• AnlagenkategorieAnteil an durch WKK erzeugter elektr. Leistung [%]

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Es wird deutlich: Die Mehrzahl der WKK-Anlagen basiert auf fossilen Brennstoffen. Ein Ziel erreichen die WKK-Anlagen dennoch: Sie steigern den Wirkungsgrad bei der Gewinnung von Strom und Wärme. Möglich wird das durch die Erzeugung der Energie unmittelbar am Ort des Bedarfs. Das zweite grosse Problem bleibt aber bestehen: Die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und der Ausstoss von Emissionen aus den Verbrennungsprozessen.

Doch es gibt eine weitere Technologie, die gleichzeitig Strom und Wärme erzeugen kann: Die Brennstoffzelle. Sie kommt dabei sogar ohne klassischen Verbrennungsprozess aus und statt CO2, Stickoxiden und anderen schädlichen Substanzen gibt die Brennstoffzelle hauptsächlich Wasser an die Umwelt ab. Der Haken dabei: Die bisher erhältlichen Brennstoffzellen benötigen einen Vorprozess, in dem Erdgas verarbeitet wird. In Zukunft könnte der aber wegfallen und dann kann die Brennstoffzelle sogar völlig autark und schadstofffrei arbeiten.

Wie jede herkömmliche Heizung erzeugt die Brennstoffzelle Wärme und stellt sie den Bewohnern in Form von Heizungswärme und Warmwasser zur Verfügung. Doch darüber hinaus produziert eine solche Brennstoffzelle auch elektrischen Strom. Die Brennstoffzelle ist also auch eine WKK-Technologie, obwohl die Brennstoffzelle gänzlich anders funktioniert als ein Blockheizkraftwerke. Keine thermische Verwertung, sondern die sogenannte kalte Verbrennung, ein elektrochemischer Prozess, bei dem Wasserstoff und Sauerstoff zur Reaktion gebracht werden, setzt die Energie in einer Brennstoffzelle frei.

Wasserstoff als hauptsächlicher Rohstoff für den Prozess ist theoretisch in ausreichender Menge für eine Brennstoffzelle verfügbar. Denn Wasserstoff ist eines der häufigsten chemischen Elemente und Bestandteil nahezu jeder organischen Verbindung. Dennoch muss bisher der Wasserstoff durch einen meist mit Erdgas betriebenen Reformer aus Erdgas gelöst werden, bevor er für die Brennstoffzelle verwendet werden kann. Die Schritte dieses noch unverzichtbaren Vorprozesses für die Brennstoffzelle im Einzelnen:

• Der Reformer versetzt Erdgas mit Wasserdampf

• Das im Gas enthaltene Methan wird zu einem Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff

• Dann werden die Substanzen zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff umgesetzt

• Der Wasserstoff wird gereinigt und an die Brennstoffzelle weitergegeben, Kohlenstoffdioxid entweicht in die Umgebung

Bei diesem Prozess werden also derzeit Schadstoffe durch die Brennstoffzelle abgegeben. Doch die folgenden Abschnitte zeigen, dass dies mit den nächsten Evolutionsstufen der Technologie die Brennstoffzelle vielleicht bald schafstofffrei betrieben werden kann.

Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden. Diese werden durch eine Membran voneinander getrennt. Die Schritte zur Erzeugung von Wärme und Energie laufen folgendermassen bei einer Brennstoffzelle ab:

• Der Wasserstoff gelangt auf die negativ geladene Anode. Dort trennt ein Katalysator Elektronen und Protonen voneinander

• Die nun ungebundenen Elektronen wandern darauf über einen elektrischen Leiter zur positiv geladenen Kathode, es fliesst Strom.

• Die Protonen dagegen schlüpfen durch die nur für sie durchlässige Membran und verbinden sich mit den Elektronen und dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasser. Dabei entsteht neben der Wärme, die an die Brennstoffzelle abgegeben wird, noch Wasser als Nebenprodukt.

• Diese Reaktion läuft in einer Brennstoffzellenheizung vielfach ab, denn die Energiemenge einer einzelnen Zelle reicht nicht aus.

Ausschlaggebend für einen wirtschaftlichen Betrieb der Brennstoffzelle ist die Stromproduktion. Damit die möglichst hoch ausfällt, muss die Brennstoffzellenheizung hohe Laufzeiten erreichen. Zu diesem Zweck wird ihre Kapazität nach dem über weite Teile des Jahres konstanten Wärmebedarf bemessen. Das heisst auch: Bei hohem Wärmebedarf kommt eine korrekt ausgelegte Brennstoffzellenheizung an ihre Grenzen. Sie wird deshalb oft zusammen mit einem Spitzenlastkessel mit Brennwerttechnik betrieben.

Das WKK-Prinzip ist also nur einer der Aspekte, die die Brennstoffzelle so interessant machen. Für die Brennstoffzellenheizung spricht ausserdem, dass sie einige entscheidende Schwächen von Blockkraftheizwerk (BKHW) ausgleicht. Sie bietet:

• Potentielle Emissionsfreiheit

• Geräusch- und Wartungsarmut durch Verzicht auf bewegliche Teile

• Bessere Stromausbeute

Die Technik der Brennstoffzellenheizung ist noch relativ neu, was die Verfügbarkeit für Endverbraucher einschränkt. Doch wie bei den ebenfalls wärmegeführt arbeitenden BHKW gilt: Für einen wirtschaftlichen Betrieb muss viel Strom produziert werden. Auch eine Brennstoffzellenheizung arbeitet also am besten, wenn sie auf möglichste hohe Laufzeiten kommt. Das heisst: Entscheidend dafür, ob sich die Brennstoffzellenheizung anschaltet ist der momentane Wärmebedarf. Das liegt schlicht daran, dass Wärme schlechter gespeichert und zu weiter entfernten Abnehmern transportiert werden kann als elektrischer Strom.

Hier ist die Brennstoffzellenheizung trotzdem unkritischer als das Blockheizkraftwerk (BHKW). Der Grund liegt in der Stromkennzahl. Denn die Brennstoffzelle hält die Balance bei der Gewinnung beider Energieformen. Zum Vergleich: Ein BHKW mit einem Verbrennungsmotor generiert typischerweise Wärme und Strom in einem Verhältnis von 3 zu 1. Also lässt sich mit einer Brennstoffzellenheizung bei gleichem Energiebedarf erheblich mehr Strom erzeugen, der entweder selbst verbraucht, oder in das öffentliche Netz eingespeist werden kann. Während ein BHKW sich also für schlecht gedämmte Gebäude und Nutzer mit einem verbrauchsbedingt hohen Wärmebedarf eignet, passt die Brennstoffzellenheizung auch in ein Wohngebäude nach aktuellem Minergie-Standard.

Wasserstoff und Sauerstoff sind die Reaktionspartner bei der Energieerzeugung in der Brennstoffzelle. Ähnlich wie bei der Wärmepumpe geht es aber auch hier nicht, ohne dass dem Prozess von aussen Energie zugeführt wird bei einer Brennstoffzellenheizung. Denn obwohl der benötigte Wasserstoff ebenso wie der Sauerstoff in besonders grossen Mengen in der Umwelt vorkommt, ist er in reiner Form im Haus nicht verfügbar.

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Wasserstoff aus dem Reformer

Deswegen wird der Wasserstoff durch einen Reformer aus Erd- oder Biogas gewonnen. Zukünftig soll es daneben auch möglich sein, den Wasserstoff aus Flüssiggas zu gewinnen für die Brennstoffzellenheizung. Wasserstoff ist ein völlig unbedenklicher Stoff, welcher keine Explosionsgefahr darstellt. So wurden bereits erfolgreich Automobile und sogar Flugzeuge mit Brennstoffzellentechnik erprobt.[4]Ein weiterer Vorteil der Brennstoffzelle: Der Wasserstoff ist gänzlich unschädlich für die Umwelt.

Auch die Brennstoffzellenheizung kommt also bisher nicht ohne Brennstoffe aus. Die Alternative zum fossilen Erdgas stellt Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen dar. In der Schweiz nimmt Biogas bereits einen grossen Anteil des verwendeten Erdgases ein. Es wird unter anderem durch die Vergärung von Pflanzenresten und Gülle gewonnen. Nach der Aufbereitung weist das Biogas zum Erdgas identische Eigenschaften auf und wird dementsprechend auch über das gleiche Leitungsnetz verteilt. In der Schweiz wird ausschliesslich energiereiches H‑Gas vertrieben. Den Unterschied zum energieärmeren L‑Gas macht der Methangehalt aus, der für den Brennwert ausschlaggebend ist.

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Wasserstoff aus dem Elektrolyseur

Doch wenn Sie zusätzlich zur Heizung über eine Photovoltaikanlage verfügen, dann kann die Erdgasversorgung überflüssig werden. Denn mit dem Strom aus der Sonnenenergie lässt sich ein sogenannter Elektrolyseur betreiben. Dieser spaltet normales Wasser in seine Bestandteile, nämlich Wasserstoff und Sauerstoff, auf. Der Sauerstoff kann an die Luft abgegeben werden, während der Wasserstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird. Solch eine Lösung ist beinahe konkurrenzlos, denn sie kommt gänzlich ohne fossile Rohstoffe und Verbrennungsprozesse aus. Der Nachteil bisher: Die noch junge Technologie ist schlecht verfügbar und dementsprechend teuer in der Anschaffung.

Dass das Prinzip funktioniert, zeigt ein Mehrfamilienhaus in Brütten, in dem weiter an der Optimierung der Technologie der Brennstoffzellenheizung gearbeitet wird. Mehr dazu erfahren Sie auf den Seiten der Umwelt Arena Schweiz.

Wer sich für eine Heizungsart entscheidet, der bindet sich über Jahrzehnte. Deshalb sollte auch eine fachmännische Wirtschaftlichkeitsbetrachtung vorgenommen werden. Transparenz erhalten Sie dann, wenn die folgenden Kostenbestandteile einer Brennstoffzelle in die Betrachtung eingehen:

• Kosten für die Erschliessung der Energieversorgung

• Anschaffungskosten für die Brennstoffzelle

• Kosten für den Brennstoffverbrauch und Instandhaltung

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Erschliessung des Energieträgers einer Brennstoffzellenheizung

Bisher wird für die Brennstoffzelle hauptsächlich Erdgas eingesetzt, das über ein öffentliches Leitungsnetz verteilt wird. Anders als bei Flüssiggas werden dafür also keine eigenen Lagerstätten benötigt. Das bedeutet aber auch: Für den Betrieb einer Brennstoffzellenheizung muss aktuell noch zwingend eine Gasleitung in der Nähe liegen. Beachten sollten Sie, dass der Gasanschluss zweigeteilt ist. Für die Verlegung der Leitung bis ins Gebäude ist der Energieversorger des entsprechenden Versorgungsgebiets verantwortlich. Viele Versorger bieten eine Online-Auskunft darüber an, ob ein Hausanschluss bei Ihnen möglich ist. Für alle weiteren Leitungen zur Verteilung des Erdgases an die verschiedenen Verbraucher innerhalb des Gebäudes sind Sie dagegen selbst verantwortlich.

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Anschaffungskosten einer Brennstoffzellenheizung

Wie alle WKK-Anlagen ist die Brennstoffzellenheizung noch vergleichsweise teuer. Für die Versorgung eines Einfamilienhauses kann durchaus eine Investitionssumme zwischen 30.000 und 50.000 Franken erforderlich werden. Zu beachten ist, dass die Anschaffungskosten einer Brennstoffzellenheizung durch viele Faktoren beeinflusst werden kann, darunter:

• Technischer Stand der Brennstoffzellenheizung

• Kapazität der Brennstoffzellenheizung

• Hersteller der Brennstoffzellenheizung

• Region

• Installationsbetrieb

Die gute Nachricht lautet, dass die Arbeiten an der Brennstoffzellenheizung sich nicht wesentlich von den Arbeitsschritten bei Aufstellung und Inbetriebnahme einer Gasbrennwertheizung unterscheiden. In jedem Fall sollten Sie sich aber en einen spezialisierten Installateur mit entsprechender Planungserfahrung wenden. Gerne steht Ihnen unser Spezialisten Team dafür zur Verfügung.

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Betriebskosten einer Brennstoffzelle

Über die Lebensdauer einer Heizungsanlage übersteigen die Brennstoffkosten in der Regel die Aufwendungen für die Erstanschaffung um ein Vielfaches. Doch wie sieht es bei der Brennstoffzellenheizung aus? Hier ist die Rechnung ein wenig komplexer, denn der Brennstoff wird nicht nur dazu eingesetzt, um Wärme zu erzeugen. Stattdessen liefert die Brennstoffzellenheizung auch Strom, den Sie entweder selbst nutzen oder gegen ein Entgelt weiterverkaufen können. Die Kosten für die Wärme ergeben sich also aus den Kosten für den Brennstoffverbrauch, vermindert um den Marktpreis des selbst genutzten Stromes und vermindert um die Vergütung für den eingespeisten Strom. Das und der erhöhte Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung sorgt für geringe Heizkosten bei einer Brennstoffzellenheizung. Auch hier gilt: Hohe Laufzeiten sind der Garant für einen wirtschaftlichen Betrieb. Wie die Wärmepumpe wird die Brennstoffzelle daher nach der Grundlast des Wärmebedarfs ausgelegt.

Ganz unabhängig von den Marktpreisen für die Energie machen Sie sich auch mit einer Brennstoffzellenheizung aktuell noch nicht. Zusammen mit anderen WKK-Technologien wie dem BHKW zeichnet sich die Brennstoffzellenheizung aber durch zwei wesentliche Merkmale aus.

• Hoher Wirkungsgrad von ca. 90 Prozent

• CO2-neutraler Betrieb einer Brennstoffzellenheizung durch Biogas möglich

Doch warum gilt die Brennstoffzellenheizung auch innerhalb der WKK-Technologien als besonders vielversprechend? Das liegt hauptsächlich daran, dass die Stromkennzahl der Brennstoffzellenheizung höher ausfällt. Im wärmegeführten Betrieb kann daher bei gleichem Wärmebedarf mehr Strom gewonnen werden als mit den meisten BHKW. Zwar liesse sich mit einer Speichervorrichtung für die nicht benötigte Wärme auch beim BHKW die Laufzeit und damit die Stromausbeute erhöhen, jedoch zu Lasten des Wirkungsgrades. Denn bei der Speicherung von Wärme treten vergleichsweise hohe Verluste auf. In Zukunft hat die Brennstoffzellenheizung sogar das Potenzial, ohne Erdgas zu funktionieren. Dann ist ein völlig schadstofffreier und von externen Energiequellen autarker Betrieb möglich. Die Tabelle zeigt auf einen Blick die Vor- und Nachteile der Brennstoffzellenheizung gegenüber anderen verfügbaren Technologien.

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Vorteile einer Brennstoffzellenheizung

• Hoher Wirkungsgrad durch doppelte Nutzung der Energie

• Eignet sich auch für Gebäude mit niedrigem Wärmebedarf

• Geräuscharme und kompakte Heizungsanlage

• Technologie kann in Zukunft autark und schadstofffrei arbeiten

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Nachteile einer Brennstoffzellenheizung

• Abhängigkeit von Gaspreisen

• Hohe Anschaffungskosten gegenüber konventionellen Heizungen

• Wartungsintensiv

• Begrenzte Lebensdauer der Zellen

Natürlich geht es für Bauherren und Eigentümer eines Altbaus bei der Auswahl der neuen Heizungsanlage nicht nur darum, welche Technologie für sich genommen die wirtschaftlich und ökologisch sinnvollste ist. Vor allem bei Bestandsbauten stellt sich die Frage, ob sich die neue Heizung überhaupt in die bestehende Technik einbinden lässt. In dieser Hinsicht ist die Brennstoffzellenheizung vergleichsweise unkompliziert, denn sie arbeitet mit Erdgas. So müssen keine Lagerstätten für den Brennstoff geschaffen werden. Andererseits ist aber die Existenz einer Erdgasleitung in der Nähe unverzichtbar für eine Brennstoffzellenheizung. Ein weiterer Pluspunkt der Brennstoffzellenheizung: Ebenso wie die Wärmepumpe eignet sich die Brennstoffzelle auch für den Einsatz in modernen Gebäude, deren Wärmebedarf durch leistungsfähige Dämmung minimiert wird.

Quellen

[1]http://www.bfe.admin.ch/themen/00490/00506/index.html?lang=de
[2]http://www.bfe.admin.ch/themen/00526/00541/00543/index.html?lang=de&dossier_id=00774
[3]http://www.bfe.admin.ch/php/modules/publikationen/stream.php?extlang=de&name=de_39882556.pdf
[4]https://www.co2online.de/modernisieren-und-bauen/brennstoffzellen-heizung/was-sind-brennstoffzellen/