Brennstoffzellen : Das eigene Kraftwerk im Keller

Mit der Wut über den steigenden Strompreis wächst bei vielen der Wunsch, sich von Energieversorgern unabhängig zu machen. Nun ist mit der Brennstoffzelle eine neue Technologie marktreif. Was die acht besten Systeme können - und was sie kosten.

Solarzellen gehören in der Stadt von Morgen zu den wichtigsten Technologien bei der Energiegewinnung. Die Integration in die Gebäudehüllen spart Material und verbilligt den Sonnenstrom.

Illustration: Javier Martinez Zarracina

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Strom erzeugende Straßen gehören zu der Vision des amerikanischen Startup Solar Roadways. Die Oberfläche besteht aus einem extrem harten Glas, darunter befinden sich Solarzellen.

Im US-Bundesstaat Idaho wurde so der erste Strom erzeugende Parkplatz aus Solarmodulen gebaut.

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Durch transparente Farbstoffsolarzellen können zusätzlich Fassadenflächen zur Energiegewinnung genutzt werden. Das australische Solarunternehmen Dyesol und der US-Glashersteller Pilkington wollen bereits in wenigen Jahren damit beginnen, Glas mit Solarzellen aus Farbstoffen zu bedrucken.

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Einzelne Haushalte können sich zukünftig durch Kleinwindräder, die sich leicht auf Hausdächern und an Balkonbrüstungen montieren lassen, mit Strom versorgen.

Der Branchenverband RenewableUK rechnet damit, dass in England bis 2020 Kleinwindräder mit einer Gesamtleistung von 1,3 Gigawatt installiert sein werden - so viel wie ein großes Atomkraftwerk derzeit produziert.

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Elektroautos könnten in den zukünftigen Megacities direkt am Parkplatz aufgeladen werden - durch Windenergie. Sanya Skypump heissen diese Windturbinen, die vom New Yorker Kleinwindanlagen-Startup Urban Green Energy entwickelt wurden.

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Selbst Biomasse lässt sich in den Städten zur Energiegewinnung nutzen. Durch Fermentierungsanlagen wird aus dem angefallenen Müll Biogas erzeugt - womit sich wiederum gasbetriebene Fahrzeuge antreiben lassen. Zudem...

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...lässt sich das gewonnene Biogas problemlos in das Gasleistungsnetz mischen. So können auch hocheffiziente Blockheizkraftwerke betrieben werden, die dann in den Kellern von Gebäuden Wärme und Strom erzeugen.

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Selbst Algen lassen sich in der Megacity zur Treibstoffgewinnung nutzen. In speziellen Tanks, die auf Dächern oder Grünflächen montiert werden könnten, werden Miniorganismen gezüchtet, die dann mit chemischen Methoden in Öl oder Gas umgewandelt werden. Wissenschaftler der Uni Bielefeld testen momentan eine Methode, bei der Algen aus Sonnenlicht und Wasser Wasserstoff produzieren. So kann umweltfreundlicher Treibstoff gewonnen werden, mit dem...

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...Brennstoffzellenautos angetrieben werden können, die in der Megacity von Morgen zum normalen Stadtbild gehören. Luftverschmutzung und Smog könnte so entgegengewirkt werden.

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Auch die Wasserkraft soll in die urbanen Zentren zurückkehren - durch schwimmende Bojen, die mithilfe der Flussströmung Strom erzeugen. Das österreichische Startup Aqua Libre hat solche Strom-Bojen entwickelt - 2013 sollen sie in Serienfertigung gehen.

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Ein wichtiges Kriterium beim Energie-Management der Städte der Zukunft ist es, Energie nicht nur zu erzeugen, sondern auch wieder zu verwerten. So hat das Schweizer Unternehmen Rabtherm ein Kanalrohr entwickelt, dass die Wärme des Schmutzwassers auf einen Wasserkreislauf in einer zweiten Rohrleitung überträgt. Durch einen Wärmetauscher wird die gewonnene Energie in eine nahegelegene Gebäudeheizung gespeist - 70 Prozent des Heizöls sollen somit gespart werden.

Illustration: Javier Martinez Zarracina

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Wärme kann sogar auf Rädern verschickt werden. So hat das Dortmunder Startup LaTherm einen Container entwickelt, der mit Wärmespeichermaterial gefüllt ist. Abwärme von Gebäuden, die bisher ungenutzt durch den Schornstein ging, kann auf diese Weise gesammelt und wiederverwertet werden. In Dortmund wird so die Abwärme einer Deponiegasanlage dazu verwendet, die Heizungsanlage eines nahegelegenen Schwimmbads zu speisen.

Illustration: Javier Martinez Zarracina

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Hans-Gerd Funke kann es sich gar nicht mehr anders vorstellen: Seit mehr als 18 Monaten bezieht er den Strom für das 200-Quadratmeter-Haus, in dem er mit seiner Frau, drei Kindern und einem Hund wohnt, fast vollständig aus einem Brennstoffzellen-Testgerät. Es steht im Keller seines Hauses, ist nicht größer als eine Spülmaschine - und völlig geräuschlos.

Rund 24 Kilowattstunden produziert die Brennstoffzelle jeden Tag. Anders als bei Solarzellen auf dem Dach fließen die Elektronen auch nach Sonnenuntergang. Die Abwärme, die bei der Stromproduktion entsteht, wird genutzt, um Duschwasser zu erhitzen oder die Räume zu heizen. Funke ist zufrieden: „Bisher läuft das System sehr zuverlässig.“

Aufbau des Brennstoffzellen-Systems "Galileo" der Hexis AG. (zum Vergrößern bitte anklicken)

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Der Oldenburger ist Teilnehmer eines bundesweiten Großprojekts namens Callux. Hersteller von Viessmann bis Vaillant prüfen seit 2008 fast 400 Geräte im Alltagsbetrieb auf Herz und Nieren.

Und das funktioniert so: Die Geräte gewinnen aus Erd- oder Biogas Wasserstoff. Dieser wird in der Brennstoffzelle in Wärme und Elektrizität umgewandelt. In Autos oder auch in U-Booten hat die Zukunftstechnik ihre Tauglichkeit längst bewiesen. In Japan tut sie bereits in mehr als 40.000 Privathaushalten ihren Dienst.

Sprung nach Deutschland

Nun soll der Markt auch in Deutschland in die Gänge kommen. Laut Wolfram Münch, Chef der Forschungsabteilung beim Energiekonzern EnBW Baden-Württemberg und Sprecher der Callux-Initiative, sind die Systeme reif für den Hausgebrauch. Bei dieser Einschätzung stützt er sich auf eine Befragung der Testkunden: 98 Prozent gaben an, mit den Geräten zufrieden zu sein.

Das macht den Herstellern offensichtlich Mut. Nach den Vorreitern Ceramic Fuel Cells (CFC) und Hexis wagen sich dieses Jahr auch Elcore und Viessmann in den Markt. Als letzter Anbieter will nach derzeitiger Planung Vaillant 2017 einsteigen.

Größte Einstiegshürde dürften die hohen Preise für die Brennstoffzellen sein. Das BlueGen-Gerät von CFC zum Beispiel kostet inklusive Installation rund 28.000 Euro. Dennoch soll es sich CFC-Geschäftsführer Frank Obernitz zufolge nach etwa sieben Jahren über die Energieeinsparung amortisiert haben.

Das funktioniert allerdings nur, wenn ein Investitionszuschuss von bis zu 13.000 Euro aus einem Förderprogramm eingerechnet wird. Damit unterstützt zum Beispiel die nordrhein-westfälische Landesregierung die Markteinführung. Sonst dauert es deutlich länger - laut Energieagentur NRW 20 Jahre und mehr.

Sie sehen aus wie übliche Lenkdrachen, doch sollen sie zukünftig der Gewinnung von Windenergie dienen. Die Technische Universität Delft in den Niederlanden, deren Drache hier zu sehen ist, forscht seit Jahren im Kite Power Projekt an dieser Technologie und hat schon mehrere Prototypen getestet. 2015 könnten laut der Brandenburger Firma Enerkite die fliegenden Kraftwerke auch in Deutschland für Energie sorgen.

Die Drachen fliegen dafür in 300 bis 600 Metern Höhe und zapfen dort die konstanten Windströme für die Stromgewinnung ab. Über ein Seil ist der Drache mit einer mobilen Bodenstation gekoppelt. Die Flugsteuerung sowie der Generator laufen per Autopilot. Im Gegensatz zu großen Windanlagen sind die „Energiedrachen“ flexibel einsetzbar, leise und auch noch günstiger.

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Die USA setzt ebenfalls auf Fluggeräte zur Energiegewinnung, doch diese ähneln eher einem Flugzeug. Windturbinen aus Glasfasern und Karbon machen dabei die Stromgewinnung in der Luft möglich. Die Forschung des kalifornischen Unternehmens Makani Power an der Airborne Wind Turbine wird unter anderem von Google bezuschusst. Die Turbine, die bis zu 600 Meter hoch fliegt, wird von einem Hauptseil gehalten, während die Luftenergie über ein anderes Seil zum Boden gelangt. Dabei fliegt die Windturbine kreisförmig und quer zum Wind, wodurch sie sehr hohe Geschwindigkeiten erreicht. Der Prototyp kann sogar teilweise selbstständig den Flugmodus wechseln. Das Unternehmen plant die Windturbinen auch auf der See einzusetzen.

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Zumindest auf den Plänen der Konstrukteure bringen diese Windgeneratoren mehr Leistung als konventionelle Windmühlen. Der vertikale "Aerogenerator" wird auf hoher See installiert. Die Stromausbeute liegt bei 10 Megawatt, rund drei Megawatt mehr als die bisher größte Windanlage produziert. Die Spannweite kann nach Angaben des britischen Herstellers Windpower bis zu 230 Meter betragen. Dagegen sehen die bisher üblichen Windmühlen eher schlapp aus - die neuesten Anlagen der konventionellen Bauart sollen nämlich einen Rotorendurchmesser von "nur" 180 Meter haben.

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Schaut wie eine Steinschleuder aus, ist aber ein Lenkdrache. Die Idee: der Kite-Segel der italienischen Firma Kite Gen ist an einem bewegbaren Arm an zwei Seilen befestig und wird dann auf eine Höhe von 800 bis 1000 Metern gebracht. Dort dreht der Winddrachen konstante Achten und treibt so die Turbine an. Der Vorteil: in mehr als 1000 Meter Höhe bläst der Wind konstanter als in Bodennähe. Bei einer Windgeschwindigkeit von 25 km/h läge die Energieausbeute laut Hersteller bei drei Megawatt.

300 Drachen brächten so die Leistung eines Atomkraftwerks - und da der Wind in der Höhe nahezu durchgehend bläst, gäbe es keine großen Ausfallzeiten. Der Haken: Flugzeuge müssten das Gebiet umfliegen. Das scheint bei der hohen Verkehrsdichte am europäischen Himmel und der Größe der Lenkdrachen-Parks nicht praktikabel. Das Modell ist derzeit noch in der Erprobungsphase.

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Auch die M.A.R.S.-Anlage produziert mit Hilfe von Höhenwinden Energie. Das Mageen Power Air Rotor System wird dazu mit Helium gefüllt und steigt nach oben. Bläst der Wind, dreht sich der Ballon um die eigene Achse und treibt den Rotor an. Bis zu ein Megawatt Strom soll so erzeugt werden, das über ein Kabel nach unten fließt.  

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Dieses Modell aus den USA sieht aus wie eine übergroßes Stück menschlicher DNA und heißt daher auch Helix Wind. Diese Turbine dreht sich um die eigene Achse und produziert so Strom. Allerdings nicht viel: nur 4,5 Kilowatt bei einer Windgeschwindigkeit von 18 km/h. Die Windhelix eignet sich also eher für das Eigenheim. Bei einer einzelnen Helix-Länge von sechs Metern sollte man eine enstprechend große Hütte haben.

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Dieses vertikale Modell soll leise sein und sich unauffälliger als die massigen, konventionellen Windmühlen in die Landschaft fügen. Die Anlage des britischen Unternehmens quietrevolution wird auf Dächern oder auf 18-Meter hohen Posten montiert und kann je nach Windgeschwindigkeit bis zu 16 Kilowatt Strom erzeugen. Die "vertical axis wind turbine (VAWT)" ist daher auch für das Eigenheim oder für kleinere Gebäude gedacht.

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Die menschliche Aktivität benötigt Strom, sie erzeugt aber auch Strom. Fahrzeuge oder Züge wirbeln beim Fahren Wind auf. Die Energie, die dabei entstehen könnte, bleibt oft ungenutzt. Grund genug, dass sich einige Konstrukteure Gedanken diesbezüglich gemacht und diese bisher namenlose Windanlage entworfen haben.

In Frankreich soll so bereits an der Autobahn zwischen Paris und Lyon Strom erzeugt werden. Die gewonnen Energie reicht für Straßenlichter, Radarkontrollen und das Betreiben kleinerer Rastplätze. Mehr dürfte nicht drin sein - die Energieausbeute liegt bei 1,5 Kilowatt. Der Hersteller hat zumindest das Potenzial zur Diversifizierung erkannt – Cite Production stellt Komponenten für Atomkraftwerke her. Das gleiche Prinzip machen sich….

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… die Industriedesigner Qian Jiang und Alessandro Leonetti Luparini zunutze. Die Idee der beiden: der von Zügen und U-Bahnen aufgewirbelte Wind strömt in eine sogenannte T-Box (siehe Bild), dreht die Turbinenblätter in der Box an und erzeugt Strom. 150 dieser Boxen könnten nach Angaben der Designer pro Kilometer Schienen gelegt werden. Doch Züge werfen auch Staub und Schmutz ab. Die Boxen müssten also regelmäßig gereinigt werden. Während der Wartungsarbeiten blieben die Strecken für den Zugverkehr geschlossen - das scheint wirtschaftlich kaum machbar.

Desginern ist bekanntermaßen das Aussehen oft wichtiger als die tatsächliche Funktionalität...

 

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... manchmal fällt aber beides zusammen. Zumindest auf dem Papier. Das hier ist kein alternativer Regenwald, sondern ein Wald aus Carbon-Stäben. Der Wind setzt die 55 Meter hohen Stäbe in Bewegung, diese sind an der Basis an Keramikplatten befestigt, die mit den Schwingungen der Stäbe Strom erzeugen. LED-Lämpchen, am Ende jedes Stabs befestigt, sollen bei entsprechender Windstärke leuchten.

Das Ganze sieht von oben so aus....

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Nach einem Entwurf des New Yorker Ateliers DNA hat die gesamte Anlage 1203 Stäbe. Der Besucher soll beim Begehen das Windrauschen hören können. Der Carbon-Wald soll soviel Energie liefern wie ein konventioneller Windpark derselben Größe.

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Die CFC-Manager schwören jedoch Stein und Bein, mit wachsenden Stückzahlen die Verkaufspreise massiv senken zu können. Europa-Vertriebschef Andreas Ballhausen ist sich sicher: „Ab 2020 kann sich die Brennstoffzelle ohne zusätzliche Förderung am Markt behaupten.“ Schon heute soll sie die Kilowattstunde für rund zwölf Cent erzeugen können, gibt das Unternehmen an. Das liegt etwa 14 Cent unter dem, was Stromkunden derzeit bundesweit durchschnittlich für elektrische Energie an ihren Versorger zahlen.

Das Einstiegsmodell für Ein- und Zweifamilienhäuser, das Viessmann unter dem Namen Vitovalor 300-P gemeinsam mit dem japanischen Elektronikgiganten Panasonic vertreibt, kostet inklusive Montage sogar zwischen 30.000 und 35.000 Euro. Dennoch sind die Partner zuversichtlich, bis zum Jahr 2020 in Europa eine fünfstellige Zahl an Kellerkraftwerken absetzen zu können. Genauer wollen die Unternehmen sich nicht festlegen.

Viessmann stellt zum Gerät ein kleines Zusatzprogramm bereit, über das Benutzer von Smartphones oder Tablet-PCs ihr Gerät auch aus der Ferne steuern können. Zudem haben sie immer im Blick, wie viel Strom und Wärme es gerade generiert.

Bleibt festzuhalten: Wer sich für die innovative Technik entscheidet, tut zumindest der Umwelt etwas Gutes. Gegenüber einer herkömmlichen Gasheizung und dem Strombezug aus dem Netz hinterlässt die Brennstoffzelle dank der zweifachen Brennstoffausnutzung bei gleicher Energieausbeute rund zwei Drittel weniger CO2-Emissionen. Bei den gegenwärtigen Systempreisen rechnet sich die Anschaffung allerdings nur dann in einem überschaubaren Zeitraum, wenn der Käufer eine ansehnliche staatliche Förderung ergattert.

Weiterer Wermutstropfen: Der Käufer bleibt abhängig von Erdgas, einem fossilen Brennstoff - es sei denn, er steigt auf Biogas um.