Strom und Wärme aus der Brennstoffzellenheizung

Eine Brennstoffzellenheizung ist eine stromerzeugende Heizung. Anders als herkömmliche Wärmeerzeuger gewinnt sie Strom und Wärme dabei jedoch nicht aus einer Verbrennung, sondern aus einer chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Wie das funktioniert, woher der Wasserstoff kommt und für wen sich eine Brennstoffzellenheizung lohnt, erklären wir im folgenden Beitrag.

Funktionsweise der Brennstoffzellenheizung

Eine Brennstoffzellenheizung produziert nicht nur Wärme für Heizung und Warmwasser, sondern auch Strom, der im eigenen Haus verbraucht oder in das öffentliche Netz eingespeist werden kann. Anders als bei einem BHKW funktioniert das jedoch nicht über eine Verbrennung, sondern über eine chemische Reaktion in sogenannten Brennstoffzellen.

Modellzelle einer Brennstoffzellenheizung im Labor
© science photo / Fotolia

Einfach beschrieben bestehen diese aus zwei Elektroden, die durch eine bedingt durchlässige Membran voneinander getrennt sind. Wird eine davon – die negativ geladene Anode - mit Wasserstoff beaufschlagt, teilt sich dieser durch einen Katalysator in Elektronen und Protonen. Durch die Wanderung der Elektroden über einen elektrischen Leiter zur zweiten Elektrode - der positiv geladenen Kathode – entsteht Strom. Gleichzeitig schlüpfen die Protonen durch die nur für sie durchlässige Membran und verbinden sich auf der anderen Seite mit den Elektronen und Sauerstoff aus der Luft zu Wasser. Die dabei entstehende Wärme kann gewonnen und für die Raumheizung oder die Warmwasserbereitung genutzt werden. Betrachtet man nur eine Zelle, so sind die nutzbaren Energiemengen nur sehr klein. Damit die Elemente trotz dessen auch zur Versorgung moderner Gebäude eingesetzt werden können, besteht eine Brennstoffzellenheizung immer aus mehreren miteinander verbundenen Zellen – den sogenannten Stacks.

Das nachfolgende Bild verdeutlicht den Ablauf der chemischen Reaktion, die auch kalte Verbrennung genannt wird und die in einer Heizung mit Brennstoffzelle stattfindet:

Erklärung der Funktionsweise der Brennstoffzelle anhand einer Grafik
© heizung.de

Was unterscheidet die Heizung mit Brennstoffzelle vom BHKW?

Stirling-Heizung, Brennstoffzelle und BHKW mit Verbrennungsmotor zählen zu Kraft-Wärme-Kopplungs-Geräten (KWK). Das heißt, sie erzeugen nicht nur Wärme für Heizung und Warmwasser, sondern auch Strom, der zum Beispiel im eigenen Haus verbraucht werden kann. Anders als BHKWs mit Stirling- oder Verbrennungsmotor funktioniert die Heizung mit Brennstoffzelle aber ganz ohne herkömmliche Verbrennung. Denn diese gewinnt thermische und elektrische Energie aus einem speziellen chemischen Prozess, der auch kalte Verbrennung genannt wird.

Das Besondere daran: Wärme und Strom können so in einem ähnlichen Verhältnis gewonnen werden. Günstig ist das vor allem in Gebäuden mit niedrigem Energiebedarf für die Heizung. Die Brennstoffzelle erzeugt dabei mehr Strom als ein BHKW und erreicht höhere Einsparungen.

Woher kommt der Wasserstoff für die Brennstoffzellenheizung?

Wasserstoff für die Heizung gilt bei vielen Experten als Rohstoff bzw. Energiespeicher der Zukunft. Denn er kann durch eine Elektrolyse – dabei wird Wasser durch Strom in Wasserstoff und Sauerstoff getrennt - zum Beispiel aus überschüssigem Wind- oder Solarstrom hergestellt und über das öffentliche Gasnetz verteilt werden. Während das in Großanlagen unter dem Namen Power-to-Gas bereits getestet wird, ist der Vorgang theoretisch auch im kleinen Stil möglich. Wie dieser Energiespeicher industriell zwischengelagert wird, erfahren Sie im Beitrag "Wasserstoff speichern".

Bis die Technologie flächendeckend eingesetzt werden kann, gewinnt eine Brennstoffzellenheizung den für die Reaktion benötigten Wasserstoff allerdings über einen sogenannten Reformer aus Erdgas oder Flüssiggas. Mit Hilfe von heißem Wasserdampf wird Wasserstoff dabei zum Beispiel aus Methan gelöst.   

Wann lohnt sich eine Brennstoffzellenheizung?

Neben der Brennstoffzellenheizung erzeugen auch andere Kraft-Wärme-Kopplungs-Geräte Strom und Wärme gleichzeitig. Entscheidend für den wirtschaftlichen Einsatz ist dabei jedoch das Verhältnis, in denen die unterschiedlichen Energieformen gewonnen werden. Während ein BHKW Strom und Wärme ungefähr in einem Verhältnis von eins zu drei produziert, liegt dieses bei einer Brennstoffzellenheizung annähernd bei eins zu eins. Das heißt, auf jede Kilowattstunde Strom, kommt eine Kilowattstunde Wärme.

Da die Geräte im Vergleich zu anderen Heizsystemen sehr teuer sind, lohnt sich ihr Einsatz nur, wenn die Einsparungen durch den selbst produzierten Strom sehr hoch sind. Voraussetzung dafür ist allerdings eine lange Laufzeit, bei der auch die Wärme sinnvoll eingesetzt werden muss. Bei dem immer weiter sinkenden Energiebedarf moderner Wohngebäude muss aber nur noch wenig Wärme erzeugt werden – die Laufzeit und die Menge des produzierten Stroms ist daher bei BHKWs sehr klein. Durch das annähernd gleiche Verhältnis von elektrischer und thermischer Energie produziert eine Brennstoffzellenheizung deutlich mehr Strom. Die Einsparungen liegen dabei so hoch, dass sich die moderne Technik selbst in energieeffizienten Gebäuden finanziell lohnen kann.

Für eine zuverlässige Aussage zur Wirtschaftlichkeit sollten Hausbesitzer ihre Gebäude immer erst einmal gründlich analysieren lassen.

Förderung der Brennstoffzellenheizung

Eine Brennstoffzellenheizung zählt mit etwa 25.000 Euro noch zu den vergleichsweise teureren Heizsystemen. Da aber auch der Staat die Technologie als nachhaltig und besonders innovativ einschätzt, fördert er die Installation der stromerzeugenden Heizung. Mit einem Festbetrag von 5.700 Euro und einem leistungsabhängigen Bonus von 450 Euro je angefangener 100 Watt elektrischer Leistung bekommen Bauherren und Hausbesitzer dabei bis zu 40 Prozent der Investitionskosten erstattet. Möglich ist das über das Programm 433 „Energieeffizient Bauen und Sanieren - Zuschuss Brennstoffzelle (433)“ der Kreditbank für Wiederaufbau (kurz KfW).

Die Förderung für eine Brennstoffzellenheizung muss in jedem Falle noch vor dem Beginn der Maßnahmen bei der KfW beantragt werden. Im Zweifelsfall können Sie sich hier nicht nur vom Installateur unterstützen lassen, sondern den Antrag auch zusammen mit einem Energieberater ausfüllen. 

Heizung.de Autor Alexander Rosenkranz

Fazit von Alexander Rosenkranz

Die Brennstoffzellenheizung ist eine stromerzeugende Heizung, die sich durch ihre hohe Effizienz auch in modernen und energiesparenden Häusern eignet. Mit Zuschüssen von bis zu 40 Prozent unterstützt der Gesetzgeber die Markteinführung der innovativen Technik.

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