Brenn­stoff­zelle

Der Prozess zur Gewin­nung von Hydrogen

Die Brenn­stoff­zelle: Eine strom­erzeu­gende Heizung

In der Schweiz lag im Jahr 2017 der Anteil an Fern­wärme als Haupt­en­er­gie­trä­ger bei 4,2% (1). Rund 2,3% der Warm­was­ser­ver­sor­gung wurde eben­falls über Fern­wärme erzeugt (2). Exper­ten sagen eine Das schwei­ze­ri­sche Bundes­amt für Ener­gie misst der Wärme-Kraft-Kopp­lung (WKK) zusam­men mit der Elek­tro-Wärme­pumpe ein gros­ses Poten­zial für die Senkung des Primär­ener­gie­be­darfs zu. Im Zuge des vermehr­ten Einsat­zes dieser Heizungs­ar­ten konnte auch die Schad­stoff­be­la­stung bereits erheb­lich verrin­gert werden.[1]Nun versteht man unter WKK-Anla­gen für den Einsatz in Wohn­im­mo­bi­lien meist Block­heiz­kraft­werke (BHKW), die die im Brenn­stoff gespei­cherte Ener­gie in einem Prozess einer doppel­ten Nutzung zufüh­ren. Dabei entsteht gleich­zei­tig Strom und Wärme und zwar unter beson­ders gerin­gen Ener­gie­ver­lu­sten.

Ende 2016 haben die 972 in der Schweiz instal­lier­ten WKK-Anla­gen etwa 47 Prozent des Wärme- und 3 Prozent des Strom­be­darfs in der Schweiz gedeckt.[2]Dazu tragen natür­lich nicht nur Anla­gen für die Aufstel­lung in Wohn­ge­bäu­den bei, sondern sämt­li­che Einrich­tun­gen, die das WKK-Prin­zip nutzen. Den gröss­ten Anteil unter ihnen machen aber kleine Anla­gen aus, die über eine instal­lierte elek­tri­sche Leistung von weni­ger als 1 MW verfü­gen. Die Tabelle zeigt die wich­tig­sten Ener­gie­trä­ger, die Klein-WKK-Anla­gen in der Schweiz Ende 2016 nutzten.[3]
Anla­gen­ka­te­go­rieAnteil an durch WKK erzeug­ter elektr. Leistung [%]
Fossil BHKW57
Klär­an­la­gen mit BHKW19
Biogas­an­la­gen in der Landwirtschaft12
Biogas­an­la­gen in Gewerbe und Industrie11
Sonstige1

Es wird deut­lich: Die Mehr­zahl der WKK-Anla­gen basiert auf fossi­len Brenn­stof­fen. Ein Ziel errei­chen die WKK-Anla­gen dennoch: Sie stei­gern den Wirkungs­grad bei der Gewin­nung von Strom und Wärme. Möglich wird das durch die Erzeu­gung der Ener­gie unmit­tel­bar am Ort des Bedarfs. Das zweite grosse Problem bleibt aber bestehen: Die Abhän­gig­keit von fossi­len Brenn­stof­fen und der Ausstoss von Emis­sio­nen aus den Verbrennungsprozessen.

Doch es gibt eine weitere Tech­no­lo­gie, die gleich­zei­tig Strom und Wärme erzeu­gen kann: Die Brenn­stoff­zelle. Sie kommt dabei sogar ohne klas­si­schen Verbren­nungs­pro­zess aus und statt CO2, Stick­oxi­den und ande­ren schäd­li­chen Substan­zen gibt die Brenn­stoff­zelle haupt­säch­lich Wasser an die Umwelt ab. Der Haken dabei: Die bisher erhält­li­chen Brenn­stoff­zel­len benö­ti­gen einen Vorpro­zess, in dem Erdgas verar­bei­tet wird. In Zukunft könnte der aber wegfal­len und dann kann die Brenn­stoff­zelle sogar völlig autark und schad­stoff­frei arbeiten.

Wie funk­tio­niert die Brennstoffzellenheizung?

Wie jede herkömm­li­che Heizung erzeugt die Brenn­stoff­zelle Wärme und stellt sie den Bewoh­nern in Form von Heizungs­wärme und Warm­was­ser zur Verfü­gung. Doch darüber hinaus produ­ziert eine solche Brenn­stoff­zelle auch elek­tri­schen Strom. Die Brenn­stoff­zelle ist also auch eine WKK-Tech­no­lo­gie, obwohl die Brenn­stoff­zelle gänz­lich anders funk­tio­niert als ein Block­heiz­kraft­werke. Keine ther­mi­sche Verwer­tung, sondern die soge­nannte kalte Verbren­nung, ein elek­tro­che­mi­scher Prozess, bei dem Wasser­stoff und Sauer­stoff zur Reak­tion gebracht werden, setzt die Ener­gie in einer Brenn­stoff­zelle frei.

Gewin­nung von Wasser­stoff für die Brennstoffzelle

Wasser­stoff als haupt­säch­li­cher Rohstoff für den Prozess ist theo­re­tisch in ausrei­chen­der Menge für eine Brenn­stoff­zelle verfüg­bar. Denn Wasser­stoff ist eines der häufig­sten chemi­schen Elemente und Bestand­teil nahezu jeder orga­ni­schen Verbin­dung. Dennoch muss bisher der Wasser­stoff durch einen meist mit Erdgas betrie­be­nen Refor­mer aus Erdgas gelöst werden, bevor er für die Brenn­stoff­zelle verwen­det werden kann. Die Schritte dieses noch unver­zicht­ba­ren Vorpro­zes­ses für die Brenn­stoff­zelle im Einzelnen:

  • Der Refor­mer versetzt Erdgas mit Wasserdampf
  • Das im Gas enthal­tene Methan wird zu einem Gemisch aus Kohlen­stoff­mon­oxid und Wasserstoff
  • Dann werden die Substan­zen zu Kohlen­stoff­di­oxid und Wasser­stoff umgesetzt
  • Der Wasser­stoff wird gerei­nigt und an die Brenn­stoff­zelle weiter­ge­ge­ben, Kohlen­stoff­di­oxid entweicht in die Umgebung

Bei diesem Prozess werden also derzeit Schad­stoffe durch die Brenn­stoff­zelle abge­ge­ben. Doch die folgen­den Abschnitte zeigen, dass dies mit den näch­sten Evolu­ti­ons­stu­fen der Tech­no­lo­gie die Brenn­stoff­zelle viel­leicht bald schaf­stoff­frei betrie­ben werden kann.Funktionsweise Brennstoffzelle

Der Prozess zur Gewin­nung von Hydrogen

Erzeu­gung von Wärme und Strom durch die Brennstoffzelle

Die Brenn­stoff­zelle besteht aus zwei Elek­tro­den. Diese werden durch eine Membran vonein­an­der getrennt. Die Schritte zur Erzeu­gung von Wärme und Ener­gie laufen folgen­der­mas­sen bei einer Brenn­stoff­zelle ab:

  • Der Wasser­stoff gelangt auf die nega­tiv gela­dene Anode. Dort trennt ein Kata­ly­sa­tor Elek­tro­nen und Proto­nen voneinander
  • Die nun unge­bun­de­nen Elek­tro­nen wandern darauf über einen elek­tri­schen Leiter zur posi­tiv gela­de­nen Kathode, es fliesst Strom.
  • Die Proto­nen dage­gen schlüp­fen durch die nur für sie durch­läs­sige Membran und verbin­den sich mit den Elek­tro­nen und dem Sauer­stoff aus der Luft zu Wasser. Dabei entsteht neben der Wärme, die an die Brenn­stoff­zelle abge­ge­ben wird, noch Wasser als Nebenprodukt.
  • Diese Reak­tion läuft in einer Brenn­stoff­zel­len­hei­zung viel­fach ab, denn die Ener­gie­menge einer einzel­nen Zelle reicht nicht aus.

Ausschlag­ge­bend für einen wirt­schaft­li­chen Betrieb der Brenn­stoff­zelle ist die Strom­pro­duk­tion. Damit die möglichst hoch ausfällt, muss die Brenn­stoff­zel­len­hei­zung hohe Lauf­zei­ten errei­chen. Zu diesem Zweck wird ihre Kapa­zi­tät nach dem über weite Teile des Jahres konstan­ten Wärme­be­darf bemes­sen. Das heisst auch: Bei hohem Wärme­be­darf kommt eine korrekt ausge­legte Brenn­stoff­zel­len­hei­zung an ihre Gren­zen. Sie wird deshalb oft zusam­men mit einem Spit­zen­last­kes­sel mit Brenn­wert­tech­nik betrieben.

Was die Brenn­stoff­zel­len­hei­zung ausmacht

Das WKK-Prin­zip ist also nur einer der Aspekte, die die Brenn­stoff­zelle so inter­es­sant machen. Für die Brenn­stoff­zel­len­hei­zung spricht ausser­dem, dass sie einige entschei­dende Schwä­chen von Block­kraft­heiz­werk (BKHW) ausgleicht. Sie bietet:

  • Poten­ti­elle Emissionsfreiheit
  • Geräusch- und Wartungs­ar­mut durch Verzicht auf beweg­li­che Teile
  • Bessere Strom­aus­beute

Die Tech­nik der Brenn­stoff­zel­len­hei­zung ist noch rela­tiv neu, was die Verfüg­bar­keit für Endver­brau­cher einschränkt. Doch wie bei den eben­falls wärme­ge­führt arbei­ten­den BHKW gilt: Für einen wirt­schaft­li­chen Betrieb muss viel Strom produ­ziert werden. Auch eine Brenn­stoff­zel­len­hei­zung arbei­tet also am besten, wenn sie auf möglich­ste hohe Lauf­zei­ten kommt. Das heisst: Entschei­dend dafür, ob sich die Brenn­stoff­zel­len­hei­zung anschal­tet ist der momen­tane Wärme­be­darf. Das liegt schlicht daran, dass Wärme schlech­ter gespei­chert und zu weiter entfern­ten Abneh­mern trans­por­tiert werden kann als elek­tri­scher Strom.

Hier ist die Brenn­stoff­zel­len­hei­zung trotz­dem unkri­ti­scher als das Block­heiz­kraft­werk (BHKW). Der Grund liegt in der Strom­kenn­zahl. Denn die Brenn­stoff­zelle hält die Balance bei der Gewin­nung beider Ener­gie­for­men. Zum Vergleich: Ein BHKW mit einem Verbren­nungs­mo­tor gene­riert typi­scher­weise Wärme und Strom in einem Verhält­nis von 3 zu 1. Also lässt sich mit einer Brenn­stoff­zel­len­hei­zung bei glei­chem Ener­gie­be­darf erheb­lich mehr Strom erzeu­gen, der entwe­der selbst verbraucht, oder in das öffent­li­che Netz einge­speist werden kann. Während ein BHKW sich also für schlecht gedämmte Gebäude und Nutzer mit einem verbrauchs­be­dingt hohen Wärme­be­darf eignet, passt die Brenn­stoff­zel­len­hei­zung auch in ein Wohn­ge­bäude nach aktu­el­lem Minergie-Standard.

Ener­gie­quel­len der Brennstoffzellenheizung

Wasser­stoff und Sauer­stoff sind die Reak­ti­ons­part­ner bei der Ener­gie­er­zeu­gung in der Brenn­stoff­zelle. Ähnlich wie bei der Wärme­pumpe geht es aber auch hier nicht, ohne dass dem Prozess von aussen Ener­gie zuge­führt wird bei einer Brenn­stoff­zel­len­hei­zung. Denn obwohl der benö­tigte Wasser­stoff ebenso wie der Sauer­stoff in beson­ders gros­sen Mengen in der Umwelt vorkommt, ist er in reiner Form im Haus nicht verfügbar.

Wasser­stoff aus dem Reformer

Deswe­gen wird der Wasser­stoff durch einen Refor­mer aus Erd- oder Biogas gewon­nen. Zukünf­tig soll es dane­ben auch möglich sein, den Wasser­stoff aus Flüs­sig­gas zu gewin­nen für die Brenn­stoff­zel­len­hei­zung. Wasser­stoff ist ein völlig unbe­denk­li­cher Stoff, welcher keine Explo­si­ons­ge­fahr darstellt. So wurden bereits erfolg­reich Auto­mo­bile und sogar Flug­zeuge mit Brenn­stoff­zel­len­tech­nik erprobt.[4]Ein weite­rer Vorteil der Brenn­stoff­zelle: Der Wasser­stoff ist gänz­lich unschäd­lich für die Umwelt.

Auch die Brenn­stoff­zel­len­hei­zung kommt also bisher nicht ohne Brenn­stoffe aus. Die Alter­na­tive zum fossi­len Erdgas stellt Biogas aus nach­wach­sen­den Rohstof­fen dar. In der Schweiz nimmt Biogas bereits einen gros­sen Anteil des verwen­de­ten Erdga­ses ein. Es wird unter ande­rem durch die Vergä­rung von Pflan­zen­re­sten und Gülle gewon­nen. Nach der Aufbe­rei­tung weist das Biogas zum Erdgas iden­ti­sche Eigen­schaf­ten auf und wird dementspre­chend auch über das glei­che Leitungs­netz verteilt. In der Schweiz wird ausschliess­lich ener­gie­rei­ches H‑Gas vertrie­ben. Den Unter­schied zum ener­gie­är­me­ren L‑Gas macht der Methan­ge­halt aus, der für den Brenn­wert ausschlag­ge­bend ist.

Wasser­stoff aus dem Elektrolyseur

Doch wenn Sie zusätz­lich zur Heizung über eine Photo­vol­ta­ik­an­lage verfü­gen, dann kann die Erdgas­ver­sor­gung über­flüs­sig werden. Denn mit dem Strom aus der Sonnen­en­er­gie lässt sich ein soge­nann­ter Elek­tro­ly­seur betrei­ben. Dieser spal­tet norma­les Wasser in seine Bestand­teile, nämlich Wasser­stoff und Sauer­stoff, auf. Der Sauer­stoff kann an die Luft abge­ge­ben werden, während der Wasser­stoff der Brenn­stoff­zelle zuge­führt wird. Solch eine Lösung ist beinahe konkur­renz­los, denn sie kommt gänz­lich ohne fossile Rohstoffe und Verbren­nungs­pro­zesse aus. Der Nach­teil bisher: Die noch junge Tech­no­lo­gie ist schlecht verfüg­bar und dementspre­chend teuer in der Anschaffung.

Dass das Prin­zip funk­tio­niert, zeigt ein Mehr­fa­mi­li­en­haus in Brüt­ten, in dem weiter an der Opti­mie­rung der Tech­no­lo­gie der Brenn­stoff­zel­len­hei­zung gear­bei­tet wird. Mehr dazu erfah­ren Sie auf den Seiten der Umwelt Arena Schweiz.

Kosten einer Brennstoffzellenheizung

Wer sich für eine Heizungs­art entschei­det, der bindet sich über Jahr­zehnte. Deshalb sollte auch eine fach­män­ni­sche Wirt­schaft­lich­keits­be­trach­tung vorge­nom­men werden. Trans­pa­renz erhal­ten Sie dann, wenn die folgen­den Kosten­be­stand­teile einer Brenn­stoff­zelle in die Betrach­tung eingehen:

  • Kosten für die Erschlies­sung der Energieversorgung
  • Anschaf­fungs­ko­sten für die Brennstoffzelle
  • Kosten für den Brenn­stoff­ver­brauch und Instandhaltung

Erschlies­sung des Ener­gie­trä­gers einer Brennstoffzellenheizung

Bisher wird für die Brenn­stoff­zelle haupt­säch­lich Erdgas einge­setzt, das über ein öffent­li­ches Leitungs­netz verteilt wird. Anders als bei Flüs­sig­gas werden dafür also keine eige­nen Lager­stät­ten benö­tigt. Das bedeu­tet aber auch: Für den Betrieb einer Brenn­stoff­zel­len­hei­zung muss aktu­ell noch zwin­gend eine Gaslei­tung in der Nähe liegen. Beach­ten soll­ten Sie, dass der Gasan­schluss zwei­ge­teilt ist. Für die Verle­gung der Leitung bis ins Gebäude ist der Ener­gie­ver­sor­ger des entspre­chen­den Versor­gungs­ge­biets verant­wort­lich. Viele Versor­ger bieten eine Online-Auskunft darüber an, ob ein Haus­an­schluss bei Ihnen möglich ist. Für alle weite­ren Leitun­gen zur Vertei­lung des Erdga­ses an die verschie­de­nen Verbrau­cher inner­halb des Gebäu­des sind Sie dage­gen selbst verantwortlich.

Anschaf­fungs­ko­sten einer Brennstoffzellenheizung

Wie alle WKK-Anla­gen ist die Brenn­stoff­zel­len­hei­zung noch vergleichs­weise teuer. Für die Versor­gung eines Einfa­mi­li­en­hau­ses kann durch­aus eine Inve­sti­ti­ons­summe zwischen 30.000 und 50.000 Fran­ken erfor­der­lich werden. Zu beach­ten ist, dass die Anschaf­fungs­ko­sten einer Brenn­stoff­zel­len­hei­zung durch viele Fakto­ren beein­flusst werden kann, darunter:

  • Tech­ni­scher Stand der Brennstoffzellenheizung
  • Kapa­zi­tät der Brennstoffzellenheizung
  • Herstel­ler der Brennstoffzellenheizung
  • Region
  • Instal­la­ti­ons­be­trieb

Die gute Nach­richt lautet, dass die Arbei­ten an der Brenn­stoff­zel­len­hei­zung sich nicht wesent­lich von den Arbeits­schrit­ten bei Aufstel­lung und Inbe­trieb­nahme einer Gasbrenn­wert­hei­zung unter­schei­den. In jedem Fall soll­ten Sie sich aber en einen spezia­li­sier­ten Instal­la­teur mit entspre­chen­der Planungs­er­fah­rung wenden. Gerne steht Ihnen unser Spezia­li­sten Team dafür zur Verfügung.

Betriebs­ko­sten einer Brennstoffzelle

Über die Lebens­dauer einer Heizungs­an­lage über­stei­gen die Brenn­stoff­ko­sten in der Regel die Aufwen­dun­gen für die Erst­an­schaf­fung um ein Viel­fa­ches. Doch wie sieht es bei der Brenn­stoff­zel­len­hei­zung aus? Hier ist die Rech­nung ein wenig komple­xer, denn der Brenn­stoff wird nicht nur dazu einge­setzt, um Wärme zu erzeu­gen. Statt­des­sen liefert die Brenn­stoff­zel­len­hei­zung auch Strom, den Sie entwe­der selbst nutzen oder gegen ein Entgelt weiter­ver­kau­fen können. Die Kosten für die Wärme erge­ben sich also aus den Kosten für den Brenn­stoff­ver­brauch, vermin­dert um den Markt­preis des selbst genutz­ten Stro­mes und vermin­dert um die Vergü­tung für den einge­spei­sten Strom. Das und der erhöhte Wirkungs­grad bei der Ener­gie­um­wand­lung sorgt für geringe Heiz­ko­sten bei einer Brenn­stoff­zel­len­hei­zung. Auch hier gilt: Hohe Lauf­zei­ten sind der Garant für einen wirt­schaft­li­chen Betrieb. Wie die Wärme­pumpe wird die Brenn­stoff­zelle daher nach der Grund­last des Wärme­be­darfs ausgelegt.

Vor- und Nach­teile der Brennstoffzellenheizung

Ganz unab­hän­gig von den Markt­prei­sen für die Ener­gie machen Sie sich auch mit einer Brenn­stoff­zel­len­hei­zung aktu­ell noch nicht. Zusam­men mit ande­ren WKK-Tech­no­lo­gien wie dem BHKW zeich­net sich die Brenn­stoff­zel­len­hei­zung aber durch zwei wesent­li­che Merk­male aus.

  • Hoher Wirkungs­grad von ca. 90 Prozent
  • CO2-neutra­ler Betrieb einer Brenn­stoff­zel­len­hei­zung durch Biogas möglich

Doch warum gilt die Brenn­stoff­zel­len­hei­zung auch inner­halb der WKK-Tech­no­lo­gien als beson­ders viel­ver­spre­chend? Das liegt haupt­säch­lich daran, dass die Strom­kenn­zahl der Brenn­stoff­zel­len­hei­zung höher ausfällt. Im wärme­ge­führ­ten Betrieb kann daher bei glei­chem Wärme­be­darf mehr Strom gewon­nen werden als mit den meisten BHKW. Zwar liesse sich mit einer Spei­cher­vor­rich­tung für die nicht benö­tigte Wärme auch beim BHKW die Lauf­zeit und damit die Strom­aus­beute erhö­hen, jedoch zu Lasten des Wirkungs­gra­des. Denn bei der Spei­che­rung von Wärme treten vergleichs­weise hohe Verlu­ste auf. In Zukunft hat die Brenn­stoff­zel­len­hei­zung sogar das Poten­zial, ohne Erdgas zu funk­tio­nie­ren. Dann ist ein völlig schad­stoff­freier und von exter­nen Ener­gie­quel­len autar­ker Betrieb möglich. Die Tabelle zeigt auf einen Blick die Vor- und Nach­teile der Brenn­stoff­zel­len­hei­zung gegen­über ande­ren verfüg­ba­ren Technologien.

Vorteile einer BrennstoffzellenheizungNach­teile einer Brennstoffzellenheizung
Hoher Wirkungs­grad durch doppelte Nutzung der EnergieAbhän­gig­keit von Gaspreisen
Eignet sich auch für Gebäude mit nied­ri­gem WärmebedarfHohe Anschaf­fungs­ko­sten gegen­über konven­tio­nel­len Heizungen
Geräusch­arme und kompakte HeizungsanlageWartungs­in­ten­siv
Tech­no­lo­gie kann in Zukunft autark und schad­stoff­frei arbeitenBegrenzte Lebens­dauer der Zellen

In welche Umge­bung die Brenn­stoff­zel­len­hei­zung passt

Natür­lich geht es für Bauher­ren und Eigen­tü­mer eines Altbaus bei der Auswahl der neuen Heizungs­an­lage nicht nur darum, welche Tech­no­lo­gie für sich genom­men die wirt­schaft­lich und ökolo­gisch sinn­voll­ste ist. Vor allem bei Bestands­bau­ten stellt sich die Frage, ob sich die neue Heizung über­haupt in die bestehende Tech­nik einbin­den lässt. In dieser Hinsicht ist die Brenn­stoff­zel­len­hei­zung vergleichs­weise unkom­pli­ziert, denn sie arbei­tet mit Erdgas. So müssen keine Lager­stät­ten für den Brenn­stoff geschaf­fen werden. Ande­rer­seits ist aber die Existenz einer Erdgas­lei­tung in der Nähe unver­zicht­bar für eine Brenn­stoff­zel­len­hei­zung. Ein weite­rer Plus­punkt der Brenn­stoff­zel­len­hei­zung: Ebenso wie die Wärme­pumpe eignet sich die Brenn­stoff­zelle auch für den Einsatz in moder­nen Gebäude, deren Wärme­be­darf durch leistungs­fä­hige Dämmung mini­miert wird.

Quel­len

[1]http://www.bfe.admin.ch/themen/00490/00506/index.html?lang=de
[2]http://www.bfe.admin.ch/themen/00526/00541/00543/index.html?lang=de&dossier_id=00774
[3]http://www.bfe.admin.ch/php/modules/publikationen/stream.php?extlang=de&name=de_39882556.pdf
[4]https://www.co2online.de/modernisieren-und-bauen/brennstoffzellen-heizung/was-sind-brennstoffzellen/