Raus aus der Nische

Hausbesitzer und Bauherren mit Erdgasanschluss installieren meist ein Gasbrennwertgerät. Nun gibt es eine weitere Option: Mehrere Unternehmen haben in diesem Jahr Brennstoffzellenheizgeräte auf den Markt gebracht. Hinter der Technologie steht das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung. Brennstoffzellen-Mikro-KWK wandeln Erdgas besonders effizient in Strom und Wärme um. Mit einem millionenschweren Förderprogramm kurbelt die Bundesregierung seit 1. August 2016 den Verkauf der klimaschonenden KWK-Anlagen an.

Die energiepolitischen Ziele der Bundesregierung sind ambitioniert: Bis zum Jahr 2050 will die Koalition den Primärenergieverbrauch in Deutschland um 50% reduzieren. Gleichzeitig sollen die Treib­hausgasemissionen um bis zu 95% sinken. Dabei kommt es entscheidend auf den Gebäudebereich an, der mit rund 40% den größten Anteil am Endenergieverbrauch stellt und für 30% der Treib­hausgasemissionen verantwortlich ist.
Eine der effizientesten Möglichkeiten, Gebäude zu beheizen und gleichzeitig Energie und Treibhausgase einzusparen, ist die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Einen Technologiesprung im KWK-Bereich stellen Brennstoffzellen-Mikro-KWK mit einer elektrischen Leistung bis etwa 2 kW dar. Nach jahrelangen Entwicklungsarbeiten und Erprobungsphasen unter anderem im bundesweiten Feldtest Callux (2008 – 2015) und im europäischen Förderprojekt Ene.field (2011 – 2017) haben sie das Stadium der Serienreife erlangt und werden seit diesem Jahr von den Heizungsherstellern verstärkt angeboten. Der Markt ist noch jung: Mit nicht einmal einem Dutzend Geräten gestaltet sich das Produktangebot an Brennstoffzellenheizungen in Deutschland derzeit noch sehr übersichtlich.

Funktionsprinzip
Anstatt mit einem Verbrennungsmotor, wie herkömmliche KWK-Anlagen, arbeiten Brennstoffzellenheizgeräte mit einer Brennstoffzelleneinheit, die an das Erdgasnetz angeschlossen ist. Ein interner Reformer spaltet das zugeführte Erdgas in ein wasserstoffreiches Gas auf, das in den Brennstoffzellen mit Luftsauerstoff zu Wasser reagiert. Dabei entsteht Gleichstrom und es wird Wärme frei. Ein Wechselrichter formt den erzeugten Strom in netzkonformen Wechselstrom um, der im Gebäude verbraucht oder gegen eine Vergütung ins Netz eingespeist wird. Die produzierte Wärme trägt zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung bei.

Hoher Wirkungsgrad
Da Brennstoffzellenheizgeräte den eingesetzten Brennstoff ohne mehrstufigen Verbrennungsprozess direkt in elektrische und thermische Energie umwandeln, erreichen sie viel höhere Wirkungsgrade als herkömmliche Öl- oder Gasheizsysteme und konventionelle KWK-Anlagen und das auch im kleinen Leistungsbereich. Während der elektrische Wirkungsgrad bei motorischen KWK-Anlagen in der häuslichen Anwendung nach Angaben der Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch (ASUE) meist unter 30% sinkt, erreichen Brennstoffzellenheizungen auch in kleineren Leistungsklassen einen unvermindert hohen elektrischen Wirkungsgrad von 30% bis 60%. Durch ihr gutes Teillastverhalten passen sie sich dem jeweiligen Energiebedarf des Gebäudes an und sind deshalb auch in Neubauten oder in energetisch sanierten Bestandsgebäuden mit geringerem Wärmebedarf einsetzbar.

Geringere Emissionen
Zusätzlich punktet die neue Heiztechnik mit 40% bis 50% geringeren CO₂-Emissionen in Vergleich zu einem Gasbrennwertkessel und dem Strombezug aus dem Netz. Im Callux-Praxistest lagen die CO₂-Einsparungen durchschnittlich bei jährlich 1,2 t, was einer Verminderung um etwa einem Drittel entspricht.
Der zum Betrieb der Brennstoffzellen nötige Wasserstoff könnte in Zukunft auch regenerativ aus Biogas oder durch Elektrolyse aus Wasser mithilfe von überschüssigem und sonst abgeregeltem Solar- oder Windstrom gewonnen werden. Brennstoffzellenheizungen wären dann nahezu emissionsfrei.
Ein weiterer Vorteil, den die Geräte vor allem in Mehrfamilienhäusern ausspielen, sind die geringen Schallemissionen. Denn lärmende Bauteile fehlen weitestgehend.

Mehr Strom, weniger Wärme
Brennstoffzellenheizgeräte sind Hybridanlagen. Hausbesitzer, die ein Brennstoffzellen-Mikro-KWK erwerben, erhalten gleichzeitig eine Gasbrennwertheizung zur Abdeckung von Spitzenlasten im Heiz- und Warmwasserbetrieb. Sie ist entweder direkt in das Gehäuse des Mikro-KWK integriert oder wird als Beistellgerät ergänzt. Auch vorhandene Anlagen lassen sich einbinden.
Der zusätzliche Brennwertkessel wird nötig, da die Brennstoffzelleneinheit im Gerät so ausgelegt ist, dass sie nur die Wärmegrundlast abdeckt, die zwischen 10% und 20% des maximalen Wärmebedarfs liegt. Auf diese Weise lässt sich ein Wärmeüberschuss vermeiden. Denn Brennstoffzellenheizgeräte arbeiten umso wirtschaftlicher, je mehr Betriebsstunden sie erreichen. So wird der Strom­ertrag maximiert und der Heizungsbetreiber muss keinen teuren Netzstrom einkaufen. Zum Vergleich: Strom aus dem Netz kostet derzeit rund 29 Cent/kWh, während Erdgas für etwa 6 Cent/kWh erhältlich ist. Durch die eigene Stromproduktion sinken die Energiekosten für einen Vier-Personen-Haushalt im Einfamilienhaus nach Herstellerangaben um 40% bis 60%.

Unterschiedliche Zellenkonzepte
Bei der Bauweise setzen die Heizungshersteller derzeit zwei Brennstoffzellen ein:

• PEMFC (Polymer Elektrolyt Membran Fuel Cell / Proton Exchange Membran Fuel Cell),
• SOFC (Solid Oxide Fuel Cell).

Beide Brennstoffzellentypen sind für stationäre Brennstoffzellenanwendungen bis zu einer Leistung von 10 kWel am weitesten entwickelt.
PEMFC sind Niedertemperatur-Brennstoffzellen mit einer Arbeitstemperatur von 60°C bis 90°C. Sie verfügen über ein gutes Kaltstartvermögen und reagieren rasch auf wechselnde Lasten. Ein Nachteil für die Trinkwassererwärmung ist ihre geringe Temperatur. Auch der Systemaufbau ist aufwendiger.
Im Gegensatz dazu arbeiten SOFC als Hochtemperatur-Brennstoffzellen im Bereich von 650°C bis 1000°C. Sie sind weniger wartungsintensiv als PEMFC, benötigen keinen reinen Wasserstoff, besitzen einen einfachen und damit kostengünstigeren Zellaufbau, die Gasaufbereitung verläuft einfacher und sie erreichen einen hohen Wirkungsgrad. Nachteilig sind lange Aufwärmphasen, eine hohe Korrosionsanfälligkeit sowie eine geringe Dynamik, da extreme Temperaturschwankungen zwischen Aufwärm- und Abkühlphasen die Zellen schädigen können.
Eine interessante Alternative könnten künftig Hochtemperatur-PEM-Zellen (HT-PEMFC) sein, die mit Temperaturen bis 200°C arbeiten. Sie befinden sich aber noch in der Entwicklung.

Bosch Thermotechnik Buderus
Mit der „Logapower FC10“ (Leistung 0,7 kW_el und 0,62 kW_th) bietet Buderus seit diesem Jahr ein SOFC-Brennstoffzellenheizgerät in Form einer Energiezentrale an. Ins Gehäuse sind neben der Brennstoffzelleneinheit das Gasbrennwert-Hybridgerät „Logamax plus GBH172“ mit 14 kW oder 24 kW Nennleistung, ein 75-l-Warmwasserspeicher und ein 135-l-Pufferspeicher integriert. Die Energiezentrale erreicht einen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 45% und einen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 85%. Die Regelung erfolgt mit dem Regelsystem „Logamatic EMS plus“.

Bosch Thermotechnik Junkers
Unter dem Markennamen Junkers hat Bosch Thermotechnik mit der „Cera-Power FC“ (0,7 kW_el und 0,62 kW_th) eine weitere SOFC-Brennstoffzellenheizzentrale neu im Programm. Die Brennstoffzellenkomponente ist bis auf das unterschiedliche Design baugleich mit der „Logapower FC10“ von Buderus. Als Spitzenlastgerät setzt Junkers die Gasbrennwertheizung „CSW 24/75“ ein. Die Nennwärmeleistung von Gasgerät und Brennstoffzelle beträgt bis zu 25 kW. Die Regelung übernimmt das System „EM S2“.

Elcore
Elcore präsentierte auf den diesjährigen Fachmessen neue Varianten seines seit 2014 auf dem Markt befindlichen Brennstoffzellen-Nano-BHKWs „Elcore 2400“. Um die Effizienz zu steigern, hat das Unternehmen die Membran der Brennstoffzelle sowie die Systemhydraulik optimiert und die Regelung neu abgestimmt. Das Systempaket „Elcore 2400 Max“ besteht aus der Brennstoffzellen-Einheit auf PEMFC-Basis (0,3 kW_el und 0,7 kW_th), einem Gasbrennwertgerät mit einer Leis­tung von 2,9 kW bis 20 kW und einem Kombi-Schichtenpufferspeicher. Als abgespeckte Version gibt es das Systempaket „Elcore 2400 Plus“. Es eignet sich für Heizungsmodernisierungen, wenn ein bestehender Gaskessel weiter genutzt werden soll.
Gemeinsam mit dem Online-Heizungsbauer Thermondo hat Elcore eine Brennstoffzellen-Offensive gestartet. Im ersten Halbjahr 2016 hat Thermondo nach eigenen Angaben bereits über 160 Elcore-Anlagen vertrieben. Das Unternehmen will bis Jahresende 280 Geräte einbauen, für 2017 sind 1000 Geräte geplant.

Senertec
Auch KWK-Spezialist Senertec hat seine „Dachs“-Familie um ein PEMFC-Brennstoffzellenheizsystem erweitert. Dabei greift das Unternehmen auf die langjährige Entwicklungsarbeit der Schwesterfirma Baxi Innotech zurück, die wie Senertec zur BDR-Thermea-Gruppe gehört. Weiterer Partner ist außerdem die Toshiba Fuel Cell Power Systems, ein Marktführer in der Brennstoffzellentechnologie. Zu den Systemkomponenten des neuen „Dachs Inno-Gen“ zählt neben dem Brennstoffzellenheizgerät (0,7 kW_el und 0,95 kW_th) ein Gas-Brennwertkessel, ein 300-l-Pufferspeicher, eine Trinkwarmwasserstation, ein Hydraulikmodul mit bis zu zwei geregelten Heizkreisen sowie ein Energiemanager mit Touchscreen. Der elektrische Wirkungsgrad der Anlage beträgt 37,7%, der Gesamtwirkungsgrad 96%.

Solidpower
Die von der italienischen Unternehmensgruppe Solidpower angebotene SOFC-Brennstoffzellenheizung „Blue-Gen“ (1,5 kWel und 0,6 kWth) punktet mit einem hohen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 60% bei einem Gesamtwirkungsgrad von bis zu 85%. Das Gerät kam bereits im Jahr 2012 als erstes Brennstoffzellenheizgerät für Endverbraucher auf den deutschen Markt. Der ursprüngliche Hersteller, Ceramic Fuel Cells (CFC), musste 2015 Insolvenz anmelden, da Zahlungen der australischen Muttergesellschaft ausge­blieben waren. Solidpower übernahm CFC daraufhin im Juli 2015. Mit einer Neuentwicklung, dem „En-Gen 2500“ (2,5 kW_el und 2 kW_th), will Solidpower künftig auch den Bedarf von Wohn- und kleineren Gewerbegebäuden mit größerem Energiebedarf abdecken.

Vaillant
Das Vaillant-Brennstoffzellenheizgerät „xell-Power“ (0,7 kW_el und 1,3 kW_th) auf SOFC-Basis befindet sich momentan in der abschließenden Entwicklungsphase. Den genauen Termin für den Verkaufsstart will Vaillant zu einem späteren Zeitpunkt bekannt geben. Im Gegensatz zu den ers­ten Prototypenserien ist das Brennstoffzellensystem mittlerweile ein bodenstehendes Kompaktgerät, das nach den Worten von Vaillant einfach zu installieren ist und lediglich um einen Speicher ergänzt werden muss.

Viessmann
Viessmann ist mit dem PEMFC-Brennstoffzellenheizgerät „Vitovalor 300-P“ (0,75 kW_el und 1 kW_th) seit 2014 auf dem Markt vertreten. Es wurde gemeinsam mit der Panasonic Corporation entwickelt. Für den Spitzenbedarf ist ein Gasbrennwertkessel mit bis zu 19 kW Leistung in das System integriert, das durch einen Puffer- und Trinkwasserspeicher sowie die Systemregelung komplettiert wird. Das Heizsystem kommt auf einen elektrischen Wirkungsgrad von 37% bei einem Gesamtwirkungsgrad von 90%. Wird zusätzlich der Stromspeicher „Vitocharge“ installiert, werden Gebäude nahezu unabhängig von der öffentlichen Stromversorgung.
Im Juli 2015 hat Viessmann darüber hinaus den Schweizer Hersteller Hexis übernommen. Hexis gilt europaweit als Spezialist für Mikro-KWK-Systeme auf Basis von SOFC-Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Seit 2012 war Viessmann bereits mit einem Anteil von 50% an Hexis betei­ligt. Die Markteinführung des Hexis-Brennstoffzellenheizgeräts „Galileo 1000 N“ (1 kW_el und 1,8 kW_th) befindet sich derzeit in der Pilotphase. Sein elektrischer Wirkungsgrad liegt bei 35%, der Gesamtwirkungsgrad bei 95%.

Neue Player
Neben den großen Heizungsherstellern zeigen sich auch Start-Ups an der Technologie interessiert. So bietet z.B. das Fraunhofer-Spin-off-Unternehmen Ceragen GmbH ein Nano-KWK-Gerät bestehend aus einer Brennstoffzelle und einem Trinkwasserspeicher an. Das System basiert auf einer am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) weiterentwickelten SOFC. Durch eine Multi-Layer-Technologie übersteht sie im Vergleich zu herkömmlichen SOFC nach eigenen Angaben auch größere und schnelle Temperaturänderungen unbeschadet.

Marktdurchbruch
Im Rahmen der Feldtests wurden in Deutschland in den vergangenen Jahren bisher rund 1000 Brennstoffzellenheizungen installiert. Die in der „Initiative Brennstoffzelle“ zusammengeschlossenen Hersteller wollen bis zum Jahr 2020 einen Anlagenbestand von 175.000 Geräten erzielen. Im Rahmen von Callux gelang es zwar, die Gerätekosten und den Installationsaufwand zu senken und die Lebensdauer der Anlagenkomponenten zu steigern. Damit Brennstoffzellenheizgeräte für den durchschnittlichen Privathaushalt interessant werden, müssen die Gerätepreise jedoch weiter sinken. Hier setzt das neue Technologieeinführungsprogramm des Bundeswirtschaftsministeriums (BMWI) an. Am 1. August startete die KfW (Förderbank des Bundes) das Förderprogramm „433 – Zuschuss Brennstoffzelle“ als Bestandteil des Anreizprogramms Energieeffizienz (APEE). Das BMWI verspricht sich davon Skaleneffekte, also eine Kostensenkung durch steigende Produktionszahlen.
Die KfW fördert den Einbau von Brennstoffzellenheizgeräten mit einer Leistung von 0,25 kW bis 5 kW in Wohngebäuden. Die Förderung erfolgt als Zuschuss mit einem Grundbetrag von 5700 Euro und einem leistungsabhängigen, zusätzlichen Betrag von 450 Euro je angefangener
100 W elektrischer Leistung. Für ein Gerät mit einer Leistung von 1 kWel gibt es z.B. 10.200 Euro. Die Förderung darf ausschließlich mit Zulagen für KWK-Anlagen nach dem KWK-Gesetz kombiniert werden.

Fazit
Die technischen Voraussetzungen für den erfolgreichen Betrieb von Brennstoffzellenheizgeräten sind geschaffen. Ob der Marktdurchbruch dank großzügiger Fördergelder gelingt, muss sich zeigen. Für die Gaswirtschaft jedenfalls böte die neue Heiztechnik die Chance, auch im Zeitalter der Dekarbonisierung weiter die dominierende Rolle bei der Hauswärmeversorgung zu spielen.

Autorin: Almut Bruschke-Reimer, freie Energiejournalistin

Die in diesem Beitrag genannten Hersteller mit ihren Internetseiten.

Bosch Thermotechnik GmbH (Buderus)
www.buderus.de

Bosch Thermotechnik GmbH (Junkers)
www.junkers.com

Ceragen GmbH
www.ceragen.org

Elcore GmbH
www.elcore.com

Senertec Kraft-Wärme-Energiesysteme GmbH
www.senertec.de

Solidpower S.p.A.
www.solidpower.com

Vaillant Deutschland GmbH
www.vaillant.de

Viessmann Werke GmbH & Co. KG
www.viessmann.de