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FAQ – Brennstoffzellen für den Hausgebrauch

Innovation und Hoffnungsträger für den Heizungsmarkt der Zukunft

Seit Ende der 1990er Jahre bewegt das Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH) die Gemüter in der Heizungsbranche. Viele nahmen die Technologie als Wettbewerb zu der etablierten Heiztechnik zunächst nicht ernst. Auch mussten angekündigte Markteinführungstermine vielfach nach hinten verschoben werden, zur Schadenfreude der Kritiker. Mittlerweile beschäftigen sich immer mehr Hersteller mit der neuartigen Heizung, die ersten Produkte sind bereits auf dem Markt. Doch was verbirgt sich eigentlich hinter dem Brennstoffzellen-Heizgerät, das vom Bundeswirtschaftsministerium dank der genutzten Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) als "eine innovative und hocheffiziente Technologie" bezeichnet wird, die gerade am Beginn der Markteinführung steht? Das HeizungsJournal gibt innerhalb ihrer Rubrik FAQ – Frequently Asked Questions – einen Einblick in die Thematik.

Brennstoffzellen gelten als Innovation auf dem Heizungsmarkt. Doch was verbirgt sich eigentlich hinter der Thematik?

Redet man über die Bedeutung der Brennstoffzellentechnik, so dreht es sich im Grunde um einen Teilaspekt einer Energiewirtschaft auf Basis von Wasserstoff. Seit vielen Jahrzehnten wird der Weg in eine Wasserstoff-Wirtschaft untersucht. Ziel ist eine Energiewelt ohne umweltschädliche Emissionen. So kann Wasserstoff Erdöl und Erdgas als Brennstoff ersetzen. Er ist das häufigste Element im Weltall. Er lässt sich umweltfreundlich per Elektrolyse aus Wasser mit nicht benötigtem Solar- und Windstrom herstellen. Er ist speicherbar und er verbrennt mit Sauerstoff emissionsfrei zu Wasser. Das chemische Symbol H steht für Hydrogenium (Wasserbildner). Das Molekül H2 ist ein farb- und geruchsloses Gas, das sich unterhalb -240 °C verflüssigt. In einer Brennstoffzelle lässt sich die im Wasserstoff enthaltene chemische Energie durch eine flammenlose (kalte) Verbrennung in elekt­rische Energie und Wärme umwandeln.

Haben wir schon Erfahrungen mit Wasserstoff?

Wasserstoff wurde bereits Ende des 18. Jahrhunderts als gasförmiges Element und als Bestandteil von Wasser entdeckt. Im 19. Jahrhundert wurde der Energieträger großtechnisch in Gaslaternen für die Stadtbeleuchtung eingesetzt. Im 20. Jahrhundert fand Wasserstoff Anwendung in der chemischen Industrie. Weltweit werden jährlich über 500 Mrd. m³ Wasserstoff erzeugt. Er kann in speziellen Tanks gespeichert und mit Tankwagen verteilt werden. Für größere Mengen empfehlen sich Rohrleitungen. Zum Beispiel betreibt die chemische Industrie in Nordrhein-Westfahlen bereits seit Jahrzehnten ein Leitungsnetz für gasförmigen Wasserstoff von rund 240 km Länge. Das Prinzip der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung wurde schon 1839 entdeckt.

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Schema einer Brennstoffzelle.
Quelle: IBZ
Das Herz einer Brennstoffzelle besteht im Prinzip aus drei Komponenten: Anode, Kathode, dazwischen ein Elektrolyt.

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Das Herz einer Brennstoffzelle (FC = Fuel Cell) besteht im Prinzip aus drei Komponenten: Anode, Kathode, dazwischen ein Elektrolyt. Die Funktionsweise ist vergleichbar der Wasserstoffelektrolyse, nur dass der Prozess umgekehrt abläuft. Wasserstoffgas wird anodenseitig zugeführt, die Atome werden unter Einfluss von Katalysatoren ionisiert, das heißt, sie geben ihr jeweiliges Elektron ab. Der Elektrolyt ist für positiv geladene Wasserstoffatome (Protonen) durchlässig. Diese wandern von der Anode zur Kathode, wo sie auf Sauerstoff­atome treffen, mit denen sie sich zu Wassermolekülen vereinigen. Die Elektronen fließen über einen elektrischen Leiter außerhalb der Zelle von der Anode zur Kathode, wodurch sich der Stromkreis schließt. Man erhält Strom und Wasser. Die gleichzeitig entstehende Wärme wird beim Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH) zum Heizen und zur Warmwasserbereitung genutzt.

Welche verschiedenen Brennstoffzellentypen gibt es?

Der verwendete Elektrolyt gibt der Brennstoffzelle ihren Namen. Er ist auf unterschiedliche Betriebstemperaturen und Brennstoffqualitäten ausgelegt. Die Alkalische Brennstoffzelle "AFC" (80 °C) und die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle "PEMFC" (in Ausführung Niedertemperatur 50 °C bis 80 °C und Hochtemperatur 100 °C bis 200 °C) benötigen für den Betrieb absolut reinen Wasserstoff. Dieser lässt sich vor Ort zum Beispiel mit Hilfe von Reformern aus Erdgas (es besteht überwiegend aus Methan CH4) erzeugen. Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle "DMFC" (80 °C) arbeitet mit Methanol. Die Phosphorsaure Brennstoffzelle "PAFC" (200 °C), die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle "MCFC" (650 °C) und die Festoxid-Brennstoffzelle "SOFC" (um 900 °C) haben kein solch hohen Anspruch an die Reinheit des Wasserstoffs. Bei Einsatz von Erdgas reicht meist eine weniger aufwendige Aufbereitung und Reformierung. So ist die SOFC nicht so empfindlich gegenüber Verunreinigungen, wie Resten an Kohlenstoffverbindungen, wie die PEMFC. Generell verschlechtert sich bei Einsatz von Erdgas statt reinem, regenerativ erzeugtem Wasserstoff zwar die CO2-Bilanz, doch kann Erdgas als eine Brücke zu einer funktionierenden Wasserstoffwirtschaft angesehen werden.

Der Stack einer PEMFC.
Quelle: Robert Donnerbauer
Um praktikable Spannungen zu erzielen, werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Zellenstapel (Stack) zusammengeschaltet. Hier befindet sich der Stack einer PEMFC auf dem Prüfstand.

Wie unterscheiden sich die Einsatzgebiete?

Im Heizungsmarkt mit Leistungen um 1 kWel konkurrieren derzeit Brennstoffzellen-Heizgeräte auf der Basis von PEMFC und SOFC. Darüber hinaus finden sich vielfältige Einsatzgebiete. Hauptanwendungen der AFC liegen in der Raumfahrt, bei U-Booten und in entlegenen Wetterstationen. PEMFC eigen sich durch ihr niedriges Leistungsgewicht und relativ gute Kaltstarteigenschaften besonders für mobile Anwendungen in Pkw und Bussen. Zudem werden sie zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) eingesetzt. DMFC finden sich für die Bordstromversorgung von Wohn­mobilen oder als Energiequelle von Kommunikationseinrichtungen an Standorten ohne Netzanbindung. Die PAFC benötigt eine lange Anfahrzeit, internationalen Einsatz hat sie als dezentrales Blockheizkraftwerk (BHKW) mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Die DMFC ist mit Leistungen über 200 kWel für die KWK in Kommunen und Industrie interessant. Die Abwärme kann gar zur Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) genutzt werden. Zukunftskonzepte sehen die SOFC bei höheren Leistungen in Kombination mit nachgeschalteten Mikrogasturbinen oder Dampfturbinen, zur Notstromversorgung und zur KWK bei Energieversorgern und der Industrie.

Welche Aktivitäten gab es bereits in jüngster Zeit?

Treiber der Brennstoffzellentechnik waren in den 1990er Jahren zunächst die Automobilindustrie (als Stromquelle für den Elektroantrieb) und die Energieversorger (als Ersatz/Ergänzung für klassische, dezentrale Blockheizkraftwerke). Da bei letzteren vorrangig der Einsatz zur umweltschonenden Stromerzeugung im Vordergrund stand, lagen die elekt­rischen Leistungen der eingesetzten Test- und Demonstrationsanlagen meist zwischen 50 kW und einigen MW. Die Brennstoffzellenkraftwerke stammten von Unternehmen wie Alstom Ballard, MTU Friedrichshafen, UTC (United Technologies Corporation), HGC (Hamburg Gas Consult), Plug Power oder Siemens Westinghouse. Kommerzielle Anlagen zur dezentralen Stromversorgung waren damals bereits für 2003/2004 geplant. Und auch die Automobilindustrie hatte das ambitionierte Ziel von 1 Mio. Brennstoffzellen-Fahrzeugen bis zum Jahr 2010. Diese Ziele liegen jedoch auch heute noch in weiter Ferne. Übrigens gehörte MTU Friedrichshafen zuletzt als MTU Onsite Energy zur Tognum Gruppe. Bekanntes, vielfach getestetes Produkt war das "hotmodule". Ende 2010 entschied sich Tognum gegen ein weiteres Engagement im Bereich Brennstoffzellen, da sich das Geschäft mittelfristig unter den zu diesem Zeitpunkt weltweit erkennbaren Markt- und Förderbedingungen nicht kommerziell gestalten ließe.

Und wann kam die Heizungsbranche mit dem Brennstoffzellen-Heizgerät ins Spiel?

Typischer Systemaufbau eines Brennstoffzellen-Heizgeräts für die Hausenergieversorgung.
Quelle: ASUE
Typischer Systemaufbau eines Brennstoffzellen-Heizgeräts für die Hausenergieversorgung.

Schon 1997 startete Sulzer Hexis (heute gehört Hexis zu Viessmann) mit Feldversuchen und Vaillant rief das Forschungsprojekt Brennstoffzellen-Heizgerät ins Leben. Ende der 1990er Jahre nahmen auch Buderus (heute Teil von Bosch Thermotechnik) und Viessmann die Entwicklungen auf. Und auch HGC setzte erste BZH realen Betriebsbedingungen für den Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern aus (heute ist man als Baxi Innotech unter dem Dach von BDR Thermea aktiv). Die ersten Geräte von Vaillant waren mit 4,5 kWel für ein Sechs-Familien-Haus oder kleine Gewerbebetriebe ausgelegt. Das hehre Ziel, Verkaufsstart in 2003 sowie ein erwartetes jährliches Marktvolumen in 2010 von 250.000 Brennstoffzellen-Heizgeräten in Europa, 100.000 davon allein in Deutschland, musste man aber schon bald revidieren.

Wie ging die Entwicklung bei den Brennstoffzellen-Heizgeräten weiter?

In den Folgejahren erlebte das Brennstoffzellen-Heizgerät für die Hausenergieversorgung eine recht wechselhafte Zeit. Häufig wurden Technologien sowie Projekt- und Technologiepartner gewechselt. Zuletzt kamen Brennstoffzellenhersteller aus Japan mit ins Spiel, wie bei Viessmann (Panasonic), Bosch Thermotechnik (Aisin Seiki) oder Baxi Innotech (Toshiba Fuel Cell Power Systems). Spektakulär war zum einen die Übernahme von Hexis durch Viessmann. Der Heiztechnikhersteller fährt seitdem zweigleisig bei den Technologien: SOFC bei Hexis und PEMFC bei der Kooperation mit Panasonic. Zum anderen überraschte Solidpower mit der Übernahme von Personal und Assets der deutschen Tochter der CFC (Ceramic Fuel Cells). Ihr Produkt "BlueGen" ist seit 2012 auf dem Markt, über 700 Geräte sind derzeit in Europa installiert.

Wie stellt sich das Angebot an Brennstoffzellen-Heizgeräten heute dar?

Mittlerweile wird die Situation im Markt für Brennstoffzellen-Heizgeräte immer konkreter. Die in der IBZ (Initiative Brennstoffzelle) organisierten Hersteller sind mit ihren Produkten entweder schon auf dem Markt präsent oder haben die Absicht bekundet, noch in diesem Jahr, spätestens aber 2017, mit der Markteinführung ihres Brennstoffzellen-Heizgeräts zu beginnen. Insgesamt stehen den Verbrauchern dann acht Geräte zur Wahl – Buderus: "Logapower FC10" (SOFC mit 0,7 kWel), Elcore: "Elcore 2400" (PEMFC mit 0,3 kWel), Hexis: Galileo 1000 N (SOFC mit 1,0 kWel), Junkers: "CeraPower FC10" (SOFC mit 0,7 kWel), SenerTec: "Dachs Innogen" (PEMFC mit 0,7 kWel), Solidpower: "BlueGen" (SOFC mit 1,5 kWel) und "EnGen 2500" (SOFC mit 2,5 kWel), Vaillant: "xellPower" (SOFC mit 0,7 kWel), und Viessmann: "Vitovalor 300-P" (PEMFC mit 0,75 kWel).

Brennstoffzellen-Heizgeräte auf der Hannover Messe.
Quelle: Robert Donnerbauer
Die in der IBZ organisierten Hersteller informieren auf der Hannover Messe regelmäßig über den Entwicklungsstand ihrer Brennstoffzellen-Heizgeräte.

Freitag, 11.11.2016

Von Robert Donnerbauer
Redaktion, Heizungs-Journal Verlags-GmbH