Brennstoffzellen-USV: Die nächste USV-Generation mit langer Autonomiezeit

Schon kurze Unterbrechungen im Versorgungsnetz richten in der Produktion meist einen beträchtlichen wirtschaftlichen Schaden an, gerade in kritischen Bereichen. Als Redundanz setzt man daher unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) ein, die den notwendigen Netzstrom innerhalb von Millisekunden bereitstellen, wenn die Standard-Versorgung ausfällt. Herkömmliche Systeme, wie batteriebetriebene USVs oder Generatoren, sind seit Jahren in einer breiten Leistungspalette verfügbar. Batteriebetriebene USV Batteriebetriebene Lösungen können Stromausfälle im Minutenbereich kompensieren und ermöglichen eher eine geregelte Abschaltung als eine langen Fortsetzung der Anwendung. Das hängt damit zusammen, dass die so genannte Energiedichte von Blei-Akkus für einen längeren Zeitraum zu gering ist. Um Stromausfälle von mehreren Stunden oder länger abzusichern, müssten also sehr viele Batterien zum Einsatz kommen, was natürlich weder platz noch kostensparend ist. Je nach Anwendungsfall ist die Überbrückung kurzer Zeiträume mit Batterien aber völlig ausreichend. So lassen sich beispielsweise Server, Steuerungen oder Maschinen innerhalb weniger Minuten kontrolliert herunterfahren. Alternativen zu Generatoren Der klassische Generator, der üblicherweise zum Abdecken von langen Zeiträumen eingesetzt wird, kann aufgrund der genannten Nachteile nicht überall installiert werden. Zudem ist er, genau wie große batteriebetriebene USVs, deutlich schwerer und kann unter Umständen in einem normalen Bürogebäude die vorgeschriebene Belastung für Decken überschreiten. Mit ihm sind jedoch auch hohe Wartungskosten verbunden, wenn man gewährleisten will, dass er auch anspringt, wenn er gebraucht wird. Zudem entwickelt solch ein Aggregat einen hohen Lärmpegel, Abgase und natürlich Verschleiß. Eine Alternative ist die Brennstoffzelle – und das nicht nur aufgrund ihrer langen Autonomiezeiten. Bis vor einigen Jahren war die Akzeptanz von Brennstoffzellen eher gering und sie führte in der Industrie ein Schattendasein. Das hat sich geändert. Aufgrund ihrer positiven Eigenschaften, wie lange Autonomiezeit, flexibler Aufbau, Umweltfreundlichkeit und wenig Wartung, gewinnt die Brennstoffzelle immer mehr an Bedeutung. Lange Autonomiezeiten ohne Schadstoffe Das Unternehmen Rittal ist eines der wenigen im Markt, das die Entwicklung und den Einsatz von Brennstoffzellen als USV in der Industrie erfolgreich vorantreibt. Grundlage ist die Erfahrung mit diversen Installationen: Angefangen von Basisstationen für Mobilfunknetze, über die Telematik bis hin zu autarken Informationsterminals. Als einer der weltweit führenden Anbieter für Rackbasierte IT-Infrastrukturen hat Rittal auf der letzten Cebit das neue anschlussfertige 7,5kW-Brennstoffzellensystem RiCell Flex präsentiert. Das gerade für den Hermes Award 2010 nominiert wurde. Der renommierte Technologiepreis, der als Oscar der Industrie gilt, ist eine der begehrtesten internationalen Auszeichnungen und wird von einer hochkarätigen Jury vergeben. Zu den Anwendungsbereichen zählen nicht nur Industrie, Telekommunikation und IT-Rechenzentren sondern auch Energieumspannwerke, die Verkehrs und Umwelttechnik sowie Tunnel und Bergwerke. Die große Herausforderung ist daher, die Entwicklung an verschiedene Marktsegmente anzupassen. Denn auch, wenn es ein Serienprodukt ist, muss es aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen flexibel und kundenspezifisch konfiguriert werden können. RiCell Flex ist daher als zeitlich skalierbares System (abhängig von der Anzahl der Wasserstoffflaschen) und kaskadierbaren Leistungen von 2,5 bis 50kW ausgelegt. Autonomiezeit und Leistung bestimmt also der Anwender, und zwar unabhängig voneinander. Und genau das ist die weiterführende Lösung, die der industrielle Markt dringend benötigt. Ein modulares USV-System auf der Basis einer Brennstoffzelle, das lange Autonomiezeiten bietet, flexibel angepasst werden kann und dazu noch umweltfreundlich ist, denn als Nebenprodukte entstehen lediglich Wärme und Wasser, das als Wasserdampf mit der Kühlluft abgegeben wird. Verbrauchswerte Speziell bei der Optimierung einiger Parameter ist Rittal einen großen Schritt vorangekommen und hat damit auch den wirtschaftlichen Anreiz für den Einsatz von Brennstoffzellen erhöht. So ist es gelungen, den Standby-Betrieb von 400 auf 200Watt (bei 48 VDC, 7,5kW System) zu senken, ebenso den Wasserstoffverbrauch um bis zu 30 Prozent. Bei einer Leistung von 5kW sind nur noch 50slpm (Standardliter pro Minute). Mit einer 50l Wasserstoff-Flasche und 200bar wird eine Autonomiezeit von über 2 Stunden erreicht. Einen solchen Zeitraum über batteriebetriebene Systeme abzusichern, wäre falls überhaupt sinnvoll mit wesentlich höheren Kosten verbunden, gleiches gilt für den Generator. Strom aus Wasser- und Sauerstoff Wie ist eine Brennstoffzelle aufgebaut und wie arbeitet sie? Brennstoffzellen nutzen die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff und wandeln diese in elektrische Energie, Wasser und Wärme um. Auch wenn es verschiedene Typen gibt, so ist das Prinzip doch immer gleich: Zwei Elektroden sind durch einen Elektrolyten getrennt, der nur für den Transport bestimmter Teilchen durchlässig ist. Zugeführt werden Wasserstoff aus Gasflaschen als Brennstoff und Sauerstoff aus der Umgebungsluft. Der Wasserstoff wird an der Anode in Protonen (WasserstoffIonen) und Elektronen getrennt. Die Protonen diffundieren durch den Elektrolyten zur Kathode, die Elektronen nehmen den Weg über eine externe Last zur Kathode. Damit fließt elektrischer (Gleich)strom. An der Kathode werden die Sauerstoffmoleküle getrennt, nehmen Elektronen aus dem Stromkreislauf auf und reagieren mit den Protonen zu Wasser. Die Bereitstellung der für die Anwendung notwendigen Netzspannung erfolgt über entsprechende Wandler. Die am weitesten verbreitete Variante nutzt eine Polymerfolie als Elektrolyt. Von ihr ist auch der Name dieser PEM-Brennstoffzelle abgeleitet (Polymere Electrolyte Membrane). Die Erfahrung hat gezeigt, dass gerade dieser Typ ideal für die unterschiedlichen Anforderungen der Industrie geeignet ist. Er wird übrigens auch im PKW (Wasserstoffauto) eingesetzt. Die neu entwickelten USV-Systeme von Rittal basieren ebenfalls auf PEM-Brennstoffzellen. Weitere Aussichten Die Forderungen des Marktes sind abzusehen: Mehr Flexibilität, verbesserter Service, noch längere Autonomiezeiten und niedrigere Kosten. Eine Möglichkeit wäre der Einsatz von Methanol als primärer Brennstoff. Das hat zwar den Vorteil einer höheren Energiedichte und damit längeren Autonomiezeit, bedingt aber auch eine höhere Investition, denn der für die chemische Reaktion notwendige Wasserstoff muss erst über einen so genannten Reformer aus dem Wasser-Methanol-Gemisch erzeugt werden. Auf den ersten Blick ist es zunächst nur eine wirtschaftliche Abwägung, wäre da nicht die Toxizität des Methanols, aufgrund der eine solche Anlage im Nebenraum des Rechenzentrums nicht so gerne gesehen wird. Und genau das ist auch der Grund, weshalb bei den neuen Entwicklungen von Rittal reiner Wasserstoff (aus der Flasche) eingesetzt wird. Aber die genannten Forderungen werden kommen. Man darf also gespannt sein, wie die bereits laufenden Entwicklungen für den Einsatz von anderen Brennstoffen und Materialien vorangehen. Fazit Die Brennstoffzelle als USV macht den Strom zu einer autarken, umweltfreundlichen und auch wirtschaftlichen Energieversorgung. Die Rittal Brennstoffzelle ist eine Redundanz, die sowohl kurze als auch lange Netzausfälle überbrückt. Es geht weniger darum, bestehende USV-Systeme zu ersetzen, als die Brennstoffzelle bei einer Neuplanung überhaupt mit ins Kalkül ziehen. Denn wenn man lange Autonomiezeiten, skalierbare Leistungen, Flexibilität und geringe Wartungskosten in die Waagschale wirft, dann liegt der so gerne erwähnte TCO (Total Cost of Ownership) niedriger als bei vergleichbaren Standardanlagen. Und noch ein Punkt ist wichtig. Es gibt mittlerweile sehr effektive Kombinationen der Brennstoffzelle mit regenerativen Energien wie Photovoltaik oder Windkraft. Typische Beispiele werden auf der Hannover Messe am Rittal-Stand vorgestellt. Sogar Hybridsysteme sind möglich. Rittal kann auch hier ein Wort mitreden, denn das Unternehmen gehört zur Friedhelm Loh Group, genauso wie Würz Energy, die sich intensiv mit Blockheizkraftwerken und Photovoltaik beschäftigen. (kbn) www.rittal.de (Kasten) Interview mit Dr. Thomas Steffen Zunächst meinen herzlichen Glückwunsch zur Nominierung zum Hermes Award. Seit wann befasst sich Rittal mit der Thematik der Brennstoffzellen? Wir sind hier bereits seit dem Jahr 2004 tätig. Offenbar haben viele industrielle Anwender noch Vorbehalte gegenüber der Zuverlässigkeit von Brennstoffzellen. Was entgegnen Sie diesen Vorbehalten? In der Tat war die Zuverlässigkeit von Brennstoffzellen früher ein Thema. Das haben wir bei Rittal ebenso erfahren. So waren Vorgängersysteme von RiCell Flex noch im Stadium von Prototypen. Weiterhin waren diese System sehr komplex aufgebaut und zum Teil mit Sonderbauteilen ausgestattet. Wir haben diese Vorbehalte intensiv betrachtet und analysiert. Weiterhin wurden Markthemmnisanalysen in Zusammenarbeit mit Brennstoffzelleninitiativen und Verbänden durchgeführt. Das neue Konzept von RiCell Flex ist die logische Konsequenz der Erfahrungen und Analysen. Rittal hat daher die Anzahl der Bauteile eines Systems sehr deutlich um 70% reduziert und dabei nur noch Industriestandardkomponenten eingesetzt. Damit wird eine hohe Verfügbarkeit des Systems erreicht. Weiterhin besticht das System durch seine Einfachheit im Gesamtkonzept und damit einhergehend einer leichten Bedienbarkeit (Plug & Play). Der Austausch eines Brennstoffzellenmoduls geschieht z.b. im Servicefall innerhalb von wenigen Minuten und kann von einem Mitarbeiter erledigt werden. Rittal Brennstoffzellen werden im übrigen unter schwierigen Umgebungsbedingungen im Rittal Forschungsstollen auf der Grube Fortuna in Oberbiel evaluiert und getestet. Unsere Systeme werden somit nicht nur allein im Labor, sondern unter Extrembedingungen im Bergbau erprobt. Sie haben den Wasserstoffverbrauch Ihrer Brennstoffzelle RiFlex um 30% senken können. Wie haben Sie das erreicht? Zunächst haben wir von Wasserkühlung auf Luftkühlung umgestellt. Durch den Wegfall von Pumpen, Displays und anderen Komponenten haben wir die Anzahl aktiver Bauteile um bis zu 70% reduziert. Zudem benötigen wir duch ein optimiertes Stacklayout keine DC/ DC-Wandler mehr. Weitere Einsparungen haben wir durch verlustarme Bauteile erreicht. Wie wird die Brennstoffzelle die industrielle USV-Landschaft verändern? Die Ansprüche an die Verfügbarkeit von Infrastrukturen im industriellen Umfeld nehmen stetig zu. Gründe dafür sind zum einen die höheren Anforderungen hinsichtlich der Überbrückungszeit bei Netzstörungen. Im Bereich von Telekom-Anwendungen haben wir schon jetzt geforderte Überbrückungszeiten von vielen Stunden. Ein weiterer Aspekt ist die intelligente Vernetzung von Brennstoffzellen mit dem Smart Grid, den Stromnetzen der Zukunft. In unserem Ansatz ist die Brennstoffzellen-USV nicht nur eine Absicherung für den Notfall sondern ein cleverer Energiespeicher, der z.B. bei Spitzenlastproblemen im Energienetz entweder Strom einspeist oder alternativ auf Eigenversorgung eines Standortes temorär umstellt. Diese Strategie führt zukünftig zu völlig neuen Geschäftsmodellen. Die Vision, viele dezentrale Notstromsysteme auf Basis von Brennstoffzellen zu virtuellen Kraftwerken zu bündeln und diese Leistung bedarfsorientiert den Netzen anzubieten, wird Realität. Das Marktpotenzial ist beträchtlich.