Die Brennstoffzelle: Das stromerzeugende Heizsystem

Große Teile des deutschen Stroms stammen heute aus Kraftwerken für fossilen Energieträger. Bevor sich die elektrische Energie an der eigenen Steckdose nutzen lässt, muss sie dabei oft über weite Strecken transportiert werden. Einfacher wäre es doch, der Strom für den eigenen Bedarf gleich selbst zu produzieren. Mit einer Brennstoffzelle ist das möglich. Das Besondere daran: Die Brennstoffzelle ist auch ein Heizgerät - und das erzeugt nicht nur Strom, sondern auch Wärme. Wie eine Brennstoffzelle funktioniert, mit welchen Brennstoffen sie betrieben werden kann und was eine Brennstoffzellen-Heizung kostet, erklären wir in den folgenden Abschnitten.

Was ist eine Brennstoffzelle?

Die Brennstoffzellenheizung ist ein Heizgerät, das nicht nur Wärme für Gebäude und Warmwasser, sondern auch Strom zur Deckung des eigenen Bedarfs erzeugt. Im Gegensatz zu anderen KWK-Technologien wie BHKW oder Stirling-Heizgeräten funktioniert das aber nicht über eine Verbrennung, sondern einen chemischen Prozess, bei dem Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert. 

Wie es dazu kam, dass diese Technologie auch zum Heizen und zur Warmwasserbereitung eingesetzt wurde, erfahren Sie im Beitrag zur Geschichte der Brennstoffzelle

Was zeichnet eine Brennstoffzellenheizung aus?

Brennstoffzellen sind besonders effiziente Energieerzeuger, die durch die kombinierte Produktion von Strom und Wärme einen Wirkungsgrad von etwa 90 Prozent erreichen. Zum Vergleich: Ein konventionelles Kraftwerk kommt in der Regel auf nicht mehr als 40 Prozent. Das heißt, etwa 60 Prozent der eingesetzten Energie werden ungenutzt an die Umwelt abgegeben.

Für Hausbesitzer lohnt sich eine Brennstoffzelle besonders, wenn sie den selbst erzeugten Strom auch im eigenen Zuhause verbrauchen. Denn dann müssen sie weniger Energie von öffentlichen Versorgern einkaufen. Das schafft finanzielle Vorteile und Unabhängigkeit von schwankenden Preisen. Im Gegensatz zu anderen stromerzeugenden Heizungen erreicht die Brennstoffzelle einen hohen elektrischen Wirkungsgrad und erzeugt Strom und Wärme fast im gleichen Verhältnis. Mit kleinen Baugrößen kann sie dabei auch in modernen Einfamilienhäusern ausreichend Energie erzeugen, um wirtschaftlich zu arbeiten.

Die Brennstoffzelle im Detail: Einfach erklärt

Eine Brennstoffzelle produziert Strom, Wärme und Wasser über eine sogenannte kalte Verbrennung - einen chemischen Prozess, bei dem Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert. Damit das funktioniert, besteht eine Zelle aus zwei Elektroden, die durch eine Schicht voneinander getrennt sind. Zum Einsatz kommen hier zum Beispiel Membranen. Gelangt Wasserstoff auf die negativ geladene Anode, teilen sich durch einen Katalysator Elektronen und Protonen. Wandern die freien Elektronen über den elektrischen Leiter zur positiv geladenen Kathode, fließt dank der Funktionsweise der Brennstoffzelle Strom.

Erklärung der Funktionsweise der Brennstoffzelle anhand einer Grafik
© heizung.de

Die Protonen schlüpfen gleichzeitig durch die nur für sie durchlässige Trennschicht und verbinden sich auf der anderen Seite mit Elektronen und Sauerstoff aus der Luft zu Wasser. Die bei der Reaktion entstehende Wärme kann abgeführt und an das Heizsystem übergeben werden. Generell sind die Energiemengen einer Zelle so niedrig, dass für die stromerzeugende Brennstoffzellen-Heizung mehrere dieser Elemente zu sogenannten Stacks verbunden werden. Der für die Reaktion benötigte Wasserstoff wird in einem Reformer (einem Bauteil, das Methan mit heißem Wasserdampf aus dem Erdgas löst) direkt im Gerät hergestellt. Darüber hinaus gibt es auch andere Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff.

Für wen eignet sich eine Brennstoffzelle?

KWK-Anlagen sind heute noch recht teuer und arbeiten nur dann wirtschaftlich, wenn sie viel Strom erzeugen, der im besten Falle auch selbst verbraucht wird. Dieser lässt sich allerdings nur dann produzieren, wenn im Haus auch ein Wärmebedarf für Heizung oder Warmwasser besteht. Da die Brennstoffzelle beide Energieformen - also Strom und Wärme - in einem ähnlichen Verhältnis erzeugt, gewinnt sie mehr Strom, als zum Beispiel ein BHKW. Aus dem Grund arbeitet sie auch in modernen Wohngebäuden mit niedrigem Energiebedarf wirtschaftlich.

Brennstoffe der Brennstoffzellenheizung

Weil der Wasserstoff für den Betrieb der Brennstoffzelle selten im Haus verfügbar ist, wird er über einen Reformer im Heizgerät hergestellt. Ausgangsstoff ist dabei der Brennstoff Gas, das in Form von Erdgas oder Biogas genutzt werden kann. In Zukunft wird auch der Einsatz von Flüssiggas möglich sein. 

Erdgas: Gasförmiger Brennstoff mit hoher Qualität

Erdgas wird in unterirdischen Lagerstätten gewonnen und ist ein fossiler Rohstoff. Er kann zum Beispiel zum Beheizen von Wohngebäuden verwendet werden und wird nach seinem Methan-Anteil in zwei Arten unterteilt. Diese sind L-Gas (energiearmes Gas) mit einem Anteil von 85 Prozent und H-Gas (energiereiches Gas) mit einem Anteil von 98 Prozent. Je mehr Methan im Erdgas ist, desto höher ist sein Energiegehalt. Mit Ausnahme einiger Regionen wird der größte Teil Deutschlands heute mit dem energiereichen H-Gas versorgt. In den kommenden Jahren sollen aber auch die sogenannten L-Gas-Regionen im Norden und Westen auf die Versorgung mit H-Gas umgestellt werden. Informationen zur Umstellung von L- auf H-Gas finden Hausbesitzer auf der Internetseite der Bundesnetzagentur: bundesnetzagentur.de

Biogas: Nachhaltige Alternative zu fossilem Erdgas

Eine nachhaltige Alternative zum fossilen Erdgas ist das Biogas. Es entsteht in Biogasanlagen, in denen Pflanzen-, Lebensmittelreste oder Gülle trocken oder nass vergoren werden. Die Energie erzeugen dabei kleine Bakterien, die die eingesetzte Biomasse - das sogenannte Substrat - in ihre Einzelteile spalten. Endprodukt ist ein Gas-Gemisch, das überwiegend aus Methan, Kohlendioxid und Sauerstoff besteht. Fertig aufbereitetes Biogas hat die gleichen Eigenschaften wie Erdgas. Es kann daher ohne Weiteres in das öffentliche Gasnetz eingespeist und auch von Brennstoffzellen verarbeitet werden.

Wasserstoff: Energiespeicher der Zukunft?

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende chemische Element im Universum. Es wird zum Beispiel in der Heizung oder im Mobilitäts-Bereich eingesetzt und hat im Vergleich zu anderen Brennstoffen die höchste gewichtsbezogene Energiedichte. Außerdem ist Wasserstoff auch sicherer als andere Brennstoffe. So entzündet es sich nicht selbst, verunreinigt keine Gewässer, schädigt Umwelt und Natur nicht und verbrennt rückstandsfrei. Trotz der vielen Vorteile verbinden Hausbesitzer Wasserstoff oft mit Befürchtungen. Eine der häufigsten ist die Angst vor einer Explosion. Dass dies in der Praxis nicht passiert, beweisen die Erfahrungen aus der Fahrzeugtechnik. Denn hier werden Brennstoffzellen zum Beispiel in Bussen eingesetzt - bis heute ohne jegliche Zwischenfälle. Auch im Zusammenhang mit der Brennstoffzelle ist der Wasserstoff für die Heizung unerlässlich. 

Kosten einer Brennstoffzelle

Wie bei allen Heizgeräten setzen sich auch die Kosten einer Brennstoffzellen-Heizung aus verschiedenen Bereichen zusammen. Diese sind:

  • die Kosten für die Erschließung des Brennstoffs
  • für die Anschaffung der Technik
  • sowie die Kosten im Verbrauch der Brennstoffzelle

Das kostet der Gasanschluss

Da der Wasserstoff zum Betrieb der Brennstoffzellen-Heizung aus dem im Erdgas gespeicherten Methan gewonnen wird, ist ein Gasanschluss Voraussetzung für eine Brennstoffzelle. Dieser besteht aus zwei Teilen: Der erste (zwischen Straße und Gebäude) wird Hausanschlussleitung genannt und ist vom Versorger zu erstellen. Die Kosten dafür betragen etwa 1.500-3.000 Euro. Sie können höher ausfallen, wenn die Entfernung zur öffentlichen Gasleitung groß ist.

Der zweite Teil des Gas-Anschlusses besteht aus den Leitungen im Gebäude. Diese transportieren das Gas von der Hauptabsperreinrichtung zu allen Verbrauchern. Soll nur die Brennstoffzellen-Heizung angebunden werden, können Hausbesitzer dabei mit etwa 1.000 bis 1.500 Euro rechnen. Ist kein Gas-Anschluss vorhanden, kann die Brennstoffzelle auch mit Flüssiggas betrieben werden. Um dieses im eigenen Haus zu speichern, ist eine Tankanlage nötig. Diese wird meist im Garten aufgestellt und verursacht Kosten von etwa 1.500 bis 3.000 Euro.

Das kostet eine Brennstoffzellenheizung

Stromerzeugende Heizungen sind eine junge und komplexe Technologie, die dementsprechend noch recht teuer ist. Für eine Brennstoffzellenheizung im Einfamilienhaus können dabei Kosten von rund 20.000-25.000 Euro anfallen. Die Preise für eine Brennstoffzellen-Heizung variieren jedoch stark nach Region, Hersteller und Dienstleister und stellen damit nur eine grobe Kosteneinschätzung dar.

Unterstützung bekommen Hausbesitzer aber von der KfW, die die innovative Technologie mit hohen Zuschüssen über eine Förderung für eine Brennstoffzellenheizung fördert. Neben einem Grundbetrag von 5.700 Euro gibt es dabei noch einmal 450 Euro je 100 Watt elektrische Leistung über das Programm 433 „Energieeffizient Bauen und Sanieren - Zuschuss Brennstoffzelle“. Eine Brennstoffzellen-Heizung mit 750 Watt elektronischer Leistung wird also beispielsweise mit 5.700 Euro Grundbetrag plus 3.375 Euro (750 Watt Leistung x 45 Euro je 1 Watt) = 9.075 Euro von der KfW gefördert.

Voraussetzungen für die Förderungen sind, dass:

  • ein Energieberater eingebunden wird
  • die Brennstoffzelle in das Wärme- und Stromnetz eines Gebäudes eingebunden wird
  • ein hydraulischer Abgleich durchgeführt wird
  • ein Wartungsvertrag über zehn Jahre abgeschlossen wird

Sind alle Voraussetzungen erfüllt, kann die Förderung noch vor dem Beginn der Maßnahme von allen natürlichen Personen, die ein Ein- oder Zweifamilienhaus oder eine Eigentumswohnung selbst bewohnen, beantragt werden.

Zusätzlich können sich Hausbesitzer den selbst erzeugten Strom über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle pauschalisiert vergüten lassen. Hierfür bekommen sie vier Cent pro Kilowattstunde für die ersten 60.000 Betriebsstunden. Da die Förderung auf Anlagen mit einer maximalen elektrischen Leistung von zwei Kilowatt begrenzt ist, gibt es über das BAFA bis zu 4.800 Euro. Die Beantragung erfolgt im Zuge der Anmeldung der Brennstoffzelle. 

Das kostet eine Brennstoffzelle in Betrieb

Die Kosten, die in Betrieb einer Brennstoffzelle entstehen, setzen sich aus Brennstoffkosten, Vergütungen und Einsparungen zusammen. Die größten Einsparungen erzielen Hausbesitzer dabei, wenn sie möglichst viel des erzeugten Stroms auch selbst verbrauchen. Denn dann muss keine Energie aus dem öffentlichen Netz bezogen werden. Im Vergleich zur Einspeisevergütung des KWK-Gesetzes, die aktuell etwa zehn bis zwölf Cent je Kilowattstunde beträgt (zusammengesetzt aus KWK-Zuschlag, Börsen-Strompreis und Vergütung für die vermiedene Netznutzung), liegt der Wert des selbst genutzten Stroms heute bei etwa 28 Cent - dem Strompreis.. Wie hoch die Kosten in Betrieb ausfallen, hängt jedoch von verschiedenen Faktoren ab. So kommt es zum Beispiel auf den energetischen Stand des Gebäudes, das Heizverhalten der Nutzer oder die Menge des selbst genutzten Stroms an. Sichere Aussagen können dabei nur gemacht werden, wenn jedes Gebäude für sich bewertet wird.

Welche Vor- und Nachteile hat eine Brennstoffzellen-Heizung?

Brennstoffzellen-Heizungen sind modern, effizient und haben wie andere Systeme eine Reihe von Stärken und Schwächen. Im Folgenden finden Sie die Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle im Überblick:

Vorteile einer Brennstoffzellenheizung: Nachteile einer Brennstoffzellenheizung:
Gemeinsame Strom- und Wärmeerzeugung mit hohem Wirkungsgrad Abhängigkeit von Gas und dessen Preisentwicklung
Wirtschaftlicher Betrieb auch in Gebäuden mit niedrigem Wärmebedarf Vergleichsweise hohe Anschaffungskosten
Kompakte Anlagentechnik ohne Lärm Regelmäßige Wartungsarbeiten an der Brennstoffzellenheizung
Minimierung der Energiekosten und Steigerung der Unabhängigkeit von Strompreisentwicklung
Hohe staatliche Förderungen

Die Brennstoffzelle in Alt- und Neubauten

Ihren Einsatzort findet die Brennstoffzelle bislang meist in energieeffizienten Wohngebäuden. Das ist in Altbauten meist nicht gegeben. Besser geeignet für den Altbau ist hingegen ein BHKW, da Altbauten in der Regel einen hohen Wärmebedarf haben. Ausgeschlossen ist der Einsatz einer Brennstoffzelle in Altbauten allerdings nicht. Entscheidend sind noch immer das zu beheizende Objekt und dessen energetischer Zustand.

Worauf es grundsätzlich bei der Planung und beim Aufbau einer Brennstoffzellenheizung zu beachten gilt, erklärt der Beitrag "Die Installation einer Heizung mit Brennstoffzelle". Alle wichtigen Fakten rund um die Brennstoffzelle auf einen Blick zusammengefasst, liefert unsere Infografik zur Brennstoffzellenheizung.

Heizung.de Autor Alexander Rosenkranz

Fazit von Alexander Rosenkranz

Eine Brennstoffzellen-Heizung erzeugt Strom und Wärme über einen chemischen Prozess – die sogenannte kalte Verbrennung. Im Gegensatz zu anderen KWK-Technologien kann sie sogar in energieeffizienten Wohngebäuden installiert werden. Um herauszufinden, ob sich eine Brennstoffzellen-Heizung lohnt, sollte das entsprechende Haus genau unter die Lupe genommen werden.

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