Brenn­stoff­zelle

Funktion, Vorteile, Modelle

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Einleitung und Definition: Was ist eine Brennstoffzelle?

Die Brennstoffzelle basiert auf einer Idee, die bereits 180 Jahre zurückreicht. Was unter dem Begriff “Brennstoffzelle” zusammengefasst wird, ist eine elektrochemische Reaktion aus Wasserstoff und Sauerstoff Die Brennstoffzelle kann auf diese Weise Strom und Wärmeenergie in Form von Warmwasser produzieren. Dieses Prinzip wird auch als “kalte Verbrennung” beschrieben und eignet sich für vielfältige Anwendungsbereiche – unter anderem für die Raumfahrttechnik, die Automobilindustrie und das Transportwesen. 

Die dezentrale Stromversorgung durch Brennstoffzellen ist hierzulande noch in der Entwicklung begriffenAls Vorreiter für diesen Schritt hin zu umweltfreundlicher Energiegewinnung ist Japan anzusehen. Dort produzieren bereits seit Jahren viele Haushalte unabhängig Wärme und Strom. Dadurch schwindet die Abhängigkeit von den großen Versorgern in dem von Erdbeben häufig geplagten Land. 

Was ist eine Brennstoffzelle und wie ist sie aufgebaut?

  • Erzeugung von Strom und Wärmeenergie (“kalte Verbrennung”)
  • Elektrochemische Reaktion aus Wasserstoff und Sauerstoff
  • Durch die Reaktion von zwei integrierten Elektroden (Anode und Kathode) entsteht Energie
  • Chemische Reaktion zwischen dem im Erdgas enthaltenen Wasserstoff und dem Sauerstoff aus der Luft (Knallgasreaktion, auch “kalte Verbrennung”)

Aufbau und chemische Reaktion in der Brennstoffzelle

Der Aufbau von Brennstoffzellen wird häufig mit demjenigen von Batterien verglichen. Denn auch in Brennstoffzellen sind zwei Elektroden integriert, durch deren Reaktion Energie entsteht. Anode (positive Ladung) und Kathode (negative Ladung) werden durch ein Elektrolyt voneinander getrennt, das den Ionen-Transport gewährleistet. Da das Elektrolyt für die Ionen durchlässig ist, wird es auch als Elektrolytmembran bezeichnet. Brennstoffzellen Stapel werden auch “Stack” genannt. Das hintereinander schalten der Zellen ermöglicht eine höhere Spannung. 

Die chemische Reaktion ereignet sich zwischen dem im Erdgas enthaltenen Wasserstoff und dem Sauerstoff aus der Luft, der künstlich zugeführt wird. Diese kontrolliert stattfindende Knallgasreaktion wird auch als “kalte Verbrennung” bezeichnet. Durch die räumliche Trennung der beiden Stoffe wird die Reaktion von Anode und Kathode in der Brennstoffzelle verlangsamt.  

So lässt sich die Technologie der Brennstoffzelle als Wandlertechnik beschreiben, da sie die durch Wasserstoff und Sauerstoff gewonnene Reaktionsenergie in elektrischen StromWärme und Warmwasser umwandeln kann. 

Grafik: Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle

Welche Komponenten wie funktionieren

Gasanschluss: darüber gelangt das Gas in die Anlage, was eine Grundvoraussetzung darstellt

Reformer: sorgt dafür, dass aus Erdgas Wasserstoff gewonnen wird. Durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff wird Energie gewonnen.

Inverter: dort wird der Gleichstrom in den nutzbaren Wechselstrom umgewandelt

Wärmetauschers: sorgt dafür, dass die produzierte Wärme an Heizungswasser abgegeben wird

Pufferspeicher: dort wird das Trinkwasser für den Bedarf erwärmt und gespeichert

Gasbrennwertkessel: deckt Spitzenlasten bei äußerst niedrigen Außentemperaturen ab

Die Funktionsweise einer Brennstoffzelle

Zunächst ist es wichtig, dass die Immobilie über einen Gasanschluss verfügt. Der Reformer sorgt dafür, dass aus Erdgas der Energieträger Wasserstoff gewonnen wirdDurch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff können Strom, Wärme und Wasser generiert werden. Die dabei entstehende Elektrizität wird als Gleichstrom in den Inverter geleitet. In dem Inverter wird der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt. Auf diese Weise entsteht der für den Verbraucher verwendbare Strom. 

Die produzierte Wärme wird mit Hilfe eines Wärmetauschers an einen Pufferspeicher abgegeben. Dort wird das Trinkwasser für den Bedarf erwärmt und gespeichert. Um Spitzenlasten bei äußerst niedrigen Außentemperaturen abzudecken, wird ein Gasbrennwertkessel benötigt. 

Grafik: Funktion der Brennstoffzelle als Heizung

Geschichte der Brennstoffzelle: Die wichtigsten Meilensteine

Die Geschichte der Brennstoffzelle ist älter als man denken mag. Sie beginnt im Jahr 1838 und reicht bis in die Gegenwart bzw. darüber hinaus: 

  • 1838: Christian Friedrich Schönbein erstellt einfache Brennstoffzelle

  • 1839: William Grove führt Experimente zur Brennstoffzelle durch

  • 1866: Erfindung des elektrischen Generators (“Dynamomaschine”) durch Werner von Siemens verdrängt zunächst Brennstoffzellen-Technologie

  • 1875: Jules Verne schreibt in „Die geheimnisvolle Insel” über die Brennstoffzelle

  • 1894: Wilhelm Ostwald erkennt die Vorteile im Vergleich zu den Wärmekraftmaschinen

  • 1950er: Aufkeimendes Interesse durch Bedarf aus Raumfahrt und Rüstungsindustrie

  • 1959: Allis-Chalmers stellt brennstoffzellenbetriebenen Traktor vor

  • 1963: Einsatz für Gemini- und Apollo-Raumkapseln

  • 1990er: Durch Forderung niedriger Schadstoffemissionen entwickelt sich die Brennstoffzellenforschung stärker als zuvor

Heizen mit Brennstoffzelle: Vorteile und Nachteile in der Übersicht

Vergleichen Sie hier die Vorteile und die Nachteile, die eine Brennstoffzelle aufweist. Neben vielen Chancen, die diese Heizungsart bietet, sollte man sich auch über die möglichen Nachteile genau informieren. Nur so können Sie die richtige Entscheidung treffen: 

Vergleichen Sie hier die Vorteile und die Nachteile, die eine Brennstoffzelle aufweist.:

Vorteile

  • Strom und Wärmeenergie aus einer Hand
  • Hoher Wirkungsgrad
  • Nahezu Co2-neutral
  • Geringer Verschleiß und wartungsarm
  • Contracting ermöglicht höhere Betriebssicherheit
  • Vergleichsweise hohe Förderung möglich
  • Unabhängig von Stromversorger

Nachteile

  • Hohe technische Anforderungen
  • Hohe Investitionskosten
  • Geringe Erfahrungswerte durch junge Modellreihen
  • Begrenzte Stack-Lebensdauer

In welchem Fall lohnt sich eine Brennstoffzelle?

Um eine Brennstoffzelle gewinnbringend zu betreiben ist ein Gasanschluss zwingend erforderlich. Außerdem sollte der Schornstein für eine Heizung mit Brennwerttechnik ausgerüstet sein. Besonders wirtschaftlich ist eine Brennstoffzelle bei einem hohen Strombedarf. Die höchste Effizienz wird erreicht, wenn der produzierte Strom komplett für den eigenen Bedarf verwendet wird. Dies liegt daran, dass die Produktionskosten für den Strom über die Brennstoffzelle niedriger sind als der Strompreis. Außerdem sollte der Platzbedarf vorab genau abgeschätzt werden, damit eine Gasbrennwerttherme und ein Warmwasserspeicher neben der Brennstoffzelle Platz finden. 

In welchem Fall lohnt sich eine Brennstoffzelle?

Folgenden Voraussetzungen sollten gegeben sein:

Gasanschluss

Schornstein, der für Brennwerttechnik ausgelegt ist

Hoher Strombedarf

Ausreichend Platz

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Modelle von Brennstoffzellen im Vergleich

Die Marken Buderus und Viessmann haben bereits Brennstoffzellenheizungen auf den Markt gebracht, die Gebäude auf höchst effiziente Art und Weise mit Wärme und Strom versorgen können. Hier die beiden Systeme im direkten Vergleich: 

 Hier zwei verschiedene Systeme von führenden Herstellern im direkten Vergleich:

Logapower FC10
Vitovalor PT2
Hersteller
Buderus
Viessmann
Art
SOFC
PEMFC
Elektrische Leistung
180-700 W
0,75 kWel
Thermische Leistung
24,3 kW
0,9 bis 30,8 kW
Brennstoff
Erdgas
Erdgas E(H) / LL(L)
Energieeffizienz (Heizen)
A++
A++
Förderung
Bis zu 10.530 €
Bis zu 11.100 €

Planung einer neuen Gasheizung – auf welche Punkte kommt es an?

Der erste Punkt, der geklärt werden sollte, ist, ob ein Gasanschluss besteht oder ob dies nachgeholt werden kann. Ist dies nicht möglich, steht als Alternativlösung ein ober- oder unterirdisch installierter Flüssiggastank für den Außenbereich zur Verfügung. 

Weitere Faktoren, auf die Sie beim Gasheizung kaufen achten sollten:

  • Ausreichend Heizleistung (gemessen in kW) – achten Sie auf Wohnfläche und Dämmzustand
  • Platz zur Installation des Heizkessels – eigener Heizraum meist nicht nötig – eine Alternative sind wandhängende Modelle
  • Art der Heizung: Heiztherme, welche nicht das Brauchwasser erwärmt, und Kombitherme, Warmwasserbereitung und Raumheizung in einem

Wichtig ist auch, dass eine adäquate Ableitung der Abgase gewährleistet ist. Bei Neubauten kann diese direkt von vorneherein berücksichtigt werden. In Altbauten bietet sich die Verlegung eines Abgasrohrs aus Edelstahl an der Außenwand an. Alternativ dazu können Sie auch über eine Schornsteinsanierung nachdenken.

Auch die Entsorgung der alten Heizung spielt bei der Planung einer neuen Gasheizung eine große Rolle. Diese sollten Sie immer in die Hände eines Fachbetriebs legen. Die Entsorgungskosten bei Ölheizungen hängen von der Größe des Tanks ab und können bis zu 900 Euro betragen. Bei Gasheizungen können bis zu 500 Euro anfallen.

Brennstoffzelle kaufen: Kosten und Amortisation

  • Keine Preisliste
  • Nur Gesamtpreis für Planung, Montage und Gerät
  • Total: zwischen 30.000 und 35.000 Euro
  • Staatlichen Fördermittel in Höhe von bis zu 11.000 Euro
  • Achtung: auf korrekte Beantragung achten. Fördermittelservice von ökoloco ist empfehlenswert.
  • Kurze Amortisationszeit
  • Nach 10 Jahren Betriebszeit: Brennstoffzellenheizung ist kostengünstiger als Gasheizung

Eine Preisliste für Brennstoffzellenheizungen von den entsprechenden Herstellern gibt es aktuell nicht. Da die Anlagen nur über Brennstoffzellen Fachpartner wie die ökoloco GmbH vertrieben werden, gibt es nur einen Gesamtpreis, der für Gerät, Planung und Montage zusammen gezahlt wird. Das Gesamtpaket beläuft sich für den Kunden dann in der Regel auf einen Preis zwischen 30.000 und 35.000 Euro.  

Wichtig beim Kauf ist jedoch, die außergewöhnlich hohen staatlichen Fördermittel auszunutzen. Dies kann am Ende zu einem Preisnachlass von bis zu 11.000 Euro führen. Voraussetzung ist allerdings eine korrekte Fördermittelbeantragung. Die ökoloco GmbH hilft Ihren Kunden bei diesem bürokratischen Prozess mit dem firmeneigenen Fördermittelservice, damit die maximale Förderung für Ihren Heizungskauf generiert werden kann. 

Durch die ganzheitliche Versorgung und den hohen Wirkungsgrad der Brennstoffzellenheizung amortisiert sich das Gerät bei optimaler Auslegung bereits nach wenigen Jahren. Hier ein aufschlussreicher Vergleich:  

Während die Gesamtkosten einer Gasheizung nach 10 Jahren im Betrieb bei 260.000 Euro liegen, schafft es die Brennstoffzellenheizung die Kosten nach dieser Frist bei 240.000 Euro zu halten. Grundlage ist hier ein Mehrfamilienhaus mit einer Gewerbeeinheit, bei dem die Fläche 1.000 Quadratmeter beträgt. Der Wärmebedarf dieses Gebäudes liegt bei 130.000 kWh und der Strombedarf bei 45.000 kWh. 

6 verschiedene Arten von Brennstoffzellen

  • Die Membranbrennstoffzelle (PEMFC)
  • Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)
  • Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)
  • Die Alkalische Brennstoffzelle (AFC)
  • Die Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC)
  • Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)

Die Membranbrennstoffzelle (PEMFC)

Die Membranbrennstoffzelle oder auch “Proton Exchange Membrane Fuel Cell” (PEMFC) ist einfach zu handhaben, da der Luftsauerstoff für eine optimale Betriebsweise ausreicht. Der Elektrolyt besteht aus einer Kunststoffmembran, die nur für Protonen durchlässig ist. Komplizierte Filter- und Reinigungsprozesse sind dadurch überflüssig. Niedrige Systemtemperaturen führen dazu, dass sich die PEM-Brennstoffzelle problemlos oft an und ausschalten lässt. Die Membranbrennstoffzelle kann flexibel eingesetzt werden – sowohl stationär als auch mobil. 

Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)

Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle oder auch Direct Methanol Fuel Cell” (DMFC) ist eine Weiterentwicklung der Membranbrennstoffzelle. Im Betrieb greift sie auf den Energieträger Methanol zurück, während die PEM-Brennstoffzelle mit Wasserstoff betrieben wird. Aufgrund der Ähnlichkeit der Energieträger, ist auch der mögliche Einsatzbereich nahezu identisch. Die DMFC eignet sich für die Verwendung im Bereich Mobilität, Stromversorgung und als Batterieäquivalent. 

Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)

Die Festoxid-Brennstoffzelle, welche auch als “Solid Oxid Fuel Cell” (SOFC) bezeichnet wird, besteht wie der Name schon vermuten lässt, vor allem aus Feststoffen. So dient eine Keramik als Elektrolyt. Das Gas muss hier nicht erst mühsam aufbereitet werden, um für den Betrieb verwendet zu werden. Aufwärmephasen und große Abstände zwischen dem An- und Abschalten sollten berücksichtigt werden, um einen schnellen Verschleiß zu vermeiden. 

Die Alkalische Brennstoffzelle (AFC)

Die Alkalische Brennstoffzelle – “Alkaline Fuel Cell – ist eine Brennstoffzellen-Bauart der älteren Generation, die seit den 70er-Jahren kaum mehr produziert wird. Sie wurde in der Raumfahrt eingesetzt. Unkomfortabel sind aufwendige Reinigungsprozesse, die aufgrund der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in der AFC notwendig sind. 

Die Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC)

Die Phosphorsäure-Brennstoffzelle – dessen Abkürzung “PAFC” auf dem englischen Phosphor Acid Fuel Cell” beruht – wurde für den Einsatz in großen BHKWs und für Energieversorger entwickelt. Der Betrieb wird über den Energieträger Brenngas sichergestellt, während der notwendige Sauerstoff direkt aus der Luft zugeführt wird. 

Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)

Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle wird überwiegend industriell von Energieversorgern genutzt. Die im englischen unter dem Namen “Molten Carbonate Fuel Cell” (MCFC) geführte Brennstoffzelle ist sehr effizient, da sie die entstehende Abwärme zur Energiegewinnung wiederverwertet. Sie erreicht Temperaturen von 650 Grad Celsius. Auch diese Brennstoffzelle nutzt Erdgas und Luftsauerstoff und wird von Kraftwerksbetreibern eingesetzt. 

Verschiedene Anwendungsbereiche: Es dominiert die Mobilität

Stationäre Anwendungen:

  • Brennstoffzellenheizung
  • Brennstoffzellenkraftwerk

Mobile Anwendungen:

  • Gabelstapler
  • Fahrzeugentwicklung
  • Luftfahrt
  • Raumfahrt
  • Schifffahrt
  • Schienenverkehr

Bei der Anwendung von Brennstoffzellen unterscheidet man zwischen stationären Anwendungsbereichen und dem Einsatz in der Mobilitätsindustrie. Bei stationären Anwendungen handelt es sich um Brennstoffzellen, die anstelle einer Heizung eine Immobilie mit Wärme und Strom versorgen. Alternativ gibt es Brennstoffzellenkraftwerke, die mit einer Leistung von bis zu 1,4 Megawatt Strom für viele Gebäude generieren. Der Einsatz der Brennstoffzellentechnologie in der Mobilität ist äußerst vielfältig. So kommt die Technologie zum Beispiel bei Gabelstaplern, in der Fahrzeugentwicklung, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt, in der Schifffahrt und im Schienenverkehr zum Tragen.

Förderung der Brennstoffzelle

Der Kauf einer Brennstoffzelle wird durch Zuschüsse staatlich gefördert. Hier kommen die KfW und das BAFA in Frage, die die energetische Sanierung von Häusern finanziell unterstützen. Die Förderung setzt sich aus einem Grundbetrag von 5.700 Euro und einem leistungsabhängigen Betrag zusammen. Insgesamt werden höchstens 40 Prozent der förderfähigen Kosten bezuschusst, wozu auch ein Wartungsvertrag gehört.

Beispielhaft könnte sich die Höhe der Förderung bei einer Brennstoffzelle mit einer elektrischen Leistung von 0,7 Kilowatt auf 5.700 Euro als Grundbetrag plus 7 mal 450 Euro (also 3.150 Euro) als leistungsabhängiger Zuschuss bemessen. Zusammengerechnet wären das 8.850 Euro, die Sie als Förderzuschuss erhalten würden. Liegt die elektrische Leistung allerdings bei 1 Kilowatt, kann man mit Fördermitteln in Höhe von 10.200 Euro rechnen.

Beispielhaft könnte sich die Höhe der Förderung bei einer Brennstoffzelle mit einer elektrischen Leistung von 0,7 Kilowatt auf 5.700 Euro als Grundbetrag plus 7 mal 450 Euro (also 3.150 Euro) als leistungsabhängiger Zuschuss bemessen. Zusammengerechnet wären das 8.850 Euro, die Sie als Förderzuschuss erhalten würden. Liegt die elektrische Leistung allerdings bei 1 Kilowatt, kann man mit Fördermitteln in Höhe von 10.200 Euro rechnen.

Beitragsbild Brennstoffzelle

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Jan-Philipp Hotze

Geschäftsführer

Sein Ziel ist es jeden Haushalt nachhaltig zu versorgen und dabei zu helfen eine kohlenstoffarme Wirtschaft aufzubauen.
Als Kaufmann mit einem Bachelor in Betriebswirtschaft und einem Master in Energiewirtschaft ist Jan-Philipp Ihr Ansprechpartner rund um das Thema Energie Effizienz.
Fragen können Sie gerne an service@oekoloco.de richten.