Klimaneutrales Heizen 15.11.2022, 14:53 Uhr

Jetzt und in Zukunft: Wie sinnvoll ist eine Brennstoffzellenheizung?

In Japan werden Brennstoffzellenheizungen bereits millionenfach verbaut, hierzulande fristen sie jedoch mehr oder weniger ein Schattendasein. Warum das so ist und warum Brennstoffzellen dennoch eine Option für die Zukunft sind, erfahren Sie in diesem Ratgeber.

Brennstoffzellenheizung Viessmann

Die Anschaffung einer Brennstoffzellenheizung ist relativ teuer. Dafür wird aber auch Wärme und Strom in einem Gerät zur gleichen Zeit erzeugt.

Foto: Viessmann

Brennstoffzellenheizungen produzieren Wärme, Warmwasser und Strom, das hört sich zunächst einmal wie die eierlegende Wollmilchsau an, gerade in Zeiten explodierender Energiepreise. Allerdings nutzen die meisten Anlagen Erdgas als Energiequelle, was sicherlich keine großartige Option für die Zukunft ist. Das führt uns zu der Frage, wie sinnvoll eine Brennstoffzellenheizung ist und ob wir zukünftig besser auf andere Technologien wie Wärmepumpen setzen sollten.

Wie funktionieren Brennstoffzellen?

Bei einer Brennstoffzelle handelt es sich, ganz einfach gesagt, um einen Energiewandler. Eine Zelle besteht hierbei aus einer Kathode sowie einer Anode sowie einem Elektrolyten. Durch Zugabe von Wasserstoff und Sauerstoff wird eine chemische Reaktion in Gang gesetzt, in deren Folge unter anderem Wärme und elektrischer Strom entstehen. Man spricht daher auch von Kraft-Wärme-Kopplung.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Niedersächsische Landesamt für Bau und Liegenschaften-Firmenlogo
Ingenieure (m/w/d) Architektur / Bauingenieurwesen Niedersächsische Landesamt für Bau und Liegenschaften
Hannover Zum Job 
Landeshauptstadt Stuttgart-Firmenlogo
Projektleiter*in Architektur für öffentliche Bauten (m/w/d) Landeshauptstadt Stuttgart
Stuttgart Zum Job 
Landeshauptstadt Stuttgart-Firmenlogo
Projektleiter*in Elektrotechnik und Versorgungstechnik (m/w/d) Landeshauptstadt Stuttgart
Stuttgart Zum Job 
PYUR - Tele Columbus Betriebs GmbH-Firmenlogo
Projektleiter Netzqualität (all genders) PYUR - Tele Columbus Betriebs GmbH
Leipzig, Dresden Zum Job 
WACKER-Firmenlogo
Ingenieur Verfahrenstechnik / Maschinenbau (w/m/d) WACKER
Burghausen Zum Job 
Umicore AG & Co. KG-Firmenlogo
Electrical and Instrumentation Engineer (m/w/d) Umicore AG & Co. KG
Hanau-Wolfgang Zum Job 
SWM Services GmbH-Firmenlogo
Inbetriebsetzungsleiter*in Verfahrenstechnik (m/w/d) SWM Services GmbH
München Zum Job 
Panasonic Industrial Devices Europe-Firmenlogo
Automotive Software Engineer (m/f/d) Hybrid Panasonic Industrial Devices Europe
Lüneburg Zum Job 
TÜV Rheinland-Firmenlogo
Ingenieur*in als Sachverständige*r Aufzugsprüfung (w/m/d) TÜV Rheinland
München Zum Job 
TÜV Rheinland-Firmenlogo
Produktmanager*in Werkzeuge und Gartengeräte (w/m/d) TÜV Rheinland
Nürnberg Zum Job 
TÜV Rheinland-Firmenlogo
Ingenieur*in als Sachverständige*r Elektrotechnik - Baurecht TÜV Rheinland
Nürnberg Zum Job 
Kölner Verkehrs-Betriebe AG-Firmenlogo
Projektingenieur (w/m/d) Planung/Bauleitung Bahnstromversorgung Kölner Verkehrs-Betriebe AG
Kölner Verkehrs-Betriebe AG-Firmenlogo
Ingenieur (w/m/d) Elektrotechnik Kölner Verkehrs-Betriebe AG
DUNGS-Firmenlogo
Entwickler Embedded Software (m/w/d) DUNGS
Urbach, Hagen Zum Job 
Frankfurt University of Applied Sciences-Firmenlogo
Professur (Bes. Gr. W2 HBesG) für das folgende Fachgebiet: Künstliche Intelligenz in Kommunikationsnetzen Frankfurt University of Applied Sciences
Frankfurt am Main Zum Job 
DUNGS-Firmenlogo
Servicetechniker (m/w/d) DUNGS
Südwestfalen Zum Job 
DUNGS-Firmenlogo
Software Engineer Automation C# (m/w/d) DUNGS
Berliner Wasserbetriebe-Firmenlogo
Leitung (w/m/d) Schwerpunktwasserwerk Beelitzhof Berliner Wasserbetriebe
HAMAMATSU Photonics Deutschland GmbH-Firmenlogo
Support & Applikations Ingenieur für Digitale Pathologie Systeme (m/w/d) HAMAMATSU Photonics Deutschland GmbH
Herrsching am Ammersee Zum Job 
Berliner Wasserbetriebe-Firmenlogo
Ingenieur:in Projektsteuerung (w/m/d) Berliner Wasserbetriebe

Da der benötigte Wasserstoff für die Brennstoffzellen häufig noch nicht direkt per Leitung oder Tank zur Verfügung steht, wird dieser innerhalb der Brennstoffzelle aus einem Brenngas hergestellt. Für diesen als Reformierung bezeichneten Prozess kommt in der Regel Erdgas oder Flüssiggas zum Einsatz. Mit dem Nachteil, dass nach wie vor das umweltschädliche CO2 freigesetzt wird, erst wenn die Zellen wirklich ausschließlich mit grünem Wasserstoff gefüttert werden, arbeiten sie 100 Prozent klimaneutral.

Brennstoffzellentechnik hört sich ungemein modern und fortschrittlich an, das Prinzip ist allerdings schon seit 1839 bekannt. Wirklich genutzt wurde es aber erst in den 1960er-Jahren vom Militär und in der Raumfahrt. Größere Forschungsaktivitäten sind seit den 1990er-Jahren zu beobachten, als die Endlichkeit fossiler Energieträger und ihre negative Einwirkung auf die Umwelt sehr viel mehr in unser Bewusstsein gelangte. Gleichwohl sind Brennstoffzellenheizung in Deutschland nach wie vor eher Exoten, anders in Japan, wo bereits einige Millionen solcher Heizungen verbaut wurden.

Funktionsweise eine Brennstoffzelle

Funktionsweise eine Brennstoffzelle: Wasserstoff und Sauerstoff werden dem System zugeführt, Wärme und Strom entstehen

Foto: Panthermedia.net/serdiuk.igor.gmail.com

In einer Brennstoffzelle läuft die chemische Reaktion in zwei Schritten ab: Zunächst wird das energiereiche Wasserstoff-Molekül aufgespalten. Die Elektronen werden über einen Stromkreis umgeleitet und geben die Energie aus der chemischen Bindung in elektrischer Form ab. Im zweiten Reaktionsschritt nehmen sie an der energieärmeren Bindung im Wassermolekül teil.

Folgende Reaktionen laufen in einer Brennstoffzelle ab
Die Gesamtreaktion:

2 H2 + O2 → 2 H2O

An der Anode (Oxidation/Elektronenabgabe):

2 H2 → 4 H+ + 4 e

An der Kathode (Reduktion/Elektronenaufnahme):

O2 4 H+ + 4 e → 2 H2O

 

Welche Arten von Brennstoffzellen gibt es?

Wenn Brennstoffzellen zum Heizen genutzt werden, kommen nur zwei Arten in Frage: SOFC und PEMFC. SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) steht für Festoxid-Brennstoffzelle, während PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen sind. Der große Unterschied: SOFC-Brennstoffzellen arbeiten mit einer Betriebstemperatur von 650 bis 1000 Grad Celsius, während bei PEMFC eine Betriebstemperatur von 70 bis 90 Grad Celsius ausreicht.

Das können SOFC-Brennstoffzellen

Da SOFC-Brennstoffzellen bei extrem hohen Temperaturen arbeiten, braucht es ein Elektrolyt, das dieser widersteht. Dabei handelt es sich meist um die High-Tech-Keramik Zirkondioxid. Dank der hohen Temperaturen können die Brennstoffzellen den Brennstoff intern umwandeln, sie benötigen daher keinen externen Reformer, um das Erdgas in Wasserstoff zu wandeln. Das unterscheidet die SOFC von der PEMFC und spart Energie und zusätzliches Equipment.

Der elektrische Wirkungsgrad einer SOFC-Brennstoffzelle liegt bei 33 bis 60 Prozent und somit deutlich über dem von PEMFC-Zellen. Durch die hohe Betriebstemperatur ist zudem eine gute Wärmeauskopplung von bis zu 80 Grad Celsius möglich. Durch die hohen Arbeitstemperaturen benötigen SOFC-Brennstoffzellenheizungen eine lange Aufwärmphase, weshalb solche Heizungen möglichst dauerhaft laufen und nur in Störfällen abgekühlt werden sollten.

Das können PEMFC -Brennstoffzellen

Bei PEMC handelt es sich um sogenannte Niedertemperatur-Brennstoffzellen. Sie haben ein Elektrolyt in Form einer dünnen Kunststoffhaut, die durchlässig für Protonen (die Wasserstoffkerne H+) ist und diese leitet. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei 32 bis 37 Prozent und somit recht deutlich unter dem von SOFC. Sie benötigen möglichst reinen Wasserstoff als Brennstoff, wobei dieser zunächst mit Hilfe eines externen Reformers gewonnen werden muss. Dabei handelt es sich in der Regel um Erdgas.

Ein weiterer Nachteil dieser Technologie: Sie ist relativ schmutzempfindlich und anfällig bei verunreinigtem Gas. Das Wärme- und Wassermanagement ist zudem relativ aufwendig. Dafür punkten PEMC-Brennstoffzellen mit einem einfachen Aufbau, der kompakten Bauform und einer schnellen Reaktion auf wechselnde Lasten. Außerdem besitzen sie eine kurze Startphase und zeigen ein sehr flexibles Verhalten.

SOFC oder PEMFC – was ist besser?

Die meisten derzeit erhältlichen Brennstoffzellenheizungen arbeiten mit SOFC-Technologie, wobei es durchaus auch mehrere Hersteller gibt, die PEMFC-Heizungen anbieten. Bei nahezu allen angebotenen Heizungen gilt jedoch: Sie arbeiten mit Erdgas- oder Biogas, es gibt nur eine Variante, die mit Flüssiggas gefüttert wird. Von der Seite betrachtet, haben Sie die freie Wahl, ob Sie sich für eine SOFC- oder PEMFC-Heizung entscheiden wollen. Beides gibt als Mikro-KWK, kann also in Ein- oder Zweifamilienhäusern genutzt werden. Stellt sich für Sie höchstens die Frage, ob Sie ein möglichst effizientes System haben möchten oder eine Heizung, die schnell auf verschiedene Anforderungen reagiert.

Falls Sie Bedenken wegen der hohen Temperaturen bei SOFC-Brennstoffzellenheizungen haben: Die Verbrennung von Erdgas geschieht bei ähnlich hoher Hitze. Es kommt zwar explosiver Wasserstoff zum Einsatz, aber eine erhöhte Explosionsgefahr besteht dennoch nicht. Es sind auch keine Unfälle im Zusammenhang mit dem Betrieb von Brennstoffzellenheizungen bekannt. Was Haltbarkeit und Lebensdauer der verschiedenen Arten von Brennstoffzellen angeht, gibt es im regulären Betrieb keine Unterschiede.

Vor- und Nachteile von Brennstoffzellenheizungen

Wir haben bereits einiges über die verschiedenen Arten von Brennstoffzellen und ihre Vor- und Nachteilen gelernt, kommen wir nun ganz allgemein zu Brennstoffzellenheizungen und was für und was gegen sie spricht:

Vorteile

Nachteile
  • Erzeugung von Wärme und Strom
  • Hoher Wirkungsgrad
  • Geräuscharmer Betrieb
  • Recht wartungsarm
  • Wasserstoff „verbrennt“ emissionsfrei
  • Kann auch mit Biogas betrieben werden
  •  Hohe Investitionskosten
  • Gasanschluss wird benötigt
  • Arbeiten überwiegend noch mit Erdgas
  • Fehlende Wasserstoffinfrastruktur
  • Biogas teuer und kann Erdgas nicht vollständig ersetzen

Einer der größten Vorteile einer Brennstoffzellenheizung ist, dass sie Strom und Wärme gleichzeitig erzeugt. Allerdings lässt sich nicht die gesamte benötigte Energie mit der Heizung produzieren. Heizungshersteller geben an, dass damit eine Senkung der Energiekosten von maximal 40 bis 50 Prozent möglich sind. Beim Heizbedarf sind es 15 bis 20 Prozent und beim Stromverbrauch bis zu 80 Prozent.

Ein Nachteil sind die hohen Kosten, der Preis beträgt als Komplettpaket ab 30.000 Euro aufwärts. Durch Fördergelder lassen sich die Kosten jedoch reduzieren. Die KfW bezuschusst Brennstoffzellen mit bis zu 40 Prozent der förderfähigen Gesamtkosten. Abhängig von der elektrischen Leistung des eingebauten Brennstoffzellensystems beträgt die Zuschusshöhe zwischen 8450 und 43.300 Euro. Hier erfahren Sie mehr über das KfW-Förderprogramm 433.

Wann lohnen sich Brennstoffzellenheizungen?

Brennstoffzellenheizungen arbeiten mit einem hohen Wirkungsgrad, sind jedoch teuer. Wichtig ist bei Betrieb einer solchen Heizung vor allem, dass Wärme und Strom kontinuierlich in ausreichenden Mengen abgenommen werden. Deshalb eignen sie sich insbesondere für Mehr-Personen-Haushalte und Kleingewerbe mit hohem Strom- und Wärmebedarf. Heißt: auch in den Sommermonaten wird Wärme produziert. Es braucht daher einen ausreichend großen Pufferspeicher, der die thermische Energie aufnimmt, die gerade nicht benötigt wird.

Gerade in Altbauten können Brennstoffzellenheizungen ihre Vorzüge ausspielen, denn hier braucht es mehr Wärme als zum Beispiel in einem Niedrigenergiehaus. Zu viel benötigte Wärme bringt das System aber auch an seine Grenzen, so besitzen Brennstoffzellenheizung in der Regel noch zusätzlich einen Gas-Brennwertkessel, der an besonders kalten Wintertagen zusätzliche Wärme liefert.

In Ein-Personenhaushalten mit wenig Wärmebedarf und wenigen elektrischen Geräten ist eine Brennstoffzellenheizung in der Regel wenig effizient. Es gibt aber auch Heizungen, die auf eine geringe Leistung ausgelegt sind und bei einem geringen Strom- und Wärmebedarf effizient arbeiten. Hier sollten Sie jedoch vorher genau hinschauen, ob es sich für Sie wirklich lohnt oder ob andere Energiesysteme vielleicht sinnvoller wären.

Generell ist es für die Besitzer von Brennstoffzellenheizungen am günstigsten, wenn sie den produzierten Strom selbst verbrauchen. Zwar kann der überschüssige Strom auch ins Stromnetz eingespeist werden, doch das dafür erhaltene Geld liegt weit unter dem, was Strom aktuell kostet. Aus finanziellen Gründen lohnt es sich daher kaum. Aber wenn Sie den Strom sowieso nicht benötigen, ist sicherlich jeder Cent willkommen, den Sie dafür erhalten.

Warum decken Brennstoffzellen nur einen Grundbedarf an Wärme und Strom?

Die in Ein- und Zweifamilienhäusern verbauten Brennstoffzellenheizungen sind in der Regel nicht so leistungsfähig, dass sie den kompletten Bedarf an Wärme und Strom produzieren, die der jeweilige Haushalt benötigt. Das hat insbesondere wirtschaftliche Gründe. Theoretisch lassen sich zwar entsprechend leistungsfähige Systeme installieren, das wäre aber sehr teuer und unwirtschaftlich. Daher besitzen die meisten Anlagen zusätzlich noch einen Gas-Brennwertkessel und beziehen Strom aus dem öffentlichen Stromnetz, wenn ein Mehrbedarf besteht.

Brennstoffzellenheizungen für den Haushaltsbedarf sind für den Dauerbetrieb ausgelegt und decken den Grundbedarf an Wärme und Strom im Tagesverlauf eines Haushalts ab. Die aktuell am Markt verfügbaren Geräte weisen dabei elektrische Leistungen von 0,3 bis 1,5 kW auf, auch die thermische Leistung bewegt sich in einem ähnlichen Bereich. Gerade wenn leistungstarke Geräte wie Wasserkocher oder Toaster in Betrieb sind, reicht der selbst produzierte Strom nicht mehr aus. Das ist jedoch in der Regel nur für wenige Minuten am Tag der Fall.

Wie viel Strom lässt sich produzieren?

Kennen Sie die Leistung der Brennstoffzellenheizung, können Sie errechnen, wieviel Strom sie im Jahr wirklich erzeugt. Hierzu benötigen Sie einen weiteren Wert – die realisierten Vollnutzungsstunden. Das bedeutet, wie viele Stunden pro Jahr hat die Anlage Strom erzeugt? Eine Brennstoffzelle erzeugt nur Strom, wenn die dabei entstehende Wärme auch abgenommen wird. Darüber hinaus gibt es Stillstandzeiten für die Regeneration der Anlage sowie im Sommer, wenn die Heizung wegen geringer Wärmeabnahme häufig nicht läuft.

In der Summe können Sie daher davon ausgehen, dass eine Brennstoffzellenheizung etwa 7300 Vollnutzungsstunden pro Jahr hat. Liegt die Leistung der Heizung zum Beispiel bei 750 Watt, produzieren Sie jährlich 5400 Kilowattstunden Strom, bei einer elektrischen Leistung von einem Kilowatt sind es dann entsprechend 7300 Kilowattstunden.

Ist die Kombination mit einer Photovoltaik-Anlage sinnvoll?

Eine Brennstoffzellenheizung produziert bereits Strom, wozu braucht es dann noch eine Photovoltaik-Anlage? Diese Frage ist sicherlich berechtigt, allerdings produzieren Brennstoffzellen nur Strom, wenn sie zugleich auch Wärme produzieren. Das wird im Sommer außer zur Warmwasserproduktion eher wenig benötigt. Hier springt dann die Photovoltaik in die Bresche und sorgt auch an heißen Tagen für genügend Strom.

Wer möglichst unabhängig vom Stromanbieter und den Launen des Strommarktes sein will, für den ist die Kombination einer Brennstoffzellenheizung mit einer Photovoltaik-Anlage daher durchaus sinnvoll. Den überschüssigen Strom können Sie ins Stromnetz einspeisen oder in einer Batterie speichern. Generell kann es nur hilfreich sein, wenn möglichst viel Strom ohne Gas- oder Kohleunterstützung produziert wird. Das senkt die CO2-Emissionen und macht unseren Planeten wieder etwas lebenswerter.

Wie sind die Zukunftsaussichten von Brennstoffzellenheizungen?

Ein Nachteil ist sicherlich, dass aktuell der für den Betrieb der Brennstoffzellenheizung benötigte Wasserstoff noch hauptsächlich aus Erdgas hergestellt wird. Das ist sicherlich der Hebel, der noch umgelegt werden muss, damit Brennstoffzellenheizungen zukunftstauglich werden. Technisch ist es problemlos möglich, die Brennstoffzellen mit grünem Wasserstoff zu versorgen. Passiert das, ist die gesamte Energieerzeugung frei von CO2-Emissionen.

Grünen Wasserstoff erhalten wir zum Beispiel aus der Elektrolyse von Strom aus Wind- oder Sonnenenergie und Wasser. Mittlerweile gibt es sogar Systeme, mit denen jeder selbst Wasserstoff herstellen kann. Generell ist hier aber eher an eine großformatige Wasserstoffherstellung zu denken, wobei dann der Transport des grünen Wasserstoffs zum Endverbraucher zu regeln ist.

Das war vor einigen Jahren noch ein größeres Problem, Forschende der Fraunhofer-Gesellschaft haben eine Technologie entwickelt, mit der sich Wasserstoff und Erdgas kostengünstig und effizient voneinander trennen lassen. Die Membran-Technologie macht es damit möglich, die beiden Stoffe gemeinsam durch das bundesweite Erdgasnetz zu leiten und am Zielort voneinander zu trennen. Für den Transport und die Verteilung des Energieträgers Wasserstoff ist dies ein großer Fortschritt.

Generell sieht die Bundesregierung in der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie große Chancen für die Zukunft. Durch entsprechende Förderungen soll der heimische Produktionsstandort gestärkt werden. Ein Schwerpunkt liegt hierbei auch bei der Erforschung und Entwicklung der Hausenergieversorgung, so dass es immer mehr marktreife Systeme geben wird.

Brennstoffzellenheizung oder Wärmepumpe?

Mit Blick auf die Zukunft liegen derzeit insbesondere Wärmepumpen hoch im Kurs. Kommt eine Brennstoffzellenheizung im Vergleich dagegen an? Schwierig. Denn wie in diesem Beitrag gelernt, besteht bei Brennstoffzellen nach wie vor eine große Abhängigkeit vom Erdgas. Erst wenn die Heizungen komplett mit grünem Wasserstoff betrieben werden, heizen sie wirklich komplett CO2-neutral. Wärmepumpen sind hier bereits einen Schritt weiter, denn oft werden sie mit Solarstrom betrieben. Generell können Brennstoffzellenheizungen jedoch durchaus eine Option sein, wenn ein kontinuierlicher, großer Bedarf an Strom und Wärme vorhanden ist. Bei beiden Systemen ist es ratsam, den energetischen Zustand des Hauses vorab von einem Fachmann prüfen zu lassen.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Content-Manager beim VDI-Verlag. Nach einem Bauingenieurstudium und einer Weiterbildung zum Online-Redakteur, Volontariat und 20 Jahren als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop, landete er bei ingenieur.de. Er schreibt hauptsächlich über Technik und Forschung.

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.