Methanol-Brennstoffzellen

Methanol-Brennstoffzellen kommen insbesondere dann als mögliche Lösung infrage, wenn eine technische Anlage über längere Zeit zuverlässig mit elektrischer Energie versorgt werden soll und eine Netzversorgung nicht vorhanden oder nicht ausreichend sicher ist.

Die Technologie ist eine Möglichkeit, wenn:

• eine längere Autonomie- oder Überbrückungszeit benötigt wird,
• eine rein batteriegestützte Versorgung eine entsprechend große Batteriekapazität erfordern würde,
• eine mobile oder dezentrale Energieversorgung benötigt wird,
• vorhandene Batterie- oder USV-Systeme um eine zusätzliche Energiequelle ergänzt werden sollen,
• Photovoltaik vorhanden ist, die Energieversorgung aber auch bei unzureichendem Solarertrag sichergestellt werden muss,
• ein leiser Betrieb gegenüber einem Diesel-Generator relevant ist oder
• Anlagen an Standorten betrieben werden, bei denen regelmäßige Vor-Ort-Einsätze möglichst reduziert werden sollen.

Das bedeutet jedoch nicht, dass Methanol für jede dieser Anforderungen automatisch die beste Lösung ist. Leistung, Energiebedarf, Brennstofflogistik, Aufstellbedingungen, Integration und Betrieb müssen für die konkrete Anwendung bewertet werden.

Methanol-Brennstoffzellen können insbesondere für mobile und dezentrale Anwendungen sowie zur Absicherung technischer Infrastruktur interessant sein.

Funk- und Kommunikationssysteme

Funk- und Kommunikationsanlagen müssen teilweise auch dann weiterarbeiten, wenn die reguläre Stromversorgung ausfällt. Eine Brennstoffzelle kann hier eine vorhandene Batterie- oder USV-Lösung ergänzen und die mögliche Überbrückungszeit verlängern.

Mess- und Monitoringsysteme

Messstellen für Umwelt-, Verkehrs- oder andere technische Daten befinden sich häufig an dezentralen Standorten. Bei der Energieversorgung sind deshalb neben der elektrischen Leistung insbesondere Autonomiezeit, vorhandene Energiequellen und die Erreichbarkeit des Standorts relevant.

Mobile Security- und Überwachungssysteme

Mobile Kameras, Überwachungs- und Sicherheitssysteme benötigen Energie auch dort, wo kein dauerhafter Netzanschluss verfügbar ist. Methanol-Brennstoffzellen können dabei Bestandteil eines mobilen Energieversorgungssystems sein.

Blaulicht- und Einsatzorganisationen

Auch für mobile Funk-, Kommunikations- und Versorgungssysteme von Einsatzorganisationen kann eine netzunabhängige Energieversorgung erforderlich sein. Welche Systemarchitektur geeignet ist, hängt von Leistungsbedarf, Mobilität, Einsatzdauer und Umgebungsbedingungen ab.

Baustellen und temporäre Infrastruktur

An temporären Einsatzorten steht nicht immer eine geeignete Netzversorgung zur Verfügung. Hier können Brennstoffzellen insbesondere dann geprüft werden, wenn elektrische Verbraucher über längere Zeit versorgt werden müssen.

Die Vorteile einer Methanol-Brennstoffzelle lassen sich nicht sinnvoll unabhängig von der Anwendung beurteilen. Entscheidend ist vielmehr, welche Aufgabe die Brennstoffzelle innerhalb des gesamten Energiesystems übernimmt.

Längere Autonomie ohne ausschließlich größere Batteriespeicher

Soll eine Anlage über einen längeren Zeitraum ohne Netzversorgung funktionieren, muss die dafür erforderliche Energie bereitgestellt werden.

Eine Möglichkeit besteht darin, die Batteriekapazität entsprechend groß auszulegen. Eine andere Systemarchitektur kann darin bestehen, eine Batterie mit einer Brennstoffzelle zu kombinieren. Die Brennstoffzelle stellt dann zusätzliche Energie aus dem mitgeführten Brennstoff bereit.

Welche dieser Lösungen technisch und wirtschaftlich sinnvoller ist, hängt vom Lastprofil und der geforderten Autonomiezeit ab.

Kombination mit Batterie und Photovoltaik

Methanol-Brennstoffzellen können Bestandteil hybrider Energieversorgungssysteme sein.

Ein mögliches Konzept besteht aus: Photovoltaik → Batterie → Verbraucher + Brennstoffzelle als zusätzliche Energiequelle

Bei ausreichendem Solarertrag liefert die Photovoltaikanlage Energie und lädt die Batterie. Reicht die verfügbare Energie nicht mehr aus, kann die Brennstoffzelle – abhängig von der konkreten Systemarchitektur – zusätzliche Energie bereitstellen.

Damit lässt sich die Energieversorgung nicht anhand einer einzelnen Komponente, sondern anhand des Zusammenspiels mehrerer Energiequellen optimieren.

Flüssiger Energieträger

Methanol ist bei üblichen Umgebungsbedingungen flüssig. Für die Planung eines autarken Systems ist das relevant, weil nicht nur die elektrische Leistung, sondern auch die Bereitstellung und Bevorratung der benötigten Energie am Einsatzort berücksichtigt werden muss.

Wie der Brennstoff konkret gelagert, bereitgestellt und gewechselt wird, hängt vom jeweiligen Brennstoffzellensystem und den geltenden Anforderungen ab.

Leiser Betrieb

Da die elektrische Energie elektrochemisch und nicht durch einen klassischen Verbrennungsmotor erzeugt wird, können Methanol-Brennstoffzellen insbesondere für Anwendungen interessant sein, bei denen Geräuschentwicklung ein wichtiges Auswahlkriterium ist. Die konkreten Geräuschwerte sind produktabhängig und müssen anhand des jeweiligen Systems geprüft werden.

Methanol- und Wasserstoff-Brennstoffzellen sollten nicht pauschal in „besser“ und „schlechter“ eingeteilt werden.

Welche Technologie für eine Anwendung geeignet ist, hängt von mehreren technischen und betrieblichen Faktoren ab. Um eine Entscheidung treffen zu können, müssen u.a. folgenden Kriterien und Fragestellungen betrachtet werden.

• Leistung: Welche Dauer- und Spitzenleistung wird benötigt?
• Autonomie: Wie lange muss die Anlage ohne Netzversorgung funktionieren?
• Lastprofil: Ist der Energiebedarf konstant oder schwankt er stark?
• Brennstoffversorgung: Welcher Energieträger kann am Standort sinnvoll bereitgestellt und bevorratet werden?
• Bestehende Infrastruktur: Sind Batterie, USV oder Photovoltaik bereits vorhanden?
• Aufstellort: Welche räumlichen und umgebungsbezogenen Anforderungen bestehen?
• Integration: Welche elektrischen und kommunikativen Schnittstellen werden benötigt?
• Monitoring: Muss das System aus der Ferne überwacht werden?
• Betrieb & Service: Welche Anforderungen bestehen an Wartung und Vor-Ort-Einsätze?

Ihr Ansprechpartner bei Ing. Fischer GmbH bewertet die unterschiedlichen Technologien anhand Ihrer Anforderungen und Sie erhalten von uns die für Ihr Projekte geeignetste Lösung.

Die Auswahl einer Brennstoffzelle ausschließlich anhand ihrer Nennleistung greift zu kurz.

Für die Systemauslegung müssen Leistung und Energie getrennt betrachtet werden: Wie viel elektrische Leistung benötigt die Anwendung zu einem bestimmten Zeitpunkt – und wie viel Energie muss über die gesamte gewünschte Betriebsdauer zur Verfügung stehen?

Zu Beginn einer Auslegung sollten deshalb zumindest folgende Fragen beantwortet werden:

1. Welche Dauerleistung benötigt die Anwendung?

Ausgangspunkt sind die angeschlossenen Verbraucher und deren tatsächliche Leistungsaufnahme.

2. Gibt es Lastspitzen?

Motoren, Kommunikationssysteme oder andere Verbraucher können zeitweise eine höhere Leistung benötigen als im normalen Betrieb.

3. Welche Autonomiezeit wird gefordert?

Soll die Anlage Stunden, mehrere Tage oder einen längeren Zeitraum ohne Netzversorgung funktionieren?

4. Welche Batterie ist vorhanden?

Batterietyp, Kapazität, Systemspannung und vorhandenes Batterie- bzw. USV-Management beeinflussen die Systemarchitektur.

5. Gibt es weitere Energiequellen?

Photovoltaik oder andere Energiequellen können einen Teil des Energiebedarfs decken und müssen bei der Dimensionierung berücksichtigt werden.

6. Unter welchen Bedingungen wird das System betrieben?

Aufstellort, Temperatur und weitere Umgebungsbedingungen können die Auswahl geeigneter Komponenten beeinflussen.

7. Wie soll die Anlage überwacht werden?

Bei schwer erreichbaren oder kritischen Anlagen können Betriebszustände, Alarmmeldungen und Fernüberwachung bereits bei der Systemauswahl relevant sein.

Aus diesen Angaben lässt sich anschließend ableiten, welche Rolle eine Brennstoffzelle im Gesamtsystem übernehmen soll und welche Leistungsklasse und Brennstoffbevorratung dafür erforderlich sind.

In vielen Projekten beginnt die Planung nicht auf der grünen Wiese. Oftmals ist eine Batterie, USV, Photovoltaikanlage oder bestehende Steuerung bereits vorhanden und soll um eine zusätzliche Energiequelle ergänzt werden. Dann lautet die entscheidende Frage:

„Wie muss die Brennstoffzelle mit der bestehenden Energieversorgung zusammenspielen?“

Dabei sind beispielsweise Systemspannung, Batteriemanagement, Ladezustände, Ein- und Ausschaltbedingungen, vorhandene Energiequellen sowie elektrische und kommunikative Schnittstellen zu berücksichtigen.

Ing. Erhard Fischer GmbH betrachtet deshalb die Brennstoffzelle als Bestandteil einer Systemarchitektur. Ziel ist es, die Komponenten so aufeinander abzustimmen, dass die geforderte Energieversorgung für den jeweiligen Anwendungsfall erreicht wird.

Für ein Energieversorgungsunternehmen (EVU) wurde eine Ersatzstromanlage mit Methanol-Brennstoffzelle konzipiert. Ziel war es, die Energieversorgung einer Funkanlage auch bei einem Ausfall der regulären Stromversorgung über einen Zeitraum von 14 Tagen sicherzustellen.

Die Anlage wurde innerhalb eines Jahres realisiert und im August 2024 offiziell in Betrieb genommen und präsentiert.
Das Projekt zeigt, wie Methanol-Brennstoffzellen für Anwendungen eingesetzt werden können, bei denen eine lange Überbrückungszeit und eine zuverlässige Energieversorgung technischer Infrastruktur gefordert sind.