Brennstoffzellenheizung: Funktion, Kosten und Förderung

Strom und Wärme aus der Brennstoffzellenheizung

Abbildung: Viessmann Werke

Strom und Wärme mit einem Gerät erzeugen? Eine moderne Brennstoffzellenheizung macht das möglich. Sie setzt dazu auf Wasserstoff, der in einem kontrollierten Prozess mit Sauerstoff aus der Luft reagiert. Die sogenannte kalte Verbrennung sorgt dabei für sinkende Energiekosten, eine größere energetische Unabhängigkeit und saubereres Klima. Flüssiggas1.de erklärt, wie eine Brennstoffzellenheizung im Detail funktioniert. Außerdem informieren wir über Kosten und Fördermittel, die die Anschaffung attraktiver machen.

✅ Aktualisiert am 06.01.2021

Die Themen im Überblick:

Aufbau, Funktion und Arten moderner Brennstoffzellenheizungen

Die Brennstoffzellenheizung ist eine stromerzeugende Heizung, die Hausbesitzer mit elektrischer und thermischer Energie versorgt. Während Letztere wie bei einer konventionellen Öl- oder Flüssiggasheizung den Heiz- und Warmwasserwärmebedarf deckt, lässt sich der Strom ebenfalls im eigenen Haus verbrauchen. Aber wie funktioniert das eigentlich?

Brennstoffzellenheizung: Funktion setzt auf kalte Verbrennung

Geht es bei der Brennstoffzellenheizung um die Funktion, sprechen Experten von der sogenannten kalten Verbrennung. Dabei handelt es sich um einen Vorgang, den viele noch aus dem Chemieunterricht kennen. In der Schule ließen Lehrer Wasserstoff und Sauerstoff miteinander reagieren. Dabei genügte bereits der kleinste Funke, um eine gewaltige Explosion auszulösen. Eine Brennstoffzellenheizung basiert auf der gleichen Funktion, kommt allerdings ganz ohne Detonationen aus. Möglich ist das durch den Aufbau der Brennstoffzellen.Illustration Aufbau Brennstoffzelle

 

Diese bestehen aus zwei Elektroden, die durch einen ionendurchlässigen Elektrolyten (vorstellbar als teilweise durchlässige Membran) voneinander getrennt sind. An der ersten Elektrode sorgt ein aufgebrachter Katalysator dafür, dass sich Wasserstoffteilchen in Elektronen und Ionen aufteilen. Die Elektronen wandern dann über eine Leitung zur zweiten Elektrode, wobei Strom fließt. Die Ionen schlüpfen hingegen durch den Elektrolyten und verbinden sich auf der anderen Seite mit den Elektronen und Sauerstoff. Es entsteht Wasser. Außerdem setzt die Reaktion thermische Energie frei, die sich in das Heizsystem einspeisen lässt. Für die Funktion einer Brennstoffzellenheizung ist es nötig, viele kleine Brennstoffzellen zu sogenannten Stacks zu verbinden.

Diagramm Schaubild Brennstoffzelle

Reformer gewinnt Wasserstoff aus verschiedenen Energieträgern

Den Wasserstoff, der bei einer Brennstoffzellenheizung die Funktion ermöglicht, müssen Hausbesitzer aber nicht vor Ort lagern. Denn dieser lässt sich mit einem Reformer aus verschiedenen Rohstoffen herstellen. Üblich ist heute der Betrieb mit Erdgas, das über einen konventionellen Gasanschluss verfügbar ist. Aber auch Flüssiggas lässt sich einsetzen, um Strom und Wärme mit einer effizienten Brennstoffzellenheizung bereitstellen zu können. Der Rohstoff ist in einem Flüssiggastank lagerbar, wodurch er sich in vielen Regionen einsetzen lässt.

Alternative: Brennstoffzellen-Heizgerät mit Photovoltaik kombinieren

Wasserstoff für eine Brennstoffzellenheizung lässt sich auch komplett regenerativ herstellen. So zum Beispiel mit einer Photovoltaikanlage und einem Elektrolyseur. Die Photovoltaik hat dabei die Aufgabe, solare Strahlung in elektrische Energie umzuwandeln. Der Elektrolyseur nutzt dies dann, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Während der Sauerstoff an die Umgebung entweichen kann, lässt sich Wasserstoff in speziellen Tankanlagen sicheren Druckgasflaschen bevorraten und später im Brennstoffzellen-Heizgerät verwenden. Ein großer Vorteil dieser Technologie: Strom lässt sich anders als in konventionellen Stromspeichern auch über längere Zeiträume bevorraten.

Brennstoffzellenheizung für Hoch- und Niedertemperaturbetrieb

Geht es bei einer Brennstoffzellenheizung um die Funktion, lassen sich grundsätzlich zwei Arten unterscheiden: Die Hochtemperatur- und die Niedertemperatur-Brennstoffzellen. Erstere arbeiten bei Temperaturen von bis zu 1.000 Grad. Sie sind besonders leistungsstark, eignen sich durch ihre lange Aufwärm- und Vorlaufzeit allerdings nur in stationären Geräten. Ein typisches Beispiel ist das Heizen mit Brennstoffzelle.

Niedertemperatur-Brennstoffzellen kommen auch mit deutlich niedrigeren Betriebstemperaturen aus. Sie arbeiten mit etwa 100 Grad Celsius und sind sehr schnell einsatzbereit. Ein Grund, aus dem sich die Geräte vor allem für mobile Einsatzbereiche wie Fahrzeuge eignen. Da die verwendeten Materialien hier allerdings sensibel auf verschiedene Ausgangsstoffe reagieren, müssen sie mit möglichst reinem Wasserstoff versorgt werden. Um das gewährleisten zu können, ist ein Reformer im Aufbau meist unerlässlich.

Pufferspeicher und Spitzenlastmodule ergänzen die Brennstoffzelle

Brennstoffzellen-Heizgeräte arbeiten wirtschaftlich, wenn sie viel Strom erzeugen. Möglich ist das jedoch nur, wenn die Anlagen jedes Jahr viele Betriebsstunden arbeiten. Um das zu erreichen, legen Experten die Geräte grundsätzlich nach der thermischen Grundlast aus. Dabei handelt es sich um den Wärmebedarf, der weite Teile des Jahres vorhanden ist.

Um verhindern zu können, dass die Brennstoffzellen bei schwankenden Bedarfswerten immer wieder an- und ausgehen, kommen außerdem Pufferspeicher zum Einsatz. Diese nehmen überschüssige Wärme auf und bevorraten diese so lange, bis sie im Haus benötigt wird.

Flüssiggas Brennstoffzelle mach aus Propan Wasserstoff und damit Strom und Wärme

Zusätzliche Unterstützung durch Heizgeräte

Neben den Wärmespeichern ergänzen auch Zusatzheizgeräte die Brennstoffzellen. Dabei handelt es sich in der Regel um Erd- oder Flüssiggasheizungen mit Brennwerttechnik, die viele Hersteller direkt in die Brennstoffzellenanlage integrieren. Sie springen nur an sehr kalten Tagen an und stellen sicher, dass das Heizsystem Haus und Trinkwasser zu jeder Zeit warm bekommt.

Übrigens: Ungünstig ist die Kombination mit einer Solarthermie-Anlage. Denn diese deckt einen Teil des Wärmebedarfs im Haus und senkt somit auch die Laufzeit der Brennstoffzellen-Heizgeräte. Die Anlagen produzieren weniger Strom und arbeiten dadurch weniger wirtschaftlich.

Heizen mit Brennstoffzelle: Vorteile und typische Einsatzbereiche

Eine Brennstoffzellenheizung erzeugt Wärme und Strom mit sehr hohen Wirkungsgraden. Sie kommt mit geringen Emissionswerten aus und erreicht eine deutlich höhere Stromausbeute als andere BHKW-Technologien am Markt. Günstig ist außerdem der wartungsarme und geräuschlose Betrieb der innovativen Technik. Zu den größten Nachteilen der Brennstoffzellen-Heizgeräte zähen heute die hohen Anschaffungskosten. Außerdem stammt der Wasserstoff für die kalte Verbrennung oft noch aus fossilen Rohstoffen wie Erdgas, die erst nach und nach auf Bio umgestellt werden.

Vorteile der Brennstoffzellenheizung Nachteile der Brennstoffzellenheizung
hoher Wirkungsgrad bei der Strom- und Wärmegewinnung hohe Anschaffungskosten der noch jungen Technik
vergleichsweise niedrige Emissionswerte Aktuell noch Einsatz fossiler Rohstoffe bei Betrieb mit Erdgas
wartungsarmer und geräuschloser Betrieb

 

Einsatz der Brennstoffzellen-Heizung im Einfamilienhaus

Eine KWK-Anlage lohnt sich immer dann, wenn sie möglichst viel Strom erzeugt, den Verbraucher dann bestenfalls selbst nutzen. Auf diese Weise müssen sie weniger elektrische Energie einkaufen und können viel Geld sparen. Da die Stromausbeute einer Brennstoffzellenheizung im Vergleich zu anderen KWK-Systemen am Markt sehr hoch ist, lohnt sich ihr Einsatz auch in Einfamilienhäusern. Denn hier erzeugen die Geräte auch bei geringen Laufzeiten viel Strom. Neben dem Einsatz der Brennstoffzelle im Einfamilienhaus lohnt sich die Technik auch in Mehrfamilienhäusern und Nichtwohngebäuden.

Unser Tipp: Ob die Geräte am geplanten Einsatzort wirtschaftlich arbeiten, hängt von vielen Faktoren ab. Ein Energieexperte kann diese einschätzen und die zu erwartenden Einsparungen mit den Kosten vergleichen. Bevor Hausbesitzer eine Brennstoffzellenheizung kaufen, sollten sie die individuelle Beratung daher immer in Anspruch nehmen.

Flüssiggas-Brennstoffzellen für den mobilen Einsatz

Flüssiggas-Brennstoffzellen gewinnen Strom und Wärme auch aus Propan und Butan. Dass das funktioniert, beweisen zahlreiche Geräte, die es für mobile Anwendungen bereits zu kaufen gab. Neben der Flüssiggas-Brennstoffzelle eneramic vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) bot auch der Hersteller Truma mit der Vega ein solches Gerät an. Durch vergleichsweise hohe Kosten verschwand die Flüssiggas-Brennstoffzelle inzwischen allerdings vom Markt. Jetzt stehen aber neue, deutlich günstigere Geräte kurz vor der Markteinführung, wie zum Beispiel die eLecta 300 von Remeha.

Eine Brennstoffzellenheizung kaufen: Tests und Erfahrungen

Wer sich für einen Brennstoffzellenheizungs-Vergleich interessiert, findet heute Produkte der Markenhersteller Viessmann, Buderus (Bosch), SenerTec; SOLIDpower und Sunfire. Bei der Buderus Brennstoffzellenheizung BlueGEN handelt es sich dabei jedoch um ein Produkt aus dem Hause SOLIDpower, das seit der Kooperation der Unternehmen im Jahr 2018 von beiden Marken vertrieben wird. Die folgende Tabelle informiert über die wichtigsten Eigenschaften der Brennstoffzellenheizungen im Vergleich.

Eigenschaften            SOLIDpower / Buderus Brennstoffzellenheizung BlueGEN        Viessmann Brennstoffzellenheizung Vitovalor        SenerTec Brennstoffzellenheizung Dachs 0.8 Sunfire home
Typ Festoxidbrennstoffzelle (SOFC; Hochtemperatur) Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM; Niedertemperatur) Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM; Niedertemperatur) Festoxidbrennstoffzelle (SOFC; Hochtemperatur)
Brennstoff Erdgas Erdgas Erdgas Erdgas / Flüssiggas
Elektrische Leistung         1.500 Watt 750 Watt 750 Watt 750 Watt
Thermische Leistung         600 Watt 1.100 Watt 1.100 Watt 1.250 Watt
Elektrischer Wirkungsgrad            60 Prozent 37 Prozent 37 Prozent k. A.
Thermischer Wirkungsgrad            25 Prozent 53 Prozent 55 Prozent k. A.
Gesamt- Wirkungsgrad            85 Prozent 90 Prozent 92 Prozent Jahreszeitbedingte Effizienz gemäß Ökodesign-Richtlinie 125 %
Stack-lebensdauer 80.000 Betriebs-stunden 80.000 Betriebs-stunden 80.000 Betriebs-stunden und 4.000 Start-Stopp-Zyklen k. A.
Zusatzheizgerät integriert? Nein (mit separaten Geräten Erweiterbar) Ja (auf Wunsch mit und ohne integriertes Brennwertmodul) Ja (Brennwertmodul) Nein (mit separaten Geräten Erweiterbar)
Abmessungen (Höhe/Breite/ Tiefe)  101 x 60 x 66 cm 180 x 60 x 60 cm (Grundmodul) + 180 x 60 x 60 cm (Speichermodul) 185 x 150 x 107 cm 115 x 68 x 60 cm
Am Markt verfügbar? ja ja ja ja

Kosten und Fördermittel für Brennstoffzellen-Heizgeräte

Wer eine Brennstoffzellenheizung kaufen möchte, interessiert sich auch für die Kosten. Denn diese sind ein entscheidender Faktor, wenn es um die Wirtschaftlichkeit geht. Insgesamt belaufen sich die Preise heute auf etwa 25.000 bis 35.000 Euro. Wer eine bestehende Brennwertheizung ergänzen möchte, kann bei einer Brennstoffzellenheizung mit geringeren Kosten rechnen. Denn dann sind Zusatzheizgeräte und Pufferspeicher oft nicht erforderlich.

Übrigens: Ein Grund für die vergleichsweise hohen Preise sind die geringen Stückzahlen, mit denen Hersteller die Geräte heute produzieren. Steigen diese in Zukunft an, ist auch mit sinkenden Anschaffungskosten zu rechnen.

Brennstoffzellenheizung: Förderung der staatlichen Förderbank KfW

Möchten Hausbesitzer eine Erd- oder Flüssiggas-Brennstoffzellenheizung kaufen und Kosten sparen, können sie Fördermittel der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) in Anspruch nehmen. Über das Programm 433 „Energieeffizient Bauen und Sanieren – Zuschuss Brennstoffzelle“ vergibt diese heute hohe Zuschüsse von bis zu 28.800 Euro. Diese setzen sich dabei aus zwei Teilen zusammen:

  • einem Festbetrag in Höhe von 5.700 Euro
  • einem Leistungsbetrag in Höhe von 450 Euro pro angefangener 100 Watt elektrische Leistung

Förderbar sind dabei:

  • die Kosten für Anschaffung und Einbau der Brennstoffzellenheizung (inklusive Ausgaben für integriertes Zusatzheizgerät)
  • die Ausgaben für den Vollwartungsvertrag über einen Zeitraum von 10 Jahren
  • die Kosten für einen Energie-Effizienz-Experten, der bei der Beantragung Pflicht ist

Insgesamt ist die Brennstoffzellenheizungs-Förderung der KfW auf 40 Prozent der anrechenbaren Kosten begrenzt.

Wer die Mittel für den Einbau der Technik in neue oder bestehende Wohn- sowie Nichtwohngebäude beantragen möchte, muss das vor der Beauftragung eines Fachhandwerkers erledigen. Anlaufstelle ist hier das Online-Zuschuss-Portal der KfW.

Wichtig: Bevor Interessenten den Antrag stellen können, muss ein zugelassener Experte für Energieeffizienz das Vorhaben prüfen und die Einhaltung der KfW-Anforderungen bestätigen.

Steuerbonus für die Sanierung auch bei Anschaffung einer KWK-Anlage

Seit Januar 2020 gibt es einen neuen Steuerbonus für die Sanierung. Mit diesem können Hausbesitzer 20 Prozent ihrer Sanierungskosten steuerlich geltend machen. Über einen Zeitraum von drei Jahren sind dabei insgesamt 40.000 Euro absetzbar. Die steuerliche Förderung gibt es neben Sanierungsmaßnahmen am Haus (Dämmung, Fenster-, Türentausch) auch für den Einbau einer neuen Heizung – so auch für eine Erd- oder Flüssiggas-Brennstoffzelle.

Wichtig: Das Haus muss selbst bewohnt und zum Zeitpunkt der Sanierung älter als 10 Jahre sein. Der Steuerbonus ist allerdings nicht mit der KfW-Förderung kombinierbar.

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