Brenn­stoff­zelle: Funktion, Vorteile, Nachteile & Modelle

Eine Brennstoffzellenheizung ist im Grunde ein kleines Kraftwerk für den eigenen Keller: Sie erzeugt aus Gas gleichzeitig Wärme und Strom – und das in einem einzigen, hocheffizienten Prozess. Das Prinzip dahinter ist die Kraft-Wärme-Kopplung, die deutlich mehr aus dem eingesetzten Brennstoff herausholt als eine getrennte Erzeugung von Strom und Wärme. Damit verspricht die Technologie eine effiziente Wärmeversorgung und mehr Unabhängigkeit vom Stromnetz, ist aufgrund hoher Anschaffungskosten und einer veränderten Förderlage aber eine Nischenlösung geblieben. In diesem Beitrag erfahren Sie, wie eine Brennstoffzelle funktioniert und aufgebaut ist, welche Typen es gibt und welche Vor- und Nachteile sie mit sich bringt.

Was ist eine Brennstoffzelle?

Die Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung, in der eine elektrochemische Reaktion zwischen zwei Stoffen stattfindet. Bei der Brennstoffzellen Heizung sind das Wasserstoff und Sauerstoff. Mit der Reaktion der beiden Stoffe in der Brennstoffzelle – nach dem Prinzip der sogenannten Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) – wird gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt. Die Wärme eignet sich dann sowohl zum Heizen als auch für das Erwärmen von Wasser.

Damit ist die Brennstoffzelle eine besonders effiziente Anlage, um Energie zu gewinnen. Die Brennstoffzellenheizung zählt zurzeit zu den innovativsten Heizsystemen. Immer mehr Hersteller bieten diese „kleinen Blockheizkraftwerke“ an. So profitieren Kunden von verbesserter Technik und stetig sinkenden Preisen.

Die dezentrale Stromversorgung durch Brennstoffzellen ist in Deutschland noch in der Entwicklung. Als Vorreiter für den Schritt zur umweltfreundlicheren Energiegewinnung gilt Japan. Dort produzieren bereits seit Jahren viele Haushalte unabhängig Wärme und Strom selbst. Das Ergebnis für die Besitzer einer Brennstoffzellenheizung: Die Abhängigkeit von externen Stromanbietern sinkt und die eigene Wirtschaftlichkeit wird gesteigert.

Wie ist eine Brennstoffzelle aufgebaut?

Der Aufbau von Brennstoffzellen ähnelt dem Aufbau einer Batterie. So bestehen auch Brennstoffzellen aus zwei Elektroden: der Anode (Pluspol) und der Kathode (Minuspol). Ihre Reaktion erzeugt letztlich die Energie in Form von Wärme und Strom. Ein Elektrolyt trennt die zwei Elektroden und sorgt für den Ionen-Transport zwischen Anode und Kathode. Da der Elektrolyt für die Ionen durchlässig ist, wird er auch als Elektrolytmembran bezeichnet.

Die verwendeten Materialien unterscheiden sich je nach Brennstoffzellentyp. Meistens bestehen die Elektrodenplatten aus Metall oder Kohlenstoffnanoröhren. In der Abbildung sehen Sie noch einmal den Aufbau einer Brennstoffzelle.

Es können auch mehrere Brennstoffzellen hintereinander gestapelt werden. Fachleute sprechen dann von einem sogenannten „Stack“. Dieser ermöglicht eine höhere Spannung und damit eine effizientere Energiegewinnung.

Wie funktioniert eine Brennstoffzellenheizung?

Eine Brennstoffzelle funktioniert wie ein kleines Kraftwerk. Allerdings basiert die Energieerzeugung auf einer elektrochemischen Reaktion zwischen Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H2). Dieser Prozess – eine gezielte Knallgasreaktion – wird auch „kalte Verbrennung“ genannt. Durch einen Gasanschluss erhält die Brennstoffzelle den für die Reaktion benötigten Wasserstoff. Er wird durch den sogenannten Reformer aus dem Gas gewonnen. Durch die räumliche Trennung von O₂ und H wird die Reaktion von Anode und Kathode in der Brennstoffzelle verlangsamt. Dabei wandelt die Brennstoffzelle die gewonnene Reaktionsenergie in Strom und Wärme um. Somit lässt sich die Technologie der Brennstoffzelle als Wandlertechnik beschreiben.

Die bei der Knallgasreaktion entstandene Elektrizität ist zunächst Gleichstrom. Dieser wird in den sogenannten Inverter geleitet und zu Wechselstrom umgewandelt. So erhält der Verbraucher Strom, den er selbst verwenden oder in das öffentliche Stromnetz einspeisen kann.

Die produzierte Wärme wird mithilfe eines Wärmetauschers an einen Pufferspeicher abgegeben. Dort wird das Trinkwasser für den Bedarf erwärmt und gespeichert. Um Spitzenlasten bei äußerst niedrigen Außentemperaturen abzudecken, wird ein Gasbrennwertkessel benötigt.

Die Anwendungsbereiche: Wo kommt eine Brennstoffzelle zum Einsatz?

Die Brennstoffzelle wird hauptsächlich in zwei Anwendungsbereichen eingesetzt: im stationären und im mobilen Einsatzbereich.

Stationäre Anwendungen  sind Brennstoffzellen, die anstelle einer Heizung eine Immobilie mit Wärme und zusätzlich mit Strom versorgen. Alternativ gibt es Brennstoffzellenkraftwerke, die mit einer Leistung von bis zu 1,4 Megawatt Strom für mehrere Gebäude generieren.

Der Einsatz der Brennstoffzellentechnologie in der Mobilitätsindustrie ist äußerst vielfältig. So kommt die Technologie zum Beispiel im Transportwesen, in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrt, in der Schifffahrt und im Schienenverkehr zum Tragen.

Welche Vor- und Nachteile hat eine Brennstoffzellenheizung?

Die Vorteile einer Brennstoffzellenheizung sprechen deutlich für die innovative Heizungsart. Trotzdem haben wir Ihnen auch die Nachteile einer Brennstoffzellenheizung aufgelistet. Denn für den eventuellen Kauf einer Brennstoffzelle sind beide Seiten entscheidend. Hier sehen Sie die Vor- und Nachteile einer Brennstoffzellen Heizung auf einen Blick:

Vorteile

• Strom und Wärme aus einer Hand
• Hoher Wirkungsgrad
• Nahezu CO₂-neutral
• Geringer Verschleiß und wartungsarm
• Contracting ermöglicht höhere Betriebssicherheit
• Vergleichsweise hohe Förderung möglich
• Unabhängigkeit von Stromversorgern

Nachteile

• Hohe technische Anforderungen
• Hohe Investitionskosten
• Geringe Erfahrungswerte durch junge Modellreihen
• Begrenzte Stack-Lebensdauer (mind. 10.000 Stunden)

Gern informieren wir Sie auch persönlich über die Vor- und Nachteile einer Brennstoffzellenheizung – ganz individuell auf Ihre örtliche Situation abgestimmt. Senden Sie uns gern eine Anfrage oder rufen Sie uns direkt an.

Kosten

Die Brennstoffzellenheizung gehört zu den teuersten Heizsystemen am Markt. Das liegt vor allem an den geringen Stückzahlen und der speziellen Technik. Die Kosten setzen sich grob aus dem Gerät selbst und den Kosten für Installation und Zubehör zusammen:

In Summe liegen die Anschaffungskosten inklusive Einbau meist zwischen rund 30.000 und 35.000 Euro. Zum Vergleich: Eine Gasheizung kostet mit Einbau meist nicht mehr als 10.000 Euro.

Ob sich diese hohe Investition rechnet, hängt stark vom Nutzungsprofil ab. Wirtschaftlich ist eine Brennstoffzelle vor allem bei hohem Strom-Eigenverbrauch und gleichzeitig nicht zu hohem Wärmebedarf, also in neueren oder gut sanierten Gebäuden. Für eingespeisten Strom gibt es zwar eine Vergütung, diese liegt aber deutlich unter dem üblichen Strompreis. Da die früher sehr großzügige Förderung weggefallen ist, fällt die Wirtschaftlichkeitsrechnung heute deutlich nüchterner aus als noch vor wenigen Jahren.

Tipp: Lassen Sie sich die Gesamtkosten und die zu erwartende Eigenstromnutzung vorab von einem Fachbetrieb individuell berechnen. Pauschale Angaben helfen bei dieser Technik nur bedingt weiter.

Förderung in 2026

Die frühere, sehr großzügige Brennstoffzellen-Förderung über das KfW-Programm 433 ist ausgelaufen und kann nicht mehr beantragt werden.

Über die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) wird eine Brennstoffzellenheizung heute nur noch gefördert, wenn sie die 65-Prozent-Vorgabe erfüllt, also mit grünem Wasserstoff oder Biomethan betrieben wird. Eine klassische erdgasbetriebene Brennstoffzelle gilt dagegen als fossile Heizung und erhält keinen Zuschuss. Vor einer Kaufentscheidung sollten Sie die aktuelle Förderlage daher individuell prüfen lassen.

Welche Arten von Brennstoffzellenheizungen gibt es?

Es gibt sechs verschiedene Arten von Brennstoffzellen. Sie alle funktionieren nach dem gleichen Prinzip, unterscheiden sich jedoch in einigen Eigenschaften. Zum Beispiel in der Art der Energieträger, der Energieleistung und ihrer Materialzusammensetzung. Damit Sie einen Überblick erhalten, haben wir Ihnen die verschiedenen Brennstoffzellentypen aufgeführt.

Die Membranbrennstoffzelle (PEMFC)

Die Membranbrennstoffzelle oder auch “Proton Exchange Membrane Fuel Cell” (PEMFC) verspricht einfaches Handling. Denn der Luftsauerstoff reicht für eine optimale Betriebsweise aus. Der Elektrolyt besteht aus einer Kunststoffmembran, die nur für Protonen durchlässig ist. Komplizierte Filter- und Reinigungsprozesse sind dadurch überflüssig. Niedrige Systemtemperaturen sorgen dafür, dass sich die PEM-Brennstoffzelle problemlos oft an- und ausschalten lässt. Die Membranbrennstoffzelle kann flexibel eingesetzt werden – sowohl stationär als auch mobil.

Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)

Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle, auch “Direct Methanol Fuel Cell” (DMFC), ist eine Weiterentwicklung der Membranbrennstoffzelle. Statt mit Wasserstoff wird sie mit Methanol betrieben. Aufgrund des ähnlichen Energieträgers ist auch der mögliche Einsatzbereich nahezu identisch. Die DMFC eignet sich für die Verwendung in den Bereichen Mobilität und Stromversorgung sowie als Batterieäquivalent.

Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)

Die Festoxid-Brennstoffzelle oder “Solid Oxide Fuel Cell” (SOFC) besteht vor allem aus Feststoffen. So dient eine Keramik als Elektrolyt. Das Gas muss hier nicht erst aufbereitet werden, um für den Betrieb verwendet zu werden. Aufwärmphasen und große Abstände zwischen dem An- und Abschalten sollten berücksichtigt werden, um einen schnellen Verschleiß zu vermeiden.

Die Alkalische Brennstoffzelle (AFC)

Die Alkalische Brennstoffzelle – “Alkaline Fuel Cell” – ist eine Brennstoffzellen-Bauart der älteren Generation. Sie wird seit den 1970er-Jahren kaum noch produziert. Aufwendige Reinigungsprozesse sind recht unkomfortabel. Sie sind bedingt durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in der AFC. Ihr Haupteinsatzgebiet war die Raumfahrt.

Die Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC)

Die Phosphorsäure-Brennstoffzelle – dessen Abkürzung “PAFC” auf dem englischen “Phosphoric Acid Fuel Cell” beruht – wurde für den Einsatz in großen Blockheizkraftwerken (BHKW) und für Energieversorger entwickelt. Der Betrieb wird über den Energieträger Brenngas sichergestellt. Der notwendige Sauerstoff wird direkt aus der Luft zugeführt.

Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)

Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, auch “Molten Carbonate Fuel Cell” (MCFC), zeichnet sich durch ihre hohe Effizienz aus. Sie verwertet die entstehende Abwärme zur Energiegewinnung wieder. Die MCFC erreicht Temperaturen von 650 Grad Celsius. Auch diese Brennstoffzelle nutzt Erdgas und Luftsauerstoff als Energieträger. Sie wird überwiegend industriell von Energieversorgern genutzt, beispielsweise von Kraftwerkbetreibern.

Unsere Brennstoffzellen-Modelle im Überblick

ökoloco ist Fachpartner für Brennstoffzellenheizungen. So übernehmen wir neben der Koordination und letztlich der Installation auch regelmäßige Wartungen von Brennstoffzellenheizungen. Wir sind markenunabhängig und bieten Ihnen immer die individuell optimale Heizlösung. Die Marken Buderus und Viessmann haben bereits Brennstoffzellenheizungen auf den Markt gebracht, die Gebäude auf höchst effiziente Art und Weise mit Wärme und Strom versorgen können. Hier die beiden Systeme im direkten Vergleich:

Hier zwei verschiedene Systeme von führenden Herstellern im direkten Vergleich:

Brennstoffzellen Heizung: Was Sie wissen müssen

Instandhaltung einer Brennstoffzellenheizung

Die Brennstoffzelle ist eine sehr saubere und zuverlässige Heizmethode. Deshalb ist die Wartung und Pflege im Gegensatz zu anderen Heizsystemen relativ gering. Trotzdem sollten Sie das System regelmäßig von einem Fachmann überprüfen lassen. So können Sie eventuelle Störungen im Voraus erkennen und verhindern.

Als Fachpartner für Brennstoffzellenheizungen übernehmen unsere Heizungsexperten gern diese Aufgabe.

Nutzungsdauer einer Brennstoffzellenheizung

Die Lebensdauer einer Brennstoffzelle hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab: Beispielsweise ihrer Größe oder ihrer Energieträger. Grundsätzlich kann man mit einer Lebensdauer von mindestens zehn Jahren rechnen. Regelmäßige Wartungen können dafür sorgen, dass sich die Lebensdauer der Brennstoffzelle verlängert.

Geschichte der Brennstoffzelle: Die wichtigsten Meilensteine

Die Geschichte der Brennstoffzelle beginnt im Jahr 1838. Hier ein Überblick über die wichtigsten Meilensteine in der Entwicklung der Brennstoffzelle:

1838: Christian Friedrich Schönbein erstellt einfache Brennstoffzelle

1839: William Grove führt Experimente zur Brennstoffzelle durch

1866: Erfindung des elektrischen Generators (“Dynamomaschine”) durch Werner von Siemens verdrängt zunächst Brennstoffzellen-Technologie

1875: Jules Verne schreibt in „Die geheimnisvolle Insel” über die Brennstoffzelle

1894: Wilhelm Ostwald erkennt die Vorteile im Vergleich zu den Wärmekraftmaschinen

1950er: Das Interesse an Brennstoffzellen steigt durch den Bedarf aus der Raumfahrt und Rüstungsindustrie.

1959: Allis-Chalmers stellt den ersten brennstoffzellenbetriebenen Traktor vor

1963: Einsatz für Gemini- und Apollo-Raumkapseln

1990er: Durch Forderung niedriger Schadstoffemissionen entwickelt sich die Brennstoffzellenforschung stärker als zuvor

Heute: Die Brennstoffzelle zählt zu den innovativsten Energiegewinnungssystemen für Wärme und Strom.

Unser Fazit

Die Brennstoffzelle ist eine extrem effiziente Methode zur Energiegewinnung. Sie basiert auf der elektrochemischen Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff.

Diese Reaktion funktioniert nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Ihr Ergebnis: Sie erhalten in einem Schritt Strom und Wärme. Den Strom können Sie entweder selbst nutzen und sich damit unabhängig von teuren Stromanbietern machen. Oder Sie speisen ihn entgeltlich in das öffentliche Stromnetz ein. Mit der selbst generierten Wärme können Sie heizen sowie Ihr Warmwasser steuern.

Trotz hoher Anschaffungskosten ist die Brennstoffzellenheizung eine sehr rentable Investition. Denn über ihre ohnehin sehr effiziente Energiegewinnung hinweg bieten sich sehr attraktive Fördermöglichkeiten. Hierzu beraten wir Sie gern – ganz individuell auf Ihre Bedürfnisse angepasst.

Grundvoraussetzung für eine Brennstoffzellen Heizung ist ein Gasanschluss. Alternativ gibt es hier auch Lösungsmöglichkeiten durch einen externen Gastank. Außerdem sollte ausreichend Platz sowie eine sichere Ableitung der Gase für die Installation der Anlage gewährleistet sein.

Sie möchten mehr Informationen über den Kauf, die Fördermöglichkeiten und die Wirtschaftlichkeit einer Brennstoffzellenheizung erfahren? Alles, was Sie dazu wissen müssen, finden Sie hier.