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Wie funktioniert eine Brennstoffzellen-Heizung?

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Definition Brennstoffzelle:

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.

Aufbau und Funktionsweise einer Brennstoffzelle

Aufbau und Funktionsweise einer Brennstoffzelle

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.

Anwendungsfeld der Brennstoffzellen-Heizung

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Anwendungsfeld Brennstoffzellenheizung

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.

Lohnen sich Brennstoffzellen-Heizungen heute schon?

Vorteile:

  • Heizung nutzt modernste Technologie
  • Hohe Effizienz und hoher Wirkungsgrad
  • Neben Wärme auch Stromerzeugung
  • Fördert Unabhängigkeit von Energieversorgungsunternehmen
  • Geräusch- und Emissionsfrei
  • Staatliche Förderung

Nachteile:

  • Aktuell noch recht teuer
  • Nur für Ein- und Mehrfamilienhäuser mit hohem Energiebedarf geeignet

Wer nicht so viel investieren will, dem stehen mit einer Gasheizung oder einer Wärmepumpe umweltfreundliche Alternativen zur Verfügung, die jedoch keinen Strom erzeugen können.

Weitere Anwendungs-felder

Neben der Heizung kommt die Brennstoffzellentechnologie auch noch in anderen Bereichen zum Einsatz. Die bekanntesten hierunter sind:

  • Raumfahrt: Was haben die Raumschiffe Gemini, Apollo und das Space Shuttle gemeinsam? Richtig: Sie nutzten die Brennstoffzellentechnologie zur Stromerzeugung an Bord. Besonders praktisch ist dabei, dass im Weltall das „Abfallprodukt“ der elektrochemischen Reaktion, nämlich Wasser, ein rares Gut ist und bei den Missionen weiterverwertet wird. Im All ist die Technologie deswegen seit den 1960er Jahren im Einsatz.

  • Fahrzeugantrieb: Dass sich das Wasserstoffauto noch nicht weitflächig durchgesetzt hat, hat vor allem einen Grund: Den Preis. Denn wie auch bei der Heizung ist die Technologie im PKW recht teuer und damit im Preiskampf mit Elektroautos und Benzinern bislang unterlegen. Die Fahrzeuge tanken Wasserstoff an speziellen Tankstellen und Reichweiten von bis zu 500 Kilometern sind aktuell möglich. Ein Beispiel für ein elektrisch betriebenes Wasserstoffmobil in Großserie ist der Toyota Mirai.

  • Netzferne Energieversorgung: Die Technologie ist wie gemacht für Einsatzbereiche, in denen weit und breit keine Energieversorgung vorhanden ist. Anwendungsfelder sind hier deshalb auch der Bootsbau und insbesondere U-Boote, aber auch als Energielieferant für die Telekommunikation in entlegenen Gebieten ist die Brennstoffzelle gefragt.

Zukunftsvision

Aktuell deutet vieles darauf hin, dass die Technologie im Laufe der nächsten Jahre noch breiter eingesetzt werden wird. So ist etwa mit einer weiteren Optimierung der Technik zu rechnen, was sich in einer günstigeren Herstellung – etwa von Brennstoffzellenheizungen – niederschlägt. Sinken die Preise, steigt vermutlich auch die Nachfrage, was die Produktion höherer Stückzahlen zu niedrigeren Kosten zur Folge haben könnte. Darauf könnten wiederum eine erneute Preissenkung und eine entsprechend noch höhere Verbreitung folgen.

Zusammen­fassung

Die Brennstoffzelle macht sich das Prinzip der Elektrolyse zunutze und kehrt den Prozess um: In einer chemischen Reaktion werden Wasser- und Sauerstoff kontrolliert zusammengeführt. Dadurch entsteht Wasser, Wärme und Strom. Die Technik ist hocheffizient, flüsterleise und umweltschonend – hat aber ihren Preis. Die breite Öffentlichkeit profitiert davon hauptsächlich im Heizungsbereich, wo die Brennstoffzellenheizung das Eigenheim heute schon neben Wärme auch mit Strom versorgt. Im Weltall wird die Technik seit den 1960er Jahren verwendet.

Darum Heizungen von E.ON

E.ON unterstützt Sie als zuverlässiger Partner beim Wechsel zur modernen und effizienten Heizung. Überzeugen Sie sich von der individuellen Anlagenplanung und unseren zertifizierten Fachhandwerkern.

Quellennachweise der Siegel für E.ON: 
Service König:
Focus (DE) 42/2018: Bei einer Servicequalitätsuntersuchung von Deutschland Test erreichte E.ON nach einer Kundenzufriedenheitsumfrage mit mehr als 300.000 Verbrauchern in 40 Städten den ersten Platz in der Kategorie Energieversorger.
eKomi: Basierend auf mehr als 10.000 transaktionsbezogenen Bewertungen. Mehr erfahren
Innovationskraft: Welt (DE) 2019: Deutschlands führender Informationssender WELT und ServiceValue zeichnen E.ON SE als ein Unternehmen mit sehr hoher Innovationskraft aus.
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