Das Schema veranschaulicht die grundsätzlichen Prozesse innerhalb einer PEM-Brennstoffzelle. (iStock)

Hersteller von Brennstoffzellen-Heizsystemen haben Modelle im Angebot, die sich – in Analogie zu modernen Wärmepumpen – die vom Design her sich gut ins Wohnambiente einfügen. (Bild: Initiative Brennstoffzelle)

Mit Wasserstoff heizen – Erdgas als Mitspielerin

Webinare entpuppen sich als anregende Form wertvoller Weiterbildung gerade in Zeiten der aktuellen Corona-Pandemie. Aufgefallen ist eine durch die Internet-Plattform Buildworld Ende November durchgeführte Veranstaltung zum Thema «Brennstoffzelle».

Die Webinar-Plattform Builtworld versteht sich als Weiterbildungsnetzwerk der Bau- und Immobilienbranche, die Vordenker der Branche und junge Technologieunternehmen zusammenbringt und nun eng mit der Messe Frankfurt – verantwortlich für die Messe ISH – kooperiert. Unter dem Titel «Brennstoffzelle 4.0 – Chancen für unsere Gebäude» moderierte Wolfgang Moderegger am 26. November eine Webkonferenz, die spannende Einblicke in die Chancen und Potenziale der Brennstoffzelle für den Wärmemarkt bot.

Im Kontext des Green Deals

Andreas Lücke, Hauptgeschäftsführer des Bundesverbands Deutsche Industrie (BDH) und Sprecher der Initiative Brennstoffzelle, erläuterte eingangs die Bedeutung der Brennstoffzellentechnik für die Immobilienwirtschaft im Kontext der aktuellen Klima- und Energiepolitik der Europäischen Union unter dem Schlagwort «Green Deal». Damit ist u.a. das sehr ambitionierte Ziel einer Minderung des CO2-Ausstosses von bis zu 60% aus Gebäuden bis 2030 vorgegeben. Da in Neubauten bereits CO2-freie Technologie für Raumwärme und Warmwasser zum Einsatz kommt, steht der Bestandsbau im Visier.
Ein bunter Strauss an technischen Optionen seitens der Heizungsindustrie und auch vielfältige Angebote optimaler Dämmung von Gebäuden zur Senkung des Wärmebedarfs und damit des CO2-Ausstosses seien bekannt, so Lücke: «Doch wir müssen alle Register ziehen. Als Immobilienbetreiber wird man mit der kritischen Frage konfrontiert: Was tun Sie, um den Immobilienpark im Hinblick auf die Energiewende fit zu machen?»
Noch bringt es die Brennstoffzelle als «edle technische Option der Wasserstoff-Nutzung» auf winzige Absatzzahlen. Und bei der Bereitstellung des Ausgangsstoffs Wasserstoff H2 stehen technische Verfahren zur Diskussion, die wiederum einen un/günstigen Einfluss auf die Klimabilanz haben.

Grün, blau, türkis

Man behilft sich mit der Farbenlehre: Wenn mittels Elektrolyse von Wasser – also der Aufspaltung des Wassermoleküls in Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 – der dabei verwendete elektrische Strom aus erneuerbaren Energiequellen stammt, spricht man von «grünem» Wasserstoff (H2), da keine CO2-Emissionen anfallen.
Der «blaue» Wasserstoff wird mittels eines Dampfreformprozesses in zwei Schritten aus Kohlenwasserstoffen gewonnen. Dabei entsteht auch CO2. In Norwegen wird dieses Verfahren angewandt, wobei das zurückbleibende CO2 unter dem Meeresboden verpresst wird. Die Langzeitlagerung nennt man Carbon Capture Storage (CCS). Überdies sind – gemäss Lücke – bei Heizungstechnikherstellern F&E-Anstrengungen im Gange, die klassische Brennwerttechnik im Sinne einer Beimischung von H2 weiter zu entwickeln.
Noch im Entwicklungsstadium befindet sich der so genannte «türkise» Wasserstoff: Dieser entsteht, wenn man Erdgas mithilfe der Methanpyrolyse in H2 und feinporösem Kohlenstoff aufspaltet. Der Vorteil: Es entsteht dabei kein CO2. Allerdings braucht es weiterhin «fossile» Infrastruktur, um den Ausgangsstoff Erdgas (zu 90% aus Methan bestehend) bereit zu halten.

Reifephase abgeschlossen

Gerald Neuwirth, Geschäftsführer der Firma SolidPower, sprach von einer Marktfindungs- und Reifephase der Brennstoffzellenheizung. Mittlerweile entpuppt sich der Nischenmarkt der Brennstoffzelle für Gebäude als sehr dynamisch mit Zuwachsraten im zweistelligen Prozentbereich. Ostasiatische Länder wie Japan und Südkorea sind hinsichtlich der bereits installierten Leistung von stationären Brennstoffzellen wie auch den staatlichen Förderprogrammen Europa deutlich voraus.
In Deutschland gilt indes die Brennstoffzellen-Heizungstechnik ebenfalls als förderfähig, weswegen die wenigen europäischen Hersteller sich vorerst auf den deutschen Markt fokussieren. Die deutsche Erdgasindustrie zeigt mit der «Initiative Brennstoffzelle» hohes Interesse an der Technik, da mit den nachfolgend vorgestellten Modellen die Gas-Infrastruktur weiterhin genutzt werden kann, aber mutmasslich Einsparungen von bis zu 70% CO2 bei vergleichbarer Endenergie einer «alten» Gasheizung erzielt werden können.

Hochtemperatur-Bautyp

Das Unternehmen SolidPower mit Hauptsitz in Mezzolombardo (Italien) entwickelt und baut Hochtemperatur-Brennstoffzellen nun auch im industriellen Massstab. Die Montage zum fertigen Brennstoffzellensystem erfolgt im Werk Heinsberg (Deutschland). Bei diesem Typus Brennstoffzelle steht die Herstellung von elektrischem Strom im Vordergrund und die Abwärme bildet sich quasi als Nebenprodukt.
Gerald Neuwirth von Solidpower führte in seiner Präsentation das Projektbeispiel einer Druckerei vor, wo in Kaskade aufgestellte Brennstoffzellengeräte den hohen Strombedarf decken.
SolidPower liefert einerseits komplette Heizungsanlagen als auch nur die so genannten Stacks aus einzelnen Brennstoffzellen, die in kompletten Heizungssystemen anderer Hersteller verbaut werden. Das Unternehmen liefert ganze Brennstoffzellen-Module (Stacks, Steuergerät, Sensoren, H2-Dosierventile, Anodenrezirkulationsgebläse usw.) für den Einbau in die Systemtechnik einzelner Markenhersteller an Kunden von Deutschland bis Korea.

In Kombination mit Brennwerttechnik

Senertec stieg als Hersteller von Wärme-Kraft-Kopplungs-Anlagen (WKK) ins Brennstoffzellen-Geschäft ein. Das Unternehmen bietet Geräte für die Bereitstellung von nutzbarer Heizwärme und elektrischem Strom für Einfamilienhäuser (EFH) und kleinere Mehrfamilienhäuser an. Gemäss Senertec-Vertriebsleiter Markus Gläser sind Forschungsprojekte mit Hochschulen im Gange, mit dem Ziel, dass auch motorisch betriebene grössere WKK-Anlagen in der Lage sein werden, H2 energetisch zu nutzen. Kleinere Heizungsanlagen des Typs Dachs bestehen aus diversen Komponenten, so einem Erdgas-Reformer, dann der eigentlichen Brennstoffzelle (Stack; elektr./thermische Leistung von 0,75 kW bzw. 1,1 kW), daneben eine konventionelle Zusatzheizung (5,5 – 22 kW) für die Spitzenlast. Die komplette Heizungsanlage beinhaltet ergo einen Backup-Gasbrennwertkessel als Komponente.
Das Heizungssystem als Ganzes gewährleistet die üblichen Zentralheizungs-Temperaturen (Heizkörper wie Flächenheizung), sowie ganzjährig die Warmwasserbereitung wie den hausinternen Strombedarf. (An einem Beispiel einer neuestens in einem EFH eingebauten Heizung wird ein Strom-Eigenverbrauch von 80% im Jahresverlauf erzielt).  
Weltweit hat die japanische Firma Panasonic einen Vorsprung bei der Herstellung von auf Niedertemperatur aktiven Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEM-Zellen), die sich im Betrieb als zuverlässig erwiesen haben, weswegen solche in Heizsystemen des Herstellers Senertec zum Einsatz kommen.

Lebensdauer und Service

Eine Frage aus dem Fachpublikum zielte auf die Lebensdauer eines Brennstoffzellen-Moduls. Gemäss Gerald Neuwirth (Solidpower) geht man beim Brennstoffzellen-Stack von einer Lebensdauer von 6 bis 7 Jahren aus. Regelmässig sind Filter und Entschwefler alljährlich auszutauschen, ansonsten aber wenig beweglichen Teile im Gerät vorhanden sind, die verschleissanfällig sind. Für das Panasonic-Modell garantiert Senertec 80'000 Betriebsstunden.
Fragen aus dem Chat betrafen die Servicekosten. Je nach Berechnungsansatz und Modell belaufen sich diese auf 2500 € (als 10-Jahresgarantie alleine für den Niedertemperatur-Brennstoffzellen-Stack zuzüglich Wartungskosten für das zusätzliche Gasbrennwertgerät ab 250 € bis zu 800 € im Jahr (All-Inclusive-Ansatz für Hochtemperaturgeräte).  
Andreas Lübke vom BDH führte einen Pluspunkt der Brennstoffzellentechnik bei der Bereitstellung von Strom für die E-Mobilität ins Feld: Die Aufladung einer Batterie eines E-Autos mit elektrischem Strom aus der im Hause installierten Brennstoffzellengerät sei von Vorteil. Entkoppelt vom Stromnetz leiste man so einen «enormen systemdienlichen Beitrag zum allgemeinen Lastmanagement» bei der Stromverteilung, das durch die zunehmende Dezentralisierung der Produktion immer komplizierter werde.

Staatliche Förderbeiträge

In Deutschland stehen Hauseigentümern mehrere Förderprogramme als Anreiz zur Heizungsmodernisierung zur Auswahl, sofern erneuerbare Energie genutzt wird. Zu nennen ist das Programm APEE – Anreizprogramm Energieffizienz – des deutschen Bundesamtes für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle. Ein Teil dieses Programms wird unter der Bezeichnung «Energieeffizienz Bauen und Sanieren – Zuschuss Brennstoffzelle» mit der Nr. 433 bei der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) geführt. Der KfW-Förderbeitrag setzt sich aus einem Grundförderbetrag und einem leistungsabhängigen Zusatzbetrag zusammen.
Ergänzend können Förderbeiträge basierend auf der Stromförderung aus dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz (KWK-Gesetz) geltend gemacht werden. Für den selbst produzierten Strom beantragen demnach Anlagebetreiber eine Pauschale in der Höhe von 1800 €. Alternativ können sie sich auch für einen Zuschuss für den in das öffentliche Netz eingespeisten Strom entscheiden (8 Ct./kWh). Die maximal möglichen Förderbeiträge für die Brennstoffzelle können gut und gerne 40% der Anschaffungs- und Installationskosten erreichen, sind aber auf diesem Niveau plafoniert.

Initiative Brennstoffzelle

Niedertemperatur-Brennstoffzellen-Heizsystem

Hochtemperatur-Brennstoffzelle-Heizsystem