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So funktioniert eine Brennstoffzellen-Heizung

Wie funktioniert eine Heizung mit Brennstoffzelle? Gibt es Fördermittel? Welche Vorteile hat das Heizen mit einer Brennstoffzelle?

Brennstoffzellen-Heizungen werden einfach nur an das Erdgasnetz angeschlossen und erzeugen dann per Brennstoffzelle Strom und Wärme. So lassen sich durch den hohen Gesamtwirkungsgrad von 90% Heiz- und Stromkosten einsparen und CO2-Emissionen um bis zu 50 Prozent reduzieren. Als dezentraler Stromerzeuger leisten Brennstoffzellen-Heizungen überdies einen Beitrag zur Entlastung der Stromnetze und können zudem zu einem virtuellen Kraftwerk zusammengeschlossen werden. Im Folgenden stellen wir Ihnen vor, wie eine solche Heizung auf Basis einer Brennstoffzelle funktioniert und welche Kosten, Förderungen und Vergütungen bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung mit einbezogen werden können.

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Entwicklungsstand von Heizungen mit Brennstoffzellentechnik

Vaillant fertigt bereits seit Längerem Brennstoffzellen-Heizgeräte in Kleinserie für eine hoch effiziente Rückverstromung von Wasserstoff. (Foto: Vaillant)
Vaillant fertigt bereits seit Längerem Brennstoffzellen-Heizgeräte in Kleinserie für eine hoch effiziente Rückverstromung von Wasserstoff. (Foto: Vaillant)

Während Brennstoffzellenheizungen in Japan bereits zehntausendfach eingesetzt werden, so steht ihre Markteinführung in Deutschland noch am Anfang. Dabei bieten sie das größte Potenzial für eine Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Einfamilienhäusern. Im Vergleich zu derzeit üblichen KWK-Systemen erzielt die Brennstoffzellen-Heizung eine deutlich höhere Effizienz, verringert so die Energiekosten im Haushalt und reduziert den CO2-Ausstoß: Rund 50 Prozent des Kohlendioxidausstoßes kann jeder Haushalt damit einsparen, während man die laufenden Energiekosten um 40 Prozent verringert.

Brennstoffzellen-Heizungen zur Hausenergieversorgung zählen zu den Mikro-KWK-Anlagen. Sie sind kompakt und bestehen nur aus wenigen mechanischen Komponenten, daher sind sie äußerst robust, langlebig und wartungsarm. Sie decken das kleinste Leistungssegment ab und sind für die Grundlastversorgung in Ein- und Zweifamilienhäusern geeignet. Mit ihrem besonders günstigen Verhältnis von elektrischer und thermischer Leistung kommen sie hier auf lange Laufzeiten und können dabei überproportional viel Strom erzeugen.

Der erzeugte Strom reduziert den Fremdbezug und der Stromüberschuss wird ins öffentliche Netz eingespeist, wofür der Anlagenbetreiber eine Vergütung erhält. Ein integrierter Erdgas-Brennwertkessel deckt Wärmespitzenlasten ab. Das Brennstoffzellenmodul und das Gas-Brennwertmodul werden über eine gemeinsame Gasleitung versorgt. Beide Module haben ein gemeinsames Abgassystem. Dadurch ist der Montageaufwand genauso gering wie bei einem Gas-Brennwert-Wandgerät.

Einzig der hohe Anschaffungspreis mit vielfach über 20.000 Euro war für Viele bisher eine Hürde, ihre Heizung auf diese neue Technologie umzustellen. Hier helfen aber neben sinkenden Herstellkosten jetzt auch attraktive Fördermittel. Da Brennstoffzellen-Heizungen sehr hohe Wirkungsgrade erzielen und nahezu geräuschlos arbeiten, gelten sie als die Zukunft der Kraft-Wärme-Kopplung.

Funktionsprinzip einer Brennstoffzellen-Heizung

Die Funktion einer solchen stromerzeugenden Heizung beruht auf einem einfachen aber genialen chemischen Prinzip: In der Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser, wobei Wärme und Strom entstehen. Das Gerät braucht lediglich einen Erdgasanschluss, aus welchem es den Wasserstoff gewinnt. Es isoliert stets nur so viel des Elements, wie es direkt benötigt, Wasserstoff muss also nicht bevorratet werden.

In der Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser, wobei Wärme und Strom entstehen. Die Brennstoffzellen-Heizung braucht dazu nur Erdgas, aus welchem sie den Wasserstoff gewinnt. (Foto: Viessmann, Allendorf)
In der Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser, wobei Wärme und Strom entstehen. Die Brennstoffzellen-Heizung braucht dazu nur Erdgas, aus welchem sie den Wasserstoff gewinnt. (Foto: Viessmann, Allendorf)

Das Prinzip der Brennstoffzellen-Heizung ist vergleichbar mit dem einer Batterie. Denn auch hier passiert eine chemische Reaktion zwischen zwei Elektroden. Bei der Brennstoffzellen-Heizung werden die „Chemikalien“ Wasserstoff und Sauerstoff jedoch kontinuierlich von außen zugeführt. Während die Anode mit Wasserstoff versorgt, wird die Kathode mit Sauerstoff versorgt.

Die Wasserstoffmoleküle werden auf der Anodenseite mit Hilfe eines Katalysators in positiv geladene Wasserstoffionen und negative Elektronen aufgespalten. Das Elektron wandert dann durch einen Leiter zur Kathode und es fließt Strom. Gleichzeitig diffundiert das Wasserstoffion durch einen Elektrolyten, der die beiden Gasen trennt, um eine Knallgasreaktion zu vermeiden. Auf der Kathodenseite vereinigt sich dann das Wasserstoffion mit dem Luftsauerstoff, wobei Wärmeenergie und Wasserdampf entsteht.

Bei dieser „kalten“ Zusammenführung entsteht die Wärme, die dann über einen Kühlkreislauf ausgekoppelt und zu Heizzwecken nutzbar gemacht wird. Um neben der Wärme auch aus dem Elektronenfluss eine nutzbare Spannungsquelle zu realisieren, werden mehrere Brennstoffzellen zu sogenannten Stapeln („Stacks“) in Reihe geschaltet. Dabei unterscheidet man Hochtemperatur-Brennstoffzellen, bei der der Wasserstoff direkt in der Brennstoffzelle bei großer Hitze aus dem Erdgas gewonnen werden kann, und Niedertemperatur-Brennstoffzellen, bei denen der Wasserstoff in einem vorgeschalteten Reformierungsprozess aus seinen jeweiligen chemischen Verbindungen herausgelöst werden muss. Kleinere Brennstoffzellen-Heizungen gehören daher zum Typ der Niedertemperatur-Brennstoffzellen.

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Förderung, Stromvergütung und Finanzierungsmöglichkeiten

Brennstoffzellenheizungen werden aufgrund ihrer Klimafreundlichkeit gefördert. Über diese Förderungen werden sie erst finanziell für die meisten privaten Endanwender interessant. Kalkuliert man Kosten von rund 20.000 Euro, auf diesem Niveau liegt ein typisches Brennstoffzellenheizgerät, lassen sich in Kombination verschiedener Förderprogramme rund 10.000 Euro Fördermittel beantragen.

BAFA-Förderung

Bereits seit dem 1. Januar 2015 berücksichtigt der Bund hocheffiziente Brennstoffzellen im Rahmen des überarbeiteten Mini-KWK-Impulsprogramms mit besonderen Bonusförderungen für „Wärmeeffizienz“ und „Stromeffizienz“. Dementsprechend fördert das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) Mikro-KWK Geräte mit 1.900 Euro. Ferner gibt es für Brennstoffzellenheizungen einen Strom- und einen Wärmeeffizienzbonus. Die Gesamtförderung des BAFA beträgt dann 3.515 Euro.

Landesförderungen

Auch viele Bundesländer fördern Heizungen auf Brennstoffzellen-Basis. So fördert Nordrhein-Westfalen Demonstrationsvorhaben 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.

BMVI-Förderung

Mit einem neuen, bis zum 31.12.2016 befristeten Programm, „Brennstoffzellen für hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen“, fördert das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) die Installation von Brennstoffzellen für die Hausenergieversorgung. Die Unterstützung wendet sich an Unternehmen der gewerblichen Wirtschaft und Gebietskörperschaften, die mindestens fünf Anlagen erwerben möchten. Die Zuschüsse gelten für Brennstoffzellen-Heizungen mit bis zu 20 kWel Leistung. So gibt es beispielsweise für eine Anlage mit 1 kWel 9.600 Euro. Förderbar sind alle Modelle, die in der BAFA-Übersicht "Mini-KWK-Anlagen Liste der förderfähigen KWK-Anlagen bis einschließlich ich 20 kWel" aufgelistet sind.

Stromvergütung

Für den Strom der Brennstoffzellen-Heizung lässt sich ebenfalls eine Vergütung über die ab dem 01. Januar 2016 geltende KWK-Novelle realisieren. Grundsätzlich wird dabei eine KWK-Vergütung nur noch für die Einspeisung ins Netz der allgemeinen Versorgung gewährt („KWK-Einspeisevergütung” statt „KWK-Zuschlag”) gewährt. Ohne Einspeisung werden nur Anlagen bis 50 kWel mit 4 ct/kWhel gefördert, mit Einspeisung erhält man für stromerzeugende Heizungen bis 50 kWel statt 5,41 ct/kWhel sogar 8,0 ct/kWhel.

Schematische Darstellung des KWK-Zuschlags für die Einspeisung und Eigenverbrauch einer Brennstoffzellen-Heizung. (Grafik: Initiative Brennstoffzelle / Viessmann Werke GmbH & Co. KG)
Schematische Darstellung des KWK-Zuschlags für die Einspeisung und Eigenverbrauch einer Brennstoffzellen-Heizung. (Grafik: Initiative Brennstoffzelle / Viessmann Werke GmbH & Co. KG)

Contracting-Modelle

Wem die Anschaffung aus eigener Tasche zu teuer ist, der kann auf ein sogenanntes Contracting zurückgreifen, bei dem ein Energieversorgungsunternehmen der Contractor ist und je nach Vertrag Beratung, Planung, Finanzierung, Installation, Betrieb und Instandhaltung der Brennstoffzellen-Heizung übernimmt. Der Kunde bezahlt diese Leistungen über den Preis für die gelieferte Energie.

Ein solches Contracting-Modell bietet z. B. EnBW mit dem Programm „BrennstoffzellePlus“ an. Der Kunde macht dabei eine einmalige Anzahlung und bezahlt anschließend eine monatliche Rate sowie die Energiekosten. Dafür ist er sein eigener Wärme- und Stromproduzent und kann den überschüssigen Strom zudem ins Netz einspeisen. Auch das Mannheimer Energieunternehmen MVV Energie AG bietet ein Contracting von dezentralen stromerzeugenden Heizungen an. Auch hier installiert und betreibt der Energieversorger als Dienstleister die Brennstoffzellen-Heizung.

Tabelle: Fördermöglichkeiten von Brennstoffzellenheizungen im Überblick*
Förderprogramm Programmteile Förderungsbeträge Förderbedingungen
       
Bundesförderung BAFA Basisförderung 1.900 Euro Beantragung vor Auftragsvergabe
  Bonus Wärmeeffizienz 475 Euro nur für Bestandsbauten
  Bonus Stromeffizienz 1.140 Euro kombinierbar mit Länderförderung
  Maximal möglicher Förderbetrag 3.515 Euro  
       
Länderförderung Bayern „10.000 Häuser-Programm“ Technikbonus 3.000 bis 4.500 Euro Auftragsvergabe erst nach Förderzusage
  Energieeffizienzbonus 3.000 bis 9.000 Euro für Neu- und Bestandsbauten
  Möglicher Förderbetrag 9.000 Euro nur für Ein-/Zweifamilienhäuser
      kombinierbar mit BAFA-Förderung
       
Länderförderung Nordrhein-Westfalen Pauschal über progres.nrw 3.000 Euro Auftragsvergabe erst nach Förderzusage
      für Neu- und Bestandsbauten
      kombinierbar mit BAFA-Förderung

* Förder-Bedingungen und Richtlinien von Februar 2016

Vorteile von Brennstoffzellen-Heizungen im Überblick

Brennstoffzellen-Heizungen im kleinen Leistungsbereich könnten eine ökonomisch attraktive Alternative für den Austausch der über 3 Millionen alten Heizkessel in Deutschland darstellen. Zudem können Sie als sogenannte Beistellgeräte in über 17 Millionen Ein-, Zwei- und Mehrfamilienhäusern moderne Gasheizungen sinnvoll ergänzen. Auch unter umwelt- und energiepolitischen Gesichtspunkten weisen Brennstoffzellen-Heizungen deutliche Vorteile gegenüber Konkurrenzsystemen auf.

Ökonomische Vorteile

Eine Brennstoffzellen-Heizung reduziert die Kosten für den Strombezug vom Energieversorger und kann je nach Ausnutzungsgrad der Heizung auch die Heizkosten senken. Im Vergleich zu einer Versorgung auf Basis eines Gas-Brennwertkessel mit Solarunterstützung wurde in Praxistests festgestellt, dass gleiche oder niedrigere Energiekosten zu erwarten sind.

Die Einsparungen für selbstverbrauchten Strom sind wesentlich höher als die Einspeisevergütung. Die Eigenverbrauchsrate im Haus (Verhältnis von selbst genutztem zu selbst erzeugtem Strom) sollte daher so hoch wie möglich sein. Im Vergleich zum rein wärmegeführten Betrieb der Anlagen lassen sich zudem zusätzliche Stromerträge erzielen. Bei hohem Eigenverbrauch können so die Erlöse durch eine optimierte Fahrweise der Brennstoffzellen-Heizung in einem EFH um rund 50 bis 100 Euro pro Jahr gesteigert werden.

Ökologische Vorteile

Der hohe elektrische und der gute Gesamt-Nutzungsgrad von Brennstoffzellen-Heizungen reduzieren CO2-Emissionen und verbessern so die CO2-Bilanz. Bezogen auf den Strommix des Jahres 2020 können laut Studien gegenüber einem Brennwertgerät zwischen 21 bis über 40% der Treibhausgas-Emissionen eingespart werden. Wissenschaftler prognostizieren bei einer weiteren Verbreitung von Brennstoffzellen-Heizungen eine auf ganz Deutschland hochgerechnete Treibhausgas-Einsparungen von jährlich 1,5 Millionen Tonnen im Jahr 2020. Zudem werden auch weniger Schadstoffe emittiert.

Energiepolitische Vorteile

Neben der Entlastung des Stromnetzes durch einen geringeren Strombezug können Brennstoffzellen-Heizungen auch miteinander zu einem sogenannten virtuellen Kraftwerk verknüpft werden, um flexibel auf kurzfristige Bedarfsspitzen im Stromnetz reagieren zu können. Wenn im Stromnetz Kapazitäten benötigt werden, springen die stationären Brennstoffzellen-Heizungen und die vielen anderen kleinen Stromerzeuger wie Photovoltaik-Anlagen an. Dazu wird der zunächst auf die Bedürfnisse im Haushalt ausgerichtete „wärmegeführte“ Betrieb einer Brennstoffzellen-Heizung vom „netzgeführten“ Betrieb abgelöst. Dies kann wiederum ökonomische Vorteile bedeuten, da hierfür teilweise höhere Stromerlöse erzielt werden können.

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Weitere Informationen über Brennstoffzellen-Heizungen

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"So funktioniert eine Brennstoffzellen-Heizung" wurde am 18.11.2015 verfasst und am 10.05.2016 das letzte Mal aktualisiert.