Wasserstoff · Anwendung
Die Brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle kehrt die Elektrolyse um: Aus Wasserstoff und Sauerstoff entstehen Strom, Wärme und Wasser — ohne Flamme. Im Haus erzeugt sie beides gleichzeitig.
- Elektrisch
- 40–65 %
- Mit Wärme
- 85–90 %
- Abgas
- H₂O nur Wasser
- Hausgerät
- 0,7–1,5 kW el.
Eine Brennstoffzelle verbrennt nichts. Sie lässt Wasserstoff und Sauerstoff kontrolliert miteinander reagieren und gewinnt die Energie direkt als elektrischen Strom — mit 40 bis 65 Prozent elektrischem Wirkungsgrad und Wasser als einzigem Abgas. Nutzt man die anfallende Wärme mit, sind über 90 Prozent Gesamtwirkungsgrad erreichbar.
- Umkehr der Elektrolyse: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O + Strom + Wärme
- Kein Carnot-Limit — deshalb elektrisch effizienter als ein Verbrennungsmotor.
- Im Haus: Strom und Wärme zugleich, meist aus Erdgas über einen Reformer.
- Klimaneutral nur mit grünem Wasserstoff — siehe Elektrolyse.
So funktioniert sie
Der Aufbau ähnelt einer Batterie: zwei Elektroden, dazwischen ein Elektrolyt. An der Anode wird Wasserstoff zugeführt und gibt dort Elektronen ab. Weil der Elektrolyt nur Ionen durchlässt, müssen die Elektronen den Umweg über einen äußeren Stromkreis nehmen — das ist der nutzbare Strom. An der Kathode treffen sie wieder auf die Protonen und auf Sauerstoff aus der Luft; es entsteht Wasser. Eine einzelne Zelle liefert nur etwa 0,7 Volt, deshalb werden viele Zellen zu einem Stack gestapelt.
Warum sie effizienter ist als ein Motor Verbrennungsmotoren wandeln chemische Energie erst in Wärme und dann in Bewegung um — dabei begrenzt der Carnot-Wirkungsgrad das Ergebnis. Die Brennstoffzelle überspringt den Umweg über die Wärme und ist deshalb nicht an diese Grenze gebunden.
Die wichtigsten Typen
| Typ | Elektrolyt | Temperatur | elektrisch | Einsatz |
|---|---|---|---|---|
| PEMFC | Polymerelektrolyt | 60–80 °C | 40–60 % | Fahrzeuge, Hausenergie |
| SOFC | Festoxid | 650–1.000 °C | 45–65 % | Hausenergie, Industrie |
| PAFC | Phosphorsäure | 160–220 °C | 38–45 % | Blockheizkraftwerke |
| AFC | Alkalisch | 60–90 °C | 50–60 % | Raumfahrt, Nischen |
- PEMFC: Schnell startklar, braucht sehr reinen Wasserstoff.
- SOFC: Höchster elektrischer Wirkungsgrad, kann Erdgas direkt nutzen — startet aber langsam.
- PAFC: Robust und langlebig, unempfindlich gegen CO₂ in der Luft.
- AFC: Ältester Typ, reagiert empfindlich auf CO₂ — deshalb kaum im Alltag.
Brennstoffzellenheizung im Eigenheim
Im Haus arbeitet die Brennstoffzelle als Kraft-Wärme-Kopplung: Sie erzeugt Strom und nutzt die dabei anfallende Wärme zum Heizen und für Warmwasser. Weil reiner Wasserstoff im Netz nicht verfügbar ist, laufen fast alle Geräte mit Erdgas — ein vorgeschalteter Reformer löst daraus den Wasserstoff. Typisch sind 0,7 bis 1,5 kW elektrische und 1 bis 2 kW thermische Leistung; für kalte Tage ergänzt ein Spitzenlastkessel.
Das Gerät läuft idealerweise durchgehend und deckt die Grundlast. Wirtschaftlich wird es vor allem durch den selbst genutzten Strom — die Investition liegt aber deutlich über einer Gastherme. Sinnvoll ist es daher bei gleichmäßigem, ganzjährigem Bedarf; für ein gut gedämmtes Haus mit kurzer Heizperiode rechnet es sich selten.
Was heißt das für die Heizkosten?
Da die meisten Anlagen Erdgas nutzen, gelten für den Brennstoff dieselben Kennwerte wie bei jeder Gasheizung: rund 10,4 kWh je Kubikmeter Heizwert, abgerechnet über den Brennwert. Wie sich das im Vergleich zu Öl, Pellets und Scheitholz rechnet, zeigt der Brennstoff-Vergleich; den Jahresbedarf ermittelt der Gasverbrauch-Rechner.
Häufige Fragen zur Brennstoffzelle
Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?
Sie kehrt die Elektrolyse um: Wasserstoff und Sauerstoff reagieren zu Wasser und geben dabei Energie ab — nicht als Flamme, sondern direkt als elektrischen Strom. An der Anode gibt Wasserstoff Elektronen ab, die über einen äußeren Stromkreis zur Kathode fließen und dort mit Sauerstoff und den Protonen zu Wasser reagieren. Als Nebenprodukt entsteht Wärme.
Wie hoch ist der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle?
Elektrisch erreichen Brennstoffzellen je nach Typ 40 bis 65 Prozent — deutlich mehr als ein Verbrennungsmotor, weil sie nicht an den Carnot-Wirkungsgrad gebunden sind. Nutzt man zusätzlich die Abwärme zum Heizen, kommt der Gesamtwirkungsgrad auf 85 bis über 90 Prozent.
Was ist eine Brennstoffzellenheizung?
Ein Gerät, das Strom und Wärme gleichzeitig im Haus erzeugt (Kraft-Wärme-Kopplung). Die meisten Modelle laufen mit Erdgas: Ein Reformer löst daraus Wasserstoff, die Zelle erzeugt Strom, die Abwärme heizt. Typisch sind 0,7 bis 1,5 kW elektrische und 1 bis 2 kW thermische Leistung, meist ergänzt um einen Spitzenlastkessel für kalte Tage.
Was ist der Unterschied zwischen Brennstoffzelle und Batterie?
Eine Batterie speichert Energie und ist irgendwann leer. Eine Brennstoffzelle speichert nichts — sie wandelt kontinuierlich um, solange Brennstoff zugeführt wird, ähnlich einem Motor. Deshalb hängt die Laufzeit nicht an der Zellgröße, sondern an der Tankgröße.
Lohnt sich eine Brennstoffzellenheizung?
Wirtschaftlich nur bei hohem, gleichmäßigem Wärme- und Strombedarf über das ganze Jahr, weil die Anschaffung deutlich über einer Gastherme liegt. Punkten kann sie durch den selbst erzeugten Strom. Da die meisten Geräte mit Erdgas laufen, ist die CO₂-Bilanz zudem an einen fossilen Brennstoff gebunden — klimaneutral wird es erst mit grünem Wasserstoff.
Welche Brennstoffzelle eignet sich fürs Haus?
Im Hausbereich dominieren PEMFC und SOFC. PEM-Zellen starten schnell und eignen sich für schwankenden Bedarf, Festoxidzellen (SOFC) erreichen den höheren elektrischen Wirkungsgrad und können Erdgas ohne separaten Reformer verarbeiten, brauchen aber lange Anlaufzeiten und laufen deshalb möglichst durchgehend.