Die Brennstoffzelle revolutioniert die USV-Technologie

Durch stetige Weiterentwicklung ist die Brennstoffzelle heute eine realistische Alternative zu herkömmlichen Notstromsystemen und Batterien. Vor allem im „Outdoorbereich“ fehlen wetterresistente, zuverlässige USV-Systeme, die einen länger anhaltenden Ausfall der Stromversorgung überbrücken können.

Hier schließt sich die Lücke mit dem wartungsarmen und umweltfreundlichen Brennstoffzellen-USV-System. Dieses ermöglicht es Unternehmen ihre kritischen Hochverfügbarkeits-Anwendungen abzusichern. Darüber hinaus sind sie über die gesamte Lebensdauer deutlich preiswerte als die aktuellen Standard-USV-Systeme.

USV im Outdoorbereich

In der heutigen internationalen Vernetzung durch Datenübertragungssysteme kommt der Ausfallsicherheit dieser Netzwerke ein immer größerer Stellenwert zu. Die wesentliche Störquelle ist dabei die elektrische Stromversorgung, welche in den meisten Fällen durch externe Einwirkungen wie Umwelteinflüße und menschliches Versagen beeinträchtigt wird.

Um den sicheren Betrieb von Netzwerken und entsprechenden Anlagen gewährleisten zu können, wird eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) im Außenbereich benötigt, die dazu dient, Spannungseinbrüche und -ausfälle zu überbrücken und eine kontinuierliche Stromversorgung des Verbrauchers sicher zu stellen.

Einsatzorte für die Outdoor-USV finden sich vor allem in der Telekommunikation (Mobilfunkstationen, Netzwerkverteilerknoten) und der Verkehrstelematik (Verkehrsüberwachung). Beim Ausfall des Stromversorgungsnetzes spielen Zuverlässigkeit und Laufzeit der USV eine entscheidende Rolle.

Die Brennstoffzelle als USV

Um eine kurzzeitige Spannungsversorgung sicherzustellen, haben sich in der Wirtschaft verschiedene USV-Systeme bewährt. Dazu gehören batteriebetriebene USV-Systeme und Schwungscheibengeneratoren. Um einen Netzausfall dauerhaft zu überbrücken, werden heute meistens Dieselaggregate oder Mikroturbinen eingesetzt. Die Nachteile der Batterie-USV liegen, bedingt durch die große Anfälligkeit gegenüber Temperaturschwankungen bei Außeneinsatz, in der recht kurzen Lebensdauer von maximal fünf Jahren und deren hohen Anschaffungskosten. Zudem bieten Schwungscheibengeneratoren nur für eine kurze Zeit eine Versorgungssicherheit.

Dieselaggregate und Mikroturbinen haben zwar eine lange, nur durch den Brennstoffvorrat beschränkte Laufzeit, benötigen aber einen erhöhten Wartungs- und Platzbedarf und stoßen während des Betriebes umweltschädigende Kohlenstoffoxide aus.

Um diese Nachteile zu vermeiden, bedarf es neuer Wege der netzunabhängigen Energieerzeugung. Somit bietet sich die Brennstoffzelle als Energieerzeuger dort an, wo eine lange Laufzeit bei gleichzeitig niedrigen Servicekosten gewährleistet sein soll.

Das Prinzip der Brennstoffzelle basiert auf einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, bei der Wasser, Wärme und elektrische Energie erzeugt wird.

Im Bedarfsfall versorgt die Brennstoffzelle den Verbraucher schon nach maximal 30 Sekunden mit der entsprechenden Leistung. Hochleistungskondensatoren beziehungsweise Batterien überbrücken dabei die Zeit, welche die Brennstoffzelle zum Hochfahren benötigt. Die Überbrückungszeit wird von der Menge des bereitgestellten Wasserstoffvorrates bestimmt.

Funktionsprinzip Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle auf Basis der Proton-Exchnage-Membrane-Technologie (PEM) wandelt die chemische Energie, die bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff entsteht, direkt in elektrische Energie, Wasser und Wärme um.

Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, die durch ein Elektrolyt inklusive einer Membran voneinander getrennt sind. Der Wasserstoff (H2) wird an einer Elektrode, der Anode, in positiv geladene Protonen und negativ geladene Elektronen aufgespaltet. An der Sauerstoffelektrode, der Kathode, werden die Sauerstoffmoleküle (O2) aufgetrennt.

Die H2-Protonen wandern durch das Elektrolyt zur positiven Kathode und reagieren dort mit den O2-Ionen zu Wasser. Die auf der Anodenseite verbleibenden Elektronen fließen als elektrischer Strom über eine externe Last - dem Verbraucher - die zwischen die beiden Elektroden geschaltet wird.

Wasserstoff als Energielieferant

Wasserstoff ist mit seinem Energiegehalt von 33,3 kWh/kg einer der speicherfähigsten Energieträger, welcher eine Alternative zu fossilen Energiequellen bietet, da er regenerativ aus Wasser gewonnen werden kann.

Wasserstoff kann auf vielfältige Weise hergestellt werden, wobei die bedeutendsten Herstellungsverfahren die Elektrolyse und die Gewinnung aus fossilen Energierohstoffen sind.

• Bei der Elektrolyse wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespaltet. Wenn Wasserstoff durch regenerative Energiequellen wie Luft, Wasser, Sonne hergestellt werden kann, ist die gesamte Energiewandlungskette von Wasser zu Wasserstoff und von Wasserstoff wieder zu Wasser, umwelt- und klimaökologisch sauber.

• Bei der Gewinnung aus fossilen Rohstoffen, wie zum Beispiel Erdgas, Erdöl, Diesel und Benzin, wird unter hoher Wärmeeinwirkung und Zuführung von Wasserdampf der Wasserstoff erzeugt (Reformierung). Auf diese Art wird heute der Grossteil des Wasserstoffes hergestellt, dabei fällt aber noch das für die Brennstoffzelle schädliche Kohlenmonoxid (CO) an, welches durch Nebenreaktionen in Kohlendioxid (CO2) umgewandelt werden muss.

Funktionsweise der Brennstoffzellen-USV

Die Brennstoffzelle ist eine voll funktionsfähige Einheit, welche als Notstromversorgung für den Außeneinsatz entwickelt wurde und die mit der Primärversorgung namhafter Hersteller kombiniert werden kann. Sie ist integriert in einem klimatisierten Gehäuse und versorgt bei einem Stromausfall den Verbraucher mit einer Gleichspannung von 48 Volt bei 5 kW Dauerleistung.

Die Energie gewinnt die Brennstoffzelle dabei aus Wasserstoff, der in einem separaten Gehäuse beziehungsweise Tank gelagert wird. Die Gasflaschen können während des Betriebes ohne Unterbrechung der Stromversorgung gewechselt werden (Hot-Swap). Die Fernüberwachung der Brennstoffzelle erfolgt dabei über Ethernet und ermöglicht so eine einfache Kontrolle des Systems von zentralen Leitwarten aus.

Die Laufzeit eines Systems mit zum Beispiel einer 50-Liter-Flasche Wasserstoff (200 bar, 9,8 m³) beträgt bei 5 kW Volllast zirka zwei Stunden.

Technische Daten einer 5-kW-Outdoor-USV der Firma Rittal GmbH auf Basis der PEM-Brennstoffzellen-Technologie:

5-kW-USV (PEM-Brennstoffzelle)

Technische Daten
Leistung:	0 - 5000 W
Eingangsspannung:	230 V, 50/60 Hz
Ausgangsspannung:	48 V DC (46 V DC bis 54 V DC)
maximaler Spannungsausfall:	0,005 Sek.
Lebensdauer:	10 Jahre / 4000 Std.
Versorgung
Gastyp:	Wasserstoff, Reinheit 3.5
mögliche Versorgung:	50-Liter- / 10-Liter-Flaschen (200 bar)
Gehäuse
Plattform:	CS Toptec
Abmessung:	650 x 1345 x 650 mm
Gewicht:	182 kg
Geräuschentwicklung:	zirka 60 dB (A)
Umgebungsbedingungen
Temperaturbereich:	-40 °C bis +50 °C
relative Luftfeuchte:	0 % bis 95 %, kein Kondensat
Höhe über NN:	0 bis 2000 m

Vorteile der Brennstoffzelle als USV

Bedingt durch die Eigenschaften der Brennstoffzellen-Technologie ergeben sich für die Nutzung als USV folgende Vorteile:

• Der Reaktionsprozess wandelt chemische Energie direkt in elektrische Energie um, was einen hohen Wirkungsgrad und damit einen geringeren Energieverlust bewirkt

• Kein Umweltbelastung, da bei dem Prozess nur Wasser, Wärme und elektrische Energie entstehen.

• Geringe Lärmbelastung

• Die geringe Komplexität ermöglicht einen geringen Kostenaufwand und hohe Zuverlässigkeit

• Wettbewerbsfähige Energiedichte

• Niedrige Servicekosten, da die Zelle während des Stillstandes nicht altert

• 10 Jahre Lebensdauer

Es gibt verschiedene Arten der Brennstoffzellen, wobei die hier verwendete PEM-Brennstoffzelle (Polymer Elektrolyt Membran) zu den ausgereiften Technologien gehört. Die Summe der Vorteile der Brennstoffzelle im Vergleich zu anderen Notstromversorgungssystemen spiegelt sich in reduzierten Total Costs of Ownership (TCO) wieder.

Ausblick

Die Brennstoffzellen-Technologie ist zwar nicht neu, aber steckt immer noch in der Entwicklungsphase. Allerdings befassen sich bereits viele namhafte USV-Hersteller bereits mit dieser Technik und bieten entsprechende Produkte - sei es vorerst nur als Prototypen – an.

Durch die Senkung von Produktionskosten durch erhöhte Nachfrage und verbesserte Herstellungsprozesse werden sich Brennstoffzellen-USV-Systeme „zukünftig“ am Markt etablieren. Vor allem durch die Verwendung von umweltfreundlichem Wasserstoff wird im Zeitalter der Rohstoffknappheit die Verwendung von erneuerbaren Energien an Bedeutung gewinnen.

Wann allerdings die Brennstoffzelle den Siegeszug sowohl im USV-Bereich als auch in anderen Bereichen der Energieversorgung Antritt ist noch ungewiss. Denn vorerst müssen noch einige technische Hürden und eine entsprechende Infrastruktur wie effiziente Gewinnung von Wasserstoff oder sicherer Transport von Wasserstoff überwunden werden. (hal)