Eine Frau spielt zusammen mit ihrem Sohn auf dem Boden im Wohnzimmer.
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Bauen und Kaufen

Brennstoffzellenheizung: Funktionsweise, Voraussetzungen und Kosten

Thomas Bott

Von mobilen Ladegeräten für Smartphones bis zu Antrieben für Schiffe oder Lastwagen: Brennstoffzellen werden künftig in immer mehr Bereichen zum Einsatz kommen. Und schon heute ist damit das Heizen des Hauses möglich. Die Funktionsweise ist etwas komplizierter als bei anderen Heizungssystemen. Ausserdem müssen einige wichtige Voraussetzungen gegeben sein, damit sich die Technik lohnt. Hier erfahren Sie, was es mit Brennstoffzellenheizungen auf sich hat.

Wasserstoff: der Rohstoff für die Brennstoffzelle

Wasserstoff, das mag den einen oder anderen vor allem an den Chemieunterricht in der Schule erinnern. Es handelt sich dabei um das Gas an erster Stelle des Periodensystems, welches das Symbol „H“ trägt. Wasserstoff ist Teil zahlreicher chemischer Verbindungen, darunter auch der wohl wichtigsten für das Leben auf der Erde: Wasser (H₂O).

Wasserstoff ist sogar das am häufigsten vorkommende Element des Universums. Entsprechend gross ist sein Potenzial als Energieträger. Genau dieses Potenzial macht sich die Brennstoffzelle zunutze. So futuristisch die Brennstoffzellentechnologie dabei erscheinen mag, ist das Prinzip selbst doch schon rund 180 Jahre alt.

Funktionsweise: So erzeugt die Brennstoffzelle Energie

In einer Brennstoffzelle befinden sich zwei Elektroden: die Anode als Minuspol und die Kathode als Pluspol. Sie sind über eine Leitung miteinander verbunden. Zwischen ihnen liegt ein Elektrolyt mit einer festen Membran. Damit eine Brennstoffzelle Energie erzeugt, braucht es einen chemischen Prozess. Dafür wird der Anode Wasserstoff und der Kathode Sauerstoff zugeführt. Den Wasserstoff zerlegt es nun in positiv geladene Protonen und negativ geladene Elektronen.

Diese Elektronen gelangen über die Leitung von der Anode zur Kathode. Es fliesst also nutzbarer Strom. Auf der anderen Seite angekommen, verbinden sich die Elektronen mit dem Sauerstoff. In der Zwischenzeit wandern positiv geladene Wasserstoffionen durch die Membran auf die Kathodenseite und docken ebenfalls am Sauerstoff an. Es kommt zu einer „kalten Verbrennung“, bei der warmes Wasser entsteht. Genau diese Wärme nutzt die Brennstoffzellenheizung, um damit ein Gebäude zu versorgen.

Schaubild der Funktionsweise einer Brennstoffzelle. Elektroden fliessen von der Anode zur Kathode und erzeugen so Strom. Derweil wandern positive Wasserstoffionen durch eine Elektrolytmembran zum nun mit Elektroden angereicherten Sauerstoff und verbinden sich mit diesem. Es entstehen Wärme und Wasser.

Während von einer Elektrode zur anderen der Strom fliesst, sorgt ein chemischer Prozess für die Erzeugung von Wärme.

Planung und Voraussetzungen: Das gilt es zu beachten

Die Sauerstoffversorgung ist nicht schwierig, schliesslich braucht es dafür nur die Umgebungsluft. Etwas komplizierter gestaltet sich der Nachschub mit Wasserstoff. Schliesslich ist das Gas nicht an jeder Ecke zu kaufen. Für die Heizung braucht es also einen Rohstoff, aus dem sich Wasserstoff gewinnen lässt. Das ist aktuell Erdgas. Im Haus muss also ein Erdgasanschluss vorhanden sein. Ist dieser noch nicht installiert, sollten Sie diesen Schritt mit in die Planung einbeziehen. Innerhalb der Brennstoffzellenheizung entzieht ein Reformer dem Erdgas den benötigten Wasserstoff. So entstehen Abgase, für die ein brennwerttauglicher Schornstein notwendig ist. Das bedeutet, dass er feuchteunempfindlich, druckfest sowie russ- und korrosionsbeständig sein muss.

Das Prinzip der Brennstoffzelle entspricht der Kraft-Wärme-Kopplung. Das System produziert Strom und Wärme gleichzeitig. Damit Letztere bei geringem Bedarf nicht verloren geht und schnell zur Verfügung steht, wenn es nötig ist, lohnt sich die Anschaffung eines Pufferspeichers. Dieser versorgt das Haus bedarfsgerecht mit Wärme. Ein spezieller Heizkreislauf ist nicht notwendig. Stattdessen funktioniert die Brennstoffzellenheizung mit den meisten bereits bestehenden Systemen.

Weil die erzeugte Wärme meist nicht für die Wintermonate ausreicht, sollte die Brennstoffzellenheizung an ein Gasbrennwertgerät gekoppelt sein. Diese nutzt den bestehenden Anschluss bei Bedarf mit. Es gibt auf dem Markt allerdings bereits Hybridsysteme, die beide Geräte in einem vereinen. Weil die Brennstoffzelle im Betrieb sehr leise ist, lässt sie sich auch in einem Wohnkeller aufstellen.

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Die Umweltbilanz der Brennstoffzellenheizung

Ganz ohne CO₂-Ausstoss kommt die Brennstoffzelle nicht aus. Das liegt in erster Linie an der Gewinnung des benötigten Wasserstoffs. Durch den Vorgang im Reformer entsteht das Klimagas, das dann durch den Schornstein in die Umwelt gelangt. Bilanziell liegt die Menge der CO₂-Emissionen der Brennstoffzelle aber deutlich unter derjenigen von anderen Heizungssystemen. So stösst sie etwa 70 Prozent weniger CO₂ aus als eine ältere Heizung, die rein fossile Brennstoffe nutzt. Das liegt auch am hohen Wirkungsgrad der Brennstoffzellenheizung.

In Zukunft soll sich der Wert weiter verbessern. So könnte schon der Einsatz von Biogas eine Steigerung bedeuten. Bei einer direkten Versorgung mit Wasserstoff wäre das System sogar lokal emissionsfrei und vielleicht sogar bilanziell CO₂-neutral. Die zukünftigen Entwicklungen in diesem Sektor sind also spannend.

Kosten: der Preis für das Heizen mit Wasserstoff

Mit der Brennstoffzellenheizung gehen hohe Anschaffungskosten einher. In der Regel müssen Sie, je nach Hersteller und Bedarf, mit etwa 40 000 Franken rechnen. Eine Förderung gibt es in der Schweiz nicht, weil das System nicht mit erneuerbaren Energien arbeitet. Das ist ein Vorteil für andere Heizungsarten wie die Wärmepumpe, bei denen es eine attraktive Förderung gibt.

Weiterhin sind Sie mit einer Brennstoffzellenheizung an die Gaspreise gebunden. Kommt es zu Schwankungen, die nicht unüblich sind, steigen auch die Kosten für den Betrieb. Natürlich dämpfen der hohe Wirkungsgrad und das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung diesen Nachteil ein wenig. Sie erzeugen aus dem Gas schliesslich nicht nur Wärme für die Heizung, sondern auch Strom und Warmwasser.

Auch ohne Förderung kann sich die Brennstoffzelle schon nach zehn bis 20 Jahren amortisieren. Es gilt grundsätzlich: Je mehr Energie Sie selbst nutzen, desto früher lohnt sich ein solches System. Zwar können Sie den überschüssig produzierten Strom auch an das öffentliche Netz abgeben, die Vergütung zahlt aber unter dem Strich kaum auf die Wirtschaftlichkeit ein. In der Wartung liegt die Brennstoffzellenheizung bei rund 500 Franken pro Jahr.

Brennstoffzelle: die Vor- und Nachteile im Überblick

  • Vorteile
  • Nachteile
  • Brennstoffzellen liefern Strom, Wärme für die Heizung und warmes Wasser zugleich
  • Hohe Anschaffungskosten für eine neue Brennstoffzellenheizung
  • Der Wirkungsgrad ist hoch, weshalb die Brennstoffzellenheizung sehr effizient arbeitet
  • Nutzung des fossilen Rohstoffs Erdgas und damit verbundene CO₂-Emissionen
  • Idealer Ersatz für eine alte Gasheizung, weil die notwendigen Anschlüsse schon vorhanden sind
  • Schwankungen bei den Gaspreisen sorgen für geringere Planungssicherheit bei den Kosten
  • Die Brennstoffzellenheizung arbeitet sehr leise
  • Keine staatliche Förderung in der Schweiz
  • Amortisation im Idealfall bereits nach rund einem Jahrzehnt möglich
  • Deutlich bessere Umweltbilanz als etwa bei einer alten Gasheizung

Fazit: frische Technologie mit Zukunft

Heizung, Strom und warmes Wasser aus nur einem System: Die Brennstoffzellenheizung liefert alles, was Sie im Haus brauchen. Der hohe Wirkungsgrad spricht klar für die Technik. Allerdings gibt es auch noch Luft nach oben, gerade, was den verwendeten Rohstoff Erdgas angeht. Beim Aspekt Wirtschaftlichkeit lässt sich nur schwer eine generelle Aussage treffen. Es liegt vor allem an Ihrem Nutzungsverhalten, ob und wann sich die Brennstoffzelle lohnt. Ein Fachbetrieb kann Ihnen anhand von Daten zum Verbrauch von Heizung und Strom eine genauere Berechnung liefern. Auf eine persönliche Beratung sollten Sie also nicht verzichten.

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