Die hocheffiziente Strom- und Wärmeerzeugung im eigenen Haus nutzt das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung. Funktionsweise, Brennstoffe, Anwendungsfälle und Förderungsmöglichkeiten
Eine Brennstoffzelle nutzt das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), indem sie die chemische Energie eines Brennstoffs direkt und ohne Verbrennung in Strom und Wärme umwandelt. Brennstoffzellen weisen aufgrund der elektro-chemischen Umwandlung des Brennstoffs weniger Prozessstufen bei der Strom- und Wärmeerzeugung als andere KWK-Anlagen auf und arbeiten daher äußerst effizient.
In der Vergangenheit wurde der Einsatz von Brennstoffzellen als Heizungsanlage mit großen Summen über das KfW Programm 433 gefördert. Diese Förderung wurde 2022 beendet, nachdem darüber mehr als 20.000 Brennstoffzellen gefördert worden waren. Heute ist eine Basisförderung für Brennstoffzellen an die Nutzung von grünem Wasserstoff gekoppelt.
Brennstoffzellen zeichnen sich durch ihren sehr leisen Betrieb und durch eine große Robustheit aus. Deswegen sind sie heute oftmals als Notstromaggregate (Netzersatzanlage - NEA) oder zur Stromversorgung netzferner Standorte (z. B. Mobilfunkmasten) im Einsatz.
Im Wesentlichen besteht eine Brennstoffzelle aus zwei Elektroden – der Anode und der Kathode –, welche durch einen Elektrolyten voneinander getrennt werden. Der Anode wird kontinuierlich Wasserstoff zugeführt und mit einem Katalysator in Elektronen und Protonen zerlegt. Während die Protonen durch den Elektrolyten zur Kathode transportiert werden, verrichten die Elektronen auf ihrem Weg über einen externen Stromkreis zur Kathode elektrische Arbeit. An der Kathode verbinden sich Protonen und Elektronen mit dem zugeführten Sauerstoff zu Wasser(dampf).
Für die Anwendung werden viele Brennstoffzellen aufeinander gestapelt, den sogenannten "Stacks". Die Zellen werden in Parallelschaltung mit miteinander verbunden, so dass ein Stack aus einer definierten Anzahl von Brennstoffzellen immer auch eine definierten Ausgangsspannung bzw. einen definierten Ausgangsstrom aufweist. Grundsätzlich können die fertigen Brennstoffzellenstacks in der Anzahl und der resultierenden Leistung beliebig kombiniert werden.
Mit Wasserstoff, Biomethan, Flüssiggas oder Methanol hocheffizient Strom und Wärme erzeugen
Die meisten am Markt noch vorhandenen Modelle setzen Erdgas als Energieträger ein. Auch netzferne Anlagen mit Flüssiggas oder Methanol waren im Angebot. Weil die Förderung für diese Brennstoffzellen aber eingestellt worden ist, ist deren Markt aus Kostengründen zusammengebrochen. Im Vorgriff auf die Wasserstofftransformation der Gasnetze arbeiten die Hersteller heute an reinen Wasserstoff-Brennstoffzellen und bereiten diese für den Markteintritt vor.
Die Anpassungen sind erforderlich, weil mit Erdgas, Flüssiggas und Methanol betriebene Brennstoffzellen einen großen Teil der Heizwärme aus einem internen Dampfreformer, mit dem Erdgas in Wasserstoff und CO2 zerlegt wird, gewinnen. Die anschließende Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser (H2O) trägt bei diesen Geräten nur den kleineren Anteil an der Nutzwärme bei. Daher hat die Nutzung von Brennstoffzellen als Heizung in Zukunft hinter der Nutzung als Stromerzeuger nachrangige Bedeutung.
Über das KfW-Programm 433 wurden Brennstoffzellen bis 5 kWel bis zum 31.12.2022 mit bis zu 28.200 € bezuschusst, zusätzlich zur KWKG-Förderung. Diese erfolgreiche Förderung wurde im Rahmen der Gaskrise ausgesetzt. Insgesamt wurden 21.264 Brennstoffzellen gefördert.
Heute werden Brennstoffzellen über die BEG gefördert, wenn sie mit grünem oder blauem Wasserstoff betrieben werden. Dies ist z. B. bei sogenannten Autarkiesystemen der Fall: Hier wird lokal Wasserstoff erzeugt, zwischengespeichert und später in der dann förderfähigen Brennstoffzelle genutzt.
Ein neueres Anwendungsfeld von Brennstoffzellen ist der Einsatz als Netzersatzanlage (NEA) bzw. Notstromaggregat, weil sich die Geräte als sehr robust und langlebig gezeigt haben. So sichern dezentral installierte Brennstoffzellen mit in Flaschenbündeln vorgelagertem Brennstoff z. B. Eisenbahninfrastruktur oder Mobilfunkmasten ab, die oftmals netzfern installiert sind.
Grundsätzlich steht die Stromerzeugung in der Brennstoffzelle steht in einem festen Verhältnis zur Wärmeerzeugung. Wegen deren niedrigen Temperaturen liefert sie vor allem die Wärme für die Grund- und Mittellast eines Gebäudes. Dabei spielen Art und Größe eines Gebäudes bei der Eingrenzung des Brennstoffzelleneinsatzes keine Rolle, denn die Hersteller bieten unterschiedliche Modelle für den Einsatz im Einfamilienhaus bis hin zum kleineren Gewerbebetrieb.
Durch die ausschließliche Förderung von Brennstoffzellen, die mit grünem oder blauem Wasserstoff betrieben werden, sind die Einsätze heute auf das Vorhandensein des klimaneutral nutzbaren Gases angewiesen. Denn derzeit wird die Umstellung der Erdgasnetze auf Wasserstoff noch vorbereitet, erste Lieferungen an Letztverbrauche werden gegen Ende der 2020er Jahre erwartet. Bis dahin ist der geförderte Einsatz von Brennstoffzellen auf vor Ort erzeugten Wasserstoff angewiesen, wie er in sogenannten Autarkiesystemen im Zusammenspiel aus PV-Anlage, Elektrolyseur, Gasspeicher und eben der Brennstoffzelle umgesetzt ist.
Der in der Brennstoffzelle erzeugte Strom kann im Haus selbst genutzt oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Genau wie bei Photovoltaik-Anlagen haben Betreiber von Brennstoffzellen das gesetzlich festgelegte Recht (in diesem Fall durch das Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz (KWKG)), die erzeugten Strommengen in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen und eine Vergütung vom zuständigen Netzbetreiber zu erhalten. Dabei empfiehlt es sich allerdings, einen möglichst hohen Anteil des selbst erzeugten Stroms auch im Haus selbst zu nutzen, um den Strombezug aus dem Netz und damit die Stromrechnung zu verringern.
