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Arten von Brennstoffzellen-Heizungen: Welche Vor- und Nachteile gibt es?

Werden Brennstoffzellen zum Heizen eingesetzt, kommen nur zwei Arten in Frage. Eine davon überwiegt beim Angebot an Brennstoffzellen-Heizungen. Erfahren Sie, was sie unterscheidet und wo die Vor- und Nachteile liegen.

Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen-Heizungen. Für die Hausenergieversorgung bis zehn Kilowatt (elektrisch) kommen zwei Brennstoffzellen-Typen zum Einsatz. Sie sind zugleich am weitesten entwickelt: die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC: „Proton Exchange Membrane Fuel Cell“) und die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC: „Solid Oxide Fuel Cell“).

Sie unterscheiden sich vor allem in der Betriebstemperatur (Nieder- und Hochtemperatur) und in der Art des Elektrolyten, der die beiden Elektroden (Minus- und Pluspol) im Innern der Brennstoffzelle voneinander trennt. Die meisten derzeit erhältlichen Brennstoffzellen-Heizungen arbeiten mit SOFC-Technologie. Drei von acht Herstellern setzen dagegen auf PEMFC.

Alle Brennstoffzellen-Heizungen nutzen Erdgas oder Bio-Erdgas als Brennstoff. Theoretisch können sie auch mit Flüssiggas betrieben werden, also auch ohne Erdgasanschluss. Auf dem Markt gibt es aber derzeit keine entsprechenden Geräte.

Die wichtigsten Faktoren der zwei Arten von Brennstoffzellen-Heizungen im direkten Vergleich

SOFCPEMFC
ElektrolytFestkeramischer-ElektrolytPolymer-Membran
Arbeitstemperatur650 – 1000 °C70 – 90 °C
BrennstoffWasserstoff
Erdgas
Methan
Wasserstoff
Erdgas
Methanol
Methan
Entwicklungsstandkommerziell verfügbarkommerziell verfügbar
EinsatzbereichKraftwerk
BHKW
Mikro-KWK
KFZ-Antrieb
BHKW
Mikro-KWK
Anlagenwirkungsgrad (elektrisch)33 – 60 %32 – 37 %

Quelle: ASUE/VNG

SOFC-Brennstoffzelle

SOFC sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die mit Arbeitstemperaturen von 650 bis 1.000 Grad Celsius betrieben werden. Ihr Elektrolyt besteht meist aus Zirkondioxid, einer High-Tech-Keramik, die auch bei hohen Temperaturen hitze- und korrosionsbeständig ist. Zirkondioxid wurde ursprünglich für die Weltraumtechnik entwickelt. Seit mehr als zwanzig Jahren wird es in der Medizin zum Beispiel für künstliche Hüftgelenke und mittlerweile auch für Zahnkronen und -brücken verwendet.

Der elektrische Wirkungsgrad der Oxidkeramischen Brennstoffzelle liegt mit 33 bis 60 Prozent zum Teil deutlich über dem von PEMFC-Zellen. SOFC-Brennstoffzellen werden in Blockheizkraftwerken (BHKW), Mikro-KWK-Anlagen sowie in Kraftwerken eingesetzt.

Vor- und Nachteile von SOFC-Brennstoffzellen

SOFC-Brennstoffzellen können den Brennstoff intern umwandeln, Techniker sprechen von „reformieren“. Sie benötigen also keinen externen Reformer, um das Erdgas in Wasserstoff umzuwandeln. Das spart im Vergleich zu PEMFC Energie und Kosten für zusätzliches Equipment – ein Vorteil der SOFC-Zelle.

Zirkondioxid ist auch bei hohen Temperaturen sehr stabil und sorgt für eine lange Lebensdauer des Elektrolyten. Die hohe Betriebstemperatur sorgt zudem für eine gute Wärmeauskopplung mit bis zu 80 Grad Celsius.

Die hohen Arbeitstemperaturen bringen allerdings auch Nachteile mit sich: zum Beispiel eine lange Aufwärmphase. Die SOFC-Brennstoffzelle braucht also relativ lange, um anzufahren. Die Materialien müssen extrem temperaturbeständig sein und die Werkstofftechnik ist sehr anspruchsvoll. Deshalb sollten SOFC-Brennstoffzellen-Heizungen am besten dauerhaft laufen und der Brennstoffzellenstapel in ihrem Inneren nur in Störfällen abgekühlt werden. Denn extreme Temperaturschwankungen begrenzen die Zyklenfestigkeit, also die Zahl der insgesamt möglichen An- und Abfahrvorgänge und damit auch die Lebensdauer.

VorteileNachteile
einfacher Zellaufbauhohe Betriebstemperaturen, d. h. lange Aufwärmphase nötig
hohe Wirkungsgradelange An- und Abfahrtzeiten
Prozesswärme auskoppelbarKorrosion der Komponenten
Kohlenmonoxid-unempfindlichsetzt hohe Temperaturbeständigkeit an das Material voraus
kein Elektrolytmanagement erforderlichdynamische Betriebsweise ist nur eingeschränkt möglich
keine Edelmetalle, bedeutet geringere Kosten
kein reiner Wasserstoff erforderlich
robuster und weniger wartungsintensiv im Vergleich zu anderen Brennstoffzellentypen

Quelle: ASUE

PEMFC-Brennstoffzellen

Bei PEMFC handelt es sich um eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle. Sie arbeitet mit Betriebstemperaturen zwischen 70 und 90 Grad Celsius. Ihr Elektrolyt besteht aus einer dünnen, festen Kunststoffhaut, der Polymer-Membran. Sie ist durchlässig für Protonen und leitet diese.

Der elektrische Wirkungsgrad von Polymermembran-Brennstoffzellen liegt bei 32 bis 37 Prozent und damit deutlich unter dem von SOFC-Brennstoffzellen. Eingesetzt werden PEMFC-Brennstoffzellen als Heizanlagen sowie in Antrieben von Kraftfahrzeugen.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, PEMFC (für Proton Exchange Membrane Fuel Cell) werden auch PEFC-Brennstoffzellen genannt.

Vor- und Nachteile von PEMFC-Brennstoffzellen

Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen benötigen möglichst reinen Wasserstoff als Brennstoff. Er muss zunächst mithilfe eines externen Reformers aus dem Brennstoff, in der Regel Erdgas, gewonnen werden. Das verbraucht zusätzliche Energie und benötigt eine spezielle Systemtechnik – ein Nachteil der Technologie.

Darüber hinaus gilt dieser Zellentyp als sehr schmutzempfindlich und anfällig bei verunreinigtem Gas. Zudem erfordern Polymermembran-Brennstoffzellen ein relativ aufwendiges Wärme- und Wassermanagement.

Vorteile von PEMFC-Brennstoffzellen sind ihr einfacher Aufbau, ihre dank hoher Leistungsdichte kompakte Bauform, ihre kurze Startphase und ihr sehr flexibles Verhalten, das eine schnelle Reaktion auf wechselnde Lasten ermöglicht.

VorteileNachteile
einfacher Zellaufbauanfällig gegen verunreinigtes Gas
schnelle Reaktion auf wechselnde Lastenhohe Anforderung an den Elektrolyt
kurze StartphasenWasser- und Wärmemanagement notwendig
hohe Leistungsdichtekomplexere Systemtechnik ggü. SOFC
Elektrolyt ist korrosionsbeständigGeringe Temperatur ist nachteilhaft für die Brauchwassererzeugung
Zelle einfach herstellbar ggü. SOFC-Zelle

Quelle: ASUE

Unterschiedliche Arten von Brennstoffzellen-Heizungen – unterschiedliche Gefahren?

Explosiver Wasserstoff kommt zwar bei beiden Arten von Brennstoffzellen-Heizungen zum Einsatz – aber in beiden Fällen nicht in größeren Mengen oder über einen längeren Zeitraum. Deswegen besteht keine Explosionsgefahr und es sind auch keine Explosionen aus dem Betrieb von Brennstoffzellen-Heizungen bekannt.

Auch die hohen Arbeitstemperaturen der SOFC-Brennstoffzellen stellen keine Gefahr dar. Die eingesetzte High-Tech-Keramik Zirkondioxid ist geeignet, um deutlich höheren Temperaturen standzuhalten. Außerdem treten bei der Verbrennung von Erdgas ähnlich hohe Temperaturen auf, die auch kein Problem darstellen.

Bei Haltbarkeit oder Lebensdauer gibt es im regulären Betrieb keine Unterschiede bei den verschiedenen Arten von Brennstoffzellen. Das Kostenrisiko lässt sich zudem durch langjährige Garantie und Wartungsverträge minimieren (auch Voraussetzung für Fördermittel) – ein Vorteil gegenüber herkömmlichen Heizmöglichkeiten.

Autoren: Kristina Simons und Marcus Franken

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