müssen wahrscheinlich noch die Preise weiter sinken

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.

 

  PEFC PAFC MCFC SOFC
Strom 250 kW e 200 kW e 280 kW e 100 kW e
elektr. Wirkungsgrad ~ 34 % ~ 38 % ~ 48 % ~ 47 %
Stand der Technik KWK Feldtest Serie Feldtest Feldtest
Kosten Euro/kWe < 10000 > 5000 < 8000 20000

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

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