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Brennstoffzellen-Heizgeräte

Grüne Alternative oder Zukunftsmusik?

Im Zeitalter der Energiewende sind umweltfreundliche Lösungen wichtig. Brennstoffzellen-Heizgeräte sollen schon bald deutsche Eigenheime effizient mit Strom und Wärme versorgen. Verschiedene Feldversuche laufen momentan auf Hochtouren und liefern wichtige Ergebnisse für die Hersteller. // Von Christian Alo und Artem Sandler

9.12.2015// Das Haus der Familie Fischer fällt in der unscheinbaren Wohnsiedlung in Köln-Hohenhaus kaum auf. Doch im Untergrund des Einfamilienhauses ist eine wahre Revolution im Gange. Seit Oktober erzeugt ein Hightech-Energiewandler mit Brennstoffzellentechnik einen Teil ihres Strom- und Wärmebedarfs in ihrem Keller. Bei der Anlage handelt es sich um Vaillants Brennstoffzellen-Heizgerät der fünften Gerätegeneration, das 2013 zum ersten Mal einem breiteren Publikum vorgestellt wurde. Drei Jahre lang soll das Gerät dem Unternehmen wichtige Daten für die Weiterentwicklung bereitstellen. Zum Ende der Testphase wird Fischers Anlage durch ein zukünftiges Serienprodukt von Vaillant ausgetauscht. Die Komplettumstellung im Keller des Einfamilienhauses kostete rund 22500 Euro und wurde vom Energieversorger RheinEnergie und dem europäischen Förderprojekt ene.field mit 5.000 Euro bezuschusst.

Interview - Stephan Fischer

Wärmeerzeugung ist nicht alles

Im Gegensatz zu anderen gasbetriebenen Anlagen produzieren Brennstoffzellen Wärme ohne jegliche Verbrennung. Dazu bedienen sie sich der chemischen Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft. Bei dem Vorgang wird Energie in Form von Wärme freigesetzt. Den Wasserstoff gewinnt die Brennstoffzelle aus Erd- oder Biogas, das aus dem normalen Gasnetz bezogen werden kann.  Das Interessante am Brennstoffzellen-Heizgerät ist, dass nicht allein die Wärmeerzeugung im Vordergrund steht. Eine ebenso wichtige Aufgabe ist die Stromproduktion, die gleichzeitig abläuft.
Den genauen Vorgang in der Brennstoffzelle im Video: 

Funktionsweise der Brennstoffzelle

Vorteile der verbrauchernahen Versorgung

Da die Strom- und Wärmeversorgung zuhause erfolgt, kann die umgewandelte Energie ohne Verluste genutzt werden.  "Kein Wunder also, dass die Heizgeräte elektrische Wirkungsgrade von 30 bis 60 Prozent und ein Gesamtwirkungsgrad von über 90 Prozent erzielen können", so Stefanie Meilinger, Professorin für Nachhaltige Technologie an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg. Zudem sorgt die effiziente Energienutzung für Kohlendioxid-Einsparungen von bis zu 30 Prozent. Hingegen ist der Wirkungsgrad von herkömmlichen Kraftwerken viel niedriger, weil die entstehende Abwärme bei der Stromproduktion nicht vom Verbraucher genutzt werden kann.
Auch ein emissionsfreier Betrieb ist laut Meilinger möglich:

Kommentar - Prof. Stefanie Meilinger


Wenn der Winter kommt…

Die Funktionsweise der Brennstoffzellen-Heizgeräte hat allerdings auch Nachteile. Bei Frost und Schnee reicht die erzeugte Wärme nicht aus, um den kompletten Wärmebedarf abzudecken. In dem Fall kommt ein konventioneller Gasbrennwert-Kessel zum Einsatz, der zusätzliche Wärme zur Raum- und Warmwasserbeheizung erzeugt. Gleichzeitig produziert die Anlage aber mehr Strom als benötigt wird. Diesen Überschuss kann der Verbraucher für eine kleine Vergütung ins öffentliche Netz einspeisen.     
Im Sommer geschieht genau das Gegenteil: Benötigt der Verbraucher keine Wärme, kann das Heizgerät auch keinen Strom erzeugen. Die einzige Möglichkeit wäre die Wärme an die Umwelt abzugeben, in dem Wissen einen drastischen Energieverlust hinnehmen zu müssen.

Der beschwerliche Weg nach Deutschland

In Deutschland lassen die Hightech-Energiewandler noch immer auf sich warten. Trotz jahrelanger Entwicklung und Erprobung sind die Geräte der deutschen Hersteller noch immer nicht wettbewerbsfähig. Aktuelle Prototypen sind zwar serientauglich, scheitern jedoch, an den Produktionskosten. Auch Experten sehen das aktuelle Kosten-Nutzen-Verhältnis kritisch. "Die Amortisationszeit hängt zur Zeit sehr stark von der jeweiligen Fördersituation ab und schwankt zwischen fünf und 20 Jahren", so Ludger Blum, Forschungszentrum Jülich. Um die Kosten und den Raumbedarf zu senken, beschäftigen sich Unternehmen für Heiztechnik zunehmend mit Anlagenoptimierung. Ein Beispiel wie das funktionieren kann, präsentierte Vaillant Anfang des Jahres mit seinem Gerät der sechsten Generation. Die All-In-One-Lösung bietet genug Platz für alle Komponenten innerhalb eines Gehäuses und unterscheidet sich damit grundlegend von den Vorgängerversionen.

Japan macht‘s vor

Seit der nuklearen Katastrophe von Fukushima im Jahr 2011 ist Japan sehr bemüht, der klimaschädlichen Energieerzeugung den Rücken zu kehren. Vor allem die Brennstoffzellentechnologie konnte sich dort als grüne Alternative etablieren. Unter der Dachmarke "Ene-Farm" verkauften japanische Hersteller bereits über 120 000 Brennstoffzellen-Heizgeräte. Die Fördergelder des Staates betragen seit der Markteinführung 850 Millionen Euro, werden aber aufgrund der großen Nachfrage schon wieder verringert. Trotzdem ruhen sich Staat und Industrie nicht auf dieser Leistung aus. So setzten sie sich beispielsweise für die kommenden 14 Jahre das Ziel 5,3 Millionen Geräte in japanischen Haushalten zu installieren und den flächendeckenden Ausbau von Wasserstoffpiplines zu beginnen. Darüber hinaus sehen japanische Unternehmen großes Potenzial für ihre Brennstoffzellen-Heizgeräte am westlichen Markt. Erst letztes Jahr gelang es dem Heiztechnikunternehmen Viessmann in Kooperation mit Panasonic die ersten Brennstoffzellen-Heizgeräte in Deutschland einzuführen. Doch trotz bewehrter Technologie bleibt ein deutschlandweiter Erfolg fraglich. "Ob Brennstoffzellen-Heizgeräte eine Alternative zur konventionellen Technik sein wird, entscheidet sich letztlich am Preis", prognostiziert Blum. Bisher belaufen sich die Stückzahlen von Viessmanns Gerät auf weniger als 100 Stück und werden für 19500 Euro angeboten.

Brennstoffzellen-Heizgeräte, Foto: Vaillant; und Statistik des Statistischen Bundesamtes

Von Christian Alo und Artem Sandler, 3. Semester, Technikjournalismus

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Zahlen im Überblick

Das Brennstoffzellen-Heizgerät:

Der elektrische Wirkungsgrad beträgt 30 bis 60 Prozent.
Der Gesamtwirkungsgrad (elektrisch + thermisch) beträgt über 90 Prozent.

Circa 30 Prozent der CO2-Emissionen können eingespart werden.
Circa 1550 der Brennstoffzellen-Heizgeräte wurden in zwölf EU-Mitgliedsstaaten installiert.
Bereits 120000 BSZ-Heizgeräte sind in japanischen Haushalten installiert worden.
Seit der Markteinführung investierte Japan 850 Millionen Euro an Fördergeldern in die Technologie.