Die Brennstoffzelle und ihre Funktion

In einigen Bereichen wird der innovativen Technologie zur Strom- und Wärmeerzeugung großes Potenzial zugeschrieben. Mittlerweile steigt auch die Nachfrage nach Brennstoffzellenheizungen im privaten Bereich: Seit 2016 ist eine jährliche Wachstumsrate von bis zu 50% zu verzeichnen. Die Prognose: Bis 2030 sollen in Deutschland über 500.000 Brennstoffzellenheizungen installiert sein. Andere Länder sind da schon deutlich weiter: In Japan wurden im Rahmen eines staatlichen Förderprogramms bereits 100.000 Hausanlagen installiert¹.

Das Prinzip hinter der Brennstoffzelle

Das Prinzip der Brennstoffzelle ist grundsätzlich mit einem Blockheizkraftwerk (BHKW) vergleichbar: Durch den Einsatz eines Brennstoffs wird in der Brennstoffzelle sowohl Strom für den Betrieb von Elektrogeräten als auch Wärmeenergie zur Beheizung des Gebäudes gewonnen. Durch diese Vorgehensweise wird ein besonders hoher Nutzungsgrad der eingesetzten Primärenergie erreicht, da die entstehende Abwärme nicht ungenutzt in die Umgebung geleitet wird.

Das Besondere an einer Brennstoffzelle: Anstelle konventioneller Brennstoffe wie Öl oder Gas wird Wasserstoff eingesetzt. Dieser reagiert in der Brennstoffzelle kontrolliert mit Sauerstoff und erzeugt dabei Strom und Wärme. Der erforderliche Wasserstoff kann bei vorhandenem Gasanschluss durch einen sogenannten Reformer direkt aus dem Erdgas gewonnen oder extern bereitgestellt werden.

Die Funktion einer Brennstoffzelle

Obwohl es verschiedene Technologien gibt, ist die grundsätzliche Funktion der Brennstoffzelle immer gleich. Durch die gezielte Reaktion der chemischen Elemente Wasserstoff und Sauerstoff werden Strom und Wärme freigesetzt, die zum Betrieb von Elektrogeräten und zum Heizen eingesetzt werden.

Herzstück der PEM-Brennstoffzelle ist eine rechteckige Membran, die den Protonenübergang und damit die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser ermöglicht. Direkt auf dieser Membran sind eine Kathode und eine Anode angebracht. Bei der Anode handelt es sich um einen Edelmetall-Katalysator – in der Regel wird Platin genutzt –, der die Wasserstoff-Moleküle zur Abgabe von zwei Elektronen bewegt.

Dieser als Oxidation bekannte Prozess sorgt dafür, dass zwei Protonen entstehen und durch die Membran der Brennstoffzelle zur Kathodenseite wandern. Hier findet die nächste Reaktion statt: Die Protonen und Elektronen des Wasserstoffs reagieren mit dem Sauerstoff zu Wasser und setzen Gleichstrom frei. Dieser Strom kann mithilfe einer Überbrückung zwischen Kathode und Anode abgenommen und schließlich per Wechselrichter in haushaltsüblichen Wechselstrom umgewandelt werden.

Da es sich bei dem Prozess um eine exotherme Reaktion handelt, wird im Rahmen der „kalten Verbrennung“ nicht nur Strom, sondern auch Wärme freigesetzt. Diese Wärme kann über einen Kühlkreislauf abgeführt und für die Gebäudeheizung genutzt werden.

Der in einer Brennstoffzelle entstehende Strom hat eine zu geringe Spannung, die nicht für herkömmliche Elektrogeräte ausreicht. Aus diesem Grund werden mehrere Zellen als Stapel (sogenannte „Stacks“) in Reihe zusammengeschaltet. Durch die Aneinanderreihung mehrerer Brennstoffzellen erhöht sich das Spannungsniveau, sodass ein Inverter den erzeugten Strom in Wechselstrom mit 230 Volt umwandeln kann.

Reformer für Wasserstoffgewinnung

Kleinere Brennstoffzellenheizungen für den Eigenheimbedarf werden üblicherweise als Niedertemperatur-Brennstoffzellen ausgeführt und weisen eine Betriebstemperatur von rund 70 bis 80°C auf. Während Hochtemperatur-Brennstoffzellen ihren Wasserstoff durch große Hitze direkt aus Erdgas gewinnen können, sind Niedertemperatur-Brennstoffzellen auf einen vorgeschalteten Reformer angewiesen.

Dieser Reformer ist in der Lage, den Wasserstoff aus dem Erdgas zu lösen und ihn dadurch in der Brennstoffzelle nutzbar zu machen. Im Detail laufen im Reformer folgende Schritte ab, um Wasserstoff aus Erdgas zu lösen:

• Das einströmende Erdgas wird im Reformer mit Wasserdampf versetzt.
• Das im Erdgas enthaltene Methan reagiert dadurch zu einem Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff.
• Die Substanzen werden zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff umgesetzt.
• Der Wasserstoff wird im Reformer gereinigt und anschließend an die Brennstoffzelle weitergeleitet, während Kohlenstoffdioxid an die Umgebung abgeleitet wird.

Voraussetzung für eine erdgasbetriebene Brennstoffzellenheizung ist ein Erdgasanschluss. Wenn keiner vorliegt, muss der Wasserstoff mit hohem Aufwand anders bereitgestellt werden.

Funktion der Brennstoffzelle als Wärme- und Stromerzeuger für das Eigenheim

Die Brennstoffzellenheizung gehört aus technischer Sicht zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), genau genommen zu den Mikro-KWK-Anlagen. Mit ihrer geringen elektrischen und thermischen Leistung eignen sich diese Mikro-KWK-Anlagen vor allem für den Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern.

Umweltfreundlichkeit der Brennstoffzelle

Da der notwendige Wasserstoff heute meist erst noch aus Erdgas gewonnen wird, ist die Brennstoffzellentechnik mit klimaschädlichem CO₂ verbunden. Diese Wasserstoffgewinnung könnte in Zukunft jedoch umweltfreundlicher werden. Sogenannte Elektrolyseure sind in der Lage, Wasser durch den Einsatz von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Wenn dann noch der notwendige Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie einer Photovoltaikanlage stammt, ist der Betrieb der Brennstoffzelle völlig emissionslos.

Solche Elektrolyseure sind technisch bereits entwickelt, haben aber noch erhebliche Nachteile wie eine komplizierte Anlagentechnik und hohe Anschaffungskosten. Bei steigender Nachfrage und sinkenden Kosten könnte die Brennstoffzellenheizung mit Elektrolyseur-Technik aber in einigen Jahren durchaus eine attraktive Option darstellen.

Kosten für Brennstoffzellenheizung

Einer der wesentlichen Nachteile der Brennstoffzellenheizung sind die hohen Anschaffungskosten. Diese sind in den letzten Jahren kontinuierlich gesunken, aber noch nicht mit konventionellen oder anderen innovativen Heiztechniken wettbewerbsfähig.

Das Energieportal CO₂ Online schätzt die Kosten für die Anschaffung und den Einbau einer Brennstoffzellenheizung auf mindestens 30.000². Eine Statistik³ zeigt, dass die Brennstoffzellenheizung um ein Vielfaches teurer ist als eine Gas- oder Ölheizung:

Betrachten wir den gesamten Lebenszyklus der Heizung, fallen weitere Kostenpunkte an:

• Kosten für den Erdgasanschluss (falls nicht vorhanden)
• Kosten für den Brennstoff (Erdgas)
• Kosten für Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten

Auch unter Berücksichtigung der staatlichen Fördermittel für die Heizung bleibt die Brennstoffzellenheizung im Vergleich zu anderen Heiztechniken teuer. Die Wartungs- und Instandhaltungskosten liegen aufgrund der hohen Fehleranfälligkeit ebenfalls im oberen Bereich.

Bei der Bewertung der Wirtschaftlichkeit sind zudem die Kosten für das Erdgas wichtig. Da die Brennstoffzellenheizung jedoch Strom für den Eigenverbrauch erzeugt, ist bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung ebenso der geringere Stromverbrauch einzubeziehen.

Vor- und Nachteile einer Brennstoffzellenheizung im Überblick

Der wesentliche Vorteil einer Brennstoffzellenheizung liegt in dem verhältnismäßig hohen Nutzungsgrad des verwendeten Energieträgers. Im Vergleich zu einem konventionellen Blockheizkraftwerk überzeugt sie darüber hinaus durch eine höhere Stromkennzahl. Das bedeutet, dass die Brennstoffzellenheizung bei gleichem Wärmebedarf im Gebäude eine größere Menge an Strom erzeugt.

Die Brennstoffzellenheizung fristet heute immer noch ein Nischendasein und spielt trotz der genannten Vorteile kaum eine Rolle. Die Gründe hierfür finden Sie in dieser Übersicht.

Ein Blick in die Zukunft

Aus heutiger Sicht ist die Investition in eine Brennstoffzellenheizung noch mit vielen Unwägbarkeiten verbunden. Dennoch handelt es sich um eine Technologie, die in den kommenden Jahren auch für private Nutzer interessant werden könnte: Durch sinkende Kosten und eine höhere technische Reife bei der Funktion der Brennstoffzelle.

¹ Energiewende direkt: Was sind eigentlich „Brennstoffzellen-Heizungen“?

² co2online.de: Brennstoffzellen-Heizung: Preis und Kosten

³ Statista: Vergleich der Anschaffungskosten verschiedener Heizsysteme in Deutschland im Jahr 2021