Die Brennstoffzelle: Funktion und Einsparpotenzial

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Bei einer Brennstoffzelle handelt es sich um ein Heizsystem, welches das Funktionsprinzip der Kraft-Wärme-Kopplung nutzt. Das heißt, sie erzeugt sowohl Strom als auch Wärme. Für diese Strom- und Wärmeproduktion benötigt die Brennstoffzelle Sauerstoff und Wasserstoff. Letzterer wird zuvor aus Erdgas gewonnen und in der Brennstoffzelle selbst umgewandelt beziehungsweise reformiert. Als Nebenprodukt entsteht Wasser.

Die Brennstoffzelle im serienmäßigen Einsatz

Als Heizgerät ist die Brennstoffzelle erprobt und vielfach im zuverlässigen Betrieb. Allein in Japan sind seit 2009 bereits mehr als 123.000 Geräte von verschiedenen Herstellern für stationäre Anwendungen verkauft worden (Stand 01/2015). Die speziell für Ein- und Zweifamilienhäuser entwickelten und optimierten Viessmann Brennstoffzellenheizungen Vitovalor PT2 und Vitovalor PA2 arbeiten mit einem sehr hohen Gesamtwirkungsgrad und sind für eine strom-optimierte Betriebsweise ausgelegt.

Brennstoffzellen liefern aber auch Energie zum Antrieb von Fahrzeugen und Schiffen sowie zur Stromversorgung in der Luft- und Raumfahrt. Weitere Einsatzbereiche sind Mobiltelefone (Akkus), Verkehrsmanagement, Sicherheit und Überwachung, Windkraft und Telekommunikation. Ebenso sind Brennstoffzellen im Freizeitsektor zur Stromversorgung zu finden (z. B. in Reisemobilen, Segelbooten, Ferienhäusern und Berghütten).

Elektroauto zu Hause laden: So geht's

Gewusst wie: Praktisch jedes Haus (Neubau oder Modernisierung) kann Öko-Strom für die Familie und das Elektroauto produzieren – mit Brennstoffzelle, Stromspeicher, Solarzellen und der richtigen Technologie lassen sich Strom- und Benzinkosten maximal reduzieren. Andreas Czylwick, unser Experte für Strom und Wärmesysteme, erklärt wie das geht und wie es sich rechnet.

Wie funktioniert die Brennstoffzelle?

Schema der chemischen Reaktion in einer Brennstoffzelle

Die Strom- und Wärmeerzeugung der Brennstoffzelle beruht auf einer elektrochemischen Reaktion der beiden Elemente Sauerstoff und Wasserstoff. Eine Verbrennung wie bei konventionellen Heizgeräten findet nicht statt, weshalb der Prozess auch als kalte Verbrennung bezeichnet wird.

Wasserstoff kommt in der Natur zwar massenhaft vor, jedoch nicht in der Form, wie er für die kalte Verbrennung in der Vitovalor benötigt wird. Aus diesem Grund muss er zuvor aus Erdgas gewonnen werden. Je nach Bedarf kann die Vitovalor PT2 mit H-, E-, LL- oder Bio-Erdgas betrieben werden. Das Beistellgerät Vitovalor PA2 kann mit E- und LL-Erdgas betrieben werden.

Das zugeführte Brenngas durchfließt einen in der Einheit eingebauten Reformer, der es mithilfe eines Katalysators in einer zweistufigen Reaktion in Wasserstoff umwandelt. Bei der Umwandlung kommt es zunächst zu einem Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid. Erst in der zweiten, nachgeschalteten Gasreinigung wird aus dem Kohlenstoffmonoxid Kohlenstoffdioxid. Anschließend folgt die kalte Verbrennung, bei der Strom und Wärme gleichzeitig entstehen. 

Der so gewonnene Wasserstoff wird zunächst dem Brennstoffzellenmodul zugeführt. Im Anschluss wird er dort von einem Katalysator auf der Anodenseite in positive Ionen und negative Elektronen geteilt. Letztere wandern von der Anode über einen elektrischen Leiter zur Kathode und produzieren dabei Gleichstrom. Der eingebaute Inverter wandelt diesen in Wechselstrom um, bevor er in das Stromnetz eingespeist wird. Zeitgleich gelangen die positiv geladenen Ionen zur Kathode und reagieren dort mit Sauerstoff. Die bei dieser Reaktion freigesetzte Wärme wird von den mit Wasser gefüllten Kühlkanälen des Brennstoffzellen-Stacks aufgenommen und an einen Wärmetauscher weitergeleitet. Die so gewonnene Wärmeenergie kann nun zur Raumbeheizung oder Trinkwassererwärmung genutzt werden. Die Aufspaltung in positiv geladene Ionen und negativ geladene Elektronen verhindert zudem eine Knallgasreaktion.

Vorteile der Viessmann Vitovalor

Mehr Informationen zur Funktionsweise der Brennstoffzellenheizung gibt es auf dem Ratgeberportal heizung.de.

Betriebsweise der Brennstoffzelle im Verlauf eines Tages

​​Über einen Großteil des Tages reicht die Stromproduktion der Brennstoffzellenheizung aus, um den Bedarf zu decken. Lediglich in den Spitzenzeiten muss Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen werden. Dafür wird in den Nachtstunden überschüssiger Strom abgegeben und vergütet. So macht die Brennstoffzellenheizung seine Betreiber unabhängiger von steigenden Strompreisen.

Die erste Bedarfsspitze für Strom und Wärme ist morgens: für Licht, zur Zubereitung des Frühstücks und zum Duschen. Die Brennstoffzelle erzeugt Wärme und Strom für den eigenen Verbrauch. Für zusätzlich benötigte Wärme schaltet sich automatisch der Spitzenlastkessel zu (links). Während des Vormittags läuft die Brennstoffzelle weiter und deckt die Grundlast ab – der Spitzenlastkessel schaltet sich aus.

Über die Mittagsstunden wird ebenfalls mehr Energie benötigt: etwa zum Kochen oder Waschen. Den Mehrbedarf an Wärme deckt wiederum der Spitzenlastkessel ab. Im Lauf des Nachmittags sinkt der Energieverbrauch wieder, die Brennstoffzelle läuft alleine weiter.

In den Abendstunden wird häufig mehr Strom benötigt als die Brennstoffzelle erzeugt. Dann wird zusätzlich Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen. Sobald es am späten Abend im Haus ruhiger wird, sinkt auch der Energiebedarf deutlich. Der Überschussstrom der Brennstoffzelle wird ins Netz eingespeist und vergütet.

Der Bedarf an Wärme und Strom ist gering. Die Brennstoffzelle läuft im Grundmodus. Das System deckt den Energiebedarf des Hauses komplett ab.

Vitovalor PT2 und Vitovalor PA2

Mit der Vitovalor PT2, Nachfolgemodell der Vitovalor 300-P, und der Vitovalor PA2, Beistellgerät zur Ergänzung einer bestehenden Heizung, bietet Viessmann zwei effiziente Lösungen für die Strom- und Wärmeproduktion in Ein- und Zweifamilienhäusern.

Die kompakte Brennstoffzellenheizung Vitovalor PT2

Die Vitovalor PT2 ist die ideale Energiezentrale für das moderne Einfamilienhaus. Das System vereint Wärme- und Stromerzeugung auf kleinstem Raum. Die Brennstoffzellenheizung hat im Vergleich zu bestehenden Lösungen mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) einen deutlich höheren elektrischen Wirkungsgrad. Dadurch ist die Wärmeauskopplung geringer und das Brennstoffzellen-Heizgerät besonders zum Einsatz im Neubau und renovierten Gebäudebestand geeignet.

Die Viessmann Brennstoffzellenheizung besteht aus zwei Einheiten, die sich getrennt voneinander transportieren lassen. Dies ermöglicht eine schnelle und problemlose Montage auch in engen Kellerräumen. In der einen Einheit befindet sich der Warmwasserspeicher aus Edelstahl mit 220 Litern Inhalt, in der anderen Einheit sind der Gas-Brennwertkessel zur Spitzenlastabdeckung, die Regelung für den witterungsgeführten Betrieb mit großem Farb-Touch-Display sowie das Brennstoffzellenmodul mit Reformer, Inverter und Brennstoffzellen-Stack (eine Aneinanderreihung von vielen Brennstoffzellen) verbaut. Die kompakte Einheit ist optisch aufeinander abgestimmt und benötigt eine Aufstellfläche von nur 0,72 Quadratmetern.

Systemdarstellung der Vitovalor PT2

[1] Grundgerät mit Brennstoffzellenmodul und Gas-Brennwertgerät
[2] Speichertower
[3] Kommunikationsschnittstelle
[4] Integrierter Nettostromzähler
[5] Router
[6] Stromnetz im Haus
[7] Internet
[8] ViCare App
[9] Öffentliches Stromnetz

Produktschnitt Vitovalor PT2

Vitovalor PA2 als Erweiterung

Die Viessmann Vitovalor PA2 ist eine ideale Ergänzung zu einer Bestandsanlage. Sie ist ein kompaktes System, welches aus dem Brennstoffzellenmodul, integriertem Reformer, Regelung und Komponenten der Hydraulik und Sensorik besteht. Anders als bei der Vitovalor PT2 ist der Gas-Brennwertkessel nicht integriert. 

Der Gas-Brennwertkessel dient in erster Linie der Wärmeabdeckung in Spitzenlastzeiten. Also dann, wenn es draußen sehr kalt ist oder wenn kurzzeitig viel Warmwasser benötigt wird. Gas-Brennwertkessel und Brennstoffzellenmodul werden über eine gemeinsame Gasleitung versorgt. Sie teilen sich auch ein gemeinsames Abgassystem, wodurch der Montageaufwand genauso gering ist wie bei einem Gas-Brennwert-Wandgerät. Für die Vitovalor PA2 gilt dies insbesondere für die Vitodens 200-W ab dem Baujahr 2011.

Produktschnitt Vitovalor PT2

Wie effizient ist die Viessmann Brennstoffzellenheizung?

Bei der Stromerzeugung entsteht Wärme, die in großen und konventionellen Kraftwerken meist als ungenutzte Abwärme verloren geht. Brennstoffzellenheizungen wie die Vitovalor hingegen nutzen diese Abwärme zum Beheizen der Räume und zur Trinkwassererwärmung. Sie haben daher einen sehr hohen Gesamtwirkungsgrad. Außerdem entstehen bei der Übertragung der Energie keine Verluste, da sie direkt vor Ort genutzt wird. Selbst die Umwandlung von Brenngas zu Wasserstoff ist aufgrund wegfallender thermomechanischer Zwischenschritte sehr effizient. Die konstante elektrische Leistung des Brennstoffzellenmoduls beträgt 0,75 kW. Ein großer Teil des Strombedarfs kann somit jederzeit abgedeckt werden.

Noch effizienter arbeitet die Vitovalor in Kombination mit dem Stromspeichersystem Vitocharge. Dieses kann den überschüssigen Strom für Spitzenlastzeiten bevorraten und steigert somit die Unabhängigkeit gegenüber den Stromanbietern deutlich. Alternativ lässt sich der überschüssige Strom auch problemlos in das öffentliche Stromnetz einspeisen. Der integrierte Energiemanager ist selbstlernend und optimiert so die Eigenverbrauchsrate.

Bewährt und zuverlässig: Brennstoffzellentechnologie von Viessmann und Panasonic

Zuverlässigkeit und Langlebigkeit haben bei den Innovationen von Viessmann oberste Priorität. Auch bei Brennstoffzellenheizungen setzt Viessmann auf bewährte Technik. Deshalb wurden diese in Kooperation mit Panasonic entwickelt. Von dem japanischen Konzern stammt das Brennstoffzellenmodul der Vitovalor. Für den dortigen Markt hat Panasonic mittlerweile mehr als 34.000 Geräte in Serie gefertigt.

Beispielrechnung Neubau oder Komplettsanierung

Einfache Rechnung, klare Vorteile. Die Investition in eine stromerzeugende Heizung ist eine lohnende Sache. Wir haben die durchschnittliche Kosteneinsparung für einen Vitovalor PT2 im Neubau oder nach einer Komplettsanierung für Sie errechnet.

  • 2,31 Cent Stromentstehungskosten für den selbst erzeugten Strom
    Einsparung: 25 ct/kWh
  • Stromerzeugung im Einfamilienhaus von 4000 bis 4500 kWh/Jahr
    Einsparung: 4200 kWh (max. 6200 kWh möglich)
  • 60 % des selbst erzeugten Stroms sind nutzbar: 2520 kWh x 0,25 €/kWh = 630,– €
    Einsparung: 630,– € (max. 1000 bis 1500,– € bei 100 % Eigenverbrauch möglich)
  • Aus der Einspeisung erhält man: 1680 kWh x 0,05 €/kWh = 84,– €
    Einsparung: 84,– €

Jährliche Energiekosteneinsparung: 714,– €

Förderung

Staatliche Förderung für die Vitovalor

Wie jedes Heizgerät verursacht auch die Brennstoffzelle Kosten in überschaubarer Höhe. Die Vitovalor erhält allerdings eine Förderung von bis zu 11.200 Euro, die es jedem Anlagenbetreiber erleichtert, sich für diese Technologie zu entscheiden.

Für Brennstoffzellen gibt es derzeit attraktive Fördermittel. In dem Abschnitt Förderung von Brennstoffzellen erhalten Sie umfassende Informationen zu der Fördermittelvergabe.

Fördermittelabfrage

Hinweis zur Fördermittelabfrage: Die über die Online-Anfrage veröffentlichten Informationen und Angaben sind mit Sorgfalt zusammengestellt. Für die Fehlerfreiheit und Vollständigkeit der Angaben kann jedoch keine Gewähr übernommen werden. Allein maßgeblich sind die jeweils gültigen Gesetze, Verordnungen und Richtlinien - rechtsverbindliche Angaben erhalten Sie bei den jeweils genannten Institutionen. Ein Rechtsanspruch auf Förderung besteht nicht. Ausnahmen können sich aus gesetzlichen Regelungen ergeben wie z.B. für die Einspeisevergütung über das Erneuerbare-Energien-Gesetz und das Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz. Bewilligungen werden im Übrigen ausschließlich im Rahmen der zur Verfügung stehenden Haushaltsmittel von der jeweiligen Bewilligungsstelle erteilt.

Fördermittelabfrage

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Brennstoffzellentechnologien im Überblick

Bei der PEM-Brennstoffzelle besteht der Elektrolyt aus einer Kunststoffmembran, die nur Protonen durchlässt. Die PEM-Brennstoffzelle ist in ihrer Handhabung unkompliziert, da sie mit dem Luftsauerstoff auskommt. Es sind keine aufwendigen Filter- und Reinigungsprozesse nötig. Die PEM-Brennstoffzelle kann stationär und mobil eingesetzt werden. Aufgrund der niedrigen Systemtemperatur lässt sich diese Brennstoffzelle sehr flexibel betreiben sowie häufig an- und abschalten.

Die DMFC-Zelle ist eine Weiterentwicklung der PEM. Statt mit Wasserstoff wird sie mit Methanol betrieben. Da Methanol ähnlich wie Benzin gelagert und transportiert werden kann, ist sie ebenfalls zum Einsatz in Fahrzeugen sowie bei tragbaren Stromversorgungen und als Batterieersatz geeignet.

Die Festoxid-Brennstoffzelle ist vollständig aus Feststoffen aufgebaut. Als Elektrolyt wird eine Keramik verwendet. Die SO-Brennstoffzelle kann ohne aufwendige Gasaufbereitung mit Erdgas betrieben werden. Charakteristisch für SOFC-Brennstoffzellen sind lange Aufwärmphasen sowie längere Laufzeiten, da sie aufgrund ihrer hohen Temperatur nur wenige Start-Stopp-Zyklen über die Lebensdauer vertragen. Daher ist die SOFC für Anwendungen geeignet, die einen annähernd dauerhaften Betrieb zulassen.

Die AFC zählt zu den ältesten Typen bei Brennstoffzellen. Zur Reinigung der Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff muss ein extrem hoher Aufwand betrieben werden. Ursprünglich wurde sie überwiegend in der Raumfahrt eingesetzt – ihre Produktion wurde aber bereits zu Beginn der 1970er-Jahre weitgehend eingestellt.

Die PAFC ist eine für große Blockheizkraftwerke und Energieversorger entwickelte Brennstoffzelle. Das zum Betrieb benötigte Brenngas wird aus Erdgas gewonnen. Der Sauerstoff kommt direkt aus der Luft.

Die Karbonat-Brennstoffzelle erzeugt Temperaturen von 650 °C und ermöglicht eine optimale Nutzung der Abwärme. Die MCFC-Zelle wird direkt mit Erdgas und Luftsauerstoff betrieben. Sie wird vorwiegend in den großen Kraftwerken der Energieversorger eingesetzt.

Basiswissen: Was ist Wasserstoff?

Wasserstoff …

  • ist ein Energieträger mit der höchsten gewichtsbezogenen Energiedichte
  • ist ein chemisches Element mit dem Symbol H
  • besteht aus einem Proton und einem Elektron
  • hat die Ordnungszahl 1 – sie beschreibt die Anzahl der Protonen im Atomkern eines chemischen Elements – daher auch Protonenzahl genannt
  • ist das häufigste chemische Element im Universum
  • erzeugt kein CO₂, da H₂ keinen Kohlenstoff enthält

Das folgende Erklärvideo informiert über Wasserstoff als Energiespeicher der Zukunft.

Wasserstoff ist in unserem Alltag kaum bekannt. Vielmehr erfährt H₂ Vorurteile, die meistens auf Unwissenheit oder falschen Informationen beruhen. Als Brennstoff hat er jedoch zahlreiche Vorteile.

Wasserstoff …

  • entzündet sich nicht selbst
  • zerfällt (wie z.B. Acetylen) nicht
  • oxidiert nicht und ist damit kein Brandbeschleuniger
  • ist nicht giftig, ätzend oder radioaktiv
  • ist geruchlos
  • verunreinigt kein Wasser
  • schädigt weder Natur noch Umwelt
  • ist nicht krebserregend
  • verbrennt rückstandsfrei

Als Kraftstoff im Straßenverkehr und als Speichermedium in der Energieversorgung wird Wasserstoff in den kommenden Jahren eine immer wichtigere Rolle spielen. Bereits heute werden die Brennstoffzellen in Fahrzeugen vielfach mit Wasserstoff angetrieben. Etwa in Omnibussen im öffentlichen Nahverkehr. Hier hat es bisher keinerlei Zwischenfälle gegeben. Denn Wasserstoff ist sicher – von allein explodiert er nicht. Dafür müsste zusätzlich ein Oxidator (z.B. Luft oder reiner Sauerstoff) und eine Zündquelle vorliegen (Zündgrenze in Luft: 4 bis 75 Volumenprozent).

Vergleich mit anderen Kraftstoffen

Im Gegensatz zu Benzin oder Flüssiggas ist Wasserstoff wie auch Methan leichter als Luft. Er hat von allen Brennstoffen mit 33,33 kWh/kg die höchste Energiedichte (bezogen auf die Masse; Methan: 13,9 kWh/kg, Benzin: 12 kWh/kg) und mit 3,0 kWh/Nm3 eine der geringsten Energiedichten (bezogen auf das Volumen; Methan: 9,97 kWh/Nm3, Benzin: 8800 kWh/m3).