Brennstoffzellenheizung: Funktion und Aufbau

Inhalt:

• Die Brennstoffzellenheizung im Überblick
• Wie funktioniert eine Brennstoffzellenheizung? Funktion und Aufbau einer Brennstoffzelle
• Aufbau einer Brennstoffzelle
• Funktion einer Brennstoffzelle
• Niedertemperatur- & Hochtemperatur-Brennstoffzellen
• Brennstoffzellenheizung: Aufbau und Bestandteile
• Der Reformer
• Die Brennstoffzellenstacks
• Der Wechselrichter
• Der Gas-Brennwertkessel
• Wärmetauscher, Pufferspeicher & Stromspeicher
• Energie für die Brennstoffzellenheizung: Funktion des Wasserstoffs
• Von Erdgas / Biogas zu Wasserstoff
• Windkraft, Solar / PV: Mit Strom über Elektrolyse zu Wasserstoff

Die Brennstoffzellenheizung ist in ihrer Funktionsweise besonders attraktiv, da sie im Vergleich zu anderen Systemen neben der Wärmegewinnung ebenfalls Strom generiert. Im Unterschied zu Blockheizkraftwerken (BHKW) entstehen bei Brennstoffzellen Wärme und Strom während des gleichen Prozesses und nicht mithilfe eines extern betriebenen Generators.

Bereits 1839 experimentiert Sir William Robert Grove (1811 - 1896) am Phänomen der Elektrolyse. Bei diesem Prozess wird Wasser mithilfe von Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Grove findet heraus, dass sich dieser Prozess umkehren lässt.

Die Brennstoffzellenheizung gilt als umweltfreundliches Heizsystem, da sie bei der „kalten Verbrennung“ keinerlei Schadstoffe freigesetzt. Es entsteht neben Abwärme und Strom lediglich Wasserdampf als Nebenprodukt. Beziehen Sie den benötigten Wasserstoff in Form von Biogas oder gewinnen ihn durch Photovoltaik und Elektrolyse, ist die Brennstoffzellenheizung eine besonders umweltfreundliche Möglichkeit zum Heizen und zur Stromgeneration.

Die Kosten für eine Brennstoffzellenheizung liegen durchschnittlich zwischen 25.000 und 35.000 Euro und lassen sich durch Fördermöglichkeiten für Brennstoffzellen senken. Die Lebensdauer eines solchen Heizsystems beträgt abhängig vom gewählten Modell und Anbieter in der Regel mindestens 15 bis 20 Jahre. Der hohe Wirkungsgrad von etwa 90 Prozent sagt aus, dass wenig Energie beim Prozess verloren geht.

Der primäre Bestandteil einer Brennstoffzellenheizung ist die Brennstoffzelle. Hierbei handelt es sich um eine galvanische Zelle, die ihren Namen dem Entdecker Luigi Galvani verdankt. Die Brennstoffzelle nutzt Wasserstoff und Sauerstoff, um mittels chemischer Reaktion Wärmeenergie und elektrischen Strom zu generieren. Dieser Vorgang heißt „kalte Verbrennung“, da keine Verbrennung im eigentlichen Sinne stattfindet.

Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden – einer negativ geladenen Anode und einer positiv geladenen Kathode. Ein Elektrolyt oder eine Membran trennt die beiden Elektroden räumlich voneinander, um einen kontrollierten Ablauf der chemischen Reaktion zu gewährleisten. Die Membran ist semipermeabel und lässt lediglich positiv geladene Protonen hindurch. Anode und Kathode verbindet ein elektrisch leitender Draht miteinander.

Die Brennstoffzelle benötigt Wasserstoff und Sauerstoff für den chemischen Prozess. Wasserstoff oxidiert an der Anode. Dabei spaltet sich das Wasserstoffmolekül in Elektronen und positiv geladene Protonen. Die Protonen dringen durch die semipermeable Membran und gelangen zu der Kathode. Diese erhält dadurch einen positiven Überschuss. Die einzelnen Elektronen gelangen nicht durch die Membran. Sie nehmen, um ebenfalls zur Kathode zu gelangen und ein Gleichgewicht zu schaffen, einen Umweg über das elektrisch leitende Kabel. Ein elektrischer Strom in Form von Gleichstrom entsteht.

Die chemische Reaktion dieses Vorgangs nennt sich Oxidation (Elektronenabgabe): 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e^-

Die an der Kathode ankommenden Elektronen reduzieren den dort zugeführten Sauerstoff. Dadurch entstehen negativ geladene Sauerstoffionen. Die durch die Polymermembran diffundierenden, positiv geladenen Wasserstoffionen reagieren mit den Sauerstoffionen. Dabei entsteht Wasser in Form von Wasserdampf.

Diese Reaktion nennt sich Reduktion (Elektronenaufnahme): O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- → 2 H₂O

Beide Komponenten der Reaktion ergeben zusammengefasst eine sogenannte Redoxreaktion (Zellreaktion): 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Bei diesem chemischen Prozess entsteht Wärme als Nebenprodukt, die Sie zum Heizen nutzen.

Es gibt verschiedene Brennstoffzellentypen. Die Funktionsweise der jeweiligen Brennstoffzellenheizung ist jedoch identisch. Die Typen unterscheiden sich in Niedertemperatur-Brennstoffzellen und Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Dabei weichen sowohl die Arbeitstemperatur als auch der Elektrolyt voneinander ab.

Proton Exchange Membrane Fuel Cell, kurz PEMFC, sind Niedertemperatur-Brennstoffzellen und benötigen einen externen Reformer. Mit diesem bereiten sie aus dem Erdgas das „Reformat“, sprich das flüssige Hauptprodukt, auf. Statt eines flüssigen Elektrolyten besitzen sie eine Membran. Die Arbeitstemperatur liegt bei unter 100 Grad Celsius.

Solid Oxide Fuel Cell (Festoxid-Brennstoffzelle), kurz SOFC, sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Sie benötigen einen internen Reformer, die Arbeitstemperatur ist deutlich höher (etwa 800 bis 1.000 Grad Celsius) und sie stellen daher nicht so hohe Bedingungen an die Gasreinheit. Statt einer Membran besitzt der Aufbau der SOFC einen festen Elektrolyten aus keramischen Materialien.

Folgendes Video zeigt Ihnen anschaulich zusammengefasst, was eine Brennstoffzelle ist und wie das Prinzip der Elektrolyse funktioniert:

Neben der einzelnen Brennstoffzelle besteht der Aufbau einer Brennstoffzellenheizung aus weiteren Komponenten, um sowohl elektrische als auch thermische Energie zu generieren. Essenziell für das Funktionsprinzip einer Brennstoffzellenheizung ist ein Gasanschluss. Über diesen beziehen Sie das Erdgas, aus dem das System den benötigten Wasserstoff gewinnt.

Die Funktion des Reformers einer Brennstoffzellenheizung ist die Bereitstellung des benötigten Wasserstoffes. Dabei unterscheiden sich die interne und die externe Reformierung, abhängig vom verwendeten Brennstoffzellentypen.

Erdgas, das vorwiegend aus bis zu 90 Prozent Methan (CH₄) besteht, wandelt sich unter Zugabe von Wasserdampf in Wasserstoff um:

CH₄ + H₂O → 3 H₂ + CO (Dampfreformierung) CO + H₂O → H₂ + CO₂ (Kohlenmonoxid-Konvertierung)

Als Nebenprodukt dieses Prozesses entsteht Kohlenstoffdioxid.

Um genügend Energie zu gewinnen, besitzt die Brennstoffzellenheizung mehrere Brennstoffzellen, die in Reihe geschaltet als sogenannte Stacks vorliegen. Die Brennstoffzellenstacks sind Stapel aus einzelnen Brennstoffzellen, in denen die „kalte Verbrennung“ stattfindet, und die zentralen Elemente dieses Heizsystems.

Zum Aufbau einer Brennstoffzellheizung gehört ein Inverter. Dieser Wechselrichter wandelt den bei der „kalten Verbrennung“ erzeugten Gleichstrom in für Sie nutzbaren Wechselstrom um. Den Wechselstrom nutzen Sie für Ihren eigenen Verbrauch oder speisen diesen gegen eine Einspeisevergütung (Brennstoffzellenheizung) ins öffentliche Stromnetz ein.

Zu den weiteren Bestandteilen der Brennstoffzellenheizung zählt der Gas-Brennwertkessel. Dieser ist notwendig, um Ihren gesamten Wärmebedarf über das ganze Jahr gerechnet zu decken. Die Brennstoffzellen allein decken in den meisten Fällen lediglich den Grundbedarf an Wärme und Strom Ihres Haushaltes. Um einen zusätzlichen Wärmebedarf sicherzustellen, benötigen Sie darüber hinaus einen Spitzenlastkessel, der die Wärme über die herkömmliche Gasverbrennung generiert. Den zusätzlichen Strombedarf decken Sie über das öffentliche Stromnetz oder eine eigene Photovoltaikanlage.

Die durch die Brennstoffzellen generierte Wärme gelangt über einen Wärmetauscher in den Wärmespeicher. Er stellt sicher, dass Sie zu jeder Zeit ausreichend warmes Heiz- und Brauchwasser gespeichert haben.

Ein zusätzlicher Stromspeicher ergibt unter Umständen Sinn. Er stellt sicher, dass Sie auch über eigens produzierten Strom verfügen, wenn die Brennstoffzellen nicht arbeiten. Sie legen die Brennstoffzellenheizung so aus, dass sie eine möglichst hohe Laufzeit erreicht. Daraus resultiert eine über den Tagesverlauf relativ konstante Stromgestehung. Wenn Sie jedoch darüber hinaus auf zusätzlichen Strom vom Netzbetreiber verzichten wollen, bietet sich ein Stromspeicher an.

Anders als herkömmliche Heizsysteme, die mittels Verbrennung fossiler oder nachwachsender Brennstoffe Wärme produzieren, benötigt die Brennstoffzellenheizung für ihre Funktion Wasserstoff. Mit dieser Eigenschaft steht sie nicht allein, denn auch mit Wasserstoff-Gaskesseln wird die „Wasserstoffstrategie für Deutschland“ vorangetrieben. Um den Wasserstoff verfügbar zu machen, bieten sich unterschiedliche Möglichkeiten:

Da die Wasserstoffinfrastruktur in Deutschland erst am Anfang ihres Ausbaus steht (Stand: Juni 2022), arbeiten Brennstoffzellenheizungen überwiegend mit Erdgas. Dieses wandelt der Reformer der Brennstoffzellenheizung zu Wasserstoff um und macht ihn nutzbar.

Besonders zu Zeiten außenpolitischer Konfliktsituationen, Abhängigkeiten von Gasimporten und Klimakrise ist es wichtig, auf einen langfristig klimafreundlichen sowie kostengünstigen Energielieferanten zurückzugreifen. Eine geeignete Alternative, die eine größere Unabhängigkeit von Importen verspricht, bietet beispielsweise Biogas. Dieses entsteht in luftdichten Tanks, in denen Biomasse unter Ausschluss von Sauerstoff fermentiert. Das Material vergärt aufgrund von Mikroorganismen. Das dabei entstehende Biogas kann anschließend zur Erzeugung von Ökostrom und Wärme genutzt werden.

Eine weitere umweltfreundliche Möglichkeit zum Betreiben Ihrer Brennstoffzellenheizung ist die Verwendung von „grünem Wasserstoff“. Diesen stellen Sie beispielsweise selbst mittels Elektrolyse her. Die Elektrolyse ist das gegenteilige Prinzip der elektrochemischen Reaktion in einer Brennstoffzelle. Dabei erhalten Sie Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser mithilfe von Strom. Den benötigten Strom erhalten Sie beispielsweise aus einer Photovoltaikanlage.

Sogenanntes Windgas ist Wasserstoff, der aus Windenergie gewonnen wird. Der so entstandene „grüne Wasserstoff“ kann mit ins bestehende Gasnetz gemischt werden. Bis zu 20 Prozent Wasserstoff reduzieren somit den Erdgasverbrauch, ohne dass es zu Einschränkungen der Funktionsweise von Heizungen kommt.

Da bei der Stromgewinnung für die Elektrolyse und der anschließenden Wärme- und Stromproduktion keinerlei Schadstoffe entstehen, handelt es sich hierbei um einen klimafreundlichen Prozess. Dadurch bietet die Brennstoffzellenheizung eine nachhaltige Möglichkeit für den Strom- und Wärmegewinn Ihres Haushaltes.

Informieren Sie sich über derzeit verfügbare Brennstoffzellenhersteller. Diese bieten Ihnen einen Überblick darüber, welches System zu Ihren individuellen Anforderungen und Wünschen passt. Ein Fachbetrieb vor Ort geht dabei konkret auf Ihre Vorstellungen ein und findet gemeinsam mit Ihnen die bestmögliche Lösung; auch für eine Brennstoffzellenheizung im Einfamilienhaus.