Einfach erklärt: Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?
Aus dem Inhalt:
Brennstoffzellen bestehen einfach beschrieben aus zwei Platten, die durch eine Barriere voneinander getrennt sind. Bei den Platten handelt es sich um Elektroden (Anode und Kathode), die zur Reaktionsbeschleunigung mit einem Katalysator überzogen sind. Die Barriere bildet ein Elektrolyt. Er kann aus verschiedenen Materialien bestehen und ist wichtig für die sogenannte kalte Verbrennung – die kontrollierte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff.
Die kalte Verbrennung: Funktionsweise der Brennstoffzellen
Wie funktioniert eine Brennstoffzelle mit dem beschriebenen Aufbau? Ganz einfach: Die Reaktionsgase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) treffen auf je eine Elektrode. Durch den aufgebrachten Katalysator zerfallen die Wasserstoffteilchen dabei in Elektronen und Ionen. Letztere gelangen durch die nur für sie durchlässige Elektrolytschicht. Sie verbinden sich mit den Sauerstoffteilchen und erzeugen ein Ladungsungleichgewicht. Um dieses auszugleichen, strömen die Elektronen über einen elektrischen Leiter an der Barriere vorbei und Strom lässt sich abgreifen. Die Elektronen verbinden sich auf der anderen Seite ebenfalls mit den Sauerstoffteilchen, wobei Wasser und Wärme entstehen. Klimaschädliche CO2- oder Feinstaubemissionen fallen hingegen nicht an.
Übrigens: Einzelne Brennstoffzellen geben nur wenig Strom und Wärme ab. Um die Leistung zu steigern, verketten Hersteller die Module daher zu Stapeln oder Stacks.
Woher kommt der Wasserstoff für die Brennstoffzellenheizung?
Die Funktionsweise der Brennstoffzellenheizung basiert auf der kalten Verbrennung – der kontrollierten Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Während Sauerstoff aus der Umgebung kommt, lässt sich Wasserstoff mit überschüssigen Solarstrom aus Wasser herstellen. Ein Wasserstoff-Elektrolyseur spaltet die Wasserteilchen dabei in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Anschließend leitet er den energiereichen Wasserstoff in spezielle Wasserstoffspeicheroder Bündel aus Gasflaschen, in denen er bis zum Verbrauch in der Brennstoffzellenheizung lagert.
Aber wie funktioniert eine Brennstoffzelle ohne Photovoltaik, Elektrolyseur und Wasserstofftank? In diesem Fall gewinnt sie den Wasserstoff aus Erdgas oder Flüssiggas. Einige Systeme setzen dazu auf Reformer, die den Rohstoff mithilfe von Wasserdampf aus den Ausgangsstoffen herauslösen. Andere erledigen diesen Schritt direkt an der Elektrode.
Übrigens: Erzeugen Hausbesitzer den Wasserstoff für die Funktion der Brennstoffzelle selbst, können sie sich teilweise autark mit Strom und Wärme versorgen. Denn auf diese Weise lässt sich überschüssige Solarenergie aus dem Sommer bis in den Winter hinein bevorraten. Mit konventionellen Batteriespeichern ist das nicht ohne Weiteres möglich.
Welche Brennstoffzellen-Arten gibt es eigentlich?
Abhängig von der Betriebstemperatur unterscheiden Experten Hoch- und Niedertemperatur-Systeme. Aber wie funktioniert eine Brennstoffzelle mit Hoch- oder Niedertemperaturtechnik und was zeichnet die unterschiedlichen Arten aus? Die Antwort geben wir in der folgenden Übersicht.
| Niedertemperatur-Brennstoffzelle | Hochtemperatur-Brennstoffzelle | |
|---|---|---|
| Betriebstemperatur | bis ca. 200 Grad Celsius | 600 bis 1.000 Grad Celsius |
| Eigenschaften | Niedertemperatur-Systeme laufen schnell an und eignen sich daher für mobile Anwendungen. Sie kommen unter anderem in Elektroautos zum Einsatz, benötigen durch die niedrige Betriebstemperatur aber einen hochwertigen Katalysator (zum Beispiel Platin). Außerdem arbeiten die Systeme nur mit relativ reinem Wasserstoff, was in der Heizungstechnik den Einsatz energieintensiver Reformer voraussetzt. | Hochtemperatur-Brennstoffzellen benötigen eine gewisse Vorlaufzeit, bis sie ihre Betriebstemperatur erreicht haben. Sie kommen unter anderem in der Heizungstechnik zum Einsatz und funktionieren auch mit günstigeren Katalysator-Materialien. Die Systeme lassen sich direkt mit Erd- oder Flüssiggas betreiben und speisen viel Abwärme in das Heizsystem ein. |
| Bauweisen / Elektrolyte |
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Wann lohnt sich eine Brennstoffzellenheizung im Haus?
Eine stromerzeugende Heizung erzeugt immer nur dann elektrische Energie, wenn die Wärme einen Abnehmer im Haus findet. Aus diesem Grund lohnen sich konventionelle BHKWs mit internem Verbrennungs- oder Stirlingmotor nur dann, wenn ganzjährig ein hoher Wärmebedarf besteht. Bei der Brennstoffzellenheizung ist das anders. Denn durch die spezielle Funktion der Brennstoffzellen entsteht im Verhältnis zur abgegebenen Wärme mehr Strom. Die Anlagen fahren bei geringeren Laufzeiten höhere Erträge ein und lassen sich daher auch in Einfamilienhäusern wirtschaftlich einsetzen.
Wir empfehlen: Wie funktioniert eine Brennstoffzelle in meinem Haus – lohnt sich die Anschaffung? Eine pauschale Antwort auf diese Frage ist nicht möglich. Daher empfehlen wir in jedem Fall die individuelle Beratung durch einen Experten. Planer und Fachhandwerker analysieren den Energiebedarf und ermitteln, wie hoch die Erträge einer Brennstoffzellenheizung voraussichtlich sind. Mit diesem Wissen können sie zuverlässig beurteilen, ob sich die Anschaffung lohnt.
Hohe Kosten und attraktive Fördermittel vom Staat
Mit bis zu 30.000 Euro übersteigen die Kosten einer Brennstoffzelle sogar den Preis eines Kleinwagens. Grund dafür sind die geringen Stückzahlen, in denen Hersteller die Anlagen produzieren. Damit sich trotz dessen viele Hausbesitzer für die Technik entscheiden, unterstützt der Staat die Anschaffung mit hohen Zuschüssen. So erstattet die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) 40 Prozent der Kosten über das KfW-Programm 433. Zusätzlich gibt es einen KWK-Zuschlag für den selbst erzeugten Strom, den Besitzer kleiner Anlagen (maximal 2 kW elektrische Leistung) auch pauschal im Voraus bekommen. Auf diese Weise gibt es noch einmal bis zu 4.800 Euro extra. Wichtig ist, dass Bauherren und Hausbesitzer die Mittel vor der Anschaffung der Brennstoffzellen beantragen.
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