Die Brennstoffzelle – Wie gut ist die Energiegewinnung aus Wasserstoff?

ARNE GONSCHOR

AKTUALISIERT AM: 08.08.2022

ARNE GONSCHOR
AKTUALISIERT AM: 08.08.2022

Eine Brennstoffzelle erzeugt aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom und Wärme. Als „Nebenprodukt“ fällt dabei lediglich Wasser an. Damit liefert die Brennstoffzelle einfach und effizient klimafreundliche Energie – zumindest theoretisch. Denn in der Praxis muss die Energiegewinnung aus Wasserstoff noch so einige Hürden nehmen, um eine echte und langfristige Alternative zu werden.

Diese Themen erwarten Sie:

Die Brennstoffzelle in Kürze

  • In einer Brennstoffzelle reagieren in der Regel Wasserstoff und Sauerstoff miteinander. Dabei wird sowohl Strom als auch Wärme erzeugt; als Nebenprodukt fällt lediglich Wasser an.
  • Wird bei diesem Verfahren sogenannter grüner Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt, ist die Energiegewinnung theoretisch sogar klimaneutral.
  • Brennstoffzellen sollen in Zukunft 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. Das liegt vor allem an den verhältnismäßig hohen Anschaffungs- und Betriebskosten.

Brennstoffzelle – Definition, Aufbau & Funktion

Definition

Unter einer Brennstoffzelle versteht man 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.

Ganz wichtig: Brennstoffzellen sind 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 der Zelle trennt eine ausschließlich für Kationen (also H+-Ionen) durchlässige Elektrolytmembran die beiden Elektroden.

Die beiden gängigsten Brennstoffzellen-Arten sind die PEMFC– und die SOFC-Brennstoffzelle. Bei Ersterer werden die beiden Elektroden durch eine dünne, feste Kunststoff-Membran getrennt. Aus diesem Grund wird diese Art der Brennstoffzelle auch Polymerelektrolyt- oder Niedertemperatur-Brennstoffzelle genannt. Die SOFC-Brennstoffzelle wiederum hat eine Membran aus Zirkondioxid, einer sogenannten Hightech-Keramik. Diese Art der Brennstoffzelle wird umgangssprachlich auch Festoxid- oder Hochtemperatur-Brennstoffzelle genannt.

Schematischer Aufbau einer Brennstoffzelle
Schematischer Aufbau einer Brennstoffzelle

Funktionsweise

Die elektrochemische Reaktion, die im Inneren einer Brennstoffzelle abläuft, wird auch als Redox-Reaktion bezeichnet. Diese funktioniert wie folgt:

  1. Im ersten Schritt wird der Brennstoff (Wasserstoff) an der Anode oxidiert. Das heißt, dass unter Abgabe von Elektronen Wasserstoff-Kationen (H+) entstehen.
  2. Die so entstandenen Kationen gelangen in der Folge durch die Membran hinüber in die Kammer, in der sich das Oxidationsmittel (Sauerstoff) befindet. Derweil fließen die freigewordenen Elektronen von der Anode zur Kathode. Dieser Elektronenfluss kann im Haus als Strom genutzt werden.
  3. An der Kathode nimmt das Oxidationsmittel (Sauerstoff) die freien Elektronen wieder auf. Dabei entstehen Sauerstoff-Anionen (O2-), die mit den Sauerstoff-Kationen unmittelbar zu Wasser (H2O) reagieren.

Neben Wasser und Strom entsteht bei dieser Reaktion auch Wärme. Diese kann beispielsweise zum Heizen von Häusern genutzt werden. Da bei einer Brennstoffzelle gleichzeitig Strom und Wärme entsteht, spricht man hier auch von einer sogenannten „Kraft-Wärme-Kopplung“.

Exkurs: Ist grüner Wasserstoff wirklich die Kohle der Zukunft?

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

Des Weiteren wird Wasserstoff nach wie vor größtenteils aus Erdgas gewonnen. Dieser sogenannte „graue Wasserstoff“ ist alles andere als klimaneutral und dementsprechend keine echte Alternative zu herkömmlichen fossilen Energieträgern. Gleichzeitig ist der oft zitierte grüne Wasserstoff, der durch die Elektrolyse von Wasser gewonnen wird, noch lange nicht in dem Umfang verfügbar, in dem er benötigt wird. Aus diesem Grund wird Wasserstoff immer wieder als der „Champagner unter den Energieträgern“ bezeichnet. Mit anderen Worten: Wasserstoff sollte (vorerst) nur zu gegebenen Anlässen und in kleinen Mengen eingesetzt werden.

Die Brennstoffzellenheizung im Eigenheim

Der zumindest zahlenmäßig wichtigste Anwendungsbereich der Brennstoffzelle ist aktuell jedoch nicht etwa die Mobilitätsbranche, sondern die netzunabhängige Strom- und Wärmeversorgung. In Japan nutzen beispielsweise über 400.000 Haushalte eine sogenannte Brennstoffzellenheizung, um sich eigenständig mit Elektrizität und Heizwärme zu versorgen; in Deutschland wurde bis Ende 2020 immerhin 15.000 Anträgen auf KfW-Förderung für eine Brennstoffzellenheizung stattgegeben.

Das große Problem dabei: Eine vollumfängliche Brennstoffzellenheizung im Einfamilienhaus kostet aktuell um die 35.000 € ( 40 % Förderung möglich). Hinzu kommt, dass reiner Wasserstoff als Energieträger derzeit noch sehr teuer und nicht uneingeschränkt verfügbar ist. Aus diesem Grund kommt bei Brennstoffzellenheizungen im Einfamilienhaus weiterhin vermehrt Erdgas zum Einsatz. Um aus diesem Erdgas nun reinen Wasserstoff für die Brennstoffzelle zu gewinnen, muss es vor der eigentlichen Reaktion noch durch einen sogenannten Reformer geleitet werden. In diesem wird aus dem unreinen Erdgas unter Zugabe von Wasserdampf reiner Wasserstoff extrahiert. Bei einem Gaspreis von derzeit 13 ct/kWh und einem Verbrauch von ca. 25.000 kWh kämen so zusammengenommen Heiz- und Stromkosten von ca. 3.250 € pro Jahr zustande.

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

Die Alternative zur Brennstoffzellenheizung

Deutlich günstiger und meist auch um einiges klimafreundlicher heizen Hausbesitzer mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe. Dieses Heizsystem entzieht der Umgebungsluft mithilfe von Strom Energie und macht diese im Haus in Form von 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 nur etwa die Hälfte, nämlich 15.000 € bis 25.000 € (bis zu 40 % Förderung möglich). Und auch in puncto Betriebskosten hat die Wärmepumpe gegenüber der Brennstoffzellenheizung die Nase vorn. Statt ca. 1.600 € reiner Heizkosten zahlen Hausbesitzer mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe bei vergleichbarer Heizlast nur um die 900 € pro Jahr.

Die Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle im Überblick

VorteileNachteile
Erzeugt gleichzeitig Strom und WärmeTechnische Anforderungen sind nach wie vor sehr hoch
Durch hohen Wirkungsgrad sehr effizientHohe Anschaffungs- und Betriebskosten
Kann bei Einsatz von grünem Wasserstoff theoretisch CO₂-neutral arbeitenWerden aktuell vor allem mit sogenanntem grauen Wasserstoff aus Erdgas betrieben
Verschleiß- und wartungsarmAktuell nur wenige Hersteller auf dem Markt

Die Brennstoffzelle: Es ist noch ein langer Weg

Eins ist klar: An der Brennstoffzelle führt in der Zukunft kein Weg vorbei. Zu viele Industrien benötigen effiziente und saubere Energie, um ihre Prozesse zukünftig klimafreundlich zu gestalten. Das gilt vor allem für die Luft- und Schifffahrt sowie die Stahl- und Eisenproduktion, da herkömmliche Batterien oder der reine Einsatz von Solar- und Windenergie hier für einen echten Wandel nicht ausreichen werden. Damit das gelingen kann, darf in Zukunft jedoch nur noch wirklich grüner Wasserstoff zum Einsatz kommen. Denn solange der eingesetzte Wasserstoff weiterhin zu großen Teilen aus Erdgas gewonnen wird, kann von einer klimafreundlichen Alternative keineswegs die Rede sein. 

Für Privatpersonen könnte die Brennstoffzelle in Zukunft höchstens als Kraft-Wärme-Kopplungsanlage interessant werden. Aktuell ist die Technik allerdings – trotz großzügiger Förderung – noch wenig wettbewerbsfähig, zumal auch hier weiterhin vermehrt Erdgas als Energielieferant eingesetzt werden muss. Wenn Sie jetzt schon klimafreundlich und unabhängig heizen möchten, sollten Sie daher lieber zu einer Luft-Wasser-Wärmepumpe inklusive Ökostrom-Vertrag greifen. Ein weiterer Pluspunkt dieser Entscheidung: Der knappe Wasserstoff kann in Zukunft genau da eingesetzt werden, wo er als grüne Alternative weiterhin alternativlos erscheint – beispielsweise in der Schwerindustrie oder der Luftfahrt.

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