Lohnt sich ein Brennstoffzellen-BHKW?

• Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff über eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie um. Die elektrochemische Reaktion wird auch als „kalte Verbrennung“ bezeichnet und ist besonders effizient.
• Bei der Stromerzeugung fällt Wärme an, die für Heizzwecke genutzt werden kann. Brennstoffzellen-BHKW nutzen damit das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK): Strom erzeugen und mit der dabei entstehenden Wärme heizen.
• Mit Blockheizkraftwerken (BHKW) können Gebäudeeigentümer vor Ort sowohl ihren Strom- als auch ihren Wärmebedarf decken. In der Regel werden rund 60 Prozent des Strombedarfs durch das BHKW gedeckt.
• Die Brennstoffzellen-BHKW-Technologie wird derzeit für Eigentümer von Ein- und Zweifamilienhäusern interessant. Die Kosten betragen rund 25.000 Euro. Eine Förderung des Brennstoffzellen-BHKW ist möglich.

• Funktionsweise
  • Blockheizkraftwerk
  • Brennstoffzelle
• Ein- und Zweifamilienhäuser
  • PEM-Brennstoffzellen
  • SOFC-Brennstoffzelle
• Kosten & Förderung
• weiterführende Links

BHKW steht für Blockheizkraftwerk. Das sind Anlagen, die nach dem Prinzip Kraft-Wärme-Kopplung Strom und Wärme erzeugen. Sie kommen meist direkt am Wärmeverbrauchsort zum Einsatz und werden mit Verbrennungsmotoren betrieben und daher auch Motor-BHKW genannt.

Ein Brennstoffzellen-BHKW dagegen erzeugt den Strom nicht indirekt beim Verbrennen fossiler oder regenerativer Energieträger, sondern direkt: Mit Hilfe der Brennstoffzellen-Technik kann die chemisch im Energieträger gebundene Energie ohne Generator in elektrische Energie umgewandelt werden. Dabei fällt Wärme ab, die unmittelbar zu einem Wärmetauscher geleitet und genutzt werden kann. Ist dies der vornehmliche Einsatzzweck, so spricht man in kleinerem Leistungsbereich auch von einer Brennstoffzellen-Heizung.

In der Gerätetyp-Bezeichnung Brennstoffzellen-BHKW stecken zwei Technologien bzw. zwei Geräte: BHKW und Brennstoffzellen. Wir erklären Ihnen im Folgenden beides und kommen so darauf, was ein Brennstoffzellen-BHKW ist.

Zum einen geht es um ein BHKW, also ein Blockheizkraftwerk. So werden modular aufgebaute technische Anlagen genannt, die sowohl

• elektrische Energie (Elektrizität, Strom) als auch
• thermische Energie (Thermie, Wärme) erzeugen.

Um die Wärmeverluste möglichst gering zu halten, betreibt man die BHKW vorzugsweise dort, wo die Wärme verbraucht wird. BHKW arbeiten dabei nach dem Prinzip der sogenannten Kraft-Wärme-Kopplung (KWK).

Im Vergleich zur herkömmlichen Kombination aus stationärer Heizung und Strom von einem zentralen Kraftwerk nutzt man mit einem BHKW auch die Abwärme der Stromerzeugung direkt dort, wo sie abfällt (sogenannte Abwärme). Diese KWK erhöht den Gesamtwirkungsgrad des Systems.

Betrachtet man nur den Wirkungsgrad der Stromerzeugung beim BHKW liegt der in Abhängigkeit von der Größe der Anlage und bezogen auf den Heizwert der Energieträger zwischen 25 und 38 Prozent.

Lässt sich die (Ab-)Wärme komplett und lokal verwenden, kommt ein BHKW auf einen Gesamtwirkungsgrad (bezogen auf Primärenergie und Heizwert) von 80 bis 90 Prozent.

Expertenwissen: Nur zum Vergleich: Moderne Brennwertkessel erzielen zwar mit bis zu 100 Prozent noch höhere Wirkungsgrade, liefern aber keinen elektrischen Strom!

Handelsübliche BHKW lassen sich nach ihrer elektrischen Leistung unterscheiden. Die liegt generell zwischen einem Kilowatt (kW) und einigen Megawatt (MW). Im kleineren Leistungsbereich unterscheidet man grob folgende Klassen nach ihrer elektrischen Leistung:

• 10 bis 50 kW_el (Mini-BHKW)
• 2,5 bis 10 kW_el (Mikro-BHKW)
• 0,5 bis 2,5 kW_el (Nano-BHKW)

Solche Mini- und Mikro-KWK kommen in Wohn- und Geschäftsquartieren, Krankenhäusern, Schwimmbädern, Mehrfamilienhäusern, Betrieben und im Siedlungsbau zum Einsatz. Vor allem die Nano-BHKW-Klasse wird in Einfamilienhäusern eingesetzt. Aber auch in Heizkraftwerken arbeiten BHKW, allerdings mit elektrischen Leistungen von einigen hundert MW.

Eine Brennstoffzelle verbrennt keine Energieträger, um daraus Energie zu erzeugen. Stattdessen wandelt sie – ähnlich wie eine Batterie - chemische Energie direkt in Strom und Wärme um. Dazu benötigt die Brennstoffzelle Wasserstoff, der zumeist aus wasserstoffreichem Erdgas stammt, das über den häuslichen Gasanschluss angeliefert wird.

In der Brennstoffzelle entzieht ein sogenannter Reformator dem Erdgas dann den Wasserstoff, der zusammen mit Sauerstoff aus der Luft reagiert. Bei diesem Prozess entstehen einfach ausgedrückt Strom, Wärme und Wasser.

Expertenwissen: Die Brennstoffzelle isoliert den Wasserstoff aus Erdgas stets in der Menge, die direkt gebraucht wird. Ein Vorrat an Wasserstoff muss demzufolge nicht angelegt und gehalten werden.

Die Kohlenstoffanteile, die im Erdgas stecken müssen zu einer extra Verbrennungseinrichtung geleitet werden, zum Beispiel zu einem Verbrennungsmotor, Brenner oder zu einer Gasturbine.

Die chemische Reaktion in der Brennstoffzelle, die prinzipiell umgekehrt zur Elektrolyse verläuft, findet zwischen zwei Elektroden statt: Während die Anode mit Wasserstoff versorgt wird, bekommt die Kathode Sauerstoff.

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Für Privatleute mit einem Ein- oder Zweifamilienhaus waren Brennstoffzellen lange Zeit technisch kaum geeignet. Zudem war die Leistung dieser BHKW in der Regel zu hoch, um auch wirtschaftlich Strom und Wärme produzieren zu können. Mittlerweile haben die Brennstoffzellen-Hersteller ihr Angebot weiter entwickelt und auch in den Mikro- und Nano-BHKW-Bereich erweitert.

Die kleineren Nano-Brennstoffzellen-BHKW haben heute eine elektrische Leistung von rund einem Kilowatt (kW_el) und mit dem eingebauten Zusatzbrenner eine Heizleistung von bis zu 20 Kilowatt (kW_th). Damit sind sie ideal für Vier- bis Sechspersonenhaushalte geeignet. Für den Strom- und Wärmebedarf eines Zwei- bis Dreipersonenhaushalts sind sie dagegen meist zu groß.

Brennstoffzellen-BHKW eignen sich für Neu- und Altbauten und erfüllen alle gesetzlichen Anforderungen, was die Nutzung erneuerbarer Energien angeht. Wer in einem Neubau ein Brennstoffzellen-BHKW installiert, setzt damit die Anforderungen des bundesweiten Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes (EEWärmeG) um.

Auf dem Markt gibt es zwei verschiedene Arten von kleineren Brennstoffzellen-BHKW für die Hausenergieversorgung:

• Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC)
• Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)

PEM-Brennstoffzellen (PEM steht hier für „Proton Exchange Membran“) arbeiten bei Temperaturen zwischen 60 und 90 Grad Celsius (°C). Sie lassen sich nicht unmittelbar mit Erdgas betreiben, sondern brauchen einen Reformer, der das Erdgas umwandelt).

Als sehr langlebig haben sich die mit bis zu 40 Prozent elektrischem Wirkungsgrad weniger effizienten PEMFC-Brennstoffzellen erwiesen, da sie öfter an- und ausgeschaltet werden können. Sie besitzen eine Lebenserwartung von mindestens 10 Jahren, Tendenz steigend. Hauseigentümer sollten daher auf die Garantie achten: 10 Jahre sollten es auf jeden Fall sein.

SOFC-Brennstoffzellen (SOFC steht hier für „Solid Oxide Fuel Cell“) brauchen hohe Arbeitstemperaturen zwischen 700 und 800 °C. Die SOFC-Brennstoffzellen können Erdgas direkt umwandeln, so dass externe Reformer unnötig sind. Die SOFC-Brennstoffzelle hat mit bis zu 60 Prozent einen sehr hohen elektrischen Wirkungsgrad.

PEM- als auch SOFC-Brennstoffzellen-BHKW sind eine vergleichsweise junge Technik. Während ein Teil der Modelle noch in der Testphase steckt, sind andere Modelle bereits auf den Markt.

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Ein Knackpunkt für die Kaufzurückhaltung waren bislang vor allem die Kosten von Brennstoffzellen-BHKW von bis zu 50.000 Euro. Entsprechend niedrig war der Absatz, sodass viele Hersteller erst sehr spät ihre F&E-Ausgaben erhöhten, um ein marktreifes Brennstoffzellen-BHKW für kleinere Privatanwendungen anbieten zu können.

Initiiert wurde die Nachfrage durch die in Japan seit vielen Jahren gefertigten Geräte, steigende Energieeffizienzanforderungen und auf Unternehmensseite u.a. Förderprogramme für z. B. Feldtests.

Seit 2015 gibt es am Markt mehrere in der Praxis erprobte Brennstoffzellen-BHKW für Einfamilienhäuser mit einer elektrischen Leistung von 0,75 Kilowatt elektrischer Leistung für 20.000 bis 25.000 Euro. Hinzu kommen jedoch noch die Kosten für einen entsprechenden Pufferspeicher, Verrohrung und Montage.

Tipp: Insbesondere die Montage kann kostenaufwändiger werden, da die allermeisten Brennstoffzellen-BHKW nicht über einen bstimmten Winkel hinaus gekippt werden dürfen. Dies macht eventuelle Anpassungen des Aufstellraumes oder eben des Zugangs dorthin erforderlich.

Seit August 2016 fördert die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) Brennstoffzellen-BHKW mit einem Zuschuss über das Programm 433 (KfW-Programm 433 "Energieeffizient Bauen und Sanieren – Zuschuss Brennstoffzelle"). Die Förderung beträgt 40 Prozent der Kosten.

Die von der elektrischen Leistung abhängige Höhe des Zuschusses liegt zwischen 7.050 und 28.200 Euro. Die KfW fördert zum Beispiel bei einer elektrischen Leistung von 0,75 Kilowatt die Anlage mit 8.850 Euro. Hinzu kommt der KWK-Zuschlag vom örtlichen Netzbetreiber. Er liegt bei etwa 1.800 Euro.

Wichtig: Hauseigentümer müssen den Fördermittelantrag vor der Auftragserteilung stellen. Wer den Antrag erst nach Einbau der Brennstoffzellen-Heizung stellt, bekommt keine Förderung.

Das Brennstoffzellen-BHKW kostet somit noch 6.000 bis 9.000 Euro mehr als vergleichbare Brennwertheizungen auf Öl- oder Erdgas-Basis. Allerdings muss finanziell berücksichtigt werden, dass sich diese Mehrinvestitionen ebenfalls über die eingesparten Stromkosten und Einspeisevergütung und KWK-Zuschlag amortisieren:

1. Denn die Stromkosten können mittels Brennstoffzellen-BHKW um mehr als die Hälfte sinken. Der Strom aus der Heizung ist, wenn er selbst verbraucht wird, aktuell mit 5 bis 7 Cent pro Kilowattstunde deutlich günstiger als der Strom vom Energieversorger, der bei netto 25 Cent pro Kilowattstunde liegt. In der Regel werden rund 60 Prozent des Strombedarfs durch das BHKW selbst gedeckt.
2. Hinzu kommen KWK-Zuschläge von 4 Cent pro Kilowattstunde für den selbst verbrauchten Strom. Und für die Einspeisung von Überschüssen gibt es 8 Cent pro Kilowattstunde. Bei einem Jahresverbrauch des Haushalts von rund 3.500 Kilowattstunden sind das insgesamt rund 300 bis 400 Euro pro Jahr, die sich durch die Einsparungen und Vergütungen ergeben.

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• Kosten und Wirtschaftlichkeit von BHKW
• BHKW-Hersteller im Überblick
• Technik und Preise von Mini-BHKW
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• Was ist eine Brennstoffzellen-Heizung?