Die Energiewende umfasst den Ausbau von Effizienztechnologien und erneuerbaren Energien. Eine Effizienztechnologie mit besonders großem Potenzial ist die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), da sie die mit der Stromerzeugung anfallende Wärme sinnvoll nutzt. Gegenüber der herkömmlichen getrennten Strom- und Wärmeerzeugung – Strom aus einem zentralen Kraftwerk, Wärme aus dem Heizungskeller – reduzieren erdgasbetriebene Brennstoffzellen-Heizsysteme die CO2-Emissionen um bis zu 50 Prozent.
Bei Verwendung als Haus-Energiezentrale profitieren die Betreiber von Einsparungen bei den Energiekosten von bis zu 40 Prozent – im Wesentlichen über die eingesparten Kosten für den Strom, der nicht von einem Energieversorger hinzugekauft werden muss. Damit reduziert sich gleichermaßen die Abhängigkeit vom Stromversorger und den zukünftig noch zu erwartenden Preissteigerungen. Als dezentrale Stromerzeuger leisten Brennstoffzellen-Heizsysteme darüber hinaus einen Beitrag zur Entlastung der Stromnetze. Eine wichtige Voraussetzung für den wirtschaftlichen Betrieb von KWK-Systemen sind möglichst lange Laufzeiten. Diese sind vorwiegend in Objekten mit einem hohen, ganzjährigen Strom- und Wärmebedarf gewährleistet. Deshalb werden in Krankenhäusern, Gewerbe- und Industriebetrieben vorwiegend Blockheizkraftwerke (BHKW) auf Basis von Ottomotoren eingesetzt.
Für die rund 14 Millionen Ein- und Zweifamilienhäuser in Deutschland standen bisher vorwiegend motorisch betriebene Mikro-KWK-Systeme zur Verfügung. Besonders wirtschaftlich arbeiten diese Geräte bei einem jährlichen Gasverbrauch von mindestens 20.000 Kilowattstunden und einem Stromverbrauch von mehr als 4000 Kilowattstunden – das entspricht dem Bedarf eines durchschnittlichen Ein- oder Zweifamilienhauses im Bestand.
Energieträger Wasserstoff
Um auch Neubauten, Passivhäuser und sanierte Bestandsgebäude mit besonders niedrigem Wärmebedarf für die KWK-Technologie zu erschließen, muss ein möglichst hoher elektrischer Wirkungsgrad und damit ein geringer Wärmeanteil bei der Stromversorgung erreicht werden. Dazu bieten sich KWK-Systeme auf Brennstoffzellen-Basis an – eine Technologie, die ursprünglich in der Raumfahrt eingesetzt wurde und auch als Energiequelle für Pkw genutzt wird. Brennstoffzellen werden mit Wasserstoff und Luft betrieben. Dabei kann der Wasserstoff in einem vorgelagerten Prozess (Reformer) aus Erdgas gewonnen werden. In Japan sind mehr als 80.000 Brennstoffzellen für stationäre Anwendungen seit Jahren in zuverlässigem Betrieb. Als Speichermedium in der Energieversorgung (Power-to-Gas) und in der Fahrzeugtechnik hat sich diese Technologie ebenfalls bewährt – zum Beispiel für den Antrieb von Omnibussen im öffentlichen Nahverkehr. Auch im Freizeitsektor werden Brennstoffzellen genutzt, etwa zur Stromversorgung von Reisemobilen, Segelbooten oder Ferienhäusern.
Hoher Wirkungsgrad, lange Lebensdauer
Um die europäischen Märkte für den Einsatz von Brennstoffzellen in der Gebäude-Energieversorgung zu erschließen, hat Viessmann gemeinsam mit der Panasonic Corporation ein Heizgerät auf Basis der PEM-Technologie (Polymer-Elektrolyt-Membran) entwickelt. Vorteile dieser Technologie sind die kurze Anlaufzeit, ein für die Integration in Heizsysteme geeignetes Temperaturniveau und ein hoher Gesamtwirkungsgrad von bis zu 90 Prozent (Hi). Das Brennstoffzellenmodul wurde vom Kooperationspartner in Japan bereits über 34.000 Mal installiert und ist für eine Lebensdauer von mindestens 60.000 Betriebsstunden ausgelegt. Das entspricht etwa 4000 Starts oder einem Zeitraum von zehn Jahren.
Der für den Betrieb der Brennstoffzelle nötige Wasserstoff wird in einer vorgeschalteten Reformereinheit aus Erdgas gewonnen. Bei einer elektrischen Leistung von 750 W erzeugt das System im Tagesverlauf rund 15 Kilowattstunden elektrische Energie und deckt so den Großteil des Strombedarfs eines typischen Haushalts. Überschüssiger Strom wird in das öffentliche Netz eingespeist und vom Energieversorger vergütet.
Integrierter Spitzenlastkessel
Die thermische Leistung des Brennstoffzellenmoduls beträgt 1 kW. Diese Wärme wird effizient für die Heizung und Warmwasserbereitung genutzt. Das heißt, während der Laufzeit des Brennstoffzellenmoduls von täglich 20 Stunden wird der Pufferspeicher des Heizsystems kontinuierlich mit 67 Grad Vorlauftemperatur geladen. Erst wenn der Wärmebedarf nicht aus dem Pufferspeicher gedeckt werden kann – zum Beispiel an besonders kalten Tagen oder zur schnellen Warmwasserbereitung –, schaltet sich der integrierte Spitzenlastkessel mit einer Leistung von 19 kW automatisch zu. Dabei handelt es sich um ein Gas-Brennwertgerät mit integrierter Hydraulik, 170 Liter Pufferspeicher und 46 Liter Trinkwasser-Ladespeicher. Das gesamte System wird im Keller oder Hauswirtschaftsraum installiert und benötigt dort nur eine Fläche von 0,65 m2.
Investitionskostenzuschuss bis zu 17.500 Euro
Als innovative Systeme zur kombinierten Wärme- und Stromerzeugung können Brennstoffzellen-Heizsysteme einen wichtigen Beitrag zum Gelingen der Energiewende leisten. Voraussetzung dafür sind jedoch verlässliche Rahmenbedingungen und Anreizsysteme, die den Einsatz von Hocheffizienztechnologien fördern, privates Kapital mobilisieren und so einen Impuls zur Auflösung des Modernisierungsstaus im Gebäudebestand geben.
Ein gutes Beispiel ist das vom Hessischen Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung aufgelegte Förderprogramm „Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen“. Im Rahmen dieses Programms wird die Anschaffung eines Brennstoffzellen-Heizgeräts mit 50 Prozent der Investitionskosten oder maximal 17.500 Euro gefördert. Ergänzend kann ein Wartungskostenzuschuss von bis zu 2000 Euro beim örtlichen Gasversorger beantragt werden. Nicht nur in Hessen, sondern auch in einigen anderen Bundesländern wurden inzwischen Förderprogramme zur Marktintegration innovativer KWK-Systeme aufgelegt. Die Sächsische Aufbaubank etwa hat für die Förderung von Brennstoffzellen-Heizgeräten Mittel in Höhe von drei Millionen Euro zur Verfügung gestellt. Um die Marktintegration dieser Technologie voranzubringen, müssen die Förderprogramme verstetigt und auf eine breite Basis gestellt werden.
