Brennstoffzellenheizung: Funktion, Kosten, Vor- und Nachteile

Immer mehr Eigentümer streben danach, die Abhängigkeit von Energielieferanten zu reduzieren. Mit einer Brennstoffzellenheizung lässt sich dabei nicht nur Wärme, sondern gleichzeitig auch Strom erzeugen. Eine Technologie, die auch als Kraft-Wärme-Kopplung Bezeichnung findet. Wie genau eine Brennstoffzelle funktioniert, was sie kostet, Förderung in 2024 sowie Vor- und Nachteile im Überblick.

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Im Vergleich zu anderen Heizungsarten gestaltet sich die Funktion einer Brennstoffzelle deutlich komplexer. Die folgenden 7 Schritte erklären, wie das Heizen mit Wasserstoff funktioniert:

1. Brennstoffzellenstapel: Die zentrale Komponente einer Brennstoffzellenheizung ist der Brennstoffzellenstapel. Dieser Stapel besteht aus mehreren einzelnen Brennstoffzellen, die in Reihe geschaltet sind. Jede Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischenliegenden Elektrolytmembran.

2. Wasserstoffzufuhr: Wasserstoffgas wird in die Anoden der Brennstoffzellen eingespeist. Dieser Wasserstoff wird häufig aus Erdgas oder anderen Quellen gewonnen und in einem Reformierungsprozess in reinen Wasserstoff umgewandelt.

3. Sauerstoffzufuhr: Sauerstoff wird der Kathodenseite der Brennstoffzellen zugeführt. Dieser Sauerstoff kann aus der Umgebungsluft entnommen werden.

4. Elektrochemische Reaktion: In den Brennstoffzellen findet eine elektrochemische Reaktion statt. Wasserstoffmoleküle (H2) an der Anode werden in Protonen (H+) und Elektronen (e-) aufgespalten. Die Protonen wandern durch die Elektrolytmembran zur Kathode, während die Elektronen einen externen Stromkreislauf durchlaufen, um elektrische Energie zu erzeugen.

5. Elektrische Energiegewinnung: Die wandernden Protonen an der Kathode reagieren mit den Elektronen und dem Sauerstoff, um Wasser (H2O) zu bilden. Bei dieser Reaktion wird Wärme erzeugt. Gleichzeitig wird elektrische Energie erzeugt, die in Form von Gleichstrom abgegeben wird.

6. Heizen mit der Brennstoffzelle: Die erzeugte Wärme kann direkt genutzt werden, um das Gebäude zu heizen oder Warmwasser bereitzustellen. Dies ist ein wichtiger Vorteil der Brennstoffzellenheizung, da sie sowohl elektrische als auch thermische Energie erzeugt, was zu einer effizienten Energienutzung führt.

7. Nutzung der erzeugten Elektrizität: Die erzeugte elektrische Energie kann zur Versorgung des Gebäudes mit Strom verwendet werden. Überschüssiger Strom kann in das öffentliche Stromnetz eingespeist oder in Batterien gespeichert werden, um bei Bedarf genutzt zu werden.

Vor- und Nachteile: Hoher Wirkungsgrad trifft auf hohe Kosten

Mit einer Brennstoffzelle erhöhen Eigentümer die Unabhängigkeit von Energieversorgern und produzieren umweltfreundlichen Strom und Wärme. Demgegenüber stehen jedoch hohe Anschaffungskosten im Vergleich zu anderen Heizungsanlagen wie Öl- und Gasheizungen. Die folgenden Abschnitte fassen, die wichtigsten Vor- und Nachteile der Wasserstoffheizung zusammen. 

Vorteile

• Hoher Wirkungsgrad: Brennstoffzellen sind äußerst effizient bei der Umwandlung von Brennstoffen in elektrische Energie und Wärme. Sie können Wirkungsgrade von über 60% erreichen, was im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren und Kraftwerken sehr gut ist.
• Niedrige Emissionen: Brennstoffzellenheizungen erzeugen während des Betriebs keine schädlichen Emissionen, da sie Wasserstoff mit Sauerstoff reagieren lassen, um Wasser und Wärme zu erzeugen. Dies trägt zur Reduzierung der Luftverschmutzung und der Treibhausgasemissionen bei.
• Dezentrale Energieerzeugung: Die Heizungsanlagen lassen sich in Gebäuden und kleineren Einheiten einsetzen, was die dezentrale Energieerzeugung ermöglicht. Dies reduziert den Bedarf an übertragenen Elektrizitätsleitungen und verringert die Verluste im Netz.
• Kontinuierliche Stromversorgung: Die Wasserstoffheizung liefert kontinuierlich elektrische Energie und Wärme. Es gibt keine Abhängigkeit von Wetterbedingungen wie es bei der beispielsweise bei Solarthermie der Fall ist. 

Nachteile

• Infrastruktur für Wasserstoff: Die Herstellung, Speicherung und Verteilung von Wasserstoff ist immer noch eine Herausforderung und erfordert eine entsprechende Infrastruktur. Dies kann die Verfügbarkeit von Wasserstoff einschränken.
• Kosten: Brennstoffzellen sind immer noch teuer in der Herstellung, und die Preise sind hoch. Die Technologie steht vor der Herausforderung, wirtschaftlicher zu werden.
• Platinbedarf: Viele Brennstoffzellentypen verwenden Platin als Katalysator, was teuer und begrenzt verfügbar ist. Dies kann die Kosten erhöhen und die Nachhaltigkeit beeinträchtigen.
• Leistung bei extremen Bedingungen: Brennstoffzellen können bei extremen Temperaturen und Feuchtigkeitsbedingungen an Leistung verlieren.

Kosten und Förderung in 2024

Im Vergleich mit anderen Heizsystemen ist eine Brennstoffzellenheizung immer noch die teuerste Variante. 

Generell kostet eine Brennstoffzellenheizung im Gesamtpaket mit Montage zwischen 30.000 und 35.000 Euro. Die Höhe hängt unter anderem damit zusammen, dass die Montage aufwendig ist und daher teurer ausfällt. Bei hoher Eigenproduktion an Strom, lassen sich jedoch Kosten sparen sodass sich eine Brennstoffzellenheizung trotz hoher Anschaffungskosten auszahlt.

Als Alternative zum Kauf bietet sich das Contracting an, was bedeutet, dass Sie zu einem fixen monatlichen Betrag Ihre neue Heizanlage mieten. Enthalten in den Kosten sind beispielsweise Wartung, Instandhaltung und Reparaturen.

Förderung in 2024

Mit dem Beginn des Jahres 2024 ist das neue Gebäudeenergiegesetzt (GEG) in Kraft getreten, besser bekannt auch als Heizungsgesetz. Gleichzeitig kommt es dabei zu einer Anpassung der Fördermittel für den Kauf einer neuen Heizung. 

Unabhängig davon, um welche Heizung es sich handelt, erhalten Heizung einer Förderung, wenn sie zu 65% erneuerbare Energien nutzen. Da Brennstoffzellen mit Wasserstoff funktionieren und somit einen CO2-neutralen Brennstoff nutzen, sind sie förderfähig. Eigentümer erhalten einen Zuschuss von mindestens 30%.  

Insgesamt sind für Brennstoffzellenheizungen bis zu 70% Förderung möglich. Welche Zuschüsse Ihnen zustehen, sehen Sie im Überblick zur Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG). Den Antrag stellen Eigentümer bei der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW).

Amortisation: Lohnt sich die Anschaffung einer Wasserstoffheizung?

Während die Anschaffungskosten für eine Brennstoffzellenheizung zunächst hoch sind, amortisiert sich eine Brennstoffzelle relativ schnell, wenn sie möglichst viel Strom produziert, der entweder ins öffentliche Netz eingespeist oder am besten im eigenen Haushalt verbraucht wird. Natürlich hängt es immer vom jeweiligen Gebäudetyp und vom Alter ab, ob sich eine Anschaffung lohnt. Gerne beraten wir Sie.

Brennstoffzelle oder Wärmepumpe?

Was die Verbreitung angeht, ist die Wärmepumpe in deutlich mehr Einfamilienhäusern anzutreffen als eine Brennstoffzellenheizung. So gestaltet sich der Anschluss an ein Wasserstoffnetz vielerorts noch als schwierig. Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe hingegen benötigt ausschließlich Umgebungsluft, um daraus Wärme zu erzeugen. Das führt dazu, dass in den meisten Gebäuden eine Wärmepumpe derzeit meist die sinnvollere Heizung darstellt. 

Brennstoffzellenheizungen im Test:

Weitere Hersteller

Zu den besten Herstellern von Brennstoffzellenmodellen zählen Buderus, Vaillant und Viessmann. Weitere Hersteller sind folgende:

• Junkers
• Senertec
• Solidpower
• Freudenberg
• Remeha
• Elcore
• Hexis

Arten von Brennstoffzellen

• Erdgas-Brennstoffzellen: Diese Brennstoffzellen verwenden Erdgas (Methan) als Brennstoff. Die chemische Umwandlung von Methan in Wasserstoff und Kohlendioxid erfolgt in einem internen Reformierungsprozess, bevor der erzeugte Wasserstoff in der Brennstoffzelle verwendet wird. Dieser Prozess ermöglicht die Verwendung von vorhandenen Erdgasinfrastrukturen und -versorgungen. Erdgas-Brennstoffzellen werden in stationären Anwendungen zur Stromerzeugung und Heizung verwendet, um hocheffiziente und emissionsarme Energie zu erzeugen.
• PEMFC-Brennstoffzelle (Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle): Die PEMFC ist eine weit verbreitete Brennstoffzelle, die einen festen Polymer-Elektrolyten verwendet, um Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie umzuwandeln. Sie zeichnet sich durch hohe Leistungsdichte, schnelle Startfähigkeit und Anwendungen in Brennstoffzellenfahrzeugen aus.
• Ethanol-Brennstoffzelle: Ethanol-Brennstoffzellen nutzen Ethanol als Brennstoff. Sie erzeugen elektrische Energie durch die direkte Oxidation von Ethanol, was ihre Anwendung in tragbaren Stromquellen und Notstromsystemen ermöglicht.
• Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC): DMFCs verwenden Methanol als Brennstoff und benötigen keine externe Reformierung. Sie sind kompakt und haben Anwendungen in tragbaren Geräten wie Laptops und Mobiltelefonen gefunden.
• SOFC-Brennstoffzelle (Festoxid-Brennstoffzelle): SOFCs verwenden ein festes Elektrolytmaterial, das bei hohen Temperaturen arbeitet. Sie sind für stationäre Anwendungen wie dezentrale Stromerzeugung und industrielle Prozesse geeignet und zeichnen sich durch hohe Effizienz aus.
• PEM-Brennstoffzelle (Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle): Die PEM-Brennstoffzelle ist ein allgemeiner Begriff, der sich auf Brennstoffzellen bezieht, die eine Protonenaustauschmembran als Elektrolyt verwenden. Diese Brennstoffzellen sind vielseitig einsetzbar und werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von Fahrzeugen bis hin zu kleinen mobilen Stromquellen.

Was ist das Callux Projekt?

Im Herbst 2008 startete das Callux Projekt, einer der größten Praxis-Tests, der bis dahin europaweit durchgeführt wurde. Hinter dem Projekt steckten folgende Institutionen und Unternehmen:

• Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI)
• E.On
• EnBW
• EWE
• MVV Energie
• VNG (Verbundnetz Gas)
• Baxi Innotech
• Hexis
• Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

Über einen Zeitraum von sieben Jahren wurde die Brennstoffzellen-Technologie in einem Praxistest unterzogen und durch Politik und Wirtschaft gefördert. So wurden an die 500 Brennstoffzellenheizung in deutschen Eigenheimen eingebaut, um ihre Effizienz und ihre Nachhaltigkeit zu testen und mit anderen Heizungen zu vergleichen.

Das Callux-Projekt hat gezeigt, wie zuverlässig die Brennstoffzellen-Technologie ist. Jährlich konnten so bis zu 1,2 Tonnen an CO2 eingespart werden, was einer Reduzierung von mehr als 30 Prozent entspricht. Hinsichtlich der Zuverlässigkeit haben sich die Anlagen genauso bewährt wie andere Heiztechnologien. Besonders positiv erwies sich im Praxistext die Tatsache, dass die Heizmethode sich besonders gut in bestehende Heizsysteme integrieren lässt.

Können Brennstoffzellen gefährlich werden?

Auch, wenn es sich vom Prinzip her um eine Knallgas-Reaktion handelt, die sich im Inneren der Brennstoffzelle abspielt, sind diese Heizungen nicht gefährlich. Die verschiedenen Zellen sind in Form eines Sandwich-Aufbaus hintereinandergeschaltet. Diese Bauweise, als Stapel oder Stacks, birgt sehr geringe Risiken. Der Wasserstoff, der in den Brennstoffzellen eingesetzt wird, ist ebenfalls aufgrund seiner geringen Menge ungefährlich.

Lässt sich eine Brennstoffzellenheizung auch kombinieren?

Generell ist eine Kombination von Brennstoffzellen-Technologie und Photovoltaik- oder Solar-Anlage möglich. Ein Vorteil ist, dass sich auf diese Weise teils noch weitere Fördermöglichkeiten ergeben.

Wie sieht die Zukunft der Brennstoffzelle aus?

Es handelt sich um eine zukunftssichere Technologie, die sich stetig weiterentwickeln wird. Die Anschaffungskosten werden, wie das Callux Projekt gezeigt hat, wahrscheinlich noch weiter sinken. Ob es auch zukünftig weitere Förderungen geben wird, und wie hoch diese sein werden, wird sich in Zukunft noch zeigen – man kann diesbezüglich jedoch optimistisch bleiben, denn gerade wegen des geringen CO2-Ausstoses ist diese Art zu heizen zukunftssicher und umweltfreundlich. Aktuelle Förderungen des BAFA oder der KfW sollte man unbedingt nutzen, um in eine neue, effiziente und umweltfreundlichere Heizung zu investieren.