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Brennstoffzellen-Heizung: Das Kraftwerk für den Hausgebrauch

Brennstoffzellen-Heizungen erzeugen Strom und Wärme effizient aus Wasserstoff. Der private Heizungskeller mutiert zum Kleinkraftwerk. In Zukunft könnte dieser Heizungstyp mit erneuerbarer Energie betrieben werden. Für den Durchbruch auf dem Schweizer Markt müssen aber insbesondere die Anschaffungskosten sinken.

Remo BürgiRemo Bürgi4 min

Brennstoffzellen-Heizgeräte für den Hausgebrauch sind zwar seit einigen Jahren auf dem Schweizer Markt erhältlich, haben bisher aber den Durchbruch noch nicht geschafft. In anderen Ländern wie etwa Japan ist diese Heizform nicht zuletzt dank staatlicher Förderung schon etabliert und weit verbreitet. Die innovative Technik erlaubt es privaten Hausbesitzern, in ihrem eigenen Keller Strom zu erzeugen und gleichzeitig mit der entstehenden Abwärme zu heizen – Kraft-Wärme-Kopplung oder Wärme-Kraft-Kopplung nennt sich das (KWK bzw. WKK).
 

So funktioniert die Brennstoffzellen-Heizung

Eine Brennstoffzelle wandelt die eingesetzte Energie in einem elektrochemischen Prozess hocheffizient in Elektrizität und Wärme um. Dies im Unterschied zu herkömmlichen Heizgeräten, die auf Basis von emissionsintensiven Verbrennungsprozessen arbeiten. Für den Umwandlungsprozess benötigt die Brennstoffzelle Wasserstoff, den sie selbst mit Erdgas erzeugt. Eine Voraussetzung für den Einbau einer Brennstoffenzellen-Heizung ist also ein Erdgas-Anschluss im Gebäude.

Der von der Zelle produzierte Strom kann den Bedarf in einem durchschnittlichen Haushalt zu einem grossen Teil abdecken. Als «Nebenprodukt» der Stromgewinnung entsteht Wärme, die für Heizzwecke und die Warmwasseraufbereitung genutzt werden kann. Steigt der Bedarf an Wärme oder Brauch-Warmwasser im Gebäude kurzfristig an, wird die integrierte Gas-Brennwert-Zusatzheizung zugeschaltet.

Hoher Gesamtwirkungsgrad

Gegenüber einem Gas-Brennwertkessel und dem Strombezug aus dem Netz verringern Brennstoffzellen-Heizungen gemäss der Firma Hexis, die Brennstoffzellen-Technik herstellt, den CO2-Ausstoss um bis zu 50 Prozent. Folgende Vorteile sprechen für ein Brennstoffzellen-Heizsystem:

  • maximale Brennstoffausnutzung – der Gesamtwirkungsgrad für die Strom- und Wärmeversorgung liegt bei gut 90 Prozent
  • geräuschloser Betrieb
  • niedrige Schadstoffemissionen
  • geringer Platzbedarf

Die Heizungen sind gerade einmal so gross wie ein Kühlschrank und passen somit in jeden Heizungskeller. Die Installation ist einfach: Benötigt wird lediglich ein Erdgas-Anschluss, grössere bauliche Eingriffe braucht es nicht. Allerdings verfügen derzeit noch nicht alle Installateure über das erforderliche Montage-Know-how. Einzelne Gemeinden oder Energiewerke bieten Förderbeiträge für Brennstoffzellen-Heizgeräte an. Eine einheitliche Schweizer Regelung gibt es aber derzeit nicht.

Brennstoffzelle erneuerbar betreiben

Bisher benötigen Brennstoffzellen-Heizungen überwiegend Erdgas (bzw. Methan) für ihren Betrieb, um daraus den für den Energiegewinnungsprozess nötigen Wasserstoff zu generieren. Trotz hohem Wirkungsgrad ist die Technik daher von einer fossilen Energie abhängig. In Zukunft könnte sich dies aus mehreren Gründen ändern. Erstens steigt der Anteil Biogas im Schweizer Erdgasnetz, es kann also CO2-neutrales Methan für die Wasserstoff-Gewinnung bezogen werden. Zweitens dürfte künftig synthetisches Methan, das aus überschüssigem erneuerbarem Strom hergestellt wird, zur Verfügung stehen.

Stammt der Strom für die Elektrolyse von der hauseigenen Photovoltaikanlage, kann die Brennstoffzellen-Heizung erneuerbar betrieben werden.

Drittens kann Wasserstoff in einem sogenannten Elektrolyseur im Prinzip auch vor Ort hergestellt werden. Stammt der dazu benötigte Strom beispielsweise von der hauseigenen Photovoltaikanlage, kann die Brennstoffzellen-Heizung erneuerbar betrieben werden. Allerdings dürfte es noch einige Jahre dauern, bis die dafür benötigte Technik ausgereift ist und zu marktfähigen Kosten zur Verfügung steht.

Kosten einer Brennstoffzellen-Heizung

Brennstoffzellenheizungen sind heute noch vergleichsweise teuer, die Installationskosten betragen gemäss der Plattform Topheizung bei einem Einfamilienhaus 30'000 bis 50'000 Franken. Ob sich diese Anschaffung lohnt, sollte unter Einbezug einer Fachperson genau geprüft werden. Wirtschaftlich ist eine solche Heizung grundsätzlich dann, wenn der Eigenverbrauch des Stroms hoch ist. Tendenziell dürften Brennstoffzellen-Heizungen in Zukunft noch attraktiver werden, wenn die Investitionskosten sinken und die Technik weiter verfeinert wird. Auch Förderprogramme können die Wirtschaftlichkeit verbessern, so werden PEMFC-Heizungen (siehe unten) seit Jahren mit starker staatlicher Förderung in Japan und seit einigen Jahren auch in Deutschland vorangetrieben.

Die PEMFC-Brennstoffzelle verwendet zwei Elektroden, die von einer Kunststoffmembran getrennt werden. Diese Membran ist gasdicht und verhindert so die unkontrollierte, explosive Reaktion durch Vermischung der eingesetzten Gase Wasserstoff und Sauerstoff. PEM steht für proton exchange membrane, zu Deutsch Protonenaustauschmembran oder polymer electrolyte membrane zu deutsch Polymerelektrolytmembran. Es wird ein Elektrolyt aus Kunststoff (Folie) verwendet. Die Membran lässt nur die von Elektronen befreiten Wasserstoff-Atomkerne durch, Protonen genannt. Die Protonen reagieren an einer Elektrode mit Sauerstoff, wobei Elektrizität und – als einziges Nebenprodukt – Wasser produziert werden.

Dies ist in der Regel eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle. Der Vorteil: Ein Kaltstart ist möglich, das heisst, es ist keine lange Vorwärmzeit erforderlich. Deshalb ist die PEM-Zelle auch gut geeignet für Fahrzeuge. Der Wasserstoff wird dabei aus Erdgas gewonnen, durch ein als Reformierung bezeichnetes chemisches Verfahren. In Japan profitiert man von der Tatsache, dass das einheimische Erdgas sehr rein ist. Das ist ein kritischer Faktor, denn PEM-Brennstoffzellen vertragen kaum Verunreinigungen. Zum Beispiel ist das Gas Kohlenmonoxid, das bei der Reformierung entsteht, ein Gift für den Katalysator, der die elektrochemischen Reaktionen in der Brennstoffzelle erst ermöglicht. Im Katalysator selbst wird Edelmetall wie Platin zur Beschleunigung der Reaktionen eingesetzt. Das erhöht die Herstellungskosten der Geräte.

 

In der Variante der SOFC-Brennstoffzelle (englisch: solid oxide fuel cell, Festoxid-Brennstoffzelle) fungiert ein Keramikwerkstoff als fester Elektrolyt, der die Elektroden voneinander trennt. Der keramische Elektrolyt lässt Sauerstoffionen durch, die an einer Elektrode zu Wasser reagieren, wobei auch Strom erzeugt wird.

Die oxidkeramische Brennstoffzelle ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die zwischen 650 und 1000 Grad Celsius betrieben werden kann. Die hohe Betriebstemperatur macht die Zelle sehr effizient und und weniger empfindlich für Verunreinigungen als beim PEMFC-Verfahren. In der Festoxid-Brennstoffzelle ist die Wahl des Brennstoffs daher weniger heikel. Problematisch ist hingegen die Wahl der Materialien, die sehr hohen thermischen Belastungen standhalten müssen. Das wirkt sich nachteilig auf die Lebensdauer der Zellen aus. Die hohe Temperatur bedingt eine lange Vorwärmzeit, weshalb SOFC-Geräte am besten für den Dauerbetrieb mit möglichst wenigen Start-Stopp-Zyklen geeignet sind. SOFC-Zellen kommen ohne Platin im Katalysator aus, was die Produktionskosten senkt.

Aufbau einer Brennstoffzellen-Heizung

Die Abbildung zeigt Komponenten einer Brennstoffzellen-Heizung, wie sie vom Winterthurer Unternehmen Hexis entwickelt werden. Das Modell Galileo wurde früher in der Schweiz angeboten und war prominent in einer Vorversion diese Beitrags erwähnt. Mittlerweile ist Galileo nicht mehr im Verkauf, SOFC-Technik von Hexis steckt heute in Produkten anderer Hersteller.
 

Hinweis: Aktualisierter Artikel

Dieser Beitrag ist eine Neubearbeitung (Aktualisierung und Ergänzung) von zwei beliebten früheren Artikeln von Leonid Leiva bzw. von Sandra Aeberhard, erarbeitet von Remo Bürgi.

  • Remo Bürgi, Kommunikator ZFH, arbeitet als Fachjournalist bei Faktor Journalisten. Sein Schwerpunkt liegt auf den Themen Energie, Nachhaltigkeit und Mobilität.
  • Sandra Aeberhard,  eidg. dipl. Journalistin SAL/Journalistin BR, ist Geschäftsleitungsmitglied bei Faktor Journalisten. Sie verfasste für die Energie-Experten mehrere Beiträge in den Fachgebieten Bauen, Wissen und Mobilität.
  • Leonid Leiva war bis Januar 2019 Wissenschaftsjournalist bei Faktor Journalisten, heute ist er Kommunikationsspezialist am IBM Forschungszentrum in Rüschlikon.

Die Kommentare unten, die vor August 2020 abgegeben wurden, beziehen sich auf eine Vorgängerversion dieses Artikels aus dem Jahr 2015. Ein paar wenige ältere Kommentare haben wir offline genommen, weil sie von der Aktualisierung überholt worden sind.

Titelfoto: Pexels/cottonbro

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Kommentare

  • MyTreeTV

    09.05.2015 06:02:56

    "... der Gesamtwirkungsgrad für die Strom- und Wärmeversorgung liegt bei über 90 Prozent - "
    Bitte legen Sie dar, wie Sie auf über 90% kommen.
    Besten Dank und bäumige Grüsse, Stefan

  • Herbert Brüllmann

    09.05.2015 06:21:03

    Kosten einer Anlage für ein EFH?

  • Sandra Aeberhard

    18.05.2015 13:43:15

    Galileo kostet inkl. einer Betriebsgarantie über 7 Jahre 29’000 CHF, ohne MwSt.. Die Betriebsgarantie umfasst über den genannten Zeitraum alle Wartungs- und Servicearbeiten, alle Verbrauchs- und Ersatzteile sowie die Fernwartung. Was die gesamte und installierte Anlage kostet, also inkl. Installation und Zubehör, kann der Installateur nach einer Ortsbegehung im Rahmen einer Offerte angeben.

  • Sandra Aeberhard

    18.05.2015 13:45:06

    Laut Volker Nerlich von Hexis wird der Brennstoff in der Brennstoffzelle zu etwa 95 % genutzt. Die Brennstoffzelle wandelt die eingesetzte Energie (Erdgas) zu 35 % in Strom (elektrische Energie) und zu 60 % in Wärme (thermische Energie) um. Dies sind laut Nerlich Werte, die am Prüfstand ermittelt wurden. Diese dezentrale Art der Strom- und Wärmeerzeugung am Ort des Verbrauchs lässt Gesamtwirkungsgrade von 90 % zu, bezogen auf den Einsatz von Primärenergie und unter Berücksichtigung der Verluste. Bei getrennter Energiebereitstellung von Strom (zentrales, fossil befeuertes Kraftwerk) und Wärme (Heizkessel) betrage der Gesamtwirkungsgrad derzeit etwa 60 %, da rund 40 % als Abwärmeverluste an die Umgebung abgegeben werde.

  • Bernhard Rindlisbacher

    21.05.2015 19:02:10

    Hört sich gut an. Nur gibt es meines Wissens da wo wir wohnen weit und breit keinen Gasanschluss.Womit eine Nutzung für uns mit vertretbaren Gesamtkosten wohl nicht möglich ist.

  • Sandra Aeberhard

    22.05.2015 09:40:13

    Es ist tatsächlich so, dass Galileo nur mit Erdgas funktioniert. Flüssiggas, also Gas aus einem Tank, kann leider nicht eingesetzt werden.

  • stefan haberl

    30.05.2017 09:17:13

    Gibt es das ganze System auch auf Wasserstoffbasis mit der Kombination den Wasserstoff selbst herzustellen über die Solaranlage und hydrolyse, damit man autark werden kann?

  • Sandra Aeberhard

    15.06.2017 12:02:18

    Volker Nerlich von Hexis beantwortet die Frage von Stefan Haberl wie folgt:

    Galileo wird ausschliesslich mit Erdgas, Biogas oder "Windgas", also Methan, betrieben. Die Methan-Infrastruktur existiert bereits flächendeckend und macht eine grossflächige Markteinführung bzw. breite Vermarktung möglich. Alle uns bekannten Wettbewerber vertreten diesbezügliche eine vergleichbare Strategie.

    Windgas wird mittels des "Power to Gas"-Verfahrens (PtG) mittels Elektrolyse hergestellt. PtG wird zur Zeit im Grossmassstab getestet. Eine Herausforderung dabei sind der apparative Aufwand und die damit verbundenen Verluste.

  • Meier

    19.03.2018 00:43:38

    Wir planen auf 2018 einen Neubau. ca 15 Whg.
    Gasanschluss ist beim jetztigen Altbau schon vorhanden.
    Autark wäre mein Traum aber es sollte noch bezahlbar sein.
    An wenn kann ich mich wenden für Beratung /Planung ?
    Muss aber Jemand sein der flexibel ist, da ich schon ein paar fixe Wünsche habe.

  • Energie-Experten

    19.03.2018 08:47:54

    Guten Tag Herr Meier
    Wenn Ihnen vorschwebt, mittels einer Brennstoffzellen-Heizung autark zu werden, dann sollten Sie es direkt bei der HEXIS AG in Winterthur versuchen (Tel. 052 262 63 11 / E-Mail: info@hexis.com).
    Freundliche Grüsse
    Ihre Energie-Experten

  • Jocke Hollmann

    04.02.2019 12:29:53

    Hallo,

    ich wunder mich ein bisschen, wieso so eine Brennstoffzellenheizung nur eine thermische Leistung von 1.8kW hat. Das ist weniger als ein handelsüblicher Heizlüfter. Dass es dann zusätzlich noch einen 7 bis 20kW starken Gasbrenner gibt, um doch noch auf die benötigte Leistung einer Heizung für ein Haus zu kommen, ist interessant, weil es heisst, dass bei Spitzenlast über 90% der Energie aus dem Gasbrenner kommen und nur 10% aus der Brennstoffzelle.
    Warum stellt man nicht eine grössere oder mehrere Brennstoffzellen zur Verfügung und warum kombiniert man diese nicht eine Wärmepumpe (wo man durch die Brennstoffzelle doch "gratis" Strom zur Verfügung hätte). Damit sollte sich der Wirkungsgrad doch deutlich steigern lassen - oder?

    Herzliche Grüsse,
    Jocke

  • Roland Graf

    10.08.2019 08:29:50

    Die Idee mit der Brennstoffzellenheizung find ich gut.Aber nicht jedes Haus hat einen Gasanschluss oder eine Möglichkeit dazu.Ausserdem kostet ein Gasanschluss auch viel Geld und man ist wiedEr von der Oel und Gaslobby abhängig.
    Warum also produziert man den H2 nicht im eigenen Haus mit Solarzellen oder Strom? Daran sollte man nach meiner Meinung forschen.
    Wir wohnen in einem Dreifamilienhaus und in ein paar Jahren müssen wir die Oelheizung erneuern, ich hoffe dass es bis dann eine bessere Lösung gibt als mit einem Gasanschluss.
    Mfg
    R.Graf

  • Moser Manfred

    23.09.2019 09:15:37

    Ist auch eine Verwendung in einem Mehrfamilienhaus (1200m2 Raum für mehrere Studio's) möglich?
    Braucht es eine fixen Gasanschluss, oder könnte ein Gastank verwendet werden.

  • Nicole Frei

    04.10.2019 17:13:27

    Da die Firma Hexis keine Geräte mehr vertreibt, für die Furma Viessmann der schweizer Markt zu klein ist würde es mich interessieren welche Brennstoffzellenheizung in der Schweiz installiert werden kann.

    Wie sieht das mit der Förderung PACE aus?

    Danke.

  • Sven Bucher

    18.10.2019 11:33:54

    Heizen mit Wasserstoff ist sicherlich zukunftsorientierter im Sinne der Ersetzens von fossilen Brennstoffen. Auch in der Automobil-, Schiffs- und Flugzeugbauindustrie wird auf diese Technologie zunehmend gesetzt, da sie ökologische sowie ökonomische Vorteile zu bieten scheint. Ich denke, dass die Installateure eine solche Art des Heizens empfehlen könnten.

  • Ivan Silvester

    02.12.2019 09:27:41

    Die Idee der Brennstoffzelle ist gut, jedoch in dieser Konzeption unbrauchbar da hiermit die unabhängigkeit von der erdölindustrie nicht gewährt ist.
    Das einzige was sinn macht ist eine Anlage in kombination mit Solarenergie oder Wärmetauscher.

    mit ipad erstellt...

  • Beat

    25.02.2020 22:10:57

    Grüezi
    Gibt es den Gallileo noch, resp. wieder?
    mfg Beat

  • Energie-Experten

    26.02.2020 09:04:02

    Hallo Beat, danke für das Interesse. Gemäss Website des Herstellers wird das Gerät Galileo 1000 N nicht mehr hergestellt:
    http://www.hexis.com/de/galileo-1000-n

    Bei der Mutterfirma Viessmann sind allenfalls neuere Modelle verfügbar, die infrage kommen:
    https://www.viessmann.ch/de/wohngebaeude/kraft-waerme-kopplung/blockheizkraftwerk.html

    So oder so gilt aber: Interessierte sollten mit einem qualifizierten Installationsbetrieb Kontakt aufnehmen und sich beraten lassen.

  • Alessandro Picciati

    02.09.2020 12:02:50

    Leider gibt es in der Schweiz absolut keinen Anbieter für Brennstoffzellen-Heizung für ein EFH. Ich hatte mich dieses Jahr dafür interessiert und praktisch alle möglichen Hersteller kontaktiert. Solange der Strompreis in der Schweiz so niedrig ist, lohnt es sich für die Anbieter, bzw. Nutzer nicht in das System zu investieren. Sollten Sie einen Anbieter in der Schweiz kennen, der ein solches System installiert, können Sie mich gerne kontaktieren.