Mehr Unabhängigkeit vom Erdgas?
Kann die Brennstoffzelle ihr Revival erleben?
Die wasserstoffbetriebene Brennstoffzelle existiert bereits seit mehreren Jahrzehnten. Jedoch konnte die Technik der Stromerzeugung mit Abwärmenutzung nie den Durchbruch in der haustechnischen Energieversorgung erzielen
Die Abbildung zeigt, dass die Brennstoffzelle mittlerweile hinter der Wärmepumpe verblasst. Besteht doch der große Vorteil in der Nutzung bestehender Infrastruktur. Zum einen kann Wasserstoff über das bestehende Gasnetz direkt zum Endkunden transportiert werden. Zum anderen ist die parallele Lieferung von Strom und Wärme ein weiterer Pluspunkt.
Technischer Überblick
Vorab sind ein paar technische Zusammenhänge entscheidend. Grüner, blauer, grauer Wasserstoff – Für die Farbe des Wasserstoffs ist die Art der Erzeugung entscheidend. Grüner Wasserstoff wird meist zentral über regenerative Stromerzeuger mittels Elektrolyse-Verfahren hergestellt (CO2-neutral). Hingegen entsteht grauer Wasserstoff i.d.R. aus der dezentralen Reformierung von Erdgas (nicht CO2-neutral).
Wasserstoff (H2) kann dem traditionellen Erdgas (CH4) beigemischt werden. Hierdurch reduziert sich der tatsächliche Endenergiebedarf von Erdgas, der für die Wärmebereitstellung im Gebäude benötigt wird. Genau hierin besteht tatsächlich die Chance den Erdgasbedarf zu reduzieren.
Wirkungsgrad
Brennstoffzellen für die gebäudetechnische Nutzung sind kompakte Kastengeräte, die primär der Stromerzeugung dienen. Primär? Denn die entstehende Wärme ist hierbei nur ein Nebenprodukt, welches aber dennoch zu Heizungszwecken genutzt werden kann (ähnlich dem Blockheizkraftwerk). Wirkungsgrade liegen bei der Stromerzeugung in etwa bei 60 %. Dies bedeutet ein Wirkungsgrad von 30 % bei der Wärmeerzeugung. Die übrigen 10 % sind Umwandlungsverluste.
Verfügbare Anlagen
Bezogen auf die elektrische Leistungsfähigkeit sind die Geräte am Markt prinzipiell in zwei Größeneinheiten verfügbar:
klein: 0,75 – 6 kW (Beispiel Solidpower 1,5 kW als Stack bis zu 15 kW)
groß: ab 500 kW – bis in den MW Bereich bei Kombianlagen Wärme, Strom, Wasserstoff, Kälte (Beispiel FuelCell Energy Anlagen mit 1,4 MW
Große Anlagen nehmen physisch die Größenordnung eines „Kleinkraftwerkes“ an. Diese Art ist aus perspektivischer Sicht nur für Industrieanwendungen geeignet.
Der Fokus liegt klarerweise auf den Massenmarkt mit Kleinstanlagen für den häuslichen Gebrauch. Denn solche Anlagen können auch in Kombination mit Gaskesseln, BHKW oder Adsorptionskältemaschine eingesetzt werden.
Der heutige Wärmebedarf von neu gebauten Einfamilienhäusern liegt je nach Größe zwischen 6-12 kW (30 W/m²). Der Wärmebedarf vom traditionellen Gebäudebestand liegt deutlich darüber. Hieran wird schnell deutlich: Mit den erzielten Leistungsbereichen lassen sich Gebäude derzeit nicht autark über Brennstoffzellen betreiben, sondern müssen im Verbund mit anderen Wärmeerzeugern arbeiten. Hieran knüpft die Frage nach den Anlagenkosten und damit die mögliche Förderfähigkeit der Technologie an. (Folgeartikel)
Fazit
Brennstoffzellen für häusliche Zwecke reformieren lediglich das traditionelle Erdgas und erzeugen lokalen Wasserstoff über die sogenannte Dampfreformation. Dies ist der beschriebene graue Wasserstoff und defacto eine Mogelpackung, wenn man über mehr Unabhängigkeit vom Erdgas spricht. Hier bleibt derzeit nur das Fazit:
Eine Reduzierung des Erdgasverbrauchs kann kurzfristig über die Einspeisung von zentral erzeugten Wasserstoff in das bestehende Gasnetz erreicht werden. Ob das Erdgas anschließend über Reformierung in Wasserstoff umgewandelt oder gleich in einem konventionellen Erdgaskessel verfeuert wird, spielt keine Rolle!
Die Brennstoffzelle als solches ist, nach wie vor, nur eine Ergänzung in der häuslichen Wärmeerzeugung. Hier wird sich zeigen inwieweit sich die Leistungsdaten die nächsten Jahre steigern lassen. Allerdings ergibt sich aus der Leistungsbilanz von Brennstoffzellen immer eine viel höhere Stromausbeute im Vergleich zur Wärmenutzung. Die Leistungsbilanz eines Hauses ist genau Entgegengesetzt. Somit spricht vieles dafür Blockheizkraftwerke (BHKW) für den häuslichen Einsatz stärker zu forcieren. BHKW´s haben eine Leistungsbilanz, die in etwa der des Hauses entspricht. Das Paradoxon bei den Brennstoffzellen kann zukünftig aber auch in mehrere Richtungen aufgelöst werden.
1. Man baut Häuser anlagentechnisch direkt mit mehr Fokus auf Elektronutzung wie der Einsatz von elektrisch betriebenen Fußbodenheizungen statt wasserbetriebenen oder die Verwendung von Durchlauferhitzern zur elektrischen Warmwasserbereitung.
2. Anderweitige Nutzung des Überschussstroms wie Rückspeisung ins öffentliche Netz, Autoladung oder privates Bitcoin Mining (siehe Norwegen)
Die Brennstoffzelle hat noch einige Kippen zu umschiffen. Kurz- bis Mittelfristig ist nicht von einer zunehmenden Marktdominanz auszugehen. Hier wird die Wärmepumpe mit eigens erzeugten Photovoltaik Strom in absehbarer Zeit der Klassensieger bleiben.