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.
Durch die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme können Brennstoffzellenheizungen einen hohen Gesamtnutzungsgrad erreichen und gegenüber getrennter Strom- und Wärmeerzeugung CO2 einsparen. Klimaneutral ist die Technik mit Erdgas aber nicht, weil fossile Energieträger bei der Umwandlung in Wärme und Strom weiterhin Treibhausgase freisetzen.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Brennstoffzellenheizung erzeugt Strom und Wärme über eine elektrochemische „kalte Verbrennung“ – ganz ohne offene Flamme.
- Der nötige Wasserstoff wird meist aus Erdgas gewonnen; in der Zelle reagiert er mit Sauerstoff zu Wasser.
- Viele Einzelzellen sind zu Stapeln (Stacks) verschaltet, damit die Anlage genug Energie für ein Haus liefert.
- Man unterscheidet Hochtemperatur- (SOFC) und Niedertemperatur-Zellen (PEM) für unterschiedliche Strom-/Wärme-Verhältnisse.
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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.
Bei der häufig erklärten PEM-Brennstoffzelle liegen zwei Elektroden an einer protonendurchlässigen Membran. Treffen Wasserstoffmoleküle auf die negativ geladene Anode, werden sie in Elektronen und positiv geladene Wasserstoffionen (Protonen) getrennt.
Die Elektronen wandern über einen äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode – dieser Elektronenfluss ist der nutzbare Strom. Die Protonen diffundieren bei PEM-Zellen durch die Membran zur positiv geladenen Kathode und verbinden sich dort mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser. Bei SOFC-Zellen wandern dagegen Sauerstoffionen durch einen keramischen Elektrolyten zur Anode. In beiden Fällen entstehen Strom und nutzbare Wärme.
So läuft die kalte Verbrennung ab
Wasserstoff bereitstellen
Bei der häufig gezeigten Niedertemperatur-Zelle (PEM) gewinnt das Gerät den Wasserstoff aus Erdgas und leitet ihn zur Brennstoffzelle.
An der Anode aufspalten
An der Anode (Minuspol) werden die Wasserstoffmoleküle in Elektronen und positiv geladene Wasserstoffionen (Protonen) getrennt.
Strom fließt
Die Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis zur Kathode – genau dieser Elektronenfluss ist der nutzbare Strom.
An der Kathode zu Wasser
Die Protonen wandern durch die Membran zur Kathode (Pluspol) und verbinden sich dort mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser.
Wärme und Strom nutzen nutzbar
Bei der Reaktion entsteht Wärme fürs Heizen und Warmwasser; der erzeugte Gleichstrom wird für den Haushalt in Wechselstrom umgewandelt.
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 wie SOFC-Systemen findet die elektrochemische Reaktion meist bei etwa 600 bis 1.000 Grad Celsius statt. Bis diese Temperatur erreicht ist, dauert es eine gewisse Zeit. Durch die hohe Temperatur können SOFC-Zellen Brennstoffe wie Erdgas intern reformieren und sind gegenüber bestimmten Verunreinigungen toleranter als PEM-Zellen. Ein separater externer Reformer ist je nach System nicht erforderlich; eine Gasreinigung, etwa zur Schwefelentfernung, bleibt trotzdem wichtig.
Bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen wie PEM-Zellen liegt die Betriebstemperatur meist unter 100 Grad Celsius. Diese Temperaturen sind vergleichsweise schnell erreicht; deshalb eignet sich die Technik auch für Anwendungen mit kurzfristigem Energiebedarf, etwa Wasserstoffautos. PEM-Zellen reagieren empfindlich auf Verunreinigungen und benötigen möglichst reinen Wasserstoff. Bei erdgasbetriebenen Hausgeräten wird der Wasserstoff deshalb in einem vorgeschalteten Reformer erzeugt und anschließend gereinigt.
In Haus-Brennstoffzellen kommen beide Bauarten vor: Niedertemperatur-Zellen (PEM) wurden zum Beispiel im Viessmann Vitovalor mit einem Gas-Brennwertgerät kombiniert, während Hochtemperatur-Zellen (SOFC) wie im SOLIDpower BlueGen anteilig mehr Strom erzeugen. Welcher Typ passt, hängt vor allem vom Verhältnis aus Wärme- und Strombedarf im Gebäude ab.
Hochtemperatur- oder Niedertemperatur-Brennstoffzelle?
Hochtemperatur-Zelle (SOFC) ca. 600–1.000 °C
Braucht eine Anlaufzeit, kann Erdgas intern reformieren und kommt ohne separaten Reformer aus; je nach System bleibt eine Gasreinigung nötig. Erzeugt anteilig viel Strom – etwa im SOLIDpower BlueGen.
Niedertemperatur-Zelle (PEM) unter 100 °C
Ist schnell betriebsbereit, braucht aber sehr reinen Wasserstoff und einen zusätzlichen Reformer. Kommt z. B. im Viessmann Vitovalor mit Gas-Brennwerttechnik vor.
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.
Das Strom-Wärme-Verhältnis hängt stark vom Gerätetyp ab: PEM-Hausgeräte wie Vitovalor liefern eher etwas mehr Wärme als Strom, SOFC-Geräte wie BlueGen deutlich mehr Strom als Wärme. Im Vergleich zu vielen motorischen Mikro-BHKW ist der elektrische Anteil meist höher. Eine Brennstoffzellenheizung ist daher vor allem dort sinnvoll, wo der erzeugte Strom möglichst viel selbst verbraucht wird.
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