Brennstoffzellenheizung: Kosten, Funktion und Effizienz

Was ist eine Brennstoffzellenheizung?

Eine Brennstoffzellenheizung unterscheidet sich grundlegend von klassischen Gas- oder Ölheizkesseln. Sie erzeugt Wärme und Strom durch einen elektrochemischen Prozess, der als "kalte Verbrennung" bekannt ist. Dieser Prozess ist äußerst effizient und seit über 180 Jahren bekannt. In unserem Ratgeber lesen Sie mehr zur  Geschichte der Brennstoffzelle.

Grundlegende Eigenschaften der Wasserstoff-Heizung

• Effiziente Energieerzeugung: Brennstoffzellen sind hocheffiziente Energieerzeuger, die nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) arbeiten.
• Hoher elektrischer Wirkungsgrad: Im Gegensatz zu anderen stromerzeugenden Heizungen erzielen Brennstoffzellen einen hohen elektrischen Wirkungsgrad und produzieren Strom und Wärme nahezu im gleichen Verhältnis.
• Gesamtwirkungsgrad: Der Gesamtwirkungsgrad liegt bei etwa 90 Prozent.
• Kalte Verbrennung: Die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme basiert auf der chemischen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff, auch als "kalte Verbrennung" bezeichnet.

Wie funktioniert die Brennstoffzellenheizung?

Eine Brennstoffzellenheizung erzeugt Strom, Wärme und Wasser über die sogenannte kalte Verbrennung. Dies ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem Wasserstoff und Sauerstoff miteinander reagieren.

Der elektrochemische Prozess im Detail

1. Aufbau der Brennstoffzelle: Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), die durch eine bedingt durchlässige Membran oder einen Elektrolyten (Ionenleiter) getrennt sind
2. Wasserstoffzufuhr und Trennung: Wasserstoff gelangt auf die negativ geladene Anode. Dort trennen sich Elektronen und Protonen durch einen Katalysator voneinander.
3. Stromfluss: Die freien Elektronen wandern über einen elektrischen Leiter zur positiv geladenen Kathode, wodurch Strom fließt.
4. Wasser- und Wärmeerzeugung: Gleichzeitig passieren die Protonen die nur für sie durchlässige Trennschicht und verbinden sich auf der anderen Seite mit Elektronen und Sauerstoff aus der Luft zu Wasser. Die bei dieser Reaktion entstehende Wärme kann abgeführt und an das Heizsystem abgegeben werden.

Eine ausführliche Beschreibung des Prozesses finden Sie in unserem Beitrag zur Funktionsweise der Brennstoffzelle.

Aufbau: Mehr als eine einzige Brennstoffzelle

Da die Energiegewinnung aus einer einzelnen Brennstoffzelle gering ist, werden mehrere dieser Elemente zu sogenannten "Stacks" verbunden. Diese sind in Reihe geschaltet, um die Spannungswerte zu summieren und eine ausreichende Energiemenge zum Heizen und für die Stromerzeugung bereitzustellen. Ein Brennstoffzellen-Heizgerät umfasst zudem einen Wechselrichter und einen Reformer.

Welche Arten von Brennstoffzellen für Gebäude können unterschieden werden?

Brennstoffzellen für Gebäude werden hauptsächlich anhand ihrer Betriebstemperatur unterschieden, d.h., bei welcher Temperatur die "kalte Verbrennung" stattfindet.

• Hochtemperatur-Brennstoffzellen: Diese arbeiten bei Temperaturen von 500 bis 1.100 Grad Celsius. Sie sind auch als SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) oder Festoxid-Brennstoffzellen bekannt.
• Niedertemperatur-Brennstoffzellen: Diese haben eine Betriebstemperatur von unter 100 Grad Celsius. Für diese Variante ist ein zusätzlicher externer Reformer notwendig. Sie werden auch PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) oder Polymembran-Brennstoffzellen genannt.  

Welche Voraussetzungen müssen für einen effizienten Betrieb erfüllt sein?

Wer das Prinzip der Brennstoffzelle als Heizung nutzen möchte, sollten Sie vor dem Kauf einige Punkte beachten:

• Gasanschluss: Ein Gasanschluss ist zwingend erforderlich. Der Wasserstoff, mit dem geheizt wird, wird direkt aus dem Erdgas mithilfe von Wasserdampf im sogenannten Reformer des Brennstoffzellen-Heizgeräts gewonnen.
• Zentrale Heizungsanlage: Eine zentrale Heizungsanlage für Warmwasserbereitung und Raumwärme muss vorhanden oder geplant sein. Die Brennstoffzellenheizung arbeitet nur, wenn Wärme und Strom auch abgenommen werden. Während Strom ins öffentliche Netz eingespeist werden kann, muss die Wärme im Haus über die Warmwasserbereitung und zentrale Wärmeverteilung abgenommen werden.
• Wärmespeicher: Die Integration eines Wärmespeichers (Pufferspeicher) ist wichtig für lange und gleichmäßige Laufzeiten der Heiztechnik.
• Zusatzheizung (Spitzenlastkessel): Eine Zusatzheizung sollte installiert werden. Da Brennstoffzellen auf einen Grundlast-Wärmebedarf ausgelegt sind, schaltet sich der Spitzenlastkessel ein, wenn der Bedarf in den Wintermonaten überschritten wird. Viele Hersteller integrieren diesen bereits als kompaktes Brennwertmodul.

Wann arbeitet die Brennstoffzelle wirtschaftlich?

KWK-Anlagen wie die Brennstoffzelle arbeiten besonders wirtschaftlich, wenn sie viel Strom erzeugen, der idealerweise selbst verbraucht wird. Die Stromproduktion ist jedoch an einen entsprechend hohen Wärmebedarf für Heizung oder Warmwasser im Haus gekoppelt (Grund-Wärmebedarf).

Optimale Einsatzbereiche für Brennstoffzellenheizungen

Da die Brennstoffzelle beide Energieformen – also Strom und Wärme – in einem ähnlichen Verhältnis erzeugt, gewinnt sie mehr Strom, als zum Beispiel ein BHKW. Aus diesem Grund arbeitet sie in neuen und gut sanierten Wohngebäuden mit niedrigem Energiebedarf besonders wirtschaftlich. Wann sich eine Brennstoffzelle für Eigenheimbesitzer lohnt, erklärt der Beitrag Rentabilität der Brennstoffzellenheizung.

Lohnt sich die Brennstoffzellenheizung auch im Altbau?

Ausgeschlossen ist der Einsatz einer Brennstoffzelle in Altbauten nicht. Besser geeignet für den Altbau ist aber ein BHKW, da Altbauten in der Regel einen hohen Wärmebedarf haben. Entscheidend sind jedoch das zu beheizende Objekt und dessen energetischer Zustand. Einen umfangreichen Vergleich zwischen Brennstoffzelle und BHKW finden Sie in unserem Artikel BHKW vs. Brennstoffzelle.  Dort finden Sie alle Vor- und Nachteil der jeweiligen Systeme im Detail.

Was kostet eine Brennstoffzellenheizung?

Die Kosten einer Brennstoffzellenheizung setzen sich aus verschiedenen Komponenten zusammen:

• Kosten für die Erschließung des Brennstoffs
• Kosten für die Anschaffung der Technik
• Laufende Kosten im Verbrauch der Brennstoffzelle

Kosten für den Gasanschluss

Da der Wasserstoff zum Betrieb der Brennstoffzellenheizung aus dem im Erdgas gespeicherten Methan gewonnen wird, ist ein Gasanschluss Voraussetzung für eine Brennstoffzelle. Dieser besteht aus zwei Teilen:  

• Hausanschlussleitung (Straße zum Gebäude): Dieser Teil wird vom Versorger erstellt und kostet etwa 1.500 bis 3.000 Euro. Die Kosten können höher sein, wenn die Entfernung zur öffentlichen Gasleitung groß ist.
• Leitungen im Gebäude: Diese transportieren das Gas von der Hauptabsperreinrichtung zu den Verbrauchern. Für die Anbindung der Brennstoffzellenheizung können Sie mit etwa 1.000 bis 1.500 Euro rechnen.

Was ist, wenn kein Gasanschluss vorhanden ist oder gelegt werden kann?

Ist kein Gasanschluss vorhanden, kann die Brennstoffzelle auch mit  Flüssiggas  betrieben werden. Dafür ist eine Tankanlage zur Speicherung des Flüssiggases erforderlich, die meist im Garten aufgestellt wird und Kosten von etwa 1.500 bis 3.000 Euro verursacht. Beachten Sie jedoch, dass die meisten auf dem Markt verfügbaren Modelle für klassisches Erdgas ausgelegt sind.

Kosten für das Brennstoffzellen-Heizgerät selbst

Für eine  Brennstoffzellenheizung im Einfamilienhaus  können Kosten zwischen 20.000 und 25.000 Euro anfallen. Die Preise für eine Brennstoffzellenheizung variieren jedoch stark nach Region, Hersteller sowie Dienstleister. Die angegebenen Kosten sind grobe Richtwerte. Eine individuelle Beratung und ein Vor-Ort-Termin durch einen qualifizierten Fachbetrieb sind notwendig, um die genauen Kosten zu ermitteln.

Förderung einer Heizung mit Brennstoffzelle

Sie können finanzielle Unterstützung durch die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) oder den Steuerbonus für die Sanierung erhalten. Diese Programme gelten für Bestandsgebäude und senken die Anschaffungskosten, wodurch die Wirtschaftlichkeit verbessert wird. Wie hoch die Förderung ausfällt und wie Sie davon profitieren können, erfahren Sie in unserem Beitrag zur Förderung der Brennstoffzellenheizung.

Betriebskosten einer Brennstoffzellenheizung

Die Betriebskosten setzen sich aus Brennstoffkosten, Vergütungen und Einsparungen zusammen. Die größten Einsparungen erzielen Anlagenbesitzer, wenn sie möglichst viel des erzeugten Stroms selbst verbrauchen. Im Vergleich zur Einspeisevergütung des KWK-Gesetzes, die aktuell etwa zehn bis zwölf Cent je Kilowattstunde beträgt (zusammengesetzt aus KWK-Zuschlag, Börsen-Strompreis und Vergütung für die vermiedene Netznutzung), liegt der Wert des selbst genutzten Stroms heute bei etwa 43 Cent – dem Strompreis.  

Folgende Faktoren spielen für die Betriebskosten eine Rolle:

• Energetischer Zustand des Gebäudes
• Heizverhalten der Gebäudenutzer  
• Menge des selbst genutzten Stroms
  

Vor- und Nachteile im Überblick zusammengefasst

Brennstoffzellenheizungen sind moderne und effiziente Systeme, die wie alle Technologien sowohl Stärken als auch Schwächen aufweisen:

Im unserem Ratgeber  Vor- und Nachteile der Brennstoffzellenheizung  lesen Sie mehr zum Thema.