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Die Brennstoffzelle und ihre Funktion

Ob in der Verkehrstechnik, in der Industrie oder in der Luft- und Raumfahrt – die Anwendungsbereiche der Brennstoffzelle sind vielfältig. In unserem Ratgeber gehen wir nicht nur auf die Funktion der Brennstoffzelle und der Brennstoffzellenheizung ein, sondern erläutern Ihnen auch die Nutzung der Heiztechnik im Wohngebäude und untersuchen detailliert die Vor- und Nachteile sowie die Kosten und staatliche Förderprogramme.

Inhaltsverzeichnis

  1. Das Prinzip hinter der Brennstoffzelle
  2. Die Funktion einer Brennstoffzelle
  3. Funktion der Brennstoffzelle als Wärme- und Stromerzeuger für das Eigenheim
  4. Umweltfreundlichkeit der Brennstoffzelle
  5. Kosten für Brennstoffzellenheizung
  6. KfW fördert die Investition
  7. Vor- und Nachteile einer Brennstoffzellenheizung im Überblick
  8. Ein Blick in die Zukunft

In einigen Bereichen wird der innovativen Technologie zur Strom- und Wärmeerzeugung großes Potenzial zugeschrieben. In der Heiztechnik fristet sie jedoch eher ein Nischendasein. So schätzt die Brancheninitiative Zukunft Erdgas, dass im Jahr 2017 hierzulande rund 1.500 Brennstoffzellen im Bereich der Heizungstechnik eingebaut wurden1. Andere Länder sind da schon deutlich weiter: In Japan wurden im Rahmen eines staatlichen Förderprogramms bereits 100.000 Hausanlagen installiert2.

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 elektrische Energie 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.

Ist Brennstoffzellentechnik interessant für private Häuser?

  • Die Brennstoffzellentechnik weist einen hohen Wirkungsgrad auf und gilt als umweltfreundlich.

  • Sie eignet sich für private Gebäude derzeit aber nur bedingt.

  • Hohe Anschaffungskosten, eine nicht vollständig ausgereifte Technik sowie hohe Fehleranfälligkeit sind die Ursachen dafür, dass die Brennstoffzelle anderen Heiztechniken noch nicht das Wasser reichen kann.

  • Mehr dazu lesen Sie im Absatz "Funktion der Brennstoffzelle als Wärme- und Stromerzeuger für das Eigenheim".

Die Funktion einer Brennstoffzelle

Auch wenn es verschiedene Brennstoffzellentechnologien gibt: Die grundsätzliche Funktion der Brennstoffzelle ist immer gleich: Durch die gezielte Reaktion der chemischen Elemente Wasserstoff und Sauerstoff werden elektrische Energie und Wärme freigesetzt, die zum Betrieb von Elektrogeräten und zum Heizen eingesetzt werden.

Die PEM-Technologie

  • Unter den verschiedenen Technologien, die auf dem Markt angeboten werden, überzeugt vor allem die sogenannte PEM-Technik.

  • Die Bezeichnung PEM steht für Proton Exchange Membrane beziehungsweise Polymer Electrolyt Membrane.

  • Das bezieht sich auf das grundsätzliche Funktionsprinzip dieser Brennstoffzelle – die Membrantechnik.

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 elektrische Energie in Form von Gleichstrom frei. Diese elektrische Energie 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 elektrische Energie, sondern auch Wärme freigesetzt. Diese Wärme kann über einen Kühlkreislauf abgeführt und für die Gebäudeheizung genutzt werden.

Die in einer Brennstoffzelle entstehende Energie 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 aus diesem Grund 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.

Praxistipp: Brennstoffzelle im Privathaus

  • Voraussetzung für eine wirtschaftliche Betriebsweise ist eine lange Laufzeit.

  • Aus diesem Grund werden die KWK-Anlagen häufig so ausgelegt, dass sie die Grundlast des Gebäudes decken.

  • Üblicherweise deckt gleichzeitig ein integrierter Erdgas-Brennwertkessel den Wärmebedarf in Spitzenzeiten.

  • Dieser Erdgas-Kessel kann ebenfalls über den ohnehin erforderlichen Erdgasanschluss versorgt werden.

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 elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Wenn dann auch 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 Heizungstechniken wettbewerbsfähig.

Das Energieportal CO2 Online schätzt die Kosten für die Anschaffung und den Einbau einer Brennstoffzellenheizung auf rund 30.000 bis 35.000 Euro3. Eine Statistik aus dem Jahr 20164 zeigt, dass die Brennstoffzellenheizung um ein Vielfaches teurer ist als eine Gas- oder Ölheizung:

Heizungsart Anschaffungskosten inklusive Installation (in Euro)
Elektroheizung
100-1.000
Infrarotheizung
100-1.000
Etagenheizung
3.500-5.000
Solarthermieanlage
4.000-10.000
Gasheizung
6.000-9.000
Ölheizung
7.000-9.000
Stückgutheizung
8.000-15.000
Wärmepumpe
12.000-25.000
Pelletheizung
17.000-25.000
Blockheizkraftwerk
20.000-40.000
Brennstoffzellenheizung
30.000-35.000

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 Förderprogramme – mehr dazu gleich – bleibt die Brennstoffzellenheizung im Vergleich zu anderen Heiztechniken teuer. Auch 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 auch Strom für den Eigenverbrauch erzeugt, ist bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung ebenso der geringere Stromverbrauch einzubeziehen.

KfW fördert die Investition

Im Rahmen des Anreizprogramms Energieeffizienz (APEE) fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) seit 2016 auch Brennstoffzellenheizungen. Durch die Bezuschussung der Investitionskosten unterstützt das BMWi die Einführung der Brennstoffzellentechnologie in der Wärme- und Stromversorgung von Wohngebäuden. Über das KfW-Förderprogramm „Energieeffizient Bauen und Sanieren – Zuschuss Brennstoffzelle“ (Programmnummer 433) können Interessierte den Zuschuss beantragen.

Praxistipp Förderung

  • Die Höhe der Förderung setzt sich aus einem Grundbetrag von 5.700 Euro und einem leistungsabhängigen Betrag von 450 Euro je angefangener 100 W elektrischer Leistung zusammen.

  • Grundsätzlich sind Brennstoffzellensysteme mit einer Leistung von 0,25 kW bis 5 kW in Wohngebäuden förderfähig.

  • Je nach elektrischer Leistung und Höhe der förderfähigen Gesamtkosten liegen die Zuschüsse also bei 7.050 bis 28.200 Euro.

  • Ob es sich um einen Neubau oder eine energetische Sanierung handelt, ist unerheblich.

Zu den förderfähigen Gesamtkosten gehören dabei nicht nur die reine Anschaffung des Geräts. Folgendes zählt auch dazu:

  • Kosten für einen weiteren Wärmeerzeuger bei integrierten Geräten
  • fest vereinbarte Kosten für den Vollwartungsvertrag in den ersten zehn Jahren
  • Kosten für Energieberater

Auf der Website der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) haben Sie die Möglichkeit, Ihre individuelle Förderhöhe selbst zu berechnen.

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 elektrischer Energie erzeugt.

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

Pro

  • Hoher Nutzungsgrad durch gleichzeitige Strom- und Wärmeerzeugung

  • Grundsätzlich auch für Gebäude mit geringem Wärmebedarf geeignet

  • Geräuscharmer Betrieb 

  • Umweltfreundlich

  • Kompakte Bauweise 

  • Geringer Stromverbrauch wegen selbsterzeugtem Strom 

Contra

  • Hohe Investitionskosten im Vergleich zu anderen Heizungsarten

  • Technologie ist noch nicht ausgereift

  • Wartungsintensiv und fehleranfällig

  • Wenig Erfahrungswerte mit der Lebenserwartung

  • In der Regel Erdgasanschluss nötig

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 Zukunft Erdgas: Brennstoffzellen-Heizung: Marktentwicklung liegt im Plan

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

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

4 Statista: Vergleich der Anschaffungskosten verschiedener Heizsysteme in Deutschland im Jahr 2016

Andreas Wurm

Über den Autor

Andreas Wurm absolvierte seinen Bachelor of Science in Maschinenbau an der RWTH Aachen University und schloss einen Master in Energietechnik (Spezialisierung Erneuerbare Energien) an derselben Universität an. Nach seinem Studium war er von 2014 bis 2016 Projektingenieur in der Branche Heizungs- und Klimatechnik.

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