Brennstoffzellenheizung: Funktion und Aufbau einfach erklärt!

Die Brennstoffzelle: Wer hat’s erfunden?

Die Entdeckung des Prinzips der Brennstoffzelle geht auf den britischen Physiker Sir William Grove zurück, der 1839 eine bahnbrechende Entdeckung machte. Grove erkannte, dass der elektrochemische Prozess der Wasserspaltung (Elektrolyse) umkehrbar ist. Er konstruierte eine „galvanische Gasbatterie“, die durch einen chemischen Prozess zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugte. 

Dieses grundlegende Prinzip der Brennstoffzelle, bei dem durch eine kontrollierte Reaktion elektrische Energie gewonnen wird, ist bis heute unverändert geblieben. Obwohl Grove die Grundlagen schaffte, dauerte es noch über ein Jahrhundert, bis die Technologie praktische Anwendung fand. Erst in den 1960er Jahren wurde die Brennstoffzelle erstmals in der Raumfahrt eingesetzt, was schließlich ihre Entwicklung für terrestrische Anwendungen wie Heizungssysteme vorantrieb.

Brennstoffzellenheizung im Überblick: Vor- und Nachteile

Brennstoffzellenheizungen könnten als Alternative zu herkömmlichen Heizsystemen zunehmend an Bedeutung gewinnen. Diese innovative Technologie nutzt das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung, ähnlich wie die Funktionsweise eines BHKWs, um gleichzeitig Wärme und Strom zu erzeugen. Als Brennstoff dient derzeit in der Regel noch überwiegend Erdgas, das in Wasserstoff reformiert und schließlich in der Brennstoffzelle in einem elektrochemischen Prozess umgewandelt wird.

Hier ein Überblick über die wichtigsten Vor- und Nachteile einer mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellenheizung:

Vorteile	Nachteile
Hohe Effizienz durch Kraft-Wärme-Kopplung	Hohe Anschaffungskosten
Reduzierter CO2-Ausstoß im Vergleich zu herkömmlichen Systemen	Derzeit noch Abhängigkeit von fossilem Brennstoff (meist Erdgas), da kaum vorhandenes Wasserstoffnetz in Deutschland
Deckt einen Teil des Strombedarfs ab	Begrenzte Lebensdauer einzelner Bauteile, z. B. der Brennstoffzellenstacks
Geringere Abhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz	Komplexe Technik, die Fachkenntnisse erfordert
Leiser Betrieb, verhältnismäßig wartungsarm, da weniger Verschleißteile	Eingeschränkte Verfügbarkeit von Fachpersonal für Wartung
Platzsparende Installation möglich	Mögliche Zusatzkosten für Wartung und Reparatur (wenn kein Wartungsvertrag abgeschlossen wird)

Brennstoffzellenheizungen bieten durch ihre hohe Effizienz und die Möglichkeit zur Eigenstromerzeugung erhebliche Vorteile. Sie können den Strombedarf eines Haushalts zu einem gewissen Teil decken und somit die Abhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz reduzieren. Zudem arbeiten sie deutlich leiser als herkömmliche Heizungssysteme, da überwiegend keine richtige Verbrennung stattfindet und weniger bewegliche Teile vorhanden sind. Weiterhin findet zugunsten der Wirtschaftlichkeit ein kontinuierlicher Betrieb statt, der auf häufiges An- und Ausschalten verzichtet, was ebenfalls zu einer leiseren Betriebsweise führt.

Allerdings stehen diesen Vorteilen auch einige Herausforderungen gegenüber: Die hohen Anschaffungskosten stellen für viele Hausbesitzer:innen eine Hürde dar. Zudem basiert die Technologie derzeit noch hauptsächlich auf der Nutzung von Erdgas als Brennstoff, da die Wasserstoffinfrastruktur in Deutschland quasi noch in ihren Kinderschuhen steckt. Das löst die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern leider noch immer nicht nachhaltig. Die begrenzte Lebensdauer der Stacks und die Komplexität der Technik können zudem zu zusätzlichen Kosten bei Wartung und Reparatur führen.

Trotz dieser Nachteile zeigt der Trend zu mehr Energieeffizienz und Nachhaltigkeit, dass Brennstoffzellenheizungen eine vielversprechende Option für die Zukunft der Hausenergie darstellen können. Einen genaueren Überblick über Vorteile und Nachteile einer Brennstoffzellenheizung haben wir dir im entsprechenden Artikel zusammengestellt.

Größter Pluspunkt: Strom und Wärme gleichzeitig erzeugen

Ein wesentlicher Vorteil der Brennstoffzellenheizung liegt in ihrer Fähigkeit, gleichzeitig Wärme und Strom zu produzieren. Anders als eine konventionelle Heizung, die sich auf die Wärmeerzeugung beschränkt, kann diese innovative Technologie zusätzlich Strom erzeugen. Dies ermöglicht es Hausbesitzer:innen, einen Teil ihres Strombedarfs selbst zu decken und somit ihre Energiekosten langfristig zu senken. Die Kombination aus Heizung und Stromerzeugung macht die Brennstoffzellenheizung zu einer besonders attraktiven Option für energiebewusste Verbraucher:innen.

Funktion und Aufbau einer Brennstoffzelle: Wie funktioniert eine Brennstoffzellenheizung?

Die Funktionsweise einer Brennstoffzellenheizung basiert auf dem Prinzip der „kalten Verbrennung“, einem chemischen Prozess, der effizienter ist als herkömmliche Verbrennungsmethoden. Im Kern der Technologie steht die Brennstoffzelle selbst, deren Aufbau und Funktion wir uns jetzt einmal etwas genauer anschauen wollen.

Grundaufbau und Ablauf der chemischen Reaktion in einer Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden – der Anode und der Kathode – die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Diese Komponenten sind wie folgt angeordnet:

1. Anode (negative Elektrode)
2. Elektrolyt (meist eine Membran)
3. Kathode (positive Elektrode)

Für die elektrochemische Reaktion, die kalte Verbrennung, benötigt die Brennstoffzelle Sauerstoff und Wasserstoff. An der Anode wird Wasserstoff zugeführt. An der Kathode wird Sauerstoff aus der Luft eingeleitet. Das Wasserstoffmolekül wird hierbei in Elektronen und Protonen gespalten. Der Elektrolyt lässt nur Protonen passieren, nicht aber Elektronen. Ein positiver Überschuss entsteht und die Elektronen nehmen einen Umweg über ein elektrisch leitendes Kabel, um diesen Überschuss auszugleichen. Dabei entsteht elektrischer Gleichstrom.

Anschließend wird der Sauerstoff an der Kathode reduziert und es entstehen negativ geladene Sauerstoffionen. Die positiv geladenen Wasserstoffionen reagieren mit den Sauerstoffionen und es entsteht Wasserdampf.

Der elektrochemische Prozess läuft folgendermaßen ab:

Besonderheiten dieses Prozesses

• Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt neben Strom auch Wärme und Wasser.
• Im Gegensatz zu einer Batterie werden die Reaktanten kontinuierlich zugeführt.
• Der Wirkungsgrad ist höher als bei konventionellen Verbrennungsprozessen.

Diese innovative Technologie ermöglicht es Brennstoffzellenheizungen, gleichzeitig Strom und Wärme zu produzieren, was sie zu einer effizienten Lösung mit einem hohen Wirkungsgrad für die Energieversorgung in Gebäuden macht.

Heizen mit Wasserstoff: Aufbau einer Brennstoffzellenheizung

Brennstoffzellenheizungen nutzen das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung – ähnlich wie bei herkömmlichen Blockheizkraftwerken (BHKW) –, um gleichzeitig Strom und Wärme zu erzeugen. Der Aufbau einer solchen Heizung umfasst mehrere wesentliche Komponenten, die zusammenarbeiten, um die Energie aus Wasserstoff effizient zu nutzen.

Brennstoffzellen Typen: Wo liegt der Unterschied?

Brennstoffzellen lassen sich grundsätzlich in zwei Hauptkategorien einteilen: Niedertemperatur-Brennstoffzellen und Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Der wesentliche Unterschied zwischen diesen Typen liegt in ihrer Betriebstemperatur, die sich erheblich auf ihre Funktionsweise und Anwendungsbereiche auswirkt.

Niedertemperatur-Brennstoffzellen

• Betriebstemperatur: Unter 100 Grad Celsius
• Beispiele: Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC)
• Vorteile: Schnelles Anfahren, gut für mobile Anwendungen
• Nachteile: Benötigen hochreinen Wasserstoff

Niedertemperatur-Brennstoffzellen arbeiten bei relativ niedrigen Temperaturen, was sie besonders für den Einsatz in Fahrzeugen und portablen Anwendungen geeignet macht. Ihr Funktionsprinzip basiert auf einer Polymermembran als Elektrolyt, die bei Temperaturen unter 100 Grad Celsius effektiv arbeitet.

Hochtemperatur-Brennstoffzellen

• Betriebstemperatur: 500 bis 1.000 Grad Celsius
• Beispiele: Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)
• Vorteile: Höhere Effizienz, flexibler bei Brennstoffwahl
• Nachteile: Längere Anlaufzeiten, höhere Materialanforderungen

Hochtemperatur-Brennstoffzellen operieren bei deutlich höheren Temperaturen, was attraktiv für stationäre Anwendungen macht, wie z. B. in der Energieversorgung in der Industrie.

Unabhängig vom Typ basiert das grundlegende Funktionsprinzip aller Brennstoffzellen auf der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Der Hauptunterschied liegt in der Art des Elektrolyten und der daraus resultierenden Betriebstemperatur, die wiederum die spezifischen Vor- und Nachteile jedes Typs bestimmt.

Exkurs: Wasserstoff ist nicht gleich Wasserstoff

Damit die Brennstoffzellenheizung als nachhaltige Alternative zu fossil betriebenen Heizsystemen in der Zukunft eine wichtige Rolle einnehmen kann, ist es notwendig für die Energiewende, ein flächendeckendes Wasserstoffnetz in Deuschland zu etablieren. Doch Wasserstoff ist nicht gleich Wasserstoff. Die wesentlichen Unterschiede, der einzelnen Arten haben wir dir daher im Folgenden noch einmal zusammengestellt:

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass grüner Wasserstoff aus ökologischer Sicht die beste Option darstellt, während die anderen Varianten als Übergangslösungen betrachtet werden können, bis eine ausreichende Produktion von grünem Wasserstoff möglich ist.