Die Brennstoffzellenheizung

In der Stadtrundschau, dem Mitteilungsblatt meiner Stadt fiel mir vor einer Woche eine Anzeige eines Gasversorgers für die Brennstoffzellenheizung auf, diese Woche erneut wieder. Folgt man der Anzeige, so klingt das traumhaft: Kostenersparnis von 80 %. Da fängt man an seinem Verstand zu zweifeln, wie soll das gehen?

Nun als Chemiker und Raumfahrtfan weiß ich natürlich wie eine Brennstoffzelle arbeitet. Sie führt nichts anderes als die Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft durch, nur an Elektroden, sodass dabei auch Strom gewonnen wird. Das Prinzip ist alt. In der Raumfahrt wird es seit dem Geminiprogramm eingesetzt. Es zählt auch zu den alternativen Antrieben, da der Wirkungsgrad bei 40 bis 70 % liegt. Sodass selbst beim Antrieb eines Elektroantriebs die Effizienz höher als beim Benzinmotor ist.

Ein Artikel über Brennstoffzellen nennt für die Effizienz der Brennstoffzellenheizung sogar 90 % und verglicht dies mit Kraftwerken, die bei 40 bis 60 % liegen sollen. Das ist soweit richtig, aber der Vergleich hinkt. Denn anders als der Name Brennstoffzellenheizung  suggeriert ist die Brennstoffzelle primär keine Heizung, sondern ein Stromgenerator. Man kann die Abwärme nutzen, um Wasser zu erhitzen. Weiterhin arbeitet die Brennstoffzelle mit Wasserstoff, gespeist wird sie aber mit Erdgas, also mehr oder weniger reinem Methan. Man muss also zuerst den Wasserstoff gewinnen. Das geschieht im Reformer, indem unter Energiezufuhr aus Methan und Wasserdampf Kohlenmonoxid und Wasserstoff gewonnen wird. Was mit dem Kohlenmonoxid geschieht, habe ich leider nicht gefunden. Ich nehme an, man wird es zu Kohlendioxid verbrennen, denn man benötigt in jedem Falle noch eine konventionelle Heizung, da der Hauptzweck der Brennstoffzelle eben die Stromerzeugung ist. Zudem ist Kohlenmonoxid hochgiftig, erheblich giftiger als Kohlendioxid.

Mit Heizungen hinkt der Vergleich deswegen schon, weil diese heute die Energie zu über 90 % ausnutzen. Der Wirkungsgrad einer Heizung ist durch den Carnot-Wirkungsgrad definiert:

Wirkungsgrad = 1 – Theiß / Tkalt

Wobei die Temperatur in Kelvin gemessen wird. Das heißt je höher die Verbrennungstemperatur ist und je kälter das Abgas ist. Bei einer klassischen Heizung muss das Abgas immer heißer als 100°C sein, wenn es den Schornstein verlässt, sonst kondensiert das Wasser aus und das ist den früher üblichen gemauerten Kaminen nicht erwünscht. Bei der Brennwerttechnik wird das Abgas noch durch einen Wärmeaustauscher abgekühlt und die Temperatur ist so geringer, dafür braucht man dann in der Regel neue Kamine. Doch selbst eine alte Heizung wie meine schafft 92,5 % Effizienz. Eine Brennwertheizung schafft dann 98 % bezogen auf den Energiegehalt des Brennstoffs, Werte über 100 % beziehen sich dann um den technischen Wirkungsgrad, der anders definiert ist.

Kurz: wenn eine normale Heizung schon 90 bis 98 % Effizienz erreicht, wie kann man dann mit der Brennstoffzellenheizung 80 % der Kosten sparen? Wie immer durch sehr optimistische Rechnungen. Sie beruhen darauf, das der Bundesbürger im Durchschnitt für 1 kWh Strom 29 ct bezahlt. Erdgas mit einem Brennwert von 10.000 kWh aber nur rund 520 Euro, also 5,2 ct/kWh. Wenn man also den größten Teil des Stromverbrauchs durch die Brennstoffzelle deckt, dann kommt man auf die 80%-Ersparnis, aber nur bei den Stromkosten. Günstig für die Rechnung wäre, auch wenn man das Warmwasser elektrisch heizt, denn Wärme fällt als Abfallprodukt bei der Brennstoffzelle dauernd an. Ein 80-l-Boiler, ausreichend für 2-3 Personen braucht alleine im Standby 1,0 kWh/Tag. Dazu kommt das warme Wasser. 80 l von 13 auf 80 Grad erhitzt verbrauchen schon 6,3 kWh. Das reicht gerade für eine Badewanne. Daher braucht man immer für die Brennstoffzellenheizung einen Wärmespeicher, wobei dieser meist größer dimensioniert ist (typisch 200 bis 250 l), um die Abwärme aufzunehmen, denn nachts braucht man kein Warmwasser.

Nur heizen kann man damit alleine nicht. Das zeigt eine einfache Rechnung. Eine dreiköpfige Familie hat typischerweise einen Strombedarf von 4000 bis 5000 kWh. Bei einem Eigenheim, bei dem man auch den Allgemeinstrom (Treppenhausbeleuchtung, Heizungsumwälzpumpe) mitrechnet, eher im oberen Bereich. Für einen solchen Haushalt rechnet man aber mit 18000 kWh Wärmeenergie, wenn die Energieversorgung durch Erdgas erfolgt, das ist ja wegen des für die Brennstoffzelle benötigten Gasanschlusses immer der Fall. Bei nur 40 % Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle gewinnt man so nur 3000 kWh Wärme. Das reicht für das Warmwasser, aber nicht die Heizung. Die braucht man also zusätzlich.

Demgegenüber stehen Kosten von 25.000 bis 30.000 Euro für eine Brennstoffzellenheizung. Selbst bei den 80 % Energieersparnis (ohne bei 5000 kWh und 28 ct/kWh = 1400 Euro entsprechend 1120 Euro Ersparnis pro Jahr) braucht man mindestens 22 Jahre, bis sich das System rechnet. Und in der Praxis wird man nie diese Ersparnis erreichen, denn betrieben kann die Zelle nur werden, wenn die Abwärme abgenommen wird. Wenn man im Sommer kaum Warmwasser braucht, ist das nicht der Fall und der Strom kommt nach wie vor aus der Steckdose.

Die 30%-Heizölersparnis im ersten Artikel kommen vor allem dann zustande, wenn man Wasser durch die Brennstoffzellenheizung erhitzt. Denn da rechnet man mit 25 bis 30 % Anteil an Heißwasseraufbereitung. Nur ist dann die Strombilanz und die macht den Hauptteil der Ersparnis aus, dann entsprechend geringer. Der Gesamtgewinn ist immer kleiner, wenn schon vorher das Warmwasser von der Heizung bezog.

In jedem Falle aber wird man nie den ganzen Strombedarf decken können. Ein Screening von verfügbaren Brennstoffzellenheizungen ergab eine typische Leistung von 750 W. Das sind zwar am Tag dann 18 kWh und übers Jahr gerechnet 6570 kWh, also mehr als der typische Durchschnittsverbrauch, doch schon eine Kaffeemaschine, Mikrowelle oder ein Staubsauger braucht mehr Strom. Ebenso Waschmaschinen, Trockner, Herd. Damit kann man die Grundlast decken, aber nicht die Spitzenlast, die muss man nach wie vor beziehen. Eine Lösung wäre ein zusätzlicher Stromspeicher, wie er auch bei Solaranlagen eingebaut wird. Angesichts der konstanten Leistung unabhängig von Tag/Nachtzyklus und Jahreszeit würde sogar ein kleiner Speicher im Bereich 2-4 kWh reichen. Komischerweise scheint der aber nicht zu den teuren Brennstoffzellenheizungen dazuzugehören, denn dann wäre man wirklich autonom, sofern man nicht extreme Stromfresser betreibt.

Ideal wäre eine Kombination mit einer Wärmepumpe, die wieder aus der elektrischen Energie Wärme gewinnt, doch dazu ist die Leistung dann wieder zu gering: bei 200 Heiztagen mit maximal 18 kWh/tag (in der Praxis weil man ja Strom selbst verbraucht wohl eher unter 10 kWh) und einem Faktor 3,5 typisch für eine Wärmepumpe kommt man auf 7000 kWh Wärmeenergie, entsprechend dem Energiegehalt von rund 770 l Heizöl. Zudem fallen dann nochmals Zusatzkosten von 12.000 bis 18.000 Euro an, was das Preisniveau der Komplettanlage auf 40.000 bis 50.000 Euro hebt. 770 l Heizöl kosten bei 70 ct / l rund 540 Euro. Dafür muss man Strom beziehen, der bei 2000 kWh 560 Euro kosten würde – das ist also ein Nullsummenspiel, sofern man nicht den Überschuss für eine Wärmepumpe nutzt und den sonst nicht benötigt.

Es lohnt sich auch nicht, den Überschuss einzuspeisen. Denn selbst wenn man dafür so viel bekommt wie bei Solaranlagen (knapp 11 ct/kWh) so ist bei 5,2 ct/kWh Gestehungskosten und einem Wirkungsgrad von 40 bis 70 % das kaum ein Gewinn – bei 40 % Wirkungsgrad müsste die eingespeiste kWh sogar 13 ct kosten, um kostendeckend zu sein. Bei 70 % Wirkungsgrad macht man gerade 3,6 t/kWh Gewinn.

Brennstoffzellen im Auto

Bei dem Thema kommt man schnell auch auf diesen Einsatz. In Kraftfahrzeugen werden auch Brennstoffzellen eingesetzt, dort wird aber der Strom zum Antrieb eines Elektromotors genutzt. Sie werden als eine Lösung für eine Mobilität propagiert ohne Kohlendioxidemissionen. Das ist jedoch nur ein Aspekt. Der Wasserstoff muss ja von irgendwo herkommen. Heute wird er vor allem aus Erdgas gewonnen mit dem oben beschriebenen Prozess, der im Reformer stattfindet. Dasselbe kann man auch im Auto machen, dann nimmt man Methanol als Ausgangsbasis. Dann ist der Wirkungsgrad gemessen am Energiegehalt von Erdgas das man ja auch direkt verbrennen kann klein. Pro Kilogramm Wasserstoff muss man 34,3 MJ erst mal investieren – das ist in etwa der Energiegehalt von 1 l Diesel. Der Wasserstoff hat zwar einen höheren Energiegehalt von 134 MJ/kg aber so ist schon mal ein Viertel durch die Erzeugung weg. Dann wird er noch unter Druck in Tanks gepresst, das kostet weitere 12 % und die Elektromotoren haben einen Wirkungsgrad von etwa 95 %. In der Summe hat man so 62 % der Nettoenergie verwendet. Ein Motor, der Methan direkt verbrennt (LNG), soll um 35 % Wirkungsgrad haben. Demgegenüber sind die 62 % bei der Brennstoffzelle ein deutlicher Vorteil, aber das ist nicht die nachhaltige Lösung, das Erdgas stammt immer noch aus fossilen Quellen.

Wenn man den Wasserstoff aus Wasser gewinnt, hat man erst die Elektrolyse mit maximal 70 % Wirkungsgrad, dann den Transport und unter Drucksetzen mit 12 % Verlust und die Brennstoffzelle mit ebenfalls maximal 70 % Wirkungsgrad. In der Summe kommt dann nur noch 40 % als elektrische Energie an, in Antriebsenergie setzen dann Elektromotoren noch weniger um sodass der Wirkungsgrad, dem eines Diesels entspricht.

Noch schlechter schneiden Direktmethanolbrennstoffzellen ab, die Methanol wie jeden anderen flüssigen Treibstoff tanken können. Ihr Wirkungsgrad liegt bei nur 20 bis 30 % und damit noch unter der von Ottomotoren.

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