Der Vitovalor 300-P ist die erste in Großserie gefertigte Brennstoffzellen-Heizung auf dem europäischen Markt. Foto: Viessmann
Was sind Brennstoffzellen-Heizungen?
Mit einer Brennstoffzelle lässt sich aus Wasserstoff gleichzeitig Strom und Wärme produzieren. Das Prinzip wurde bereits im 19. Jahrhundert entdeckt. Seitdem hat man der Technik immer mal wieder eine große Zukunft vorausgesagt, aber bisher gelang in keinem Anwendungsbereich der ganz große Durchbruch. Aber vielleicht wird sich das jetzt ja ändern – im privaten Heizungskeller. Zumindest arbeiten gerade viele Hersteller an einer neuen Generation kompakter Brennstoffzellen-Heizungen.
Brennstoffzellen waren von unserem Alltag bisher ziemlich weit entfernt. Die Amerikaner nutzen sie seit den 1960er-Jahren als Energiequelle, allerdings für Weltraumkapseln. Und das Brennstoffzellenauto wird zwar schon lange als Zukunftstechnologie auf Automobilmessen präsentiert, aber die Eroberung des Massemarkts lässt weiter auf sich warten. Die in Kleinserien gefertigten Fahrzeuge sind immer noch zu teuer und die Infrastruktur (Wasserstofftankstellen!) reicht bisher bei weitem nicht aus.
So hat die Brennstoffzelle, deren Grundprinzipien bereits 1839 vom walisischen Physiker Sir William Robert Grove veröffentlicht wurden, also bis heute nicht so richtig „gezündet“. Stets waren andere Techniken schneller marktreif, wie etwa der Elektrodynamo oder der Verbrennungsmotor. Immer wieder geriet die Brennstoffzelle in Vergessenheit. Dabei ist die Grundidee, aus Wasserstoff Energie zu gewinnen, eigentlich genial. Denn das Element ist auf der Erde im Überfluss vorhanden und bei der „Verbrennung“ entstehen keine klimaschädlichen Abgase. Die Brennstoffzelle produziert neben Strom und Wärme lediglich harmloses Wasser als „Abfallprodukt“.
Marktsituation bei Heizungen
Im Heizungskeller könnte sich die Technik jetzt vielleicht endlich durchsetzen. Immer mehr Hersteller haben in den letzten Jahren kompakte Brennstoffzellen-Heizungen für Ein- und Zweifamilienhäuser entwickelt. Der große Vorteil in diesem Anwendungsbereich ist, dass die Versorgung der Geräte mit Wasserstoff vielerorts bereits gesichert ist. Denn die Heizungen müssen nicht mit reinem Wasserstoff „gefüttert“ werden. Sie arbeiten auch mit normalem Erdgas, das dann vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle in einem „Reformer“ umgewandelt wird. Dadurch entsteht ein wasserstoffreiches Gasgemisch als Brennstoff. An das öffentliche Erdgasnetz ist bereits heute ein Großteil der deutschen Wohnhäuser angeschlossen.
Der deutsche Heiztechnikhersteller Viessmann hat 2014 nach eigenen Angaben das erste „in Großserie gefertigte Brennstoffzellen-Heizgerät in den europäischen Markt eingeführt“: den Vitovalor 300-P (Foto). Aber auch andere europäische Hersteller testen schon länger Prototypen oder haben vereinzelt auch Geräte in den Markt eingeführt. Nur eben noch nicht in Großserie. Zu den europäischen Anbietern der ersten Stunde gehören die deutschen Unternehmen Ceramic Fuel Cells und Elcore sowie der Schweizer Hersteller Hexis. Für 2016/17 habe bereits weitere Hersteller die Markteinführung von kompakten Brennstoffzellen-Heizungen angekündigt. Dazu gehören die deutschen Anbieter Buderus, Junkers, Vaillant und Sener-Tec, aber auch der italienische Hersteller Solid-Power. Außerhalb von Europa ist man teilweise sogar weiter – vor allem in Japan. Dort werden Brennstoffzellen-Heizungen für Ein- und Zweifamilienhäuser bereits staatlich gefördert und sind schon in vielen Privathaushalten verbreitet.
Leistungsstarke Geräte
Den Vitovalor 300-P hat Viessmann übrigens gemeinsam mit der japanischen Firma Panasonic entwickelt. Das mit Erdgas betriebene Gerät wurde in Japan bereits über 50.000-mal installiert. Es erzeugt im Laufe eines Tages bis zu 15 Kilowattstunden Strom, womit man einen Großteil des Bedarfs eines typischen Einfamilienhauses decken kann. Die Hausbewohner sparen also Energiekosten, weil sie den im eigenen Haus erzeugten Strom verbrauchen können und weniger Energie aus dem öffentlichen Netz beziehen müssen.
Die Wärmeleistung des Vitovalor 300-P beträgt ein Kilowatt. Das reicht nicht aus, um ein übliches Einfamilienhaus auch an kalten Tagen komfortabel zu beheizen. Deshalb hat Viessmann in das Kompaktgerät zusätzlich einen Gas-Brennwertkessel integriert, der sich bei Bedarf automatisch zuschaltet. Das gesamte Brennstoffzellen-Heizgerät wird im Keller oder Hauswirtschaftsraum installiert und benötigt dort eine Fläche von nur 0,65 Quadratmeter.
Kraft-Wärme-Kopplung
Die neuen Brennstoffzellen-Heizungen ähneln den Blockheizkraftwerken (BHKW), die wir bereits in einem eigenen Fachwissenbeitrag behandelt haben. Auch BHKW sind Kompaktgeräte für die Kraft-Wärme-Kopplung, mit denen man dezentral zugleich Strom und Wärme herstellt. Sie werden ebenfalls meist mit Erdgas betrieben. Die Funktionsweise beider Heizungstypen unterscheidet sich ansonsten aber grundlegend. Beim BHKW wird durch die Brennstoff-Verfeuerung zunächst ein Motor angetrieben, und die daraus resultierende Bewegungsenergie wandelt ein Generator in einem zweiten Schritt in elektrischen Strom um. Die Abwärme des Motors wiederum verwendet man zu Heizzwecken. In einer Brennstoffzelle dagegen erfolgt die Energieerzeugung direkter. Die chemische Energie, die im Element Wasserstoff steckt, wird ohne größere technische Umwege direkt in elektrische Energie und Wärme umgewandelt.
Was passiert in einer Brennstoffzelle?
Wenn wir in diesem Beitrag von Brennstoffzellen sprechen, sind so genannte Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen gemeint. Es gibt auch andere Typen, aber die spielen hier keine Rolle. Das Prinzip der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle ist im Grunde eine Umkehrung der Elektrolyse, die ihr vielleicht noch aus dem Chemieunterricht kennt. Bei einer Elektrolyse werden zwei Elektroden (Plus- und Minuspol) in ein Wasserbad getaucht. Zwischen den beiden Polen lässt man elektrischen Strom fließen, wodurch Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. In einer Brennstoffzelle passiert das Gegenteil: Über die beiden Elektroden wird einmal Wasserstoff und einmal Sauerstoff in die Zelle geleitet. Durch chemische Reaktionen entstehen daraus Wasser, elektrischer Strom und Wärme.
Die beiden Elektroden (Anode und Kathode) in der Brennstoffzelle sind durch eine Membran voneinander getrennt, die man in diesem Zusammenhang auch als Elektrolyt bezeichnet. Dabei handelt es sich um ein extrem feines Sieb, dessen Maschen so eng sind, dass selbst einzelne Wasserstoff- oder Sauerstoffatome nicht hindurchpassen. Anode und Kathode sind aber zusätzlich noch durch einen elektrisch leitenden Draht miteinander verbunden, der an der Membran (Elektrolyt) vorbeiläuft.
Wie auf Grundlage dieser Ausgangssituation nun Strom, Wärme und Wasser entstehen, ist ein komplizierterer elektrochemischer Vorgang, den wir hier nicht ausführlich behandeln können. Wenn euch die Details interessieren, dann schaut euch am besten dieses kurze Youtube-Video von E.ON an. Dort wird das Prinzip anschaulich erklärt.
