Möglichkeiten zum Heizen mit Wasserstoff

Wasserstoff zum Heizen einsetzen

Wasserstoff ist ein chemisches Element, das den ersten Platz im Periodensystem der Elemente einnimmt. Es kommt in nahezu allen organischen Verbindungen der Erde vor. Ohne die äußeren Einflüsse zu verändern, existiert es dabei in der Regel nicht in reiner, sondern in molekularer Form. Das H₂-Gas ist farb- und geruchlos und hat einen Energieinhalt von drei Kilowattstunden je  Normkubikmeter  (ein Kubikmeter bei 15 Grad Celsius und 1 bar).  

Heizen mit Wasserstoff: Vorteile und Besonderheiten

Die chemische Energie im Wasserstoff kann anders als bei Gas oder Öl nicht über eine Verbrennung, sondern eine chemische Reaktion gewonnen werden. In einer sogenannten Brennstoffzelle wird der Wasserstoff dabei in Elektronen und Protonen geteilt. Bei dieser Brennstoffzelle handelt es sich um ein abgeschlossenes Bauteil, das aus zwei Elektroden und einer Trennschicht besteht. Während die Elektronen über einen elektrischen Leiter zwischen den Elektroden wandern und Strom fließt, schlüpfen die Protonen durch die Trennschicht und verbinden sich auf der anderen Seite mit Elektronen und Sauerstoff zu Wasser.  

Neben dem Strom entsteht bei der Reaktion auch Wärme. Mit einer Wasserstoff-Heizung kann diese zum Heizen von Gebäuden oder für die Warmwasserbereitung genutzt werden. Das besondere am gesamten Prozess: Abgase bleiben aus und das Klima wird geschont.

Woher kommt der Brennstoff für die Wasserstoff-Heizung?

Während es heute zwar einige Wasserstofftankstellen gibt, hat in Deutschland kaum einer einen Wasserstoff-Tank im eigenen Haus. Um den Stoff dennoch zum Heizen verwenden zu können, wird er in Brennstoffzellen-Heizgeräten zum Beispiel über einen Reformer aus Erdgas hergestellt. Dazu wird der  Brennstoff Gas  mit heißem Wasserdampf versetzt. Neben dem Wasserstoff selbst entstehen dabei Kohlendioxid und Wasser. Eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle kann Wasserstoff hingegen direkt über den Katalysator der Elektrode aus Erdgas gewinnen. Ein Reformer ist dabei nicht erforderlich. Im Beitrag zur  Funktionsweise der Brennstoffzelle  erklären wir, wie das im Detail funktioniert.  

Wasserstoff aus erneuerbarem Strom herstellen

Eine andere Möglichkeit, den  Wasserstoff für die Heizung herzustellen, ist die Elektrolyse. Bei dem Prozess wird Wasser mit Strom in Wasserstoff und Sauerstoff getrennt. In speziellen Energiezellen funktioniert das sogar regenerativ. Denn dabei wird überschüssiger Strom zur Wasserstoffproduktion genutzt. Der Vorteil: Im Gegensatz zum energieintensiven Reformer funktioniert das allein mit erneuerbaren Energien. Diese können in Form von  grünem Wasserstoff  über lange Zeit – zum Beispiel vom Sommer bis in den Winter – gespeichert werden. Das schont fossile Ressourcen und senkt die Heizkosten.

Heizen mit Wasserstoff: Experimentelle Möglichkeiten   

Geht es um das Heizen mit Wasserstoff, sind heute verschiedene Technologien bekannt. Beispiele dafür sind Gasthermen, sogenannte KAT-Heizgeräte oder Sandheizungen. Aufgrund der Gefahren, die vom Wasserstoffgas ausgehen, kommen diese jedoch überwiegend in experimentellen Bereichen zum Einsatz.

Gasthermen verbrennen das Gas direkt

Eine erste Möglichkeit zum Heizen mit Wasserstoff ist das Verbrennen von Knallgas in Gasthermen. Dabei wird die besonders hohe Reaktionsfreudigkeit von Wasser- und Sauerstoff genutzt. Wichtige technische Voraussetzungen sind spezielle Brennerdüsen und sicherheitstechnische Einrichtungen. So darf die Flamme beim Abschalten nicht zurückschlagen. Auch ein Wasserstoffanstieg auf über vier Prozent muss durch einen Sensor ausgeschlossen sein, um eine Explosion zu verhindern. Da die Anlagen mit hohen Risiken verbunden sind, kommen sie aktuell lediglich in Versuchen zum Einsatz.  

Katalysatoren heizen mit Wasserstoff  

Auch Katalysatoren können das unsichtbare Gas verbrennen, um Wärme freizusetzen. Möglich ist das, indem sie den Reaktionsprozess von Wasser- und Sauerstoff unter kontrollierten Bedingungen starten, wie zum Beispiel in Kernkraftwerken. Hier überführen Rekombinatoren den entstehenden Wasserstoff wieder in die flüssige Phase, um gefährliche Explosionen zu verhindern.  

Eine Ableitung dieser KAT-Heizung ist die Sandheizung. Dabei füllen Forscher Sand und Platinblättchen in ein Brennrohr. Strömt das Knallgas anschließend von unten ein, reagiert es am Platin. Das Material erwärmt sich und gibt thermische Energie an den Sand ab. Ein Wärmeübertrager könnte die Energie anschließend aufnehmen und in das Heizsystem einspeisen.

Verfügbare Lösungen: Die Wasserstoff-Heizung

Geht es um das Heizen mit Wasserstoff, gibt es heute auch erprobte und sichere Lösungen. Ein Beispiel dafür ist die Brennstoffzellenheizung, die in einem Prozess Strom und Wärme erzeugt. Möglich ist das durch spezielle Zellen, die aus zwei Elektroden bestehen und durch eine Zwischenschicht voneinander getrennt sind. Trifft der Wasserstoff auf die erste Elektrode, trennt ein Katalysator die Atome in Elektronen und Protonen. Während die Elektronen über einen elektrischen Leiter zur zweiten Elektrode wandern, entsteht Strom. Gleichzeitig schlüpfen die Protonen durch die Trennschicht. Sie verbinden sich wieder mit den Elektronen und Sauerstoff, wobei auch thermische Energie freigesetzt wird. Während sich die Wärme in der Heizung verwenden lässt, können Hausbesitzer den erzeugten Strom auch selbst nutzen.

Ganzheitlich: Heizen mit Wasserstoff und Photovoltaik   

Während eine herkömmliche Brennstoffzellenheizung den Wasserstoff aus Erd- oder Flüssiggas gewinnt, eignen sich auch Photovoltaikanlagen zum Herstellen des Gases. Denn diese erzeugen elektrische Energie, mit der sich ein sogenannter Elektrolyseur betreiben lässt. Dieser spaltet Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff. Während der Sauerstoff in die Luft entweichen kann, lässt sich das Wasserstoffgas  zur Erzeugung von Strom und Wärme nutzen. Weitere Informationen zu diesem Thema haben wir für Sie im Beitrag  Brennstoffzellenheizung mit Photovoltaik.