Nano-Blockheizkraftwerke - Das Eigenheim mit Brennstoffzelle

Blockheizkraftwerke (BHKW) für Wohngebäude erzeugen häufig zu viel Energie, um in Eigenheimen mit durchschnittlichem Wärmebedarf wirtschaftlich zu sein. Erst seit einigen Jahren werden Brennstoffzellen-Heizgeräte angeboten, die mit ihrer kleinen thermischen und elektrischen Leistung speziell für Ein- und Zweifamilien-Wohnhäuser und das Kleingewerbe entwickelt wurden. Zwei Beispiele zeigen den Nutzen solcher Nano-Blockheizkraftwerke und die Unterschiede zur Installation einer herkömmlichen Heizung.

Blockheizkraftwerk im Passivhaus

Eine Familie aus München hatte sich bereits 2014 für ein Brennstoffzellen-Heizgerät entschieden. Als das Gebäude im Südosten der Bayerischen Landeshauptstadt errichtet wurde, gehörte sie noch zu den ersten Anwendern einer Brennstoffzellen-Heizung des deutschen Herstellers Elcore. Heute werden die Geräte in Serie produziert und komplette Systeme als Lösungen für Neubauten und den Gebäudebestand angeboten sowie bundesweit eingesetzt.

Die fünfköpfige Familie wohnt in einem Passivhaus auf einer Wohnfläche von 280 Quadratmetern und nutzt für ihre Energieversorgung die Heizungsanlage "Elcore 2400 Max". Sie besteht aus dem Brennstoffzellen-Heizgerät "Elcore 2400", einem 500-Liter-Kombi-Schichten-Pufferspeicher mit integrierter hygienischer Warmwasserbereitung, einem Systemregler und einer ergänzenden Gas-Brennwerttherme.

Während bei einer Heizungsanlage im Einfamilienhaus in der Regel ein Wärmeerzeuger im Einsatz ist, werden hier zwei Geräte eingesetzt: die Leistung der Brennstoffzelle genügt meist, um den kompletten Heizungs- und Warmwasserbedarf in der für die Gesamtbilanz entscheidenden Übergangszeit zu decken. In Zeiten mit besonders hohem Warmwasserbedarf schaltet sich der Spitzenlastkessel mit einer an den Wärmebedarf des Gebäudes angepassten Leistung zu. Das Blockheizkraftwerk, der Heizkessel und die Wärmesenke werden hydraulisch optimiert eingebunden und geregelt. Die Regelung fordert den Spitzenlastkessel, nach Angabe des Herstellers, so selten wie möglich an, er laufe stets im optimalen Betriebspunkt: Der Kesselkörper werde somit geschont, Anfahrverluste und Ablagerungen im Brennraum minimiert.

Im Jahr 2014 lag der Gesamtstrombedarf des Einfamilienhauses bei 3.779 kWh, wovon 65 Prozent durch das Blockheizkraftwerk bereitgestellt wurden. Im Vergleich zum Einkauf des gesamten Stroms beim Energieversorger entsprach das einer Stromkosteneinsparung von rund 660 Euro. Gleichzeitig deckte das Elcore-Energiesystem den Wärmebedarf für die Warmwasserbereitung der fünfköpfigen Familie in Höhe von rund 5.400 kWh.

Leistung des BHKWs muss zum Energiebedarf passen

Ein BHKW-Eigentümer erzeugt nicht nur Wärme, sondern auch seinen eigenen Strom. Deswegen sind für die Wirtschaftlichkeit nicht nur Anschaffungs- und Betriebskosten entscheidend, sondern auch wie viel Strom produziert wird und welche Einsparungen und Einnahmen der Betrieb mit sich bringt. Um also ein optimales Ergebnis zu erzielen, muss die Leistung des Blockheizkraftwerks zum Energiebedarf des Eigenheims passen.

Rein technisch gesehen, sind hohe elektrische Leistungen unproblematisch, da überschüssiger Strom ins Stromnetz eingespeist werden kann. Sie sind aber nicht unbedingt wirtschaftlich: Jede kWh Strom, die direkt im Eigenheim verbraucht wird, ersetzt eine kWh Haushaltsstrom zum Preis von rund 27 Cent (Anm.: Bundesdurchschnitt im Jahr 2016, individuelle Preise können abweichen). Überschüssiger Strom, der nicht verbraucht wird, sondern ins Netz fließt, wird zwar auch vergütet, aber weit weniger gut: für ihren eingespeisten Strom erhalten Betreiber aktuell nur rund 9 Cent pro kWh aus Einspeisevergütungen und gesetzlichen Zuschlägen.

Vor diesem Hintergrund erzielt ein BHKW-Betreiber die höchste Wirtschaftlichkeit, wenn die elektrische Leistung seines Blockheizkraftwerks so hoch ist, dass jede erzeugte kWh auch möglichst gleich vor Ort verbraucht wird. Diese Grundlast eines durchschnittlichen Einfamilienhauses, also die Leistung, die ständig von den Elektrogeräten im Haushalt abge­rufen wird, liegt laut dem Lastprofil der VDI 4655 ("Referenzlastprofile von Ein- und Mehrfamilienhäusern für den Einsatz von KWK-Anlagen") bei etwa 300 Watt. Die Folge: Mehrausgaben für ein KWK-Gerät mit einer höheren elektrischen Leistung machen sich nicht unbedingt bezahlt, es sei denn, das Haus hat eine besonders hohe elektrische Grundlast.

Während die sinnvolle elektrische Leistung von der wirtschaftlichen Betrachtung abhängt, setzt die Größe des Wärmespeichers eine technische Grenze: Das Blockheizkraftwerk muss abgeschaltet werden, wenn der Wärmespeicher voll beladen ist, da die Wärme dann nicht abgenommen werden kann. Der Hauseigentümer muss seinen Strom einkaufen, während sein eigenes Kraftwerk ungenutzt im Keller steht. Um diese Abschaltungen so weit wie möglich zu vermeiden, wurde die Leistungsklasse der Nano-Blockheizkraftwerke entwickelt. Ihre elektrische und thermische Leistung ist auf den Energiebedarf eines typischen Eigenheims zugeschnitten.

Beispielsweise erzeugt "Elcore 2400" mit einer thermischen Leistung von 700 Watt nur so viel Wärme, dass das Blockheizkraftwerk auch in Gebäuden mit einem durchschnittlichen Wärmebedarf nur selten abschaltet. Die Brennstoffzelle sei über das Jahr betrachtet an neun von zehn Tagen in Betrieb und erreiche so in der Praxis Jahreslaufzeiten von über 8.000 Stunden. Jedes Blockheizkraftwerk deckt dabei nicht nur den Grundbedarf an Wärme, sondern ersetzt mit seiner elektrischen Leistung von 300 Watt auch etwa 2.400 kWh Haushaltsstrom pro Jahr.

Nur geringe Installationsunterschiede zwischen BHKW und herkömmlicher Heizung

Für die Installation des Blockheizkraftwerks im Münchner Eigenheim wurden ein Netzwerkanschluss im Heizraum für die Ferndiagnose und ein Zweiwege-Stromzähler benötigt. Die Vor- und Ausführungsplanung entsprach im Übrigen einer herkömmlichen Gas-Brennwertheizung. Ein Trinkwasseranschluss wird für ein Elcore-BHKW nicht benötigt. Die Abgasführung wurde als Kaskade der "Elcore 2400" und der Gas-Brennwerttherme in einem Schacht realisiert. Die Zuluft wird im Schacht von außen kommend im Ringspalt zwischen Abgasrohr und Schachtwandung geführt. Die Beantragung und Installation des Stromanschlusses erfolgte durch einen Elektrofachbetrieb.

Die Montage der Heizungsanlage entsprach einer herkömmlichen Heizungsin­stallation. Das Blockheiz-kraftwerk wurde in zwei Teilen mit einem Gewicht von jeweils etwa 60 kg angeliefert, um die Montage zu vereinfachen. Das Gehäuse in der Größe eines wandhängenden Kessels wurde an der Wand befestigt, das Brennstoffzellen-Modul eingeschoben und die Bauteile durch den geschulten Installateur miteinander verbunden. Der Zeitaufwand für den Einbau des Blockheizkraftwerks: rund drei Stunden. Anschließend wurden Vor- und Rücklauf sowie die Gasleitung, die Strom- und Netzwerkleitung und der Kondensatablauf angeschlossen. Zur Inbetriebnahme überprüften der Installateur und der Elcore-Service per Fernzugriff die Anlage auf "Herz und Nieren". Anschließend wurden alle Anlagendaten ins Elcore-Monitoring übernommen und der Anlagenbetreiber in die Bedienung eingewiesen.

Blockheizkraftwerk im Bestandsgebäude

Herr Reimann aus Jettingen suchte nach einer passenden Heizung für sein Haus mit 130 Quadratmetern Wohnfläche.

Vor dem Hintergrund der aktuellen Fördermittelangebote sowie der Chance, seine neue Heizung durch Einsparungen bei Strom- und Gaskosten zu refinanzieren und dabei auch umweltfreundlicher zu machen, fiel die Wahl auf eine Brennstoffzellen-Heizung.

Der alte Niedertemperatur-Gasheizkessel mit einer Leistung von 16 kW konnte nicht mehr weiter verwendet werden. Eingesetzt wurde deswegen ebenfalls das Komplettsystem "Elcore 2400 Max", das eine Gas-Brennwerttherme enthält.

Im Vergleich zur Installation im Neubau unterschied sich die Modernisierung der bestehenden Heizung durch folgende Punkte: Abgasseitig musste das existierende Tonrohr durch ein Kunststoffrohr für Brennwertgeräte ersetzt werden. Der veraltete Warmwasserspeicher wurde durch einen Kombi-Schichtenspeicher mit integrierter hygienischer Warmwasserbereitung ersetzt.