Brennstoffzelle: Aufbau, Funktion und Einsatzmöglichkeiten

Die Brennstoffzelle in Kürze

• In einer Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff miteinander. Dabei entstehen sowohl Strom als auch Wärme. Als Nebenprodukt fällt lediglich Wasser an.
• Wird sogenannter grüner Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt, ist die Energiegewinnung theoretisch sogar klimaneutral.
• Brennstoffzellen sollen künftig vor allem in den Bereichen Luft-, Schiff- und Raumfahrt sowie in der Stahlproduktion klimafreundliche Energie liefern.
• Als Heizsystem im Eigenheim kommen Brennstoffzellen bisher eher selten zum Einsatz, vor allem wegen der verhältnismäßig hohen Anschaffungs- und Betriebskosten.

Brennstoffzelle: Definition, Aufbau & Funktion

Definition

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Energie eines Brennstoffs, meist Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, meist Sauerstoff, in Wasser, Strom und Wärme umwandelt. Diese Reaktion wird umgangssprachlich auch als „kalte Verbrennung“ bezeichnet.

Brennstoffzellen sind übrigens lediglich Energiewandler, keine Energiespeicher.

Aufbau

Eine Brennstoffzelle besteht aus einer Anode (Minuspol) und einer Kathode (Pluspol), die außerhalb der Zelle über einen elektrischen Leiter miteinander verbunden sind. Im Inneren trennt eine Elektrolytmembran, die ausschließlich für Kationen (H⁺-Ionen) durchlässig ist, die beiden Elektroden voneinander.

Die zwei gängigsten Bauarten sind die PEMFC– und die SOFC-Brennstoffzelle. Bei der PEMFC trennt eine dünne, feste Kunststoffmembran die beiden Elektroden. Aus diesem Grund wird sie auch Polymerelektrolyt- oder Niedertemperatur-Brennstoffzelle genannt. Die SOFC-Brennstoffzelle verwendet stattdessen eine Membran aus Zirkondioxid, einer sogenannten Hightech-Keramik. Sie ist unter den Begriffen Festoxid- oder Hochtemperatur-Brennstoffzelle bekannt.

Funktionsweise

Die elektrochemische Reaktion im Inneren einer Brennstoffzelle wird als Redox-Reaktion bezeichnet. Sie läuft in drei Schritten ab:

1. Im ersten Schritt wird der Brennstoff (Wasserstoff) an der Anode oxidiert. Dabei entstehen unter Abgabe von Elektronen Wasserstoff-Kationen (H⁺).
2. Diese Kationen wandern durch die Membran in die Kammer, in der sich das Oxidationsmittel (Sauerstoff) befindet. Gleichzeitig fließen die freigewordenen Elektronen von der Anode zur Kathode. Dieser Elektronenfluss ist der nutzbare Strom.
3. An der Kathode nimmt der Sauerstoff die freien Elektronen auf. Es entstehen Sauerstoff-Anionen (O^2-), die mit den Wasserstoff-Kationen unmittelbar zu Wasser (H₂O) reagieren.

Neben Wasser und Strom entsteht bei dieser Reaktion auch Wärme, die sich zum Beispiel zum Heizen nutzen lässt. Weil eine Brennstoffzelle gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt, spricht man von einer sogenannten Kraft-Wärme-Kopplung.

Ist grüner Wasserstoff die Kohle der Zukunft?

Grüner Wasserstoff gilt vielen als der Energieträger der Zukunft und als Allzweckwaffe im Kampf gegen den Klimawandel. Die angedachten Anwendungsbereiche reichen von der Luft- und Schifffahrt bis hin zur klimaneutralen Stahlproduktion. Das Problem: Wasserstoff ist derzeit noch sehr teuer, und weder die Gewinnung noch die Verarbeitung lohnen sich bislang wirtschaftlich.

Dazu kommt, dass Wasserstoff nach wie vor größtenteils aus Erdgas gewonnen wird. Dieser sogenannte „graue Wasserstoff“ ist alles andere als klimaneutral und damit keine echte Alternative zu fossilen Energieträgern. Gleichzeitig ist der oft zitierte grüne Wasserstoff, der durch die Elektrolyse von Wasser entsteht, noch lange nicht in dem Umfang verfügbar, in dem er gebraucht wird. Aus diesem Grund wird Wasserstoff immer wieder als der „Champagner unter den Energieträgern“ bezeichnet. Er sollte vorerst nur zu gegebenen Anlässen und in kleinen Mengen eingesetzt werden.

Die Brennstoffzellenheizung im Eigenheim

Der zahlenmäßig wichtigste Anwendungsbereich der Brennstoffzelle ist aktuell nicht die Mobilitätsbranche, sondern die netzunabhängige Strom- und Wärmeversorgung. In Japan nutzen beispielsweise über 400.000 Haushalte eine Brennstoffzellenheizung, um sich eigenständig mit Elektrizität und Heizwärme zu versorgen.

Das große Problem dabei ist, dass eine vollumfängliche Brennstoffzellenheizung im Einfamilienhaus aktuell etwa 35.000 Euro kostet. Reiner Wasserstoff als Energieträger ist sehr teuer und zudem nicht uneingeschränkt verfügbar. Deshalb kommt bei Brennstoffzellenheizungen im Einfamilienhaus weiterhin vermehrt Erdgas zum Einsatz. Um daraus reinen Wasserstoff für die Brennstoffzelle zu gewinnen, muss das Gas zunächst durch einen sogenannten Reformer geleitet werden. In diesem wird unter Zugabe von Wasserdampf reiner Wasserstoff extrahiert. Bei einem Gaspreis von etwa 11 ct/kWh und einem Verbrauch von circa 25.000 kWh kämen so zusammengenommen Heiz- und Stromkosten von circa 2.750 Euro pro Jahr zustande.

Bei einer Brennstoffzellenheizung erzeugst du aus 25.000 kWh Erdgas etwa 12.500 kWh Heizwärme und circa 10.000 kWh Strom. Das reicht, um ein modernes Einfamilienhaus mit rund 100 m² Grundfläche das gesamte Jahr über mit Wärme zu versorgen. Der überschüssige Strom, eine Familie braucht in einem solchen Haus nur etwa 3.500 kWh Strom pro Jahr, kann gegen ein Entgelt in das öffentliche Netz eingespeist werden.

Die Alternative zur Brennstoffzellenheizung

Deutlich günstiger und in den meisten Fällen auch klimafreundlicher heizen Hausbesitzer*innen mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe. Dieses Heizsystem entzieht der Umgebungsluft mithilfe von Strom Energie und macht sie im Haus als Heizwärme nutzbar. Wird der dafür benötigte Strom zu 100 % aus erneuerbaren Energien gewonnen, ist das Heizen mit der Wärmepumpe sogar klimaneutral.

Im Vergleich zur Brennstoffzellenheizung kostet die Wärmepumpe außerdem deutlich weniger: zwischen 20.000 und 35.000 Euro. Auch bei den Betriebskosten liegt die Wärmepumpe vorn. Statt rund 1.600 Euro reiner Heizkosten zahlen Hausbesitzer*innen mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe bei vergleichbarer Heizlast nur etwa 1.200 Euro pro Jahr. Wenn dich interessiert, wann eine Wärmepumpe im Altbau Sinn macht, liest dann unseren Ratgeber zu Wärmepumpen im Altbau.

Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle im Überblick

Die Brennstoffzelle: Es ist noch ein langer Weg

An der Brennstoffzelle führt langfristig kein Weg vorbei. Zu viele Industrien brauchen effiziente und saubere Energie, um ihre Prozesse klimafreundlich zu gestalten. Das gilt vor allem für die Luft- und Schifffahrt sowie die Stahl- und Eisenproduktion, wo herkömmliche Batterien oder der reine Einsatz von Solar- und Windenergie für einen echten Wandel nicht ausreichen werden.

Damit das gelingt, darf künftig aber nur noch wirklich grüner Wasserstoff zum Einsatz kommen. Solange der eingesetzte Wasserstoff weiterhin zu großen Teilen aus Erdgas gewonnen wird, kann von einer klimafreundlichen Alternative keine Rede sein. Welche Rolle das intelligente Stromnetz bei der Integration erneuerbarer Energien spielt, erklärt unser Ratgeber zum Thema Smart Grid.

Für Privatpersonen könnte die Brennstoffzelle in Zukunft höchstens als Kraft-Wärme-Kopplungsanlage interessant werden. Aktuell ist die Technik allerdings noch wenig wettbewerbsfähig, zumal auch hier weiterhin vermehrt Erdgas als Energielieferant eingesetzt werden muss. Wer jetzt schon klimafreundlich und unabhängig heizen möchte, fährt mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe inklusive Ökostrom-Vertrag deutlich besser. Ein weiterer Pluspunkt: Der knappe Wasserstoff kann dann dort eingesetzt werden, wo er als grüne Alternative wirklich alternativlos ist, zum Beispiel in der Schwerindustrie oder der Luftfahrt.

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