Brennstoffzelle: Das stromerzeugende Heizsystem

Die Brennstoffzelle ist ein Heizgerät, das nicht nur Warmwasser und Wärme für Gebäude, sondern auch Strom zur Deckung des eigenen Bedarfs erzeugt. Sie nutzt dafür die sogenannte Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Im Gegensatz zu anderen KWK-Technologien wie BHKW oder Heizungen mit Stirling-Motor funktioniert das aber nicht über die klassische Verbrennung, sondern über einen chemischen Prozess, bei dem Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert. Doch wie funktioniert das genau, wann lohnt sich der Einbau in ein Einfamilienhaus und mit welchen Kosten müssen Hausbesitzer rechnen?

Was ist eine Brennstoffzelle?

Wie oben beschrieben, handelt es sich bei der Brennstoffzellenheizung um ein System, das etwas 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). 

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 in Form von ungenutzter Wärme 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. Die Geräte sind mittlerweile für den Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern optimiert und arbeiten wirtschaftlich. Wichtig ist hier, dass neben dem Strom auch die Wärme im eigenen Haus sinnvoll abgenommen wird. Denn nur so kann wiederum Strom effizient erzeugt werden. 

Wann sich eine Brennstoffzelle für Eigenheimbesitzer lohnt, erklärt der Beitrag "Rentabilität der Brennstoffzellenheizung".

Wie funktioniert die Brennstoffzellenheizung?

Eine Brennstoffzelle produziert Strom, Wärme und Wasser über die bereits angesprochene kalte Verbrennung. So nennt man den elektrochemischen Prozess, bei dem Wasser- und Sauerstoff miteinander reagieren. Dafür besteht eine Brennstoffzelle aus zwei Elektroden, die durch eine bedingt durchlässige Membran 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.

Grafik zeigt den Vorgang der kalten Verbrennung. 
© 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. Details dazu lesen Sie in unserem ausführlichen Beitrag zur: Funktionsweise der Brennstoffzelle.

Mehr als eine einzige Brennstoffzelle

Generell sind die Energiemengen einer einzelnen Zelle so niedrig, dass für die stromerzeugende Brennstoffzellenheizung mehrere dieser Elemente zu sogenannten Stacks verbunden werden. 

Voraussetzungen für eine Brennstoffzellenheizung

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 zumindestens in Planung sein.
  • Ein Wärmespeicher ist in das System zu integrieren.
  • Eine Zusatzheizung sollte installiert werden.

Warum sorgen bestimmte Voraussetzungen für einen effizienten Betrieb der Brennstoffzelle?

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.

Der Wärmespeicher, zum Beispiel in Form eines Pufferspeichers, 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 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 diesem Grund arbeitet sie auch in modernen Wohngebäuden mit niedrigem Energiebedarf besonders wirtschaftlich.

Die Heizung mit Brennstoffzelle auch im Altbau?

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.

Kosten einer Brennstoffzelle

Wie bei allen Heizgeräten setzen sich auch die Kosten einer Brennstoffzellen-Heizung 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 Brennstoffzellen-Heizung angebunden werden, können Sie dabei mit etwa 1.000 bis 1.500 Euro rechnen. 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.

Was kostet die Brennstoffzelle selbst?

Stromerzeugende Heizungen sind eine junge und komplexe Technologie. Für eine Brennstoffzellenheizung im Einfamilienhaus können dabei 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. 

Förderung einer Heizung mit Brennstoffzelle

Unterstützung bekommen Sie aber von der KfW (Kreditanstalt für Wiederaufbau), welche die innovative Technologie mit hohen Zuschüssen unterstützt. 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“.

Beispiel: Eine Brennstoffzellenheizung mit 750 Watt elektrischer Leistung wird 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, muss die Förderung noch vor dem Beginn der Maßnahme beantragt werden.

Zusätzlich können Sie sich den selbst erzeugten Strom über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) 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. 

Betriebskosten einer Brennstoffzelle

Die Kosten, die in Betrieb einer Brennstoffzelle entstehen, setzen sich aus Brennstoffkosten, Vergütungen und Einsparungen zusammen. Die größten Einsparungen erzielen Anlagenbesitzer 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.

Dabei spielen sehr unterschiedliche Faktoren eine Rolle:

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

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 Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle im Überblick:

VorteileNachteile
Gemeinsame Strom- und Wärmeerzeugung mit hohem WirkungsgradAbhängigkeit von Gas und dessen Preisentwicklung
Wirtschaftlicher Betrieb auch in Gebäuden mit niedrigem WärmebedarfVergleichsweise hohe Anschaffungskosten
Kompakte Anlagentechnik ohne LärmRegelmäßige Wartungsarbeiten an der Brennstoffzellenheizung
Minimierung der Energiekosten und Steigerung der Unabhängigkeit von Strompreisentwicklung

Hohe staatliche Förderungen
Klimaschonende Wirkung und Senkung von CO2

Und wenn Sie Ihr soeben gewonnenes Wissen spielerisch testen möchten, sind Sie bei unserem Quiz zur Brennstoffzellenheizung genau richtig! 

Alle wichtigen Fakten zur Brennstoffzelle auf einen Blick aufgearbeitet, finden sie in der "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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