Brennstoffzellenheizungen werden mit Wasserstoff betrieben, welches aus Erdgas erzeugt wird. Sie produzieren Wärme und Strom und zwar mit höchster Effizienz. Deshalb 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) gilt als DIE nachhaltige und zukunftsweisende Heizungstechnologie an sich. Mit ihr kann man gleichzeitig Wärme und Strom sehr effizient aus Erdgas erzeugen. Bis zu 40% der eingesetzten Energie können im Vergleich zu herkömmlichen Heizungen eingespart werden. Zusätzlich werden die CO₂-Emissonen glatt halbiert. Wie also funktioniert das Wunderding Brennstoffzellenheizung, das inzwischen weltweit in hunderttausenden Haushalten zuverlässig zum Einsatz kommt?
Aus Erdgas wird 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.
Der Wasserstoff für die Brennstoffzellenheizung kommt also nicht per Gasrohr in den Heizungskeller. Vielmehr wird er in einer BZH zunächst aus emmisionsarmen Erdgas extrahiert. Dies geschieht in einem besonderen Bauteil, das Reformator genannt wird. Im Reformator wird dem Erdgas mittels eines Katalysators der Wasserstoff entzogen. Er steht nun der weiteren Verarbeitung in der Anlage zur Verfügung.
Funktionsweise einer Brennstoffzellenheizung
Aus Wasserstoff wird Strom
Die zentrale Einheit dieser Heizung ist die Brennstoffzelle. Schematisch betrachtet besteht diese aus drei Teilen: der Anode, der Kathode und dazwischen einer Trennschicht. Das ist eine halbdurchlässige Membran oder ein Elektrolyt (Ionenleiter) bestehend aus Metall oder Kohlenstoff , das wiederum mit einem Katalysator wie Platin beschichtet ist. Bei Einbringung des Wasserstoffs in die Brennstoffzelle findet ein elektrochemischer Prozess statt, die so genannte „kalte Verbrennung“. Diese wurde übrigens schon 1838 von dem schwäbisch-schweizerischen Wissenschaftler Christian Friedrich Schönbein nachgewiesen. Es handelt sich um einen galvanischen Prozess, bei dem der Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert. Dadurch entsteht zwischen Anode und Kathode eine elektrische Spannung, die allerdings mit 0,5 bis 1 Volt nicht sehr hoch ist. Deswegen werden in einer Brennstoffzellenheizung mehrere Brennstoffzellen in einem Stack genannten Bauteil hintereinandergeschaltet. Dadurch wird je nach Modell eine elektrische Leistung von 700 bis 1500 Watt möglich. Der Wirkungsgrad der reinen Stromerzeugung einer Brennstoffzelle liegt bei 40 bis 60%. Es wird also gut die Hälfte der Energie, die als Wasserstoff hineingeht, gewonnen. Aber es wird ja nicht nur Strom sondern gleichzeitig auch Wärme erzeugt…
„Die Brennstoffzellentechnik zählt zum Spannendsten, was der Heizungsmarkt derzeit zu bieten hat.“
— Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie BDH
Heizen mit Wasserstoff
Während des Prozesses in der Brennstoffzelle wird nicht nur Strom erzeugt, sondern es entsteht auch Wärme, wenn der Wasserstoff mit dem Sauerstoff reagiert. Diese Wärme wird zum Heizen genutzt, also zur Erhitzung von Wasser, was dann entweder in die Heizungsrohre geht oder der Warmwasserversorgung dient. Durch diese doppelte Funktion – Strom und Wärme – erhöht sich der Wirkungsgrad einer Brennstoffzellenheizung auf über 90%. Das bedeutet allerdings auch, dass eine BZH nur dann wirklich effizient betrieben werden kann, wenn gleichzeitig Strom und Wärme genutzt werden. Die BZH allein für die Stromerzeugung einzusetzen ist nicht wirtschaftlich.
Innenleben der Brennstoffzellenheizung Vitovalor von Viessmann. Quelle: Viessmann
Effizienzwunder Brennstoffzellenheizung
Fast die gesamte Energie, die man mit dem Erdgas in diese, salopp gesagt, Heizungs- und Strommaschine hineinleitet, wird zur Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie verwendet. Das ist ein weit besserer Wert als bei herkömmlichen Heizungssystemen wie Erdgas- oder Öl-Heizungen, die nur Wärme produzieren. Der Rest der Energie geht bei diesen Heizungen ungenutzt durch den Schornstein in die Außenluft. Deshalb verbraucht zwar die Brennstoffzellenheizung mit Erdgas einen fossilen Energieträger, aber durch die enorme Effizienz ist der CO₂-Ausstoß natürlich weit geringer als bei konventionellen Anlagen.
CO2-Reduktion unterschiedlicher Heizungssysteme bei Ersatz einer Gas-Heizung
Die Doktoren Weinreuter sind Zwillingsbrüder und betreiben eine Zahnarztpraxis bei Heilbronn. Diese befindet sich in einem Gebäude aus den 90ern, ausgestattet mit einer veralteten Gasheizung. Erdgas Südwest wurde beauftragt, stattdessen eine moderne Brennstoffzellenheizung zu installieren.
Sich selbst komplett mit Energie zu versorgen, ist möglich und eine gute Sache im Sinne des Klimaschutzes. Wer moderne Technologien bei der Energieerzeugung wie PV-Anlagen oder eine Brennstoffzellenheizung einsetzt, kann in Kombination mit Speichersystemen eine 100%-ige Autarkie bei der Energieversorgung erreichen.
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Aus Erdgas wird 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.
Der Wasserstoff für die Brennstoffzellenheizung kommt also nicht per Gasrohr in den Heizungskeller. Vielmehr wird er in einer BZH zunächst aus emmisionsarmen Erdgas extrahiert. Dies geschieht in einem besonderen Bauteil, das Reformator genannt wird. Im Reformator wird dem Erdgas mittels eines Katalysators der Wasserstoff entzogen. Er steht nun der weiteren Verarbeitung in der Anlage zur Verfügung.
Aus Wasserstoff wird Strom
Die zentrale Einheit dieser Heizung ist die Brennstoffzelle. Schematisch betrachtet besteht diese aus drei Teilen: der Anode, der Kathode und dazwischen einer Trennschicht. Das ist eine halbdurchlässige Membran oder ein Elektrolyt (Ionenleiter) bestehend aus Metall oder Kohlenstoff , das wiederum mit einem Katalysator wie Platin beschichtet ist. Bei Einbringung des Wasserstoffs in die Brennstoffzelle findet ein elektrochemischer Prozess statt, die so genannte „kalte Verbrennung“. Diese wurde übrigens schon 1838 von dem schwäbisch-schweizerischen Wissenschaftler Christian Friedrich Schönbein nachgewiesen. Es handelt sich um einen galvanischen Prozess, bei dem der Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert. Dadurch entsteht zwischen Anode und Kathode eine elektrische Spannung, die allerdings mit 0,5 bis 1 Volt nicht sehr hoch ist. Deswegen werden in einer Brennstoffzellenheizung mehrere Brennstoffzellen in einem Stack genannten Bauteil hintereinandergeschaltet. Dadurch wird je nach Modell eine elektrische Leistung von 700 bis 1500 Watt möglich. Der Wirkungsgrad der reinen Stromerzeugung einer Brennstoffzelle liegt bei 40 bis 60%. Es wird also gut die Hälfte der Energie, die als Wasserstoff hineingeht, gewonnen. Aber es wird ja nicht nur Strom sondern gleichzeitig auch Wärme erzeugt…
Heizen mit Wasserstoff
Während des Prozesses in der Brennstoffzelle wird nicht nur Strom erzeugt, sondern es entsteht auch Wärme, wenn der Wasserstoff mit dem Sauerstoff reagiert. Diese Wärme wird zum Heizen genutzt, also zur Erhitzung von Wasser, was dann entweder in die Heizungsrohre geht oder der Warmwasserversorgung dient. Durch diese doppelte Funktion – Strom und Wärme – erhöht sich der Wirkungsgrad einer Brennstoffzellenheizung auf über 90%. Das bedeutet allerdings auch, dass eine BZH nur dann wirklich effizient betrieben werden kann, wenn gleichzeitig Strom und Wärme genutzt werden. Die BZH allein für die Stromerzeugung einzusetzen ist nicht wirtschaftlich.
Effizienzwunder Brennstoffzellenheizung
Fast die gesamte Energie, die man mit dem Erdgas in diese, salopp gesagt, Heizungs- und Strommaschine hineinleitet, wird zur Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie verwendet. Das ist ein weit besserer Wert als bei herkömmlichen Heizungssystemen wie Erdgas- oder Öl-Heizungen, die nur Wärme produzieren. Der Rest der Energie geht bei diesen Heizungen ungenutzt durch den Schornstein in die Außenluft. Deshalb verbraucht zwar die Brennstoffzellenheizung mit Erdgas einen fossilen Energieträger, aber durch die enorme Effizienz ist der CO₂-Ausstoß natürlich weit geringer als bei konventionellen Anlagen.
Links
Informationen zur Brennstoffzellenheizung bei Erdgas Südwest: www.erdgas-suedwest.de/brennstoffzelle
Vollständige Infografik zum Wärmemarkt in Deutschland und den Vorteilen und der Funktionsweise einer Brennstoffzellenheizung