Brennstoffzellen BHKW

Eine Brennstoffzelle wandelt die bei einer chemischen Reaktion freigesetzte Energie unmittelbar in Strom um. Daneben wird in Brennstoffzellen auch Wärme erzeugt, allerdings in bauartbedingt deutlich unterschiedlicher Menge. Brennstoffzellen weisen hohe Wirkungsgrade auf, vermindern schädliche Emissionen und erzeugen weder Vibrationen noch laute Geräusche. Da sie keine beweglichen Teile enthalten, sind sie zudem recht wartungsarm und wenig störanfällig.

PEM-Brennstoffzelle

Dass die Welt voller Wasser ist, ist kein Zufall. Wasserstoff und Sauerstoff sind häufig vorkommende Elemente. Wenn beide zusammen kommen, verbinden sie sich von selbst zu Wasser. Diese chemische Reaktion erfolgt exotherm, also unter Abgabe von Wärme. Diese Reaktion wird in einer Brennstoffzelle genutzt. Der grundlegende Vorgang in einer Brennstoffzelle ist am Beispiel einer so genannten PEM-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane-Brennstoffzelle) schnell erklärt. Die Brennstoffzelle enthält eine negative Elektrode (Anode) und eine positive Elektrode (Kathode). Der Anode wird Wasserstoff zugeführt. Die Anode ist mit Platin beschichtet, was dazu führt, dass die Wasserstoffatome in ihre beiden Bestandteile aufgespalten werden, nämlich ein Elektron und ein Proton. Die Elektronen werden über einen äußeren Stromkreis abgeführt, sie bilden den von der Brennstoffzelle erzeugten Strom. Die Protonen diffundieren durch eine Membran zur Kathode, wo sie sich mit den Elektronen aus dem äußeren Stromkreis und mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser verbinden. Dabei wird Wärme freigesetzt.

SOFC-Brennstoffzellen

Neben den PEM-Brennstoffzellen, die bei sehr niedrigen Temperaturen betrieben werden, sind mittlerweile auch Hochtemperaturbrennstoffzellen bis zur Serienreife entwickelt. Das grundlegende Funktionsprinzip ist ähnlich, wenngleich andere chemische Reaktionen genutzt werden. Diese so genannten SOFC-Brennstoffzellen (SOFC = Solid Oxide Fuel Cell) weisen eine Arbeitstemperatur von über 600 Grad Celsius auf. Die technische Ausführung ist aufgrund der hohen Temperaturen aufwändiger, insbesondere an die Dichtungen werden hohe Anforderungen gestellt.

Großflächige Praxistests laufen bereits

Unter dem Projektnamen Callux läuft derzeit ein großflächiger Feldversuch, um die Praxistauglichkeit von Brennstoffzellen BHKW zu erproben. Insgesamt sollen im Rahmen dieses Feldtests mehr als 800 Brennstoffzellen installiert werden. Käuflich erhältlich sind diese Brennstoffzellen noch nicht, Callux stellt den letzten Praxistest vor der Markteinführung dar. Voraussetzung für die Teilnahme an diesem Test ist lediglich ein vorhandener Erdgasanschluss. Interessenten können sich bei Callux als Projektteilnehmer registrieren lassen. Callux ist ein Gemeinschaftsprojekt zahlreicher Energieversorger sowie mehrerer Hersteller von Heizgeräten. Unterstützt wird das Projekt vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung. Auch die Initiative Brennstoffzelle (IBZ) zählt zu den Kooperationspartnern. Zentrale Aufgabe der IBZ ist die Öffentlichkeitsarbeit, die IBZ versorgt Medien, Fachbetriebe und Bildungseinrichtungen mit Informationen zum Thema Brennstoffzellen. Im Rahmen dieser Aufgabe begleitet die IBZ auch das Projekt Callux.

Noch sind marktreife Geräte Mangelware

Zahlreiche Hersteller arbeiten derzeit an Brennstoffzellen für den dezentralen Einsatz, viele Modelle stehen kurz vor der Markteinführung. Seit Anfang 2012 ist mit dem Modell BlueGen des Anbieters Ceramic Fuel Cells immerhin ein Modell im Handel erhältlich.
Die temperaturbeständigen keramischen Bauteile, die anstelle der Membranen in Niedertemperaturbrennstoffzellen treten, stellen die wesentliche technische Innovation dieser SOFC-Brennstoffzellen dar. Auch der Hersteller Vaillant konzentriert sich auf diese Technologie. Vaillant's Brennstoffzellen Mikro-KWK befindet sich noch in der Testphase. Es zeichnet sich durch niedriges Gewicht und eine platzsparende Bauweise aus. Einen anderen Weg geht der Hersteller Baxi Innotech. Dieser Hersteller setzt auf PEM-Brennstoffzellen, die bei niedriger Temperatur arbeiten. Diese werden mit einem integrierten Brennwertgerät kombiniert. Durch diese Kombination wir ein Gesamtwirkungsgrad von mehr als 96 Prozent erreicht. Für einen dritten Weg hat sich der Hersteller Hexis entschieden, der eine Hochtemperaturbrennstoffzelle mit einem Brennwertgerät kombiniert. Auch diese beiden Kombi-Lösungen befinden sich noch in der Testphase.

Ein näherer Blick auf das BlueGen

Wie bereits erwähnt, ist das Modell BlueGen von Ceramic Fuel Cells das einzige bereits auf dem Markt erhältliche Brennstoffzellen BHKW. Wenngleich eine Hochtemperaturbrennstoffzelle genutzt wird, dient es primär zur Stromversorgung von Ein- oder Mehrfamilienhäusern. Es erzeugt dabei eine elektrische Leistung von 1,5 Kilowatt, bei einer thermischen Leistung von 0,6 Kilowatt. Die thermische Leistung dient primär dem Einsatz zur Brauchwassererwärmung. Die Kopplung an die bestehende Heizung erfolgt über den Wärmespeicher. Insgesamt können auf diese Weise die CO2-Emissionen um rund die Hälfte reduziert werden. Angeboten wird das Modell beispielsweise für einen Nettopreis von ca. 25.000 Euro. Hinzu kommen 3.000 bis 5.000 € für die Montage. Um eine Kilowattstunde Strom zu erzeugen, benötigt das BlueGen knapp zwei Kilowattstunden Erdgas. Legt man aktuelle Preise für Strom und Erdgas zugrunde, beträgt die Ersparnis etwas mehr als zehn Cent pro Kilowattstunde. Hinzu kommen 5,11 Cent staatlicher Förderung, die für jede mit einer KWK Anlage erzeugte Kilowattstunde beantragt werden können. Das BlueGen ist für den Dauerbetrieb bestimmt, liefert also 36 Kilowattstunden Strom pro Tag. Vorausgesetzt, dass es im Bereich des optimalen Wirkungsgrades betrieben wird, der bei 1,5 Kilowatt liegt. Wird der Strom in einem Mehrfamilienhaus oder einem Kleinbetrieb komplett selbst verbraucht, ergibt sich somit eine Einsparung von rund 2.100 Euro pro Jahr. Wird der Strom teilweise ins Netz eingespeist, ändern sich die Werte leicht.