Sie treiben bereits Autos, Lastwagen und sogar ein kleines Passagierflugzeug an. Brennstoffzellen wandeln chemische Energie aus einem „Brennstoff“ wie Wasserstoff hocheffizient und umweltfreundlich in Strom und Wärme um. Prädestiniert also auch für die Energieversorgung zu Hause? Der Markt hat dazu noch nicht das letzte Wort gesprochen.

Mit dem Start der Serienfertigung des Mirai hat Toyota bereits angedeutet: Dem Brennstoffzellenauto könnte ein Platz in der Mobilität der Zukunft beschieden sein. Der Brennstoffzellen-Technik haben sich in den letzten Jahren zahlreiche neue Einsatzgebiete erschlossen. Die SBB haben sie etwa in ihren Bord-Minibars erfolgreich getestet und auf einigen Strecken sogar in den regulären Betrieb aufgenommen. Auch im Verkehrsbereich erwähnenswert sind die neuen, mit Brennstoffzellen betriebenen Lastwagen des Detailhändlers Coop sowie das erste elektrisch fliegende Passagierflugzeug der Welt, ein Viersitzer des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums.

Heizwärme und Strom aus einem Gerät

Seit einigen Jahren haben die Brennstoffzellen auch im Markt der Wärme- und Stromversorgung von Privathaushalten Einzug gehalten. Heizgeräte mit einer für Ein- und Zweifamilienhäuser optimierten Wärmeleistung sind inzwischen von mehreren Herstellern erhältlich. Die technische Reife der Brennstoffzellen-Heizung ist zahlreichen Forschungs- und Entwicklungsprojekten sowie Feldtests seit den 1990er Jahren zu verdanken. Eine Pionierrolle in dieser Entwicklung kommt Japan zu. Das Land hat nicht nur in der Mobilität, sondern auch im Gebäudebereich seit Langem auf Wasserstoff als Energieträger der Zukunft gesetzt. Über 100'000 installierte Brennstoffzellen-Heizgeräte hat dort ein staatliches Förderprogramm als Zeugnis vorzuweisen.

In der jüngeren Vergangenheit sind auch in Europa ein zunehmendes Interesse sowie finanzielle Anreize für Brennstoffzellen-Heizungen zu verzeichnen gewesen. So sind im Rahmen des Programms Callux mehrere 100'000 Testbetriebsstunden zusammengekommen, in denen die Hersteller der ersten Stunde ihre Produkte einem offenbar überzeugenden Härtetest unterworfen haben. Zwei Brennstoffzellen-Varianten haben sich dabei bewährt:

Die PEMFC-Brennstoffzelle (PEM steht für proton exchange membrane, zu Deutsch Protonenaustauschmembran oder polymer electrolyte membrane zu deutsch Polymerelektrolytmembran) 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. Hier 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. Die PEMFC-Heizung wird seit Jahren mit starker staatlicher Förderung in Japan vorangetrieben. 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 werden Edelmetall wie Platin zur Beschleunigung der Reaktionen eingesetzt. Das erhöht die Herstellungskosten der Geräte.

Die SOFC-Brennstoffzelle (englisch: solid oxide fuel cell, Festoxid-Brennstoffzelle): In dieser Variante fungiert ein Keramikwerkstoff als fester Elektrolyt, der die Elektroden voneinander trennt. Die oxidkeramische Brennstoffzelle ist eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, die zwischen 650 und 1000 Grad Celsius betrieben werden kann. Die hohe Betriebstemperatur macht die Zelle sehr effizient und beseitigt das Problem mit den Verunreinigungen. 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. Der keramische Elektrolyt lässt Sauerstoffionen durch, die an einer Elektrode zu Wasser reagieren, wobei auch Strom erzeugt wird. Die höhere Betriebstemperatur bedingt auch eine lange Vorwärmzeit, weshalb SOFC-Geräte am besten für den Dauerbetrieb mit möglichst wenigen Start-Stop-Zyklen geeignet sind. SOFC-Zellen kommen ohne Platin im Katalysator aus, was die Produktionskosten senkt. Ein SOFC-Heizgerät unter dem Namen Galileo wurde 2013 vom Schweizer Hersteller Hexis aus Winterthur auf den Markt gebracht. Hexis wurde in der Zwischenzeit von der Firma Viessmann aufgekauft.

Contracting-Modell soll die hohe Preisbarriere senken

Hohe Preise sind momentan der grösste Nachteil der Brennstoffzellen-Heizung. Die Geräte können in der Anschaffung bis zu doppelt so viel kosten wie eine Brennwertheizung vergleichbarer Leistung. Die Höhe der Investition macht es für viele interessierte Hauseigentümer sehr schwierig, sich für das modernere und sauberere System zu entscheiden. Das ist umso bedauerlicher, als die Geräte bei genügend langer Lebensdauer das Potenzial haben, tiefere Lebenszykluskosten abzuwerfen als ihre Gas- und Ölpendants. Denn den Kapriolen der Erdölpreise ist man mit den Brennstoffzellen nicht mehr ausgesetzt. Obwohl in den Geräten der Wasserstoff aus Erdgas gewonnen wird, ist auch der Einsatz von Biogas als Vorläufer für Wasserstoff möglich. Und in Zukunft könnte der Wasserstoff sogar aus der Elektrolyse von Wasser stammen. Den dafür nötigen Strom könnte die Photovoltaikanlage auf dem Dach liefern. Dieses Konzept wird bereits in einem Projekt der Schweizer Umweltarena getestet.

Für die kommenden Jahre wird jedoch die Anfangsinvestition die grösste Herausforderung für die Erweiterung der Marktpräsenz bleiben. Das gilt selbst in Deutschland, wo Bundes- und Landesregierungen den Kauf der modernen Heizungen mit saftigen Subventionen unterstützen. Abhilfe schaffen könnten aber Contracting-Modelle, wie sie zurzeit von deutschen Anbietern lanciert werden. Energieversorger und Gerätehersteller spannen zusammen, um die Heizgeräte in einem Gesamtpaket anzubieten, das die Investition sowie die Wartungskosten umfasst. Der Kunde muss demnach nur eine Monatspauschale bezahlen. Wird lediglich die bestehende Gasheizung mit dem Brennstoffzellengerät und einem modernen Warmwasserspeicher nachgerüstet, dann gilt der günstigste Tarif um die 50 Euro pro Monat. Bei einem kompletten Ersatz des alten durch das neue Heizsystem liegt der monatliche Festbetrag höher. Die Anbieter versprechen jährliche Energiekosteneinsparungen für einen durchschnittlichen 4-Personen-Haushalt zwischen 635 und 1200 Euro.

Geschont werden soll aber nicht nur das Portemonnaie, sondern auch der Planet. Dank der hohen Energieeffizienz der Brennstoffzellen-Geräte sinkt der CO2-Ausstoss für Heizung, Warmwasser und Stromerzeugung gemäss Herstellerangaben um 40 Prozent.

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