Wasserstoff-Brennstoffzellen

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

Diese Technologie ist eine Möglichkeit, wenn:

• eine längere Autonomie- oder Überbrückungszeit benötigt wird,
• eine rein batteriegestützte Versorgung eine entsprechend große Batteriekapazität erfordern würde,
• höhere elektrische Leistungen benötigt werden,
• eine mobile oder dezentrale Energieversorgung erforderlich ist,
• vorhandene Batterie- oder USV-Systeme um eine zusätzliche Energiequelle ergänzt werden sollen,
• ein leiser Betrieb und die Vermeidung lokaler CO₂- und Schadstoffemissionen gegenüber einem Dieselgenerator relevant sind oder
• kritische Infrastruktur auch bei einem längeren Netzausfall weiter versorgt werden muss.

Ob Wasserstoff dafür technisch und wirtschaftlich geeignet ist, hängt insbesondere von Leistungs- und Energiebedarf, geforderter Autonomiezeit, Wasserstoffversorgung, Aufstellbedingungen und der Integration in das Gesamtsystem ab.

Wasserstoff-Brennstoffzellen können sowohl für stationäre als auch für mobile Energieversorgungssysteme eingesetzt werden. Besonders relevant sind Anwendungen, bei denen Versorgungssicherheit, längere Betriebszeiten oder höhere Leistungsanforderungen eine wichtige Rolle spielen.

Kritische Infrastruktur

Bei einem Ausfall der regulären Stromversorgung müssen bestimmte technische Systeme weiterhin verfügbar bleiben. Wasserstoff-Brennstoffzellen können hier Bestandteil einer Ersatz- oder Notstromversorgung sein. Die erforderliche Systemarchitektur hängt unter anderem von der benötigten Leistung, Überbrückungszeit und vorhandenen USV- oder Batteriesystemen ab.

Mobilfunk und Kommunikation

Mobilfunk- und Kommunikationsanlagen benötigen auch bei einem Netzausfall eine zuverlässige Stromversorgung. Wasserstoff-Brennstoffzellen können bestehende Batterie- oder USV-Systeme ergänzen und die mögliche Überbrückungszeit verlängern.

Rechenzentren und technische Infrastruktur

Bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit kann Wasserstoff als zusätzliche Energiequelle für Backup- und Ersatzstromkonzepte geprüft werden. Entscheidend sind dabei unter anderem Leistungsbedarf, geforderte Verfügbarkeit, Wasserstoffversorgung und die Integration in die bestehende Infrastruktur.

Mobile und temporäre Energieversorgung

Auch auf Baustellen, bei Veranstaltungen oder für mobile Einsatzsysteme wird elektrische Energie benötigt werden, selbst wenn kein geeigneter Netzanschluss vorhanden ist. Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme stellen hier eine Alternative zu konventionellen Generatorlösungen dar.

Blaulichtorganisationen, Security und Defense

Auch mobile Kommunikations-, Sicherheits- und Versorgungssysteme können eine netzunabhängige Energieversorgung benötigen. Welche Lösung geeignet ist, hängt von Leistungsbedarf, Einsatzdauer, Mobilität, Wasserstoffversorgung und Umgebungsbedingungen ab.

Die Vorteile einer Wasserstoff-Brennstoffzelle müssen immer im Zusammenhang mit der jeweiligen Anwendung und dem gesamten Energieversorgungssystem bewertet werden.

Längere Autonomie ohne ausschließlich größere Batteriespeicher

Bei längeren Überbrückungszeiten kann eine ausschließlich batteriegestützte Lösung entsprechend große Batteriespeicher erfordern. Eine alternative Systemarchitektur besteht darin, Batterie bzw. USV mit einer Brennstoffzelle zu kombinieren.

Die Batterie übernimmt beispielsweise die kurzfristige Überbrückung, während die Brennstoffzelle anschließend zusätzliche Energie bereitstellt. Die mögliche Betriebsdauer wird dadurch wesentlich von der verfügbaren Brennstoffmenge bestimmt.

Keine lokalen CO₂- oder Schadstoffemissionen im Betrieb

Bei einer mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle entstehen bei der elektrochemischen Reaktion Wasser und Wärme. Damit können Wasserstoff-Brennstoffzellen insbesondere für Anwendungen interessant sein, bei denen lokale Emissionen vermieden werden sollen.

Wasserstoff kann durch das Elektrolyseverfahren umweltfreundlich aus regenerativem Strom z.B. Wind oder Solar erzeugt werden. Der durch dieses Verfahren erzeugte Wasserstoff ist also kohlendioxidneutral.

Leiser Betrieb

Im Gegensatz zu einem klassischen Verbrennungsmotor erfolgt die Stromerzeugung elektrochemisch. Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme können deshalb für Anwendungen interessant sein, bei denen Geräuschentwicklung ein wichtiges Auswahlkriterium ist. Die konkreten Geräuschwerte sind vom jeweiligen Gesamtsystem abhängig.

Skalierbarkeit für unterschiedliche Leistungsanforderungen

Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme stehen für unterschiedliche Leistungsklassen zur Verfügung. Abhängig vom jeweiligen System können mehrere Einheiten kombiniert bzw. modular aufgebaut werden. Dadurch kann die Systemarchitektur an unterschiedliche Leistungsanforderungen angepasst werden.

Wasserstoff- und Methanol-Brennstoffzellen sollten nicht pauschal in „besser“ und „schlechter“ eingeteilt werden. Beide Technologien können für eine netzunabhängige oder abgesicherte Energieversorgung eingesetzt werden, unterscheiden sich jedoch unter anderem bei Leistungsbereich und Brennstoffbereitstellung.

Für die Auswahl sollten insbesondere folgende Fragen 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?

Wasserstofflösungen können insbesondere dann interessant sein, wenn höhere elektrische Leistungen benötigt werden und eine geeignete Wasserstoffversorgung realisiert werden kann. Methanol kann dagegen insbesondere bei kleineren Leistungsanforderungen sowie mobilen und dezentralen Anwendungen interessant sein.

Welche Technologie für ein konkretes Projekt geeignet ist, bewerten wir für Sie anhand der gesamten Energieversorgungsaufgabe. Sie erhalten eine für Ihr Projekt individuell erstelle Lösung.

Die Auswahl einer Wasserstoff-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?
   Verbraucher können zeitweise eine deutlich höhere Leistung benötigen als im normalen Betrieb.
3. Welche Autonomie- oder Überbrückungszeit wird gefordert?
   Soll die Anlage Stunden, mehrere Tage oder einen längeren Zeitraum ohne Netzversorgung funktionieren?
4. Welche Batterie oder USV ist vorhanden?
   Batterietyp, Kapazität, Systemspannung und vorhandenes Batterie- bzw. USV-Management beeinflussen die Systemarchitektur.
5. Wie wird der Wasserstoff bereitgestellt?
   Die erforderliche Wasserstoffmenge und deren Bereitstellung müssen gemeinsam mit Leistungsbedarf und gewünschter Betriebsdauer betrachtet 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.

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Aus diesen Angaben lässt sich ableiten, welche Rolle die Brennstoffzelle im Gesamtsystem übernehmen soll und welche Leistungsklasse, Brennstoffversorgung und Systemarchitektur dafür erforderlich sind.

In vielen Projekten ist bereits eine Energieversorgung vorhanden. Batterie, USV, elektrische Verteilung, Steuerung oder weitere Komponenten sollen nicht ersetzt, sondern um eine zusätzliche Energiequelle ergänzt werden. Die zentrale Frage lautet deshalb:

Wie muss die Wasserstoff-Brennstoffzelle mit der bestehenden Energieversorgung zusammenspielen?

Dabei sind beispielsweise Systemspannung, Leistungsanforderungen, Batteriemanagement, Ein- und Ausschaltbedingungen sowie elektrische und kommunikative Schnittstellen zu berücksichtigen. Zusätzlich muss die Wasserstoffversorgung in das Gesamtkonzept einbezogen werden.

Wir betrachten deshalb nicht nur die einzelne Brennstoffzelle, sondern die gesamte Systemarchitektur. Ziel ist es, die Komponenten so aufeinander abzustimmen, dass die geforderte Energieversorgung für den jeweiligen Anwendungsfall erreicht wird.