Dank der hohen staatlichen Förderung wächst die Zahl der Brennstoffzellen-Heizungen stetig. In folgendem Fachbeitrag erörtern Philip Schano und Matthias Spies, Projektingenieure bei Minol Messtechnik, die passende messtechnische Ausstattung und mögliche Szenarien zur richtigen Abrechnung nach aktueller Heizkostenverordnung.

Der Beitrag ist zuerst in der GI 2/18 erschienen.

1. Einleitung

Rund 2.000 Brennstoffzellen-Heizgeräte sind derzeit in Deutschland im Einsatz (Beispiel siehe Bild 1), und es könnten bald sehr viel mehr werden. Ihr Vorteil: Sie produzieren sowohl Wärme als auch Strom und sind mit ihrem Wirkungsgrad von circa 90 % hocheffizient und umweltfreundlich. Im sogenannten Callux-Projekt wurden fast 500 Anlagen sieben Jahre lang auf Herz und Nieren getestet und optimiert, sodass die Technologie jetzt reif für einen großen Markt ist. Noch sind die Geräte mit einem Einstiegspreis von rund 20.000 Euro vergleichsweise teuer.

Aber je höher die produzierten Stückzahlen, desto weiter sinken die Kosten. Hinzu kommt, dass der Staat die Technologie sehr großzügig fördert. Die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) stellt Fördermittel nicht nur für Ein- und Zweifamilienhäuser, sondern auch für Wohnungseigentümergemeinschaften bereit. Gewerbetreibende und Eigentümer von Gebäuden mit mehr als zwei Wohneinheiten erhalten Zuschüsse vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA). Brennstoffzellen-Heizungen werden also zunehmend in Immobilien mit mehreren Wohn- oder Gewerbeeinheiten eingebaut, womit sich die Frage der Abrechnung gemäß Heizkostenverordnung stellt.

Bild 1: Viessmann Vitovalor 300-P (PEM-Brennstoffzellen-Heizungsanlage). (Quelle: Viessmann Werke GmbH & Co. KG)

1.1Welche Brennstoffzellenarten kommen in der technischen Gebäudeausrüstung zum Einsatz?

Generell werden in der Hausenergieversorgung bis circa zehn Kilowatt die Brennstoffzellenarten Protonenaustauschmembran (PEMFC: „Proton Exchange Membrane Fuel Cell“) und Fest-Oxid (SOFC: „Solid Oxide Fuel Cell“) verwendet. Ihre Unterschiede liegen vor allem in der Art des Elektrolytmaterials und in den verschiedenen Betriebstemperaturbereichen. Während die PEMFC bei Niedertemperaturen von 60 – 90 °C arbeitet (siehe Bild 2), läuft hingegen die SOFC als Hochtemperatur-Brennstoffzelle in einem Temperaturbereich von 700 – 1.000 °C.

Bild 2: Dieses Schema zeigt die einzelnen chemischen Umwandlungsprozesse einer PEM- Brennstoffzelle. Der vorgeschaltete Reformer wandelt das am Hausanschluss verfügbare Erdgas in einen für die Brennstoffzelle verwertbaren Brennstoff (Wasserstoff) um. Die Brennstoffzelle löst mithilfe des kontinuierlich zugeführten Wasserstoffs und des Oxidationsmittels (Sauerstoff) eine exotherme chemische Reaktion aus, durch die elektrische Energie und Wärme erzeugt wird. (Quelle: Minol Messtechnik)

1.2 Was unterscheidet die Brennstoffzelle von einem Blockheizkraftwerk nach dem Verbrennungsprinzip?

Die Brennstoffzelle und ein Blockheizkraftwerk nach dem Verbrennungsmotor-Prinzip haben laut Definition für die stationäre Anwendung in einem Wohn- oder Gewerbegebäude dieselbe Fähigkeit, Strom und Wärme in einem Gerät zu erzeugen. Somit werden beide Technologien den KWK-Anlagen zugeordnet. Ein herkömmliches Blockheizkraftwerk erzeugt Energie mittels eines Verbrennungsmotors, welcher mit fossilen Energieträgern (Öl, Gas) angetrieben wird. Die durch den Kolben erzeugte mechanische Energie wird mithilfe eines angekoppelten Generators in elektrische Energie umgewandelt. Die Brennstoffzelle hingegen wandelt chemische Energie direkt in elektrische und thermische Energie um, dies hat zur Folge, dass kein Generator zur Umwandlung in elektrische Energie benötigt wird. Somit entfallen auch die energetischen Umwandlungsverluste, was bedeutet, dass der elektrische Wirkungsgrad gegenüber einem Verbrennungsmotor deutlich höher liegt.

Dieser Aspekt ist zukünftig im Hinblick auf den tendenziell gleichbleibenden Bedarf an elektrischer Energie und dem geringer werdenden spezifischen Wärmebedarf besonders zu beachten. Durch die direkte Umwandlung ohne zusätzliche fossile Verbrennung werden die CO₂-Emissionen bezogen auf den prozentualen Anteil der Energieträger zur Stromgewinnung deutlich reduziert. Berücksichtigt werden muss allerdings noch die Tatsache, dass die meisten Brennstoffzellen-Heizungsanlagen mit reinem Wasserstoff arbeiten, der erst durch einen vorgeschalteten Reformer aus dem häuslich vorhandenen Erdgasanschluss durch Wärmezuführung (endotherme Reaktion) gewonnen werden kann (siehe Bild 3).

Bild 3: Aus der Grafik geht der komplette Energiefluss einer typischen PEM-Brennstoffzellen-Heizungsanlage vom ankommenden Rohstoff an die Brennstoffzellen-Einheit und die durch den Umwandlungsprozess entstehende abgehende Nutzenergie (elektrische Energie und Nutzwärme) an die jeweiligen möglichen Verbraucher innerhalb einer Liegenschaft hervor. (Quelle: Minol Messtechnik)