Brennstoffzellenheizung

Ein Brennstoffzellen-Heizgerät, auch kürzer Brennstoffzellenheizung oder auch stromerzeugende Heizung genannt, dient der Gebäudeheizung, z. B. von Wohnhäusern, und gleichzeitig zur Stromversorgung des Gebäudes und des damit verbundenen Netzes. Es nutzt eine Brennstoffzelle, um die chemische Energie von Brennstoffen in Wärme und elektrische Energie zu wandeln. Brennstoffzellenheizungen sind in der Anschaffung deutlich teurer als herkömmliche Heizungen. Ihr Einbau wird aber in Deutschland und in Japan staatlich subventioniert und in der EU gefördert. Die Betriebskosten sind aufgrund der guten Energieeffizienz, der Einsparung durch den zum Teil eigengenutzten selber produzierten Strom und der möglichen Erlöse beim Einspeisen ins Netz vergleichsweise gering. Die Gesamteffizienz (Strom und Wärme) bei der Nutzung der Energie der Brennstoffe liegt bei 85 bis 95 % und ist damit relativ hoch^[1]. Dadurch liegt der Gesamtwirkungsgrad in der Summe wesentlich höher als bei herkömmlich, getrennt erzeugter Wärme im Haus und Strom durch Kohle-, Atom- oder andere Kraftwerke. Rund die Hälfte an CO₂ kann somit eingespart werden. Brennstoffzellenheizungen werden vor allem in Japan verwendet: Dort wurden aufgrund der langjährigen Subventionen bis zum April 2019 etwa 305.000 solcher Systeme installiert.^[2] Gemessen an der Zahl der eingesetzten Systeme ist die Brennstoffzellenheizung daher seit einigen Jahren die bedeutendste Anwendung von Brennstoffzellen.

Vor- und Nachteile

Bei herkömmlicher Kraft-Wärme-Kopplung wird durch die kontrollierte Verbrennung von Brennstoffen zunächst Wärme erzeugt. Diese thermische Energie wird dann in mechanische und schließlich elektrische Energie gewandelt, und die Restwärme wird ebenfalls genutzt. Eine Brennstoffzelle erhält elektrische Energie aus der Energie der zugeführten Gase ohne den Umweg über thermische und mechanische Energie und kann daher hohe Wirkungsgrade erreichen. Bei Brennstoffzellenheizungen liegt der Wirkungsgrad bezogen auf die erhaltene elektrische Energie bei 60 %.^[3] Durch die Nutzung der Wärmeenergie können für den Gesamtwirkungsgrad Werte über 95 % erreicht werden.^[3][4]

Brennstoffzellenheizungen sind – wie auch andere Anwendungen von Brennstoffzellen – leise und zuverlässig (Einsatzbereitschaft 99 %, keine verschleißanfälligen mechanischen Teile)^[1]. Sie gelten als „sauber“^[1], da sie nicht nur weniger Kohlenstoffdioxid CO₂ abgeben als herkömmliche Heizungen, sondern auch keine Partikel (Feinstaub), Kohlenstoffmonoxid oder Schwefeldioxid emittieren, wie dies z. B. bei herkömmlichen Öl- oder Holzheizungen der Fall ist. Hauptnachteil der Systeme ist der hohe Anschaffungspreis.^[1][5]

Gase und Gasbehandlung, Funktionen

Das Gesamtsystem wird zumeist mit Erdgas gespeist. Auch die Verwendung von Flüssiggas (LPG, von engl. Liquefied Petroleum Gas) ist bei geeigneter Auslegung möglich.^[6] Erdgas oder andere Kohlenwasserstoffe werden mittels Dampfreformierung innerhalb des System so umgesetzt, dass Wasserstoff für den Betrieb der Brennstoffzelle erhalten wird. Brenngase wie Erdgas müssen vor der Verwendung entschwefelt werden; dies erfolgt inzwischen wartungsfrei.^[1] Brennstoffzellenheizungen haben z. B. einen integrierten Erdgaskessel, der einen erhöhten Wärmebedarf (vor allem im Winter) durch herkömmliche Verbrennung deckt.^[7]

Förderung in Deutschland

In Deutschland werden Brennstoffzellensysteme im Rahmen des „Anreizprogramms Energieeffizienz“ über die KfW (Programm 433) mit bis zu 28.200 Euro bezuschusst.^[8][9]

Historisches

Die Forschung zur Hausversorgung mittels Brennstoffzellen begann in den 1990er Jahren in Japan, Deutschland und Großbritannien mit starker staatlicher Unterstützung.^[10]

Vorgeschichte

→ Hauptartikel: Geschichte der Brennstoffzellen

Die erste praktische Anwendung von Brennstoffzellen war die Weltraumfahrt der 1960er und 1970er Jahre. Die ersten Geräte kamen wegen der begrenzten Dauer der Missionen (im Gemini-Programm z. B. nur wenige Stunden oder Tage, im Apollo-Programm weniger als zwei Wochen) auf nur wenige Betriebsstunden. Erst für das Space Shuttle (Erstflug 1981) mussten die Brennstoffzellen-Stromversorgungen nicht nur leistungsstark, sondern auch sehr langlebig sein und wurden dementsprechend entwickelt, getestet und zum Einsatz gebracht. Erst danach wurde die Brennstoffzellen auch für kommerzielle und nichtmilitärische Anwendungen interessant.

Entwicklung in Japan

1987 hatte eine Unternehmenskooperation mehrerer Firmen (Osaka Gas, Tokyo Gas und die US-amerikanische Westinghouse Electric Company) ein 3-kW-SOFC-Modul getestet. 1992 wurde dann ein 25-kW-System mit Wärme-Kopplung in Betrieb genommen, das mit einem alterungsbedingten Abbau von 0,1 % pro 1000 Betriebsstunden ein für damalige Verhältnisse relativ stabiles Betriebsverhalten zeigte.^[11] Im Zeitraum von 1992 bis etwa 2000 wurde mit Grundlagenforschung zu PEM-Brennstoffzellen eine Basis für die folgende Entwicklung geschaffen.^[12] 2001 bis 2004 wurde die Forschung und Entwicklung der Zellstapel und Systeme auch im Hinblick auf Verringerung der Kosten und der Verbesserung der Haltbarkeit vorangetrieben.^[12] In den Jahren von 2005 bis 2008 liefen Demonstrationsprojekte, bei denen verschiedene Brennstoffe und Lastverläufe im japanischen Markt getestet wurden. Ab 2009 erfolgte der kommerzielle Verkauf der Systeme.^[12] Ebenfalls 2009 gab der japanische Premierminister bekannt, bis 2020 eine Reduktion der CO₂-Emissionen um 25 % gegenüber 1990 anzustreben.^[13]

Nach dem Tōhoku-Erdbeben am 11. März 2011 kam es zur Nuklearkatastrophe von Fukushima. Daraufhin wurden die anderen Kernkraftwerke Japans auf ihre Sicherheit überprüft und dazu abgeschaltet. In dieser Situation kam es auch zu Knappheit in der Versorgung mit elektrischer Energie.^[14] Deshalb war die effiziente Nutzung der Primärenergie in Brennstoffzellen besonders willkommen, und die mit Brennstoffzellenheizung ausgestatteten Gebäude milderten die Folgen der Stromausfälle und Stromabschaltungen.^[4] Bis September 2015 waren in Japan über das ENE-Farm-Programm 120.000 Brennstoffzellenheizungen installiert.^[15] Die Kosten entsprechender Systeme gingen in den Jahren 2011 bis 2016 deutlich zurück (von 2,44 auf 1,35 Millionen Yen).^[16]

Entwicklung und Vertrieb in Europa und den USA

Heizsystem Vitovalor 300-P von Viessmann mit Brennstoffzelle von Panasonic zur kombinierten Strom- und Wärmegewinnung

Das deutsche Unternehmen Vaillant stellte 1998 Brennstoffzellen für Hausheizungen vor, die in einem Gemeinschaftsprojekt mit dem US-amerikanischen Unternehmen Plug Power entstanden waren^[17]. 2002 installierten sie ein System, das 4 kW elektrisch und 9 kW Wärme lieferte; Plug Power lieferte das Brennstoffzellenmodul, Vaillant integrierte es in das Gesamtsystem.^[18] Zur weiteren Verbesserung ihrer HT-PEM-Systeme erhielten sie zusammen 2006 eine Förderung durch die Europäische Kommission und durch das US Department of Energy, das 3,6 Millionen Dollar beisteuerte.

Die erste kommerzielle Brennstoffzellenheizung für den deutschen Markt wurde von Viessmann angeboten, deren PEMFC-Zelle vom japanischen Hersteller Panasonic zugeliefert wurde^[19]. Das Gerät nutzt Erdgas, welches im Gerät entschwefelt und reformiert wird^[1].

2014/2015 lieferte eine Reihe von Herstellern Brennstoffzellenheizungen, darunter auch Baxi Innotech (PEMFC), Buderus (SOFC), Elcore (PEMFC), Junkers (SOFC), SOLIDpower (SOFC), Vaillant (SOFC) und Viessmann (PEMFC).^[1] Im Rahmen des von der Europäischen Kommission unterstützten Projekts „ene.field“ wurden im Zeitraum von 2011 bis 2017 1046 Brennstoffzellenheizungen installiert.^[5] Das Nachfolgeproject „PACE“ will in 10 europäischen Ländern 2800 solcher Systeme in Betrieb nehmen.^[20]

Seit dem 1. August 2016 werden stationäre Brennstoffzellenheizungen in Deutschland durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi gefördert^[21], wobei die Förderung bei der KfW beantragt wird. Daraufhin wurden in Deutschland bis zum Juli 2018 mehr als 2500 Anlagen mit rund 37 Millionen Euro gefördert.^[22] Bis Januar 2019 erhöhte sich die Zahl der bewilligten KfW-Anträge auf insgesamt knapp 5700^[23][24] und bis September 2019 auf 8900^[25].

Quelle: Seite „Brennstoffzellenheizung“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 11. Juli 2021, 01:42 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Brennstoffzellenheizung&oldid=213745935 (Abgerufen: 22. Juli 2021, 08:38 UTC)