Brennstoffzellenheizung im Überblick

Brennstoffzellenheizungen erzeugen mittels elektrochemischer Prozesse sowohl Strom als auch Wärme. Da sie mit Wasserstoff betrieben werden, der in der Regel aus Erdgas gewonnen wird, bieten sie eine gewisse Unabhängigkeit vom Strommarkt. Allerdings setzen sie dabei auf fossile Energieträger. Ein Überblick.
Inhaltsverzeichnis
    Brennstoffzellenheizung

    Brennstoffzellenheizung: ein Überblick

    Die Brennstoffzellenheizung ist ein Heizsystem, das mithilfe von Wasserstoff sowohl Strom als auch Wärme erzeugt. Es überzeugt vor allem durch seinen sehr hohen Wirkungsgrad von rund 90 %. Allerdings gibt es einige Aspekte zu beachten, damit eine Brennstoffzellenheizung wirtschaftlich betrieben werden kann. Dazu gehört beispielsweise die Tatsache, dass die erzeugte Wärme abgenommen werden muss, damit weiterhin Strom produziert werden kann. Mit diesem Artikel geben wir Ihnen einen Überblick über die Vor- und Nachteile. 

    Aufbau und Funktion einer Brennstoffzellenheizung

    Eine Brennstoffzellenheizung erzeugt Wärme und Strom unter Verwendung eines elektrochemischen Prozesses, der sogenannten „kalten Verbrennung“. Dabei handelt es sich um einen Oxidationsprozess, der jedoch bei geringeren Temperaturen abläuft, als sie für eine sichtbare Flamme notwendig wären. Für diesen Prozess werden unter anderem Wasserstoff (als Brennstoff) - der aus Erdgas gewonnen wird - und Sauerstoff (als Oxidationsmittel) benötigt. Während genügend Sauerstoff in der Umgebungsluft vorhanden ist, wird der Wasserstoff meist aus Erdgas ‒ ökologisch nachhaltiger mit erneuerbarem Strom aus Wasser ‒ gewonnen. 

    Eine Brennstoffzellenheizung ist wie folgt aufgebaut: 

    • Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, einer negativ geladenen Anode und einer positiv geladenen Kathode. 
    • Zwischen den beiden Elektroden befinden sich ein Elektrolyt (ein Ionenleiter) und gelegentlich eine halbdurchlässige (semipermeable) Membran, die nur bestimmte Ionen durchlässt. 
    • Mehrere Brennstoffzellen werden zu sogenannten „Stacks“ in Reihe geschaltet, um eine höhere Spannung zu erzeugen und so mehr Strom zu gewinnen. 
    Funktionsweise Brennstoffzelle

    Auf der Anodenseite der Brennstoffzelle werden Wasserstoffmoleküle aufgespalten. Dabei kommt ein Katalysator zum Einsatz, der beispielsweise aus Platin bestehen kann. Die Wasserstoffmoleküle werden in positiv geladene Wasserstoff-Ionen (Protonen) und negativ geladene Elektronen gespalten. 

    Die Elektronen wandern nun über einen Leiter auf die andere Seite der Brennstoffzelle und erreichen dort die Kathode – es fließt elektrischer Strom, der von der Brennstoffzellenheizung abgegeben und so für den Haushalt genutzt werden kann. Gleichzeitig durchdringen die Wasserstoff-Ionen die Membran und erreichen so ebenfalls die Kathode. Hier kommen sie in Kontakt mit Sauerstoffmolekülen, die aus der Umgebungsluft gewonnen werden: Es kommt zur kalten Verbrennung, ähnlich einer mild ablaufenden Knallgas-Reaktion – dabei entstehen Wasser und Wärme

    Brennstoffzellenheizung

    Vor- und Nachteile einer Brennstoffzellenheizung

    Der größte Vorteil der Brennstoffzellenheizung liegt darin, dass sie – wie auch Photovoltaikanlagen – eine Unabhängigkeit vom Strommarkt und damit auch steigenden Strompreisen bieten. Schließlich wird die Heizung mit Wasserstoff betrieben, der aus Erdgas aus der Leitung erzeugt werden kann. Außerdem produziert sie nicht nur Strom, sondern zugleich auch Wärme. Man spricht hierbei von einer „Kraft-Wärme-Kopplung“ (KWK). 

    Darüber hinaus sind Brennstoffzellenheizungen aufgrund des hohen Wirkungsgrades zumindest vergleichsweise umweltfreundlich. Außerdem arbeitet die Heizung leise. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass – auch wenn die Kosten für eine Brennstoffzellenheizung nicht unerheblich sind – Fördergelder zur Verfügung stehen.

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    Der entscheidende Nachteil der Brennstoffzellenheizung ist, dass sie in der Regel nicht mit Rohstoffen aus nachhaltigen Quellen betrieben werden und damit zum CO2-Ausstoß beitragen. Das eingesetzte Erdgas muss in einem sogenannten Reformer chemisch behandelt werden, um den Wasserstoff für die Brennstoffzelle freizusetzen. Das macht die Heizung teuer und mindert den Wirkungsgrad des Verfahrens. 

    Ökologisch sinnvoller ist der Betrieb der Brennstoffzelle mit Biogas. Hierfür ist allerdings ein eigener Biogas-Tank notwendig. Noch nachhaltiger ist es, wenn der Wasserstoff statt aus Erd- oder Biogas elektrochemisch mithilfe von (überschüssigem) Solarstrom aus Wasser hergestellt und zwischengespeichert wird. 

    Zu den Nachteilen der Brennstoffzellenheizung gehört auch die begrenzte Lebensdauer der Stacks, zu denen die Brennstoffzellen zusammengefasst werden. Je nach Anbieter ist jedoch ein kostengünstiger oder sogar kostenloser Austausch im Rahmen eines Wartungsvertrags möglich. 

    Der aktuell größte Nachteil von Brennstoffzellenheizungen liegt in den Gaspreisen begründet, die derzeit (Stand April 2022) stark steigen. Bestandskunden der Gasanbieter sind davon weniger betroffen als Neukunden, sodass sich Brennstoffzellenheizungen eher für Hausbesitzer lohnen, die bereits Erdgas beziehen. Langfristig ist jedoch damit zu rechnen, dass die Kosten weiter steigen werden, da fossile Rohstoffe insgesamt teurer werden. 

    Wirtschaftlichkeit von Brennstoffzellenheizungen

    Brennstoffzellenheizungen lassen sich insbesondere dann wirtschaftlich betreiben, wenn möglichst viel Strom produziert und für den eigenen Haushalt genutzt wird. Ähnlich wie beim Eigenverbrauch in Bezug auf Photovoltaikanlagen hängen also die Eigennutzung und die Wirtschaftlichkeit eng zusammen. 

    Zwar wird für überschüssigen Strom, der ins öffentliche Stromnetz eingespeist wird, auch bei Brennstoffzellenheizungen eine Einspeisevergütung gezahlt – festgelegt im Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau von Kraft-Wärme-Kopplung. Diese liegt jedoch lediglich bei 8 Cent pro Kilowattstunde (kWh) für Anlagen mit einem KWK-Leistungsanteil von bis zu 50 Kilowatt und damit deutlich unter dem Strompreis, der im zweiten Halbjahr 2021 durchschnittlich 32,87 Cent betrug. 

    Damit eine Brennstoffzellenheizung Strom produzieren kann, muss zugleich auch die entstandene Wärme abgenommen werden. Eine Brennstoffzellenheizung lohnt sich also vor allem dann, wenn im Haus auch ein größerer Wärmebedarf besteht, denn im Gegensatz zum Strom kann überschüssige Wärme nicht in ein öffentliches Netz abgegeben werden.

    Wirtschaftlichkeit steigern durch die Kombination aus Heizung und PV-Anlage

    Der Wasserstoff, der für die Heizung benötigt wird, wird in aller Regel aus Erdgas gewonnen. Es gibt aber auch die Möglichkeit, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Dazu wird wiederum Strom benötigt. In Kombination mit einer Photovoltaikanlage kann eine Brennstoffzellenheizung daher unter Umständen wirtschaftlicher betrieben werden:

    1. Der günstige Strom, der mit der PV-Anlage insbesondere in den Sommermonaten gewonnen wird, wird für die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff genutzt.
    2. Der Wasserstoff wird in einem Wasserstoffspeicher für die Winterzeit aufbewahrt.
    3. Im Winter ‒ wenn die PV-Anlage weniger wirtschaftlich arbeitet ‒ wird der Wasserstoff genutzt, um Strom und Wärme zu erzeugen. 

    Kosten und Förderungen für Brennstoffzellenheizungen

    Die Kosten für eine Brennstoffzellenheizung sind mit etwa 20.000–25.000 € für ein Einfamilienhaus nicht unbedingt gering. Hinzu kommen eventuell weitere Kosten wie

    • die Kosten für einen Gasanschluss (Verbindung zwischen Straße und Gebäude), sofern dieser nicht bereits vorhanden ist (etwa 1.000–3.000 €),
    • die Kosten für Gasleitungen im Haus, die ebenfalls im vierstelligen Bereich liegen können, und
    • Kosten für eventuelle Wartungsverträge bzw. Reparaturen der Brennstoffzellenheizung.

    Eine Förderung für die Brennstoffzellenheizung reduziert die Kosten. Die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) bietet hierzu das „Förderprogramm 433 „Energieeffizient Bauen und Sanieren – Zuschuss Brennstoffzelle“ an. Über diese Förderung können für eine Brennstoffzellenheizung bis zu 40 % der Gesamtkosten übernommen werden: 

    • eine einmalige Grundförderung von 6.800 € und
    • weitere 550 € je 100 Watt Leistung bis zu einer Gesamtleistung von 5 Kilowatt. 

    Insgesamt ergibt sich so ein maximaler Förderbetrag von 34.300 € für eine Brennstoffzellenheizung mit 5 Kilowatt Leistung. Für die Förderung gelten bestimmte Bedingungen, beispielsweise die obligatorische Einbindung eines Energieeffizienzexperten und die Installation einer neuen Anlage. 

    Alternativ können Hausbesitzer auch den Steuerbonus für die Sanierung nutzen: 20 % der Kosten lassen sich auf diese Weise über drei Jahre mittels der Einkommenssteuererklärung abschreiben. 

    Voraussetzungen für den Betrieb einer Brennstoffzellenheizung

    Die folgenden Voraussetzungen sollten gegeben sein, damit eine Brennstoffzellenheizung betrieben werden kann:

    • Gasanschluss: Damit Erdgas bezogen werden kann, muss ein Gasanschluss vorliegen (alternativ eine Stromquelle wie eine PV-Anlage, um mittels Strom Wasser aufzuspalten und so Wasserstoff zu gewinnen).
    • Zentrale Heizungsanlage: Damit Wärme und Strom aus der Brennstoffzellenheizung abgenommen werden und an die gewünschten Geräte (Heizflächen, Haushaltsgeräte etc.) verteilt werden können, brauchen Sie eine zentrale Heizungsanlage.
    • Zusatzheizung: Zur Heizungsunterstützung, die einspringt, wenn die produzierte Wärme nicht ausreicht, benötigen Sie eine Zusatzheizung. Je nach Anbieter ist eine solche bereits in die Brennstoffzellenheizung integriert.

    Nicht zwingend notwendig, aber vorteilhaft, um den Eigenverbrauch zu steigern, ist zudem ein Wärmespeicher. Dieser speichert überschüssige Wärme, sodass die Stromproduktion weiterlaufen kann, und gibt sie bei Bedarf wieder ab.