Brenn­stoff­zelle: Funktion, Vorteile, Nachteile & Modelle

Ist die Wärmegewinnung mit einer Brennstoffzelle die Heizung der Zukunft? Vielleicht. Was sicher ist: Sie ist zurzeit der innovative Vorreiter zum Erzeugen umweltfreundlicher Wärme. Und gleichzeitig erzeugt Sie Strom und ist damit wesentlich energieeffizienter als herkömmliche Heizsysteme. Wir haben Ihnen die die wichtigsten Infos rund um die Brennstoffzellenheizung zusammengefasst. Das weckt vielleicht auch Ihr Interesse am Kauf einer Brennstoffzellenheizung.

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Inhaltsverzeichnis

    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 (H). 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.

      Grafik: Funktion der Brennstoffzelle als Heizung

      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 (Link zum neuen transaktionalen Text, wegen Förderung)
      • 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.

      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 ähnlichen Energieträger 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 Oxid 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 70er-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 “Phosphor 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 direkt aus der Luft zugeführt wird.

      Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)

      Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, auch “Molten Carbonate Fuel Cell” (MCFC), ist zeichnet sich durch Ihre hohe Effizienz. 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 HeizlösungDie 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:

      MarkeBuderusViessmann
      ModellLogapower FC10Vitovalor PT2
      ArtSOFCPEMFC
      Elektrische Leistung180 – 700 W0,75 kWel
      Thermische Leistung24,3 kW0,9 bis 30,8 kW
      BrennstoffErdgasErdgas E(H) / LL(L)
      Energieeffizienz (Heizen)A++A++
      FörderungBis zu 10.530 EuroBis zu 11.100 Euro

      Brennstoffzellen Heizung: Was Sie wissen müssen

      Instandhaltung einer Brennstoffzellenheizung

      Die Brennstoffzelle ist eine sehr saubere und zuverlässige Heizmethode. Deshalb 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 entweder selbst nutzen und sich damit unabhängig von teuren Stromanbietern machen. Oder Sie speisen ihn entgeltlich in das öffentliche Stromnetzwerk 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.

      FAQ – Noch Fragen?

      Wasserstoff (H) ist ein chemisches Element, das aus einem Proton und einem Elektron besteht. Der Energieträger erzeugt kein CO2, da H2 keinen Kohlenstoff enthält. Wasserstoff ist ein farbloses Gas, das weitestgehend geruchslos ist. Das Vorurteil, Wasserstoff sei unzuverlässig und nicht langfristig speicherbar, ist nicht zutreffend. Vielmehr besitzt der Brennstoff eine Menge Vorteile. 

      Die Nutzung dieses Stoffes wird in der Zukunft wesentlich zunehmen. Ob im Straßenverkehr und anderen Mobilitätsangeboten oder als Medium in der Energieversorgung. Denn Wasserstoff ist vielseitig einsetzbar und zugleich umweltschonend. 

      Der Brennstoff Wasserstoff ist vielen bislang noch unbekannt. Erst langsam bringen die Heizungshersteller entsprechende Modelle auf den Markt. Dabei hat das Heizen mit Wasserstoff viele Vorteile. Hier die wichtigsten Faktoren im Überblick: 

      Vorteile:

      • Geruchsneutral
      • Leise im Betrieb
      • Nicht giftig, ätzend, radioaktiv, krebserregend
      • Verschmutzt nicht das Wasser
      • Saubere, rückstandsfreie Verbrennung
      • Zerfällt nicht wie Acetylen
      • Nicht entzündlich bzw. explosiv
      • Nicht oxidierend
      • Vielfältig einsetzbar (siehe Anwendung)
      • Speicherung überschüssiger elektrischer Energie
      • Einnahmen durch Stromeinspeisung

      Nachteile:

      • Wenig Modelle von Brennstoffzellen auf dem Markt
      • Umwandlungsprozess von Strom zu Wasserstoff und anschließende Rückverstromung fordert viel Energie
      • Gasanschluss ist notwendig
      • Gewerbliche Genehmigung für Stromverkauf
      • Verkaufter Strom muss versteuert werden

      Der Energieträger Wasserstoff steht in Konkurrenz zu anderen Brennstoffen. Aufgrund seiner Eigenschaften ermöglicht er ganz besonders hohe Wirkungsgrade bei einer Heizung oder in anderen Anwendungsbereichen. Anhand der angegebenen Werte lässt sich die Effizienz des Brennstoffs ablesen: 

      Kraftstoff
      Wasserstoff
      Methan
      Benzin
      Energiedichte (Masse)
      33,33 kWh/kg
      13,9 kWh/kg
      12 kWh/kg
      Energiedichte (Volumen)
      3,0 kWh/Nm3
      9,97 kWh/Nm3
      8800 kWh/m3
      Brennwert pro kg
      39,39 kWh/kg = 141,8 MJ/kg
      13,9 kWh/kg = 50 MJ/kg
      12,0 kWh/kg = 43 MJ/kg

      Elektrolyte sind chemische Verbindungen, die einen festen, flüssigen oder gelartigen Zustand besitzen. Das Besondere an ihnen ist, dass sie Strom leiten können. Bei der PEM-Brennstoffzelle besteht der Elektrolyt zum Beispiel aus einer dünnen, festen Kunststoffhaut, die auch als Polymer-Membran bezeichnet wird.  

      Der wesentliche Unterschied zwischen einer PEMFC und SOFC besteht in dem verwendeten Elektrolyt. Bei der PEM-Brennstoffzelle ist das Elektrolyt aus einer dünnen und festen Kunststoffhaut, während die gleiche Komponente bei der SOFC-Brennstoffzelle aus Zirkondioxid besteht. 

      Über den Autor

      Heiko Rexer

      Heiko ist unser technischer Leiter bei ökoloco. Er ist Installateur- und Heizungsbauermeister und mit über 18 Jahren Berufserfahrung Spezialist im…
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