Brennstoffzellen sind marktreif

„Die Marktreife von Brennstoffzellensystemen zur Anwendung in der Gebäudeenergieversorgung im kleineren Leistungsbereich ist erreicht“, sagte Rolf Albus vom Gas- und Wärme-Institut Essen (gwi) im Februar bei einer Veranstaltung der Energieagentur NRW zum Thema „Gasturbinen und KWK-Anlagen im Kontext einer Wasserstoffwelt“. Vor allem für Ein- und Zweifamilienhäuser und im Kleingewerbe etabliere sich die Technologie allmählich. „Leider sind im Moment nur wenige Hersteller am Markt aktiv und die Systemauswahl ist noch gering.“ Aber gerade die technische Entwicklung der vergangenen Jahre findet Albus beachtlich, zum Beispiel wenn man sich die Stack-Entwicklung anschaue.

Sauerstoff und aus Erdgas gewonnener Wasserstoff: Das sind die Komponenten, die benötigt werden, um mittels des Brennstoffzellenheizgerätes Strom und Wärme zu erzeugen. In einem Reformer der Brennstoffzelle wird das Erdgas in Wasserstoff umgewandelt. Anschließend kommt es zu einer Reaktion, die als kalte Verbrennung bezeichnet wird. Der Wasserstoff reagiert im Brennstoffzellenstapel − dem Stack − mit Sauerstoff in einer umgekehrten Elektrolyse zu Wasser. Dabei entstehen Strom und Wärme. Die Brennstoffzelle kann einen hohen Gesamtwirkungsgrad von mehr als 90 % erreichen, wenn die gesamte Energie effizient im jeweiligen Gebäude genutzt werden kann. Hersteller wie zum Beispiel Viessmann bezeichnen ihre Brennstoffzellenheizsysteme daher auch als Mikro-KWK.

Stacks sind in den vergangenen Jahren immer besser und langlebiger geworden

Vor allem die Lebenszeit der Stackstapel ist laut Albus in den vergangenen Jahren immer länger geworden. Waren es anfangs lediglich 10.000 Stunden, erreichen „die neuesten Stacks mittlerweile mehr als 60.000“, sagte Albus in seinem Vortrag. Damit liege die Lebensdauer von Zellstapeln bei etwa zehn Jahren. Mit ihrem hohen Gesamtwirkungsgrad haben nach Ansicht von Albus die am Markt befindlichen Brennstoffzellensysteme im kleineren Leistungsbereich eine hohe technologische Reife erlangt. Der Experte vom GWI sieht aber auch noch weiteren Forschungsbedarf: unter anderem beim Reformerprozess, der auf höhere Wasserstoffanteile im Gasgemisch (< 20 Vol.-%) angepasst werden müsse. Außerdem seien für eine flexible Fahrweise der BZ-Systeme über die „Gebäudegrenze“ hinweg Speichersysteme und Kommunikationswege notwendig. Dazu seien weitere Analysen von Netzzuständen bei der Stromeinspeisung, vom Betriebsverhalten bei der Netzrückkopplung beziehungsweise von bestimmten Netzzuständen erforderlich.

Hersteller haben neben Gesamtsystemen auch Beistelllösungen in ihrem Sortiment, das heißt Brennstoffzellen zur Nachrüstung von Bestandsanlagen. Es bieten etwa Senertec, Viessmann und Remeha solche Gesamtsysteme an. Beistelllösungen gibt es ebenfalls bei Viessmann sowie bei Buderus (Solidpower) und Sunfire.

Die Vitovalor PT2 und ihr Vorgänger Vitovalor 300-P vom Hersteller Viessmann sind beispielsweise Brennstoffzellenheizgeräte. Neben dem Brennstoffzellenmodul bestehen sie außerdem aus einem Gasbrennwertgerät, das zur Spitzenlastdeckung dient, einer witterungsgeführten Regelung und einem Edelstahlwarmwasserspeicher. Mit der Vitovalor PA2 kann hingegen ein bestehendes Heizsystem ergänzt werden. Dazu wurde neben einer Systemtrennung laut dem Hersteller ein Abgasanschluss verbaut. Auch Senertec bietet Brennstoffzellenheizgeräte an. Die Gesamtanlage für den Dachs 0.8 ist neben der Brennstoffzelle ausgestattet mit einem Zusatzheizgerät (Brennwert), einem 300-Liter-Pufferspeicher, Frischwasserstation, zwei geregelten Heizkreisen und einem Energiemanager mit Touchscreen.

BZ-Systeme für Neu- und Bestandsbau möglich

Sowohl Viessmann als auch Senertec oder Buderus sehen einen wachsenden Markt an Brennstoffzellenheizsystemen. So verzeichnete Buderus auch während der Corona-Pandemie ein großes Interesse. Vor allem der neue Bluegen BG-15 lasse sich an die Lebensumstände der Nutzer anpassen. Erhöht sich beispielsweise der Strombedarf durch die Anschaffung eines Pools oder eines Elektroautos, so kann die elektrische Leistung entsprechend bis zu 1,5 kW hochgeregelt werden. Ein einzelner Bluegen BG-15 produziert im Jahr bis zu 13.000 kWh Strom. Für einen höheren Energiebedarf lassen sich laut Buderus mehrere Geräte zu einer Kaskade kombinieren.

Hagen Fuhl, Leiter der Normungs- und Öffentlichkeitsarbeit bei Senertec, bestätigt die steigende Nachfrage nach Brennstoffzellen. Senertec tausche alte Heizungsanlagen gegen Brennstoffzellenheizsysteme nicht nur in Ein- und Zweifamilienhäusern, sondern zu einem großen Teil in Gewerbeobjekten, Geschäftsräumen oder Arztpraxen. „Der Vorteil ist, dass in vielen Gebäuden die bestehende Infrastruktur weiterhin genutzt werden kann“, sagt Fuhl. Das sei bei Modernisierungen ein wichtiges Kriterium für so manche Eigentümer. Zudem sei die Installation dank kompakter Bauweise unkompliziert. Die Wartung solcher BZ-Systeme sei nicht aufwendiger als bei herkömmlichen Heizungen und finde nur alle fünf Jahre statt.

Fuhl zeigt sich überzeugt, dass Brennstoffzellen bei der Versorgung Lücken schließen können. Sie seien eine ideale Ergänzung zum weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien − vor allem in Kombination mit Photovoltaik. „Der Dachs 0.8 zum Beispiel mit moderner Brennstoffzellentechnik ist vornehmlich Stromerzeuger, der auch heizt und Warmwasser liefert.“ Wegen der hohen Effizienz fielen die Energiekosten besonders niedrig aus.

Die Brennstoffzelle müsse jedoch noch stärker ins Bewusstsein der Menschen gebracht werden, so Fuhl, der auch Vizepräsident des Bundesverbandes Kraft-Wärme-Kopplung (B.KWK) ist. Selbst bei Fachhandwerkern und Planern sei die Technologie oftmals noch zu wenig bekannt. Sie habe aber große Vorteile: „Mit einem Brennstoffzellenheizsystem sind Betreiber unabhängiger von den Strompreisen, produzieren ihre eigene Wärme und Energie, verdienen damit Geld und tragen außerdem zum Klimaschutz bei dank CO2-Reduktion.“ Außerdem könne die Brennstoffzellen-KWK für eine Bereitstellung von Regelenergie beziehungsweise Residuallastdeckung ohne Netzausbau bei geringeren Planungs- und Realisierungskosten sorgen. „Die Brennstoffzellentechnik ist damit ein wichtiger Baustein für die Energie- und Wärmewende.“


Brennstoffzellentypen
Die PEMFC ist eine Niedertemperaturbrennstoffzelle mit Polymermembran. Sie nutzt einen Reformer, um aus Erdgas Wasserstoff zu gewinnen.
Der SOFC-Technik wird bei der Trennung von Ionen und Elektronen Zirkondioxid eingesetzt. Sie kann Erdgas direkt verwenden, benötigt aber eine höhere Betriebstemperatur.

Tabelle: Auswahl an Brennstoffzellensystemen, die am Markt erhältlich sind

Hersteller und Bezeichnung	Remeha eLecta 300	Senertec Dachs 0.8	Solidpower (Buderus) Bluegen BG-15	Sunfire Sunfire-Home 750	Viessmann Vitovalor PT2 (Vitovalor PA2)
Anlage	BZ mit Zusatzheizgerät und Speicher	BZ mit integriertem Brennwertgerät und Warmwasserspeicher	BZ-Einzelgerät	BZ-Einzelgerät	BZ mit integriertem Brennwertgerät und Warmwasserspeicher (BZ-Einzelgerät)
Brennstoffzellentyp	PEMFC	PEMFC	SOFC	SOFC	PEMFC
elektrische Leistung	750 W	750 W	1.500 W	750 W	750 W
thermische Leistung	1.100 W	1.100 W	850 W	1.250 W	1.100 W
Gesamtwirkungsgrad	92 %	92 %	88 %	90 %	92 %

Quelle: gwi, Initiative Gas, Hersteller