Wie funktioniert eine Brennstoffzellen-Heizung?

Vor rund 180 Jahren wurde die Brennstoffzelle erfunden, heute gilt sie als moderne und wegweisende Zukunftstechnologie. Doch wie funktioniert sie, wie ist sie aufgebaut und in welchen Feldern findet sie bereits Anwendung?

Definition Brennstoffzelle:

Die Brennstoffzelle erzeugt in einem chemischen Prozess, der auf dem Prinzip der Elektrolyse beruht, sowohl thermische als auch elektrische Energie. Dabei wird ein Brennstoff (meistens Wasserstoff) kontinuierlich zugeführt und mittels Reaktion in Energie umgewandelt.

Die Brennstoffzelle macht sich eine chemische Reaktion zunutze, die viele in anderer Form noch aus dem Chemieunterricht kennen: die Elektrolyse. Dabei reagiert Wasser mithilfe von Elektroden und elektrischem Strom zu Wasserstoff und Sauerstoff: 2H₂O -> 2H₂ + O₂. Die Brennstoffzelle nutzt diese Funktionsweise und kehrt sie einfach um. Man spricht bei diesem Prozess der „umgekehrten Elektrolyse“ auch von „kalter Verbrennung“. Kurz zusammengefasst wandeln Brennstoffzellen dabei Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, Strom und Wärme um. Der Vorgang ist sehr sicher und weist einen hohen Wirkungsgrad auf. Und so funktioniert es:

1. Für die Reaktion werden Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂), getrennt von einer Membran, zugeführt. Der Brennstoff Wasserstoff wird dabei häufig zuvor aus Erdgas gewonnen.
2. Die zweiatomigen Wasserstoffmoleküle treffen auf einer Seite der Membran auf die Anode (positiv geladene Elektrode / Pluspol) und geben dort ihre Elektronen ab.
3. Die Elektronen wandern von der Anode über einen äußeren Stromkreis zur Kathode (negativ geladene Elektrode / Minuspol), die sich auf der anderen Seite der Membran befindet. Dadurch erzeugen sie Gleichstrom.
4. Die positiv geladenen Wasserstoffatome (H⁺), also die Protonen, passen jetzt durch die Membran.
5. Dort reagieren sie mit dem Sauerstoff aus der Luft und den Elektronen der Kathode zu Wasser (H₂O). Bei dieser Reaktion entsteht zudem noch Wärme.

Das wohl vielversprechendste Anwendungsfeld der Brennstoffzellentechnologie ist der Heizungsmarkt. Die Brennstoffzellenheizung ist als „Solaranlage für den Keller“ schon heute in zahlreichen Haushalten installiert und sorgt beständig für Strom und Wärme – und das ganz wetterunabhängig. Die Heizungsart hat die Nutzung der Technologie perfektioniert und erzielt somit einen sehr hohen Wirkungsgrad. Und so wird das Funktionsprinzip auf eine Heizung übertragen:

In Deutschland gibt es keine Wasserstoffleitungen – deshalb ist für den Betrieb einer Brennstoffzellenheizung ein Gasanschluss notwendig. Mithilfe des sogenannten Reformers wird Wasserstoff aus Erdgas (das zum Großteil aus H₂ besteht) abgespalten und für die chemische Reaktion der „kalten Verbrennung“ genutzt. Gleichstrom wird zu Wechselstrom umgewandelt, fließt danach direkt in das Leitungsnetz und darüber in die Steckdosen des Haushalts. Sollte mehr elektrische Energie produziert werden als nötig, so wird diese ins Netz eingespeist und damit an den Netzbetreiber verkauft. Die entstehende Wärme und der Wasserdampf werden für Heizung und Warmwasser verwendet – oftmals ergänzt durch einen Warmwasserspeicher, der überschüssige Energie abpuffert.