Brennstoffzellenheizung: Kosten, Funktion und Effizienz

Was ist eine Brennstoffzellenheizung?

Bei einer Brennstoffzellenheizung handelt es sich um ein System, das grundlegend anders funktioniert als der klassische Gas- oder Ölheizkessel. Denn in der Brennstoffzelle werden Wärme und Strom mittels der sogenannten kalten Verbrennung erzeugt. Dieser elektrochemische Prozess ist besonders effizient und, anders als die landläufige Meinung vermuten mag, bereits seit über 180 Jahren bekannt (Geschichte der Brennstoffzelle). 

Grundlegende Eigenschaften der Wasserstoff-Heizung

Brennstoffzellen sind besonders effiziente Energieerzeuger nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung. Im Gegensatz zu anderen stromerzeugenden Heizungen erreicht die Brennstoffzelle einen hohen elektrischen Wirkungsgrad und erzeugt Strom und Wärme fast im gleichen Verhältnis. Insgesamt liegt der Wirkungsgrad bei etwa 90 Prozent. Die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme basiert dabei auf der chemischen Reaktion Wasserstoff mit Sauerstoff und wird als kalte Verbrennung bezeichnet.  

Wie funktioniert die Brennstoffzellenheizung?

Eine Brennstoffzellenheizung produziert Strom, Wärme und Wasser über die bereits angesprochene kalte Verbrennung. So wird der elektrochemische Prozess bezeichnet, bei dem Wasser- und Sauerstoff miteinander reagieren. Dafür besteht eine Brennstoffzelle aus zwei Elektroden, die durch eine bedingt durchlässige Membran oder durch ein Elektrolyt (Ionenleiter) voneinander getrennt sind. Gelangt nun  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 Strom. 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. Details dazu lesen Sie in unserem ausführlichen Beitrag zur:  Funktionsweise der Brennstoffzelle.

Aufbau: Mehr als eine einzige Brennstoffzelle

Generell ist die Energiegewinnung aus einer einzelnen Zelle so niedrig, dass für die stromerzeugende Brennstoffzellenheizung mehrere dieser Elemente zu sogenannten Stacks verbunden werden. Sie sind in Reihe geschaltet. Dadurch summieren sich die Spannungswerte und es kann eine ausreichende Energiemenge zum Heizen und für die Stromerzeugung bereitgestellt werden. Daneben umfasst das Brennstoffzellen-Heizgerät einen Wechselrichter und einen Reformer.  

Zwei Arten der Brennstoffzellen für Gebäude werden unterschieden

Die Unterscheidung erfolgt anhand der Betriebstemperatur, also bei welcher Temperatur die kalte Verbrennung stattfindet. Es gibt demnach die Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Betriebstemperaturen von 500 bis 1.100 Grad Celsius und Niedertemperatur-Brennstoffzellen mit einer Temperatur von unter 100 Grad Celsisu für den chemischen Prozess. Für die letztgenannten Variante ist dadurch aber auch ein zusätzlicher externer Reformer notwendig.  

Hinweise: Sie finden die beiden Arten auch unter den Begriffen wie  PEMFC  (Proton  Exchange  Membrane  Fuel  Cell) oder Polymembran-Brennstoffzelle für die Niedertemperatur-Version und wie  SOFC  (Solid  Oxide  Fuel  Cell) oder Festoxid-Brennstoffzellen für die Hochtemperatur-Variante.

Voraussetzungen für effizienten Betrieb von Brennstoffzellensystemen

Wer das Prinzip der Brennstoffzelle als Heizung nutzen möchte, sollten Sie vor dem Kauf einige Punkte beachten:

• Ein Gasanschluss muss vorhanden sein.
• Eine zentrale Heizungsanlage (Warmwasser und Raumwärme) muss im Haus bestehen oder zumindest in Planung sein.
• Ein Wärmespeicher ist in das System zu integrieren.
• Eine Zusatzheizung sollte installiert werden.

Wichtig für den Betrieb einer Brennstoffzellenheizung ist der  Gasanschluss. Denn  geheizt wird mit Wasserstoff! Dieser wird im Brennstoffzellen-Heizgerät direkt aus dem Erdgas im sogenannten Reformer mithilfe von Wasserdampf gewonnen.

Eine  zentrale Anlage  ist wiederum notwendig, da eine Brennstoffzellenheizung nur dann arbeitet, wenn Wärme und Strom auch abgenommen werden. Während die elektrische Energie auch ins öffentliche Netz eingespeist werden kann, muss die Wärme im Haus selbst abgenommen werden via  Warmwasserbereitung  und zentrale Wärmeverteilung an die Heizflächen. Besonders wichtig ist die richtige Auslegung der gesamten Anlage. Es empfiehlt sich, eine Komplettlösung für das Gebäude zu planen, womit auch die Unabhängigkeit von Energiepreisen und Versorgern erhöht wird.

Der  Wärmespeicher (Pufferspeicher) und die  Zusatzheizung  (Spitzenlastkessel) sorgen für eine lange und gleichmäßige Laufzeit der Heiztechnik. Denn eine Brennstoffzelle ist auf einen Grundlast-Wärmebedarf ausgelegt. Wird der Bedarf in den Wintermonaten überschritten, schaltet sich der Spitzenlastkessel ein. Viele Hersteller haben diesen bereits als Brennwertmodul integriert, was die Anlage insgesamt sehr kompakt macht.  

Wann arbeitet die Brennstoffzelle wirtschaftlich?

KWK-Anlagen wie die Brennstoffzelle arbeiten vor allem 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 entsprechend hoher Wärmebedarf für Heizung oder Warmwasser besteht (angesprochener Grund-Wärmebedarf). Da die Brennstoffzelle beide Energieformen – also Strom und Wärme – in einem ähnlichen Verhältnis erzeugt, gewinnt sie mehr Strom, als zum Beispiel ein BHKW. Aus diesem Grund arbeitet sie in neuen und gut sanierten Wohngebäuden mit niedrigem Energiebedarf besonders wirtschaftlich. Wann sich eine Brennstoffzelle für Eigenheimbesitzer lohnt, erklärt der Beitrag "Rentabilität der Brennstoffzellenheizung".

Lohnt sich die Brennstoffzellenheizung auch im Altbau?

Ausgeschlossen ist der Einsatz einer Brennstoffzelle in Altbauten nicht. Besser geeignet für den Altbau ist aber ein BHKW, da Altbauten in der Regel einen hohen Wärmebedarf haben. Entscheidend sind jedoch das zu beheizende Objekt und dessen energetischer Zustand. Einen umfangreichen Vergleich zwischen Brennstoffzelle und BHKW finden Sie in unserem Artikel "BHKW vs. Brennstoffzelle". Dort finden Sie alle Vor- und Nachteil der jeweiligen Systeme im Detail.

Was kostet eine Brennstoffzellenheizung?

Wie bei allen Heizgeräten setzen sich auch die Kosten einer Brennstoffzellenheizung aus verschiedenen Komponenten zusammen. Diese sind:

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

Kosten für den Gasanschluss

Da der Wasserstoff zum Betrieb der Brennstoffzellenheizung 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 bis 3.000 Euro. Sie können höher ausfallen, wenn die Entfernung zur öffentlichen Gasleitung groß ist.

Der zweite Teil des Gasanschlusses besteht aus den Leitungen im Gebäude selbst. Diese transportieren das Gas von der Hauptabsperreinrichtung zu allen Verbrauchern. Soll nur die Brennstoffzellenheizung angebunden werden, können Sie dabei mit etwa 1.000 bis 1.500 Euro rechnen.

Was ist, wenn kein Gasanschluss vorhanden ist oder gelegt werden kann?

Ist kein Gasanschluss 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. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die meisten auf dem Markt verfügbaren Modelle jedoch für das klassische Erdgas ausgelegt sind.

Kosten für das Brennstoffzellen-Heizgerät selbst

Für eine  Brennstoffzellenheizung im Einfamilienhaus  können Kosten von 20.000 bis 25.000 Euro anfallen. Die Preise für eine Brennstoffzellenheizung variieren jedoch stark nach Region, Hersteller sowie Dienstleister. Aufgrund dessen sind die angegebenen Kosten nur grobe Richtwerte und dienen der Orientierung. Nur eine individuelle Beratung und ein Termin vor Ort durch einen qualifizierten Fachbetrieb gibt Aufschluss über die Höhe der Kosten.

Förderung einer Heizung mit Brennstoffzelle

Unterstützung erhalten Sie über die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) oder den Steuerbonus für die Sanierung. Die Programme zur Förderung der Brennstoffzellenheizung gibt es für Gebäude im Bestand. Sie senken die Anschaffungskosten und sorgen somit für eine bessere Wirtschaftlichkeit. Wichtig zu wissen ist dabei, dass Sie die Zuschussförderung über die BEG nur erhalten, wenn die Brennstoffzellenheizung mit grünem Wasserstoff oder Biomethan arbeitet. Die steuerliche Förderung erhalten Sie auch bei dem Einsatz von Erdgas.

Wie hoch die Förderung ausfällt und wie Sie von den Vergünstigungen profitieren, erklären wir im Beitrag zur Förderung der Brennstoffzellenheizung.

Betriebskosten einer Brennstoffzellenheizung

Die Kosten für den Betrieb setzen sich aus Brennstoffkosten, Vergütungen und Einsparungen zusammen. Die größten Einsparungen erzielen Anlagenbesitzer dabei, wenn sie möglichst viel des erzeugten Stroms auch selbst verbrauchen. 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 43 Cent – dem Strompreis. 

Folgende Faktoren spielen für die Betriebskosten eine Rolle:

• energetischer Zustand des Gebäudes
• Heizverhalten der Gebäudenutzer 
• Menge des selbst genutzten Stroms 

Vor- und Nachteile im Überblick zusammengefasst

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