Oxidkeramische Brennstoffzelle für den Heizungskeller

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Brennstoffzellen in der Wärmeversorgung haben sich bislang noch nicht durchgesetzt. "Stationäre Brennstoffzellensysteme konkurrieren mit Dieselgeneratoren und Gasturbinen; sie ergänzen diese sinnvoll und mit hohen Wirkungsgraden im Bereich von Kleinanlagen und der dezentralen Energieversorgung (Kraft-Wärme-Kopplung). Die Leistung und Zuverlässigkeit kombinierter Gas- und Dampfturbinenkraftwerke (GuD) für die zentrale Stromerzeugung müssen Hochtemperatur-Brennstoffzellen (MCFC, SOFC) noch erweisen", beschriebt Springer Vieweg-Autor Peter Kurzweil auf Seite 13 seines Buchkapitels Das Prinzip der Brennstoffzelle die aktuelle Situation, die sich auch auf den Bereich der privaten Wohnungen übertragen lässt.

Dabei kommen für diese stationären Anwendungen mehrere Technologien in Frage. Am Markt etwa durch Viessmann verbreitet ist die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell oder kurz PEMFC). Hier wird Wasserstoff und Sauerstoff via Elektrolyt und Polymermembran bei Temperaturen von 60 bis 120 Grad Celsius in elektrische Energie und Wärme umgewandelt. Gerade diese Betriebstemperatur macht sie geeignet für die Anwendung in kleineren Gebäuden, da die Vorlauftemperaturen für Heizung oder Warmwasserbereitung hier selten über 90 Grad Celsius liegen.

Verschiedene Technologien geeignet

Geeignet sind auch die Phosphorsäure-Brennstoffzelle (Phosphor Acid Fuel Cell, PAFC) mit Arbeitstemperaturen von 200 Grad Celsius oder Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC ) mit Arbeitstemperaturen von 650 Grad Celsius. Letztere eignet sich nur für größere Anwendungen. Mit noch höheren Temperaturen arbeite die oxidkeramische Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC ) und zwar mit ungefähren 800 Grad Celsius. Hier wird als Elektrolyt eine keramische Schicht aus Zirkonoxid verwendet.

Gerade diese Technologie will nun Viessmann nutzen, um den Durchbruch für die Brennstoffzelle im Wärmemarkt zu schaffen. Im Herbst nächsten Jahres, so das Unternehmen auf der weltgrößten Fachmesse ISH im März, soll sie auf den Markt kommen. Der elektrische Wirkungsgrad ist bei SOFC deutlich höher. Mit einer Leistung ab 1,5 Kilowatt sei sie für Privathaushalte besonders gut geeignet, die über eine elektrischen Großabnehmer wie einer Ladesäule für ein E-Auto verfügen. Die auf der PEM-Technologie beruhende und seit 2016 vermarktete Brennstoffzelle Vitovalor bringt es auf 750 Watt elektrischer Leistung und wird weiterhin parallel vermarktet.

Mitbewerber Vaillant hingegen kündigte auf der gleichen Messe an, alle Brennstoffzellenaktivitäten auf Eis zu legen, da sie für die Kunden nicht wirtschaftlich zu betreiben sind. Auch das Remscheider Unternehmen setzte auf SOFC.

Investiver Aufwand hoch

Tatsächlich ist der investive und technische Aufwand hoch. Brennstoffzellen erzeugen Gleichstrom. Dieser muss, wie bei Photovoltaikanlagen, via Wechselrichter in Wechselstrom mit etwa drei Prozent Verlusten umgewandelt werden. Und: Alle Brennstoffzellen in Heizungskellern werden, und das auch in absehbarer Zukunft, mit Erdgas betreiben. Daraus muss ein Reformer mittels Wasserdampf Wasserstoff herstellen. Das andere dabei anfallende Produkt ist Kohlendioxid. Für die Umwelt und die Energiewende ist die so betriebene Brennstoffzelle also nur hinsichtlich ihrer Effizienz mit einem Wirkungsgrad von bis zu 80 Prozent ein Gewinn.

Aktuell liegt nur in diesem Wirkungsgrad der große Vorteil der Brennstoffzelle. "Gegenüber Wärmekraftmaschinen, die den Umweg über die mechanische Energie nehmen, ergeben sich (für die Brennstoffzellen – d. Red.) höhere Wirkungsgrade, und dies ohne rotierende Teile und entsprechende Lärmemissionen. Bereits für kleine Leistungen lassen sich Wirkungsgrade von 50 bis 60 Prozent erreichen, was mit konventioneller Technik nur mit Kombianlagen im 10 bis 100 Megawatt-Bereich möglich ist", beschreibt dies Springer Vieweg-Autor Valentin Crastan auf Seite 469 seines Buchkapitel Brennstoffzellen.