Wie funktioniert eine Brennstoffzellenheizung?
Die Brennstoffzellenheizung funktioniert anders als herkömmliche Öl- oder Gasheizungen durch eine sogenannte kalte Verbrennung. Darunter versteht man einen chemischen Prozess, der besonders effizient Energie erzeugt.
Aufgrund dieses Erzeugungsprozesses wird ein sehr hoher Wirkungsgrad erreicht und die Kohlendioxid-Emissionen stark reduziert. Deshalb gilt die Technik als zukunftsweisend, obwohl sie bisher meist einen fossilen Energieträger, das Gas, einsetzt.
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Kalte Verbrennung liefert Energie
Die Brennstoffzellenheizung nutzt das bekannte Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung, das Wärme und Strom produziert. Dafür wird der elektrochemische Prozess der kalten Verbrennung genutzt, bei dem Wasserstoff und Sauerstoff miteinander reagieren. Der Wasserstoff wird aus Erdgas gewonnen und dann zur Brennstoffzelle geleitet.
Im Innern der Brennstoffzelle befinden sich dafür zwei Elektroden, die von einer bedingt durchlässigen Membran voneinander getrennt sind. Treffen Wasserstoffmoleküle auf die positiv geladene Elektrode, auch Anode genannt, werden sie in negative Elektronen und positive Wasserstoffionen getrennt.
Die negativen Elektronen wandern über einen elektrischen Leiter zur Anode und es fließt Strom. Die Wasserstoffionen diffundieren dagegen durch die semipermeable Membran in Richtung negativ geladener Elektrode, auch Kathode genannt, und verbinden sich dort mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasser. Diese Vereinigung von Wasserstoffionen und Sauerstoff nennt man kalte Verbrennung. Bei dieser Reaktion entsteht auch Wärme, die abgeführt und zum Heizen sowie zur Warmwasserbereitung genutzt werden kann.
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Brennstoffzellenheizung besteht aus vielen Brennstoffzellen
Einzelne Brennstoffzellen produzieren nicht ausreichend Energie für eine Heizung. Aus diesem Grund besteht die Brennstoffzellenheizung aus mehreren, zu Stapeln verbundenen Brennstoffzellen, den sogenannten Stacks, die wiederum in Reihe geschaltet werden. Durch diese Anordnung werden die Spannungswerte addiert und genügend Energie für eine Heizung zur Verfügung gestellt.
Unterschiedliche Arten von Brennstoffzellen
Die Arten von Brennstoffzellen unterscheiden sich im Aufbau und in der Funktionsweise. Grundsätzlich werden aufgrund ihrer Betriebstemperatur Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Brennstoffzellen unterschieden.
Bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen findet die kalte Verbrennung bei Betriebstemperaturen von 550 bis 1.100 Grad Celsius statt. Bis diese Temperatur erreicht ist, dauert es eine gewisse Zeit. Danach laufen die Brennstoffzellen auch mit unreinem Wasserstoff zuverlässig. Daraus ergibt sich, dass der Wasserstoff einzig über den Katalysator der Elektrode aus Erdgas gewonnen werden kann. Ein zusätzlicher externer Reformer, der wiederum teuer und energieintensiv ist, wird in der Brennstoffzelle nicht benötigt.
Bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen liegt die Betriebstemperatur, bei der die kalte Verbrennung stattfindet, unter 100 Grad Celsius. Diese Temperaturen sind schnell erreicht, aus diesem Grund eignet sich die Niedertemperatur-Brennstoffzelle auch für Anwendungen, bei denen kurzfristig Energie zur Verfügung stehen muss wie beispielsweise bei Wasserstoffautos. Die verwendeten Materialien dieses Brennstoffzellentyps sind allerdings sehr empfindlich und arbeiten nur mit möglichst reinem Wasserstoff. Zum Einsatz kommt ein zusätzlicher Reformer.
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Wann arbeiten Brennstoffzellen effizient?
Für das reibungslose und effiziente Arbeiten der Brennstoffzellen ist es wichtig, dass der erzeugte Strom und die Wärme auch sinnvoll abgenommen werden. Denn nur so kann wieder effizient neue Energie produziert werden. Bestenfalls wird der Strom selbst im Haus verbraucht. Wenn zu viel erzeugt wird, kann der nicht genutzte Strom ins öffentliche Netz eingespeist werden. Die erzeugte Wärme wird für die Heizung und die Warmwasserbereitung eingesetzt und gegebenenfalls zwischengespeichert.
Die Brennstoffzelle erzeugt Strom und Wärme ungefähr in einem gleichen Verhältnis. Damit erzeugt sie mehr Strom als beispielsweise ein Blockheizkraftwerk. Eine Brennstoffzellenheizung ist also überall dort sinnvoll, wo viel Strom benötigt wird.
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