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Wie funktioniert eine Brennstoffzellenheizung und was kostet sie?

Letzte Aktualisierung am 17. November 2021 von M. Lehmann

Mit einer Brennstoffzellenheizung kann man Wärme aus Wasserstoff gewinnen und so zum Heizen und für die Warmwasserbereitung nutzen. Hier gibt es alle Infos zu Funktion, Vor- und Nachteilen und den Kosten.

Wie funktioniert die Brennstoffzellenheizung?

Eine Brennstoffzellenheizung wird in der Regel mit Erdgas betrieben. Im Gegensatz zum Gasbrennwertkessel wird das Gas aber nicht direkt verbrannt und in Wärme umgesetzt, sondern zuerst wird Wasserstoff vom Erdgas abgespalten. Erst dann folgt die kalte Verbrennung in der Brennstoffzelle.

Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, die durch eine teildurchlässige Membran getrennt werden. An der Anode wird der Wasserstoff nun in Wasserstoff-Ionen und Elektronen aufgespalten. Die positiv geladenen Wasserstoff-Ionen wandern nun durch die Membran zur Kathode, während die Elektronen die Membran nicht passieren können. Sie werden nun an einem elektrischen Leiter an der Membran vorbei zur Kathode geleitet und es entsteht Strom. Währenddessen reagieren die Wasserstoff-Ionen auf der anderen Seite der Membran mit dem Sauerstoff an der Kathode und es entsteht Wasserdampf. Die Brennstoffzelle macht also aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom, Wärme und Wasserdampf.

Die gesamte Brennstoffzellenheizung besteht aus folgenden Komponenten:

  • Brennstoffzelle
  • Gas-Brennwertgerät als zusätzliche Heizung in der Heizperiode
  • Abgassystem
  • Ausdehnungsgefäß
  • Pufferspeicher / Warmwasserspeicher

Anschaffungskosten

Eine Brennstoffzellenheizung kann je nach Leistung und inklusive aller nötigen Geräte 10.000 bis 20.000 Euro kosten. Bezieht man die Kosten für die Montage und Inbetriebnahme mit ein, kommt man auf Kosten von 25.000 bis 35.000 Euro.

Für den Betrieb der Brennstoffzellenheizung braucht man einen Gasanschluss. Falls der noch nicht vorhanden ist, muss er für ungefähr 1500 bis 2500 Euro gelegt werden.

Um den Eigenverbrauch zu erhöhen, kann man eine Brennstoffzellenheizung auch mit einem Stromspeicher verbinden – ähnlich wie bei einer Photovoltaikanlage. 2019 kosteten Stromspeicher im Durchschnitt 1200 Euro pro Kilowattstunde.

Die benötigte Kapazität ist abhängig von der Leistung der Brennstoffzellenheizung und liegt bei einem Einfamilienhaus ungefähr bei 3 bis 12 Kilowattstunden. Gehen wir vom Durchschnittspreis aus, kommt man auf bis zu 14.400 Euro für einen Stromspeicher mit einer Kapazität von 12 Kilowattstunden. Das ist jedoch nur ein ungefährer Wert, da Stromspeicher mit hoher Kapazität pro Kilowattstunde weniger kosten als die kleinen Varianten.

Wirtschaftlichkeit

Eine Brennstoffzellenheizung eignet sich besonders für Gebäude mit einem hohen Wärme-, Strom- und Warmwasserbedarf. Wann genau sie sich amortisiert, hängt von vielen Faktoren ab: Welche Heizung wurde vorher verwendet? Wie gut ist das Gebäude gedämmt? Wie viel Wärme und Strom wird benötigt? Eine genaue Berechnung ist vor der Anschaffung sehr wichtig und sollte von einem professionellen Heizungsbauer oder Energieberater durchgeführt werden.

In einem Interview mit Erdgas Südwest aus dem Jahr 2020 berichtet Herwig Marschelke von seinen Erfahrungen mit einer Brennstoffzellenheizung aus dem Jahr 2013. Er komme auf einen Eigenverbrauch von 63 Prozent und eingesparten Stromkosten von 540 Euro pro Jahr. Der jährliche Wärmebedarf seines Hauses liege bei 22.000 kWh, der Strombedarf bei 6.000.

Wie bei der Photovoltaikanlage sollte man sich auch bei der Brennstoffzellenheizung das Ziel setzen, den Eigenverbrauch so hoch wie möglich zu halten. Die Einspeisevergütung senkt zwar auch die Ausgaben für Gas, ist aber wesentlich geringer als die gesparten Stromkosten durch hohen Eigenverbrauch. Darüber hinaus kann man sich nie sicher sein, dass es die Einspeisevergütung bis zum Lebensende der Anlage gibt. Strom aus dem öffentlichen Netz bleibt hingegen wahrscheinlich noch für einige Jahrzehnte teurer als Gas.

Vor- und Nachteile

Vorteile

  • Produziert Strom und Wärme
  • Hoher Wirkungsgrad
  • Weniger Abhängigkeit von Strompreisen
  • Staatliche Förderung
  • Klimaschonend
  • Geringer Platzbedarf
  • Geräuscharm

Nachteile

  • Hohe Anschaffungskosten
  • Gasanschluss ist nötig
  • Kaum Daten über den Langzeitbetrieb verfügbar

Arten von Brennstoffzellenheizungen

Zwei Arten von Brennstoffzellen werden bei Heizungen eingesetzt: Die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle und die Festoxid-Brennstoffzelle. Man findet sie oft unter den Abkürzungen PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) und SOFC (Solid Oxide Fuel Cell).

SOFC-Brennstoffzelle

  • Betriebstemperatur: 650 – 1000 °C
  • Feste Oxidkeramik als Elektrolyt
  • Brennstoff
    • Wasserstoff
    • Erdgas
    • Methan
  • Elektrischer Wirkungsgrad: 30 – 60 %
  • Dauerbetrieb sinnvoll

PEMFC-Brennstoffzelle

  • Betriebstemperatur: 70 – 90 °C
  • Polymermembran
  • Brennstoff
    • Wasserstoff
    • Erdgas
    • Methan
    • Methanol
  • Elektrischer Wirkungsgrad: 32 – 37 %
  • Teillastbetrieb möglich

Es gibt noch weitere Arten von Brennstoffzellen, jedoch haben sich diese beiden Varianten in Deutschland zum Heizen durchgesetzt.

Brennstoffzellenheizung vs BHKW

Laut Daten des Callux-Projekts seien mit einer Brennstoffzellenheizung Gesamtwirkungsgrade von 96 Prozent möglich. Das heißt, dass während der Produktion von Wärme und Strom nur vier Prozent der Energie des Gases verloren gehen. Blockheizkraftwerke lägen bei 80 bis 90 Prozent.

In einem Interview mit co2online.de berichtet Werner Berner aus Esslingen, dass Betrieb und Pflege seines alten Blockheizkraftwerks aufwändiger gewesen sei. Er besitzt seit 2017 eine Brennstoffzellenheizung und vorher ein Mini-BHKW. Überraschend ist dieses Erfahrung nicht, denn eine Brennstoffzellenheizung hat im Gegensatz zu Blockheizkraftwerken keinen Motor und kaum bewegliche Teile, die verschleißen können.

Interessant ist dabei auch, dass der Wartungsprozess bei modernen Brennstoffzellenheizungen sehr digitalisiert ist. Durch Sensoren in der Anlage ist eine Art vorausschauende Wartung möglich, bei der der Hersteller nicht regelmäßig vorbeikommen muss, sondern aus der Ferne mögliche Probleme erkennen kann. Werden Probleme erkannt, wird der Besitzer informiert und ein Techniker vorbeigeschickt.

Förderung für Brennstoffzellenheizungen

Brennstoffzellenheizungen haben nicht nur einen hohen Wirkungsgrad, sie werden auch staatlich besonders gefördert. Für Privathaushalte sind besonders die Förderungen von KfW und BAFA interessant. Auch die Einspeisevergütung für produzierten Strom sollte man beachten. Den Antrag für die Förderungen muss man vor dem Beginn der Montage stellen.

KfW-Zuschuss für Brennstoffzellenheizungen (433)

Mit dem KfW-Zuschuss 433 können Sie abhängig von der Leistung bis zu 28.200 Euro pro Brennstoffzelle bezuschussen lassen. Dabei zahlt die KfW einen Festbetrag von 5700 Euro und zusätzlich 450 Euro pro angefangene 100 Watt elektrische Leistung. Bei einer üblichen Brennstoffzellenheizung mit 700 Watt elektrischer Leistung erhält man also eine Förderung von 8850 Euro.

Förderfähig sind nicht nur die Kosten für den Einbau, sondern auch die Kosten für den Vollwartungsvertrag in den ersten 10 Jahren und die Kosten für einen Energieberater. Gefördert werden nur Anlagen von 0,25 bis 5,0 Kilowatt elektrischer Leistung.

Mini-KWK-Zuschuss des BAFA

Handelt es sich um ein bestehendes Gebäude und eine kleine Anlage unter 20 Kilowatt Wärmeleistung, können Sie den KfW-Zuschuss sogar noch mit einer BAFA-Förderung kombinieren. Diese Möglichkeit gibt es jedoch nur noch bis Ende 2020. Die Förderung ist geringer als die der KfW und liegt bei einer Anlage mit 700 Watt elektrischer Leistung bei 1900 Euro. Die maximale Förderung beträgt 3500 bei großen Anlagen bis 20 Kilowatt elektrischer Leistung.

Voraussetzungen

  • Der Antrag auf Förderung einer Mini-KWK-Anlage muss bis zum 31. Dezember 2020 eingereicht werden
  • Die Anlage wird in einem bestehenden Gebäude (Bauantrag vor 01.01.2009) errichtet.
  • Die Anlage befindet sich auf der „Liste der förderfähigen Mini-KWK-Anlagen“.
  • Die Anlage darf nicht in einem Gebiet mit einem Anschluss- und Benutzungsgebot für Fernwärme liegen.
  • Die Anlage wird über einen Wartungsvertrag betreut.
  • Es ist ein Wärmespeicher mit einem Volumen von mindestens 60 Litern Wasser pro kW thermischer Leistung (kWth) vorhanden bzw. neu installiert, wobei maximal ein Speichervolumen von 1.600 Liter erforderlich ist.

Einspeisevergütung

Ähnlich wie bei einer Photovoltaikanlage erhält man auch bei der Brennstoffzellenheizung eine Einspeisevergütung. Nach dem KWK-Gesetz erhält man für Anlage bis 50 kWel einen Zuschlag von 8 Cent pro eingespeister Kilowattstunde. Für selbst verbrauchten Strom erhält man 4 Cent Zuschlag pro Kilowattstunde. Alternativ kann man eine pauschalierte Einmalzahlung beantragen, die direkt ausgezahlt wird. Dabei wird von 60.000 Vollbenutzungsstunden ausgegangen, bei der 700 Watt-Anlage aus unserem Beispiel also 1.680 Euro.

Kombiniert man alle möglichen Förderungen, zahlt man für eine Brennstoffzellenheizung mit 700 Watt elektrischer Leistung ganze 12.430 Euro weniger.

Wie viel Strom erzeugt eine Brennstoffzellenheizung?

Das hängt ganz vom Modell, der eingesetzten Technologie und dem damit einhergehenden elektrischen Wirkungsgrad ab. PEMFC-Brennstoffzellen haben einen Wirkungsgrad von bis zu 37 Prozent, erzeugen also 0,37 kWh Strom pro eingesetzter kWh Gas. Manche SOFC-Brennstoffzellen schaffen hingegen bis zu 60 Prozent. Für welche Variante und welches Modell Sie sich entscheiden hängt von Ihrem eigenen Wärme- und Strombedarf ab.

Wann lohnt sich eine Brennstoffzellenheizung?

Eine Brennstoffzellenheizung lohnt sich bei Gebäuden mit ganzjährigem Wärmebedarf für Heizung oder Warmwasserbereitung. Da sie bei der Wärmeerzeugung auch zwingend Strom erzeugt, sollte auch der Stromverbrauch hoch genug sein oder ein Speicher verwendet werden. Für Ein-Personen-Haushalte ist sie nicht geeignet, aber sehr gut für Ein- oder Zweifamilienhäuser. Auch in einem kleinen Betrieb kann man sie nutzen. Die Initiative Brennstoffzelle empfiehlt sie ab einem jährlichen Gesamtwärmebedarf von 10.000 Kilowattstunden.

Sind diese Voraussetzungen erfüllt, sollte man einen Blick auf die eigenen Heiz- und Stromkosten und die Effizienz der aktuellen Anlage werfen. Ist die Anlage noch aktuell und energieeffizient, lohnt sich ein Umstieg wahrscheinlich nicht. Falls es aber um einen Neubau geht oder die alte Anlage sich ihrem Lebensende nähert, kann man über einen Umstieg auf eine Brennstoffzellenheizung oder ein Blockheizkraftwerk nachdenken. Man sollte aber bedenken, dass Blockheizkraftwerke weniger effizient sind. Um eine genaue Einschätzung für Ihr Gebäude zu erhalten, sollten Sie sich von einem Experten für Sanitär, Heizung und Klima beraten lassen. Dabei sollten folgende Aspekte berücksichtigt werden:

  • Dämmung des Gebäudes
  • Stromverbrauch
  • Warmwasserbedarf
  • Wie viel Prozent Biogas wird genutzt?
  • Wird ein Puffer- oder Stromspeicher benötigt?

Welche Hersteller gibt es?

Wie bei allen Heizungsarten gibt es auch hier verschiedene Modelle und viele Hersteller. Diese Hersteller bieten Brennstoffzellenheizungen in Deutschland an:

  • Buderus
  • Freudenberg
  • Remeha
  • Senertec
  • Solidpower
  • Sunfire
  • Viessmann
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