Brennstoffzellen: Hocheffiziente Strom- und Wärmeerzeugung im eigenen Haus

Eine Brennstoffzelle ist eine KWK-Anlage, die die chemische Energie eines Brennstoffs im Gegensatz zu motorbetriebenen BHKWs direkt in Elektrizität und Wärme umwandelt und daher äußerst effizient arbeitet.

Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), zu denen die Brennstoffzellen gehören, sind eine attraktive Möglichkeit, ein dauerhaft umweltgerechtes und flexibles Energiesystem zu gewährleisten und einen Teil des Energiebedarfs sicher und hocheffizient bereitzustellen.

Im größeren und mittleren Leistungsbereich (Industrie, Gewerbe, Quartiersversorgung) kommen vor allem Verbrennungsmotoren (Otto-Motoren) in Blockheizkraftwerken als KWK-Anlagen zum Einsatz. Im sehr kleinen Leistungsbereich für Wohngebäude und Kleingewerbe werden dagegen stationäre Brennstoffzellen zunehmend  interessanter. Eine Brennstoffzelle erzeugt Strom und Wärme in einer chemischen Reaktion ohne einen Verbrennungsprozess. Etwas umgangssprachlich wird teilweise auch von einer „kalten Verbrennung" gesprochen.

Dabei weist die Brennstoffzelle im Gegensatz zu den anderen KWK-Anlagen aufgrund ihrer direkten elektro-chemischen Umwandlung weniger Prozessstufen bei der Strom- und Wärmeerzeugung auf. Im Wesentlichen besteht sie aus zwei Elektroden – der Anode und der Kathode –, welche durch einen Elektrolyten voneinander getrennt werden. Der der Anode kontinuierlich zugeführte Wasserstoff wird mit einem Katalysator

in Elektronen und Protonen zerlegt. Während die Protonen durch den Elektrolyten zur Kathode transportiert werden, verrichten die Elektronen auf ihrem Weg über einen externen Stromkreis zur Kathode elektrische Arbeit. An der Kathode verbinden sich Protonen und Elektronen mit dem zugeführten Sauerstoff zu Wasser(dampf).

Da der benötigte Wasserstoff für die Brennstoffzellen häufig noch nicht direkt per Leitung oder Tank zur Verfügung steht, wird dieser innerhalb der Brennstoffzelle aus einem Brenngas selbst hergestellt. Dieser Prozess nennt sich Reformierung und ermöglicht den Betrieb einer Brennstoffzellenheizung mit Erdgas oder Flüssiggas.

Brennstoffzellenheizungen sind in Leistungsgrößen von weniger als 1 kWel bis zur mehr als 1 MWel am Markt verfügbar. Dabei entwickelt sich heute insbesondere die durch Förderprogramme unterstützte Anwendung in Ein- und Zwei-familienhäusern schnell und verschafft dieser hocheffizienten Anwendung große Aufmerksamkeit.

Durch die außerordentlich hohe Energieeffizienz von Brennstoff-zellenheizungen spart diese große Mengen CO2 gegenüber konventionellen Heizungen mit Erdgas oder Heizöl ein. Auf diese Weise wird die Brennstoffzelle zu einem wichtigen Element der Energie- und Wärmewende in Deutschland und ermöglicht den Nutzern, nicht nur Verbraucher, sondern auch Erzeuger von Strom – also ein sog. Prosumer – zu werden.

Broschüre

Brennstoffzellen für die Hausenergieversorgung
In der laufend aktualisierten Broschüre finden Sie Herstellerangaben und die technologischen Prinzipien von Brennstoffzellen. Darüber hinaus...

ASUE Broschüre Brennstoffzellen für die Hausenergieversorgung

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Aufbau einer erdgasbetriebenen Brennstoffzellenanlage
Brennstoffzellen sind äußerst effiziente und umweltschonende Energieum-wandlungsmaschinen. Bedingt durch ihr Funktionsprinzip zeichnen sie sich durch hohe Wirkungsgrade und niedrige...

ASUE Grafik Prinzip und Prozess einer Brennstoffzelle

Für wen eignen sich Brennstoffzellen?

Neubau & Sanierung

Brennstoffzellen eignen sich sowohl als Heizung für das neugebaute Gebäude mit hohem Energiestandard als auch als Modernisierungsmaßnahme für das Bestandsgebäude. Die meisten Modelle am Markt setzen Erdgas als Energieträger ein. Für diese Typen ist ein Erdgasanschluss nötig. Als Ersatz für die bestehende Ölheizung in Gebäuden ohne Erdgasanschluss gibt es aber auch Brennstoffzellen, die mit Flüssiggas arbeiten. Hiervon profitieren vor allem etwas abgelegene Häuser. Auch die Größe des Gebäudes spielt zunächst keine Rolle, denn es gibt unterschiedliche Modelle für den Einsatz im Einfamilienhaus bis hin zum kleineren Gewerbebetrieb.

Integrierte Geräte mit Spitzenlastwärmeerzeuger

Die Wärmeerzeugung in der Brennstoffzelle steht in einem festen Verhältnis zur Stromerzeugung und liefert vor allem die Wärme für die Grund- und Mittellast des Gebäudes. Damit das Gebäude auch an sehr kalten Tagen ausreichend mit Wärme

versorgt wird, sind viele Brennstoff-zellenheizungen mit einem Spitzen-lastbrenner und einem Warmwasser-speicher im Gerät ausgestattet. Die Brennstoffzellenheizung wird damit zum vollwertigen Ersatz für die bestehende Heizung.

Auch Beistellgeräte zur bestehenden Heizung sind möglich

Allerdings ist es auch möglich, eine Brennstoffzelle mit einer noch funktionierenden Heizung zu kombinieren. Hier spricht der Fachmann von einem „Beistellgerät“, welches ohne den Spitzenlastbrenner und ohne den Warmwasserspeicher in das bestehende Heizungssystem integriert wird. Die erzeugte Wärme der Brennstoffzelle wird der Wärme im bestehenden Heizkreissystem beigemischt, so dass die alte Heizung seltener betrieben werden muss. Auf diese Weise lässt sich bereits vor der umfassenden Heizungs-erneuerung eigener Strom erzeugen und gleichzeitig die Effizienz der alten Heizung steigern.

Broschüre

Wirtschaftliches Sanieren mit Brennstoffzelle – Das Einfamilienhaus
Für Eigentümer von älteren Einfamilien-häusern gibt es eine Reihe von
technischen Möglichkeiten, den Energieverbrauch maßgeblich zu senken und...

Wirtschaftliches Sanieren mit Brennstoffzelle: Das Einfamilienhaus

Betriebsweisen von Brennstoffzellen

Den selbst erzeugten Strom direkt im Haus verbrauchen

Der in der Brennstoffzelle erzeugte Strom kann im Haus selbst genutzt oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Genau wie bei Photovoltaik-Anlagen haben Betreiber von Brennstoffzellen das gesetzlich festgelegte Recht (in diesem Fall das KWK-Gesetz), die erzeugten Strommengen in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen und eine Vergütung vom zuständigen Netzbetreiber zu erhalten.

Grundsätzlich empfiehlt es sich allerdings, einen möglichst hohen Anteil des selbst erzeugten Stroms im Haus selbst zu nutzen, um den Strombezug aus dem Netz und damit die Stromrechnung zu verringern. Nur wenn die Brennstoffzelle mehr Strom erzeugt, als gerade im Haus benötigt wird, sollte dieser eingespeist werden.

Denn für die eingespeisten Strommengen gibt es zwar eine gesetzlich garantierte Einspeise-vergütung vom örtlichen Stromnetz-betreiber. Da sich diese aber an den Börsenpreisen für Grundlast-strom orientiert, lohnt sich normalerweise eher die Selbstnutzung.

In Zukunft wird die Bedeutung von selbst erzeugtem Strom noch zunehmen, wenn Elektroautos als Verbraucher im Haushalt dazu kommen. Ein Teil der für das Elektroauto benötigten Strommengen kann dann selbst über die Brennstoffzelle erzeugt werden. Auch Batteriespeicher können in Zukunft den Eigenverbrauchsanteil von Brennstoffzellenheizungen stark erhöhen.

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Stromganglinie und Stromerzeugung in einem Mehrfamilienhaus
Je nach Bedarf im Gebäude kann der erzeugte Strom selbst verbraucht oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.

ASUE Grafik Eigenverbrauch und Einspeisung einer Brennstoffzelle

Wirtschaftlichkeit von Brennstoffzellen

Stromeinspeisung und Stromeigenverbrauch

Brennstoffzellen sind teurer in der Anschaffung als einige andere Heizungstechnologien. Dafür produzieren sie Strom, wodurch sich die eigene Stromrechnung verringert bzw. für den eine Einspeisevergütung gewährt wird.

Der Strom, der im Haus selbst verbraucht wird, kann also zum Einen mit einem üblichen Haushalts-strompreis bei einem Stromver-sorgungsunternehmen bewertet werden, z. B. 30 Cent/kWh. Zusätzlich erhalten Betreiber von Brennstoffzellenheizungen einen KWK-Zuschlag in Höhe von 8 Cent/kWh. Selbst verbrauchte Strommengen können also in Summe mit etwa
38 Cent/kWh bewertet werden.

Für die eingespeisten Strommengen erhalten Brennstoffzellenbetreiber vom zuständigen Netzbetreiber sowohl eine Einspeisevergütung als auch einen KWK-Zuschlag und darüber hinaus die sog. vermiedenen Netznutzungs-entgelte. Die Einspeisevergütung orientiert sich Monat für Monat an den durchschnittlichen Grundlast-Börsenstrompreisen. Diese lagen in den vergangenen Jahren etwa bei 3 bis 5 Cent/kWh.

Hinzu addiert werden müssen der KWK-Zuschlag für eingespeiste Strommengen in Höhe von 16 Cent/kWh sowie etwa 0,5 Cent/kWh für die vermiedenen Netznutzungs-entgelte. Es resultiert ein Betrag

von etwa 20 Cent/kWh für die eingespeisten Strommengen aus der Brennstoffzelle.

Dauer der KWK-Zuschläge

Die KWK-Zuschläge für die einge-speisten und selbst verbrauchten Strommengen werden insgesamt für 30.000 Vollbenutzungsstunden der Brennstoffzelle gezahlt. Die jährliche Auszahlung der KWK-Zuschläge ist außerdem begrenzt (die exakte Obergrenze ist abhängig vom Betriebsjahr).

Für diese komplizierten Regelungen gibt es für kleine Brennstoffzellen-heizungen bis 2 kWel eine Ausnahme. Mit dieser können Betreiber die KWK-Zuschläge sofort nach Inbetriebnahme kumuliert und pauschaliert ausgezahlt bekommen.

Fördermittel

Da Brennstoffzellenheizungen große Mengen CO2 gegenüber herkömmlichen Heizungen einsparen können, werden sie entsprechend staatlich gefördert. Zusätzlich zu den KWK-Zuschlägen und der Einspeisevergütung erhalten Betreiber einen einmaligen Investitionszuschuss nach dem KfW-Programm 433 – Energieeffizient Sanieren – Zuschuss Brennstoffzelle. Details zum Förderprogramm haben wir für Sie unter www.asue.de/foerdermittel zusammengestellt.

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KWK-Zuschlagszahlungen für Brennstoffzellen
Die Höhe der KWK-Zuschläge für Brennstoffzellen hängt von der elektrischen Leistung der Anlage ab.

ASUE Grafik KWK-Zuschläge Brennstoffzelle

Excel-Tool: Auslegung von Heizungen mit Brennstoffzelle

Brennstoffzellen im Gebäudeenergiegesetz (GEG)

Brennstoffzellenheizungen bieten auch Vorteile bei der Berechnung der energetischen Effizienz von Gebäuden. Gerade beim Neubau von Wohn- und Nichtwohngebäuden müssen die strengen energetischen Vorgaben des GEG erfüllt werden.

Diese Anforderungen fußen auf der Norm DIN V 18599 und richten sich insbesondere an die Effizienz der verwendeten Bauteile (Wärmedurch-gangskoeffizienten) sowie der Heizung. Zur Beurteilung der Heizung wird über Primärenergiefaktoren der gesamte Primärenergiebedarf im Zusammen-spiel mit dem Dämmstandard des Gebäudes ermittelt.

Brennstoffzellen erreichen bei diesen Berechnungen aufgrund ihrer Effizienz sehr gute Primärenergiebedarfswerte, so dass sich mit ihnen auch hohe Energiestandards wie KfW-Effizienz-haus 55 oder 40 erreichen lassen.

Brennstoffzellenheizungen, die mit Erdgas betrieben werden, können zunächst mit dem Primärenergiefaktor für Erdgas von 1,1 angesetzt werden. Allerdings erzeugt die Brennstoffzelle auch Strom, der berücksichtigt werden muss. In der Berechnungsvorschrift wird der gesamte erzeugte Strom der Brennstoffzelle – unabhängig davon, ob er eingespeist oder im Gebäude verbraucht wird – mit dem Primärenergiefaktor für den sog. Verdrängungsstrommix in Höhe von 1,8 bewertet und vom restlichen Primärenergiebedarf in Abzug gebracht.

Nicht ganz trivial ist allerdings die Berechnung, wie viel Strom die Brennstoffzelle im betrachteten Objekt überhaupt erzeugen wird. Hierfür existiert unabhängig von der DIN V 18599 eine eigene technische Norm, die DIN SPEC 32737.

Mit dieser Norm lassen sich die energetischen Parameter von Brennstoffzellen in Gebäuden errechnen – die Menge der gesamten Stromerzeugung, die erzeugten Wärmemengen sowohl aus der Brennstoffzelle als auch ggf. aus dem in der Heizungsanlage integrierten Spitzenlast-Gasbrennwertgerät, jährliche Betriebsstunden sowie Wirkungsgrade.

Excel-Rechner als Hilfestellung

Um die Berechnung von Brennstoff-zellen im Rahmen des GEG maßgeblich zu vereinfachen, hat die Initiative Brennstoffzelle eine kostenlose Anwendungshilfe erstellt, die auf ihrer Website heruntergeladen werden kann. Es handelt sich um ein Excel-basiertes Programm, welches die Rechenschritte der DIN SPEC 32737 ausführt. Lediglich Angaben zum Gebäude müssen eingegeben und die gewünschte Brennstoffzelle ausgewählt werden. Sämtliche technische Daten aller am Markt verfügbaren Brennstoff-zellenheizungen sind bereits im Programm hinterlegt.

Im Ergebnis erhalten Anwendende den Primärenergiefaktor des gesamten Heizungssystems, mit dem in der handelsüblichen Softwarelösung für Berechnungen gemäß GEG weitergearbeitet werden kann.

Weitere Informationen und das Programm zum Download finden Sie auf der Website der Initiative Brennstoffzelle: https://zukunft.erdgas.info/ueber-zukunft-erdgas/plattformen-zukunft-erdgas/initiative-brennstoffzelle/enev-berechnungshilfe.

Excel-Tool

Die energetische Bewertung von Brennstoffzellenheizungen
Unterstützung zur Berechnung im Gebäudeenergiegesetz

Excel-Tool zur energetischen Bewertung von Brennstoffzellenheizungen