Brennstoffzellenheizung Vitovalor von Viessmann

Wie funktioniert eine Brennstoff­zellen­heizung?

Brennstoffzellenheizungen sind kleine Blockheizkraftwerke und funktionieren nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung. Sie erzeugen Wasserstoff aus Erdgas und produzieren so Wärme und Strom. Damit zählen sie zu den modernsten Heizungssystemen unserer Zeit. Wir erklären, wie eine Brennstoffzellenheizung funktioniert und warum diese Technologie eine große Zukunft hat.

Die Brennstoffzellenheizung (BZH), auch Wasserstoffheizung genannt, gilt als DIE nachhaltige und zukunftsweisende Heizungstechnologie. Sie erzeugt Wärme und Strom aus Wasserstoff und spart dabei im Vergleich zu herkömmlichen Heizungen bis zu 40 % Energie. Zusätzlich werden die CO₂-Emissionen glatt halbiert. Wie also funktioniert das Wunderding Brennstoffzellenheizung, das inzwischen weltweit in hunderttausenden Haushalten zuverlässig zum Einsatz kommt?

Inhalt

Schritt 1: Die Brennstoffzellenheizung erzeugt aus Erdgas Wasserstoff

Eine Brennstoffzelle verarbeitet Wasserstoff, um Strom und Wärme zu erzeugen. Wasserstoff ist das am weitesten verbreitete chemische Element: 93 % der Welt bestehen aus Wasserstoff, allerdings immer gebunden in anderen Verbindungen wie z. B. in Wasser oder in anderen Gasen wie Erdgas. Damit spielt Wasserstoff eine wichtige Rolle für die Energiewende.

Der Wasserstoff für die Brennstoffzellenheizung kommt aber nicht per Gasrohr in den Heizungskeller. Vielmehr wird er in einer BZH durch einen Reformer zunächst aus emissionsarmem Erdgas extrahiert. In diesem Reformer wird dem Erdgas mittels eines Katalysators der Wasserstoff entzogen. Er steht nun der weiteren Verarbeitung in der Anlage zur Verfügung. Mittelfristig ist die Vision, dass der Wasserstoff direkt aus dem Gasrohr kommt und somit das Erdgas ersetzt.

Mehr Informationen zur Brennstoffzellenheizung bei Erdgas Südwest.

Funktionsweise einer Brennstoffzellenheizung
Funktionsweise einer Brennstoffzellenheizung

Schritt 2: Aus Wasserstoff werden Strom und Wärme

Die zentrale Einheit einer Wasserstoffheizung ist die Brennstoffzelle. Diese besteht aus drei Teilen: der Anode, der Kathode und dazwischen einer Trennschicht. Dabei handelt es sich um eine halbdurchlässige Membran oder ein Elektrolyt (Ionenleiter) bestehend aus Metall oder Kohlenstoff, das wiederum mit einem Katalysator wie Platin beschichtet ist. Gelangt nun der Wasserstoff in die Brennstoffzelle findet ein elektrochemischer Prozess statt, die so genannte kalte Verbrennung.

Diese wurde bereits 1838 von dem schwäbisch-schweizerischen Wissenschaftler Christian Friedrich Schönbein nachgewiesen. Es handelt sich um einen galvanischen Prozess, bei dem Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert. Dadurch entsteht elektrische Spannung zwischen Anode und Kathode, die allerdings mit 0,5 bis 1 Volt nicht sehr hoch ist. Deswegen besteht eine Brennstoffzellenheizung auch aus mehreren Brennstoffzellen, die in einem Stack hintereinandergeschaltet werden. Je nach Modell erreicht die BZH so eine elektrische Leistung von 0,75 kW. Der Wirkungsgrad der reinen Stromerzeugung einer Brennstoffzelle liegt bei 40 bis 60 %. Gut die Hälfte der Energie wird also in Strom umgewandelt.

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Schritt 3: Heizen mit Wasserstoff

Während der kalten Verbrennung in der Brennstoffzelle wird nicht nur Strom erzeugt. Reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff, entsteht auch Wärme. Diese Wärme gelangt über das Trägermedium Wasser in einen Wärmetauscher und fließt dann entweder in die Heizungsrohre oder in die Warmwasserversorgung. Die thermische Leistung der Brennstoffzellenheizung liegt dabei bei etwa 1,1 kW, dazu kommt ein Trinkwasserspeicher von 220 Liter.

Brennstoffzellenheizung von Innen
Innenleben der Brennstoffzellenheizung Vitovalor von Viessmann. Quelle: Viessmann

Die Brennstoffzellenheizung eignet sich besonders für Niedrigenergiehäuser bzw. energetisch sanierte Gebäude mit einem geringen Raumwärmebedarf. Ihre doppelte Funktion der gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärmeenergie erhöht ihren Wirkungsgrad auf über 90 %.

Unterschiedliche Brennstoffzellenarten

Man unterscheidet zwei Typen von Brennstoffzellen: die Niedertemperatur-Brennstoffzelle und die Hochtemperatur-Brennstoffzelle. Die Arbeitstemperatur einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle liegt zwischen 50 und 200 Grad, die einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle bei 600 bis 1.000 Grad. Je nach Betriebstemperatur unterscheiden sich Hoch- und Niedertemperatur-Brennstoffzelle in Funktion und Aufbau.

Die Hochtemperatur-Brennstoffzelle
Eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle arbeitet nach dem Prinzip der kalten Verbrennung. Bis diese erreicht ist, laufen die Zellen auch mit unreinem Wasserstoff. Der Brennstoff lässt sich allein über den Metall-Katalysator der Elektrode gewinnen. Ein zusätzlicher externer Reformer fällt weg. Zwischen den Elektroden befindet sich eine Sperrschicht unter anderem aus einem festen Elektrolyt oder aus geschmolzenen Karbonaten.

Die Niedertemperatur-Brennstoffzelle
Eine Niedertemperatur erreicht die kalte Verbrennung bereits unterhalb von 100 Grad, weshalb sie sich gut für den mobilen Einsatz zum Beispiel in Brennstoffzellenautos eignet. Da sie sensibel auf Kohlenmonoxid reagieren, laufen sie möglichst nur mit reinem Wasserstoff. Daher ist hier ein zusätzlicher Reformer unbedingt notwendig. 

Effizienzwunder Brennstoffzellenheizung

Wasserstoff eignet sich sehr gut als Brennstoff, da er über eine hohe Energiedichte verfügt und dabei das leichteste aller Gase ist. Auf seine Masse bezogen bringt er es mit 33,33 kWh/kg auf die höchste Energiedichte aller Brennstoffe. Methan erreicht hier nur 13,9 kWh/kg, Benzin 12 kWh/kg. Dazu kommt, dass Wasserstoff in seiner reinen Form nicht explosionsfähig oder selbstentzündlich ist. Er ist weder zerfallsfähig noch oxidierend oder giftig, ätzend oder radioaktiv. So unterscheidet sich Wasserstoff doch ganz entscheidend von anderen Brennstoffen – und die Brennstoffzellenheizung damit auch von anderen Heizsystemen.

Fast die gesamte Energie, die über das Erdgas in die Wasserstoffheizung hineinfließt, wird in elektrische und thermische Energie umgewandelt. Das ist ein weit besserer Wert als bei herkömmlichen Heizungssystemen wie Erdgas- oder Öl-Heizungen, die nur Wärme produzieren und alles Überschüssige über den Schornstein in die Außenluft abführen. Zwar verarbeitet die BZH mit Erdgas einen fossilen Energieträger, sie weist aber durch ihre enorm hohe Effizienz einen sehr geringen CO2-Ausstoß auf und hat einen weitaus höheren Wirkungsgrad als andere Blockheizkraftwerke. Wird die Brennstoffzellenheizung mit Biogas (entspricht Biomethan bzw. Bioerdgas) betrieben, ist sie komplett klimaneutral. Einige Modelle sind bereits H2-ready und können mit einer Wasserstoffbeimischung von 20 Prozent betrieben werden.

Dazu kommt, dass eine Brennstoffzellenheizung nahezu wartungsfrei über viele Jahre läuft. Denn im Gegensatz zu anderen Heizsystemen werden hier keine mechanischen Teile in Bewegung gehalten. So kommt es zu viel weniger Verschleiß. Nur einzelne Bauteile wie Zellenstapel oder Stacks müssen nach einer gewissen Dauer ausgetauscht werden.

Brennstoffzellenheizung-CO2-Vergleich-Reduktion
CO2-Reduktion unterschiedlicher Heizungssysteme bei Ersatz einer Gas-Heizung

Fazit

Die Anschaffung einer neuen Heizungsanlage ist immer eine größere Umbaumaßnahme und will gut geplant und durchdacht sein. Wer aktuell bereits mit einer Gasheizung heizt, kann seine Umbaukosten durch den Einsatz der vorhandenen Leitung nicht nur minimieren, sondern bereits heute schon CO2-neutral heizen und mit einer modernen Brennstoffzellenheizung sogar auf eine Heizlösung mit Zukunft setzen. 

Alte Heizungen mit fossilen Brennstoffen wie Öl oder Erdgas werden in Zukunft nach und nach ausgetauscht. Moderne Technologien heizen effektiv und Hausbesitzer tragen mit einem Umbau aktiv zum Klimaschutz bei. Wasserstoffheizungen machen einfach Sinn und die Brennstoffzellenheizung gehört mit ihrer Technologie auf jeden Fall zu den zukunftsweisenden Heizsystemen auf dem Weg zur erfolgreichen Energiewende.

„Die Brennstoffzellentechnik zählt zum Spannendsten, was der Heizungsmarkt derzeit zu bieten hat.“

— Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie BDH

Links

Mehr Informationen zur Brennstoffzellenheizung bei Erdgas Südwest.

Infografik zum Wärmemarkt in Deutschland und den Vorteilen und der Funktionsweise einer Brennstoffzellenheizung

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