"Nur fünf Computer weltweit" – mit seiner Aussage über den Bedarf an elektronischen Rechnern lag Thomas J. Watson, Vorstandsvorsitzender des späteren Computerriesen IBM, weit daneben. Als er diese Prognose 1943 wagte, war allerdings nicht abzusehen, dass wenige Jahre später Computer ihren Siegeszug um die Welt begannen und heute nahezu jeder Haushalt über einen PC verfügt. Eine ähnliche Entwicklung könnte die Brennstoffzelle erfahren.

In bestimmten Bereichen ist ihre Nutzung heute schon eine Selbstverständlichkeit. So dienen Brennstoffzellen seit rund 60 Jahren in der Raumfahrt als zuverlässige Energielieferanten. Heute vertrauen nicht nur Astronauten auf diese Technik, sondern auch die U-Boot-Besatzungen der Bundeswehr. Auch bei weitaus profaneren Anwendungen kommt die Brennstoffzelle zum Einsatz. So macht sie beispielsweise immer mehr Wohnmobilisten an abgelegenen Orten unabhängig von einer externen Stromversorgung.

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Keine Zukunftsmusik mehr

Im Automobilbau und bei der Bahn ist die Nutzung von Brennstoffzellen ebenfalls keine Zukunftsmusik mehr. Die neue Technologie hat bereits Einzug gehalten und ist dabei, sich zu etablieren. So verkauft der Autobauer Toyota seit 2014 in Japan und den USA die Mittelklasse-Limousine Mirai in Großserie. Für das nächste Jahr ist der Bau eines Brennstoffzellenbusses geplant, und die japanische Regierung denkt darüber nach, sämtliche rund 35 000 konventionellen Stadtbusse im Land auszutauschen. Im kommenden Jahr will auch Mercedes mit dem Mittelklasse-SUV GLC ein Serienfahrzeug mit Brennstoffzelle auf den Markt bringen. Ebenfalls ab 2018 sollen zwischen Cuxhaven und Stade die ersten Züge mit Brennstoffzellenantrieb Fahrgäste befördern. Die niedersächsische Landesnahverkehrsgesellschaft hat insgesamt 14 dieser Züge bestellt, die künftig zwischen Weser und Elbe verkehren sollen.

Strom und Wärme aus einem Gerät

Seit 2014 zieht diese Technik zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme auch in Wohngebäude ein. Mit Vitovalor 300-P brachte Viessmann als erster Hersteller ein in Serie produziertes Brennstoffzellen-Heizgerät für Ein- und Zweifamilienhäuser auf den Markt. Das Gerät hat sich seit seiner Markteinführung hervorragend bewährt. Fachhandwerker und Anlagenbetreiber sind gleichermaßen hochzufrieden (zum Artikel: Die Dinger laufen einfach).

Das Brennstoffzellen-Heizgerät Vitovalor 300-P hat sich seit seiner Markteinführung im Frühjahr 2014 bestens bewährt. Durch die hocheffiziente Erzeugung von Strom und Wärme spart es bis zu 40 Prozent Energiekosten ein und reduziert die Co2-Emissionen um rund die Hälfte

Spart Geld und schont die Umwelt

Neben der hohen Zuverlässigkeit der Brennstoffzellenheizung sind es vor allem die drastischen Energiekosten-Einsparungen, die zu dieser Zufriedenheit führen. Durch die Nutzung des selbst erzeugten Stroms reduzieren sich die Ausgaben für den Strombezug aus dem Netz. Im Vergleich zum Bezug von üblichem Netzstrom und der Wärmeerzeugung mit einem Gas-Brennwertkessel sinken die Energiekosten eines Haushalts um bis zu 40 Prozent und die Emissionen des klimaschädlichen Kohlendioxids um rund die Hälfte (zum Artikel: Doppelter Nutzen: Gleichzeitig Wärme und Strom erzeugen).

Mit der Einspeisung von überschüssig erzeugtem Strom in das öffentliche Netz kann sogar noch Geld hinzuverdient werden. So ergibt sich beispielsweise mit Vitovalor 300-P im Neubau eine durchschnittliche jährliche Energiekosteneinsparung in Höhe von 680 Euro.

Durchschnittlich erzeugt Vitovalor 300-P etwa 4 000 kWh Strom pro Jahr. Davon werden in der Regel ca. 2 400 kWh (60 %) selbst genutzt. Der Betreiber spart dabei pro kWh rund 0,25 €. Die rest‧lichen 1 600 kWh (40 %) werden gegen eine Vergütung von 0,05 €/kWh in das Netz eingespeist. 

Brennstoffzellen-Heizgeräte können zudem bei Engpässen in der volatilen Stromerzeugung aus Windkraft und Sonnenenergie einen wichtigen Beitrag zur Deckung des Strombedarfs leisten. Da dies dezentral geschieht und der Strom im Haus erzeugt wird, werden die Stromnetze entlastet. Der Einbau eines Brennstoffzellen-Heizgeräts wird deshalb von der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) mit einem hohen Zuschuss unterstützt (zum Artikel: Förderung in Rekordhöhe). Damit ist die Investition in die stromerzeugende Heizung vergleichbar mit den Anschaffungskosten für eine übliche Wärmepumpenanlage.

Wie funktioniert die Brennstoffzelle?

Das Prinzip der Brennstoffzelle ist seit der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts bekannt (zur Grafik: Die Geschichte der Brennstoffzelle). Wie bei einer üblichen Batterie spielt sich im Inneren der Zelle eine chemische Reaktion zwischen dem elektrischen Plus- und Minuspol ab. Wasserstoff reagiert dort mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft, dabei entstehen Strom und Wärme sowie als Nebenprodukt Wasserdampf (zum Artikel: Reaktion in der Brennstoffzelle).

Da derzeit noch keine flächendeckende Infrastruktur für die Versorgung mit Wasserstoff existiert, verwendet man für den Betrieb der stationären Brennstoffzellen-Heizgeräte herkömmliches Erdgas. Dessen Hauptbestandteil, Methan (CH4), liefert den benötigten ‧Wasserstoff. Dazu wird das Erdgas innerhalb der Geräte entsprechend aufbereitet.

Blick in das Herz einer Brennstoffzelle: Mehrere ‧Einzelzellen aus jeweils zwei Elektroden mit dazwischenliegender Membran werden zu einem sogenannten Stack hintereinander geschaltet. Damit wird die für die jeweilige Anwendung erforderliche elektrische Leistung erreicht.

PEM oder SOFC – Was ist der Unterschied?

Nach dem beschriebenen Grundmuster arbeiten alle üblichen Varianten der Brennstoffzelle. Die verschiedenen Typen, wie beispielsweise die PEM- (Polymer-Elektrolyt-Membrane) oder die SOFC-Brennstoffzelle (Solid Oxid Fuel Cell), unterscheiden sich im Wesentlichen im jeweils verwendeten Elektrolyten, der für eine kontrollierte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff sorgt, sowie in den Betriebstemperaturen.

In der PEM-Brennstoffzelle kommt als Elektrolyt eine Kunststoffmembran zum Einsatz. Mit Betriebstemperaturen zwischen 60 und 90 Grad Celsius, kurzen Anfahrtzeiten und einer hohen Zahl möglicher Start-Stopp-Zyklen ist sie besonders für die Beheizung moderner Neubauten und für energetisch sanierte Bestandsgebäude geeignet.

Die PEM-Brennstoffzelle im Vitovalor 300-P stammt von Panasonic und wurde in Japan bereits über 100.000 Mal installiert. Sie ist für eine Nutzungsdauer von mehr als 70.000 Betriebsstunden ausgelegt und erzeugt über den Tag bis zu 16,5 Kilowattstunden Strom. Damit kann ein Großteil des Bedarfs im Haushalt gedeckt werden.

SOFC auf dem Weg zur Marktreife

SOFC-Brennstoffzellen-Heizgerät der Viessmann Tochter Hexis.

Die SOFC-Brennstoffzelle verwendet als Elektrolyten eine Keramik und arbeitet mit deutlich höheren Betriebstemperaturen zwischen 600 und 1 000 Grad Celsius. Durch die Möglichkeit, diese Brennstoffzelle auch mit hohen Rücklauftemperaturen zu betreiben, ist sie besonders geeignet für Bestandsgebäude mit hohen Systemtemperaturen der Heizungsanlage. Sind zudem hohe elektrische Leistungen erforderlich, beispielsweise um zusätzlich eine Ladesäule für Elektrofahrzeuge mit Strom zu versorgen, bietet sie sich wegen ihres hohen elektrischen Wirkungsgrades an. Derzeit entwickelt das zur Viessmann Group gehörende Schweizer Unternehmen Hexis eine stromerzeugende Heizung auf Basis der SOFC-Brennstoffzelle zur Marktreife. Das Gerät wird für den Einsatz in Einfamilienhäusern sowie in kleineren Mehrfamilienhäusern geeignet sein.

Ein lernfähiges System

Das Brennstoffzellen-Heizgerät Vitovalor 300-P wird stromoptimiert betrieben. Leistungsabgabe und Betriebsdauer richten sich zunächst nach dem aktuellen Wärmebedarf des Hauses. Zusätzlich sorgt ein in der Systemregelung integrierter, lernfähiger Energiemanager für eine bedarfsgerechte Stromproduktion. Er erfasst im Tagesverlauf den im Haushalt benötigten Strom und erstellt daraus ein individuelles Stromprofil. Unter Berücksichtigung der Temperaturen im Heizwasser-Pufferspeicher ermittelt er dann den passenden Einschaltzeitpunkt für eine maximale Eigenverbrauchsrate. So lassen sich bis zu 60 Prozent des selbst erzeugten Stroms im eigenen Haus nutzen.

Über die Vitotrol App lässt sich Vitovalor 300-P von überall mit dem Smartphone oder Tablet kontrollieren und bedienen.
Die App zeigt zum Beispiel die aktuellen Daten zur Stromerzeugung und zum Heizbetrieb an.

Betriebsweise des Brennstoffzellen-Heizgeräts Vitovalor 300-P im Tagesverlauf

Über den Großteil des Tages reicht die Stromproduktion aus, um den Bedarf zu decken. Lediglich in Spitzenzeiten, zum Beispiel frühmorgens und abends, muss Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen werden. Dafür wird in den Nachtstunden überschüssiger Strom in das öffentliche Netz eingespeist und vergütet.

Unabhängiger mit Stromspeicher

Mit einem zusätzlichen Stromspeicher kann der Eigenverbrauchsanteil auf bis zu 85 Prozent gesteigert werden. Damit macht sich der Betreiber dann noch unabhängiger von den steigenden Strompreisen. Statt den Überschussstrom einzuspeisen, wird er im Stromspeicher zur Deckung späterer Strom-Verbrauchsspitzen bevorratet oder einer Ladestation für Elektromobile zur Verfügung gestellt.

Überschüssig erzeugter Strom kann in einem zusätzlichen Stromspeicher (ganz links) bevorratet werden. Der Eigenverbrauchsanteil steigt dadurch auf bis zu 85 Prozent.

Weitere Informationen zum Brennstoffzellen-Heizgerät gibt es unter:

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Jahrgang 2017