Aktuell / 12.11.2014

Erneuerbare und Elektrolyse sichern Versorgung

Eine Testanlage der autonomen und unterbrechungsfreien Energieversorgungsanlage steht in Elancourt bei Paris. Die transportable Anlage verbindet Photovoltaik- und Windkraftanlage mit Batterie, Elektrolyseur, Wasserstoffspeicher und Brennstoffzelle. © Airbus Defence & Space
Das Wasserstoff-Brennstoffzellensystem mit einer Ausgangsleistung von 1,5 kW sichert als Backup die ganzjährige Stromversorgung mit erneuerbarer Energie. © Fraunhofer ISE
Zuständigkeiten der REnerSta-Projektpartner: Airbus ist verantwortlich für Simulationstool und Komplettlösung, Fraunhofer ISE für Brennstoffzellensystem und die H2-Speicherung, AEG für die Gesamtsteuerung, Saft für den Energiespeicher, CETH2 für Elektrolyse und H2-Speicherung, Atermes für das Kabinett. © Fraunhofer ISE

Meist werden Dieselgeneratoren zur Stromversorgung abseits von Versorgungsnetzen eingesetzt, entweder als einzige Stromquelle oder zur Unterstützung von regenerativen Systemen. In einem deutsch-französischen Gemeinschaftsprojekt entwickelten Forscher nun eine Anlage, die ganz ohne fossile Treibstoffe auskommt. Sie nutzt Sonnen- und Windenergie und speichert die Überschüsse für Zeiten, in denen weder die Sonne scheint noch der Wind weht.

Eine neue Stromversorgungsanlage, die überall auf der Erde eingesetzt werden kann, ist das Ziel eines deutsch-französischen Gemeinschaftsprojektes. Forscher verbinden dafür in einem kompakten System eine Photovoltaik- und eine Windenergieanlage mit Batterie, Elektrolyseur und Speicher für Wasserstoff sowie Brennstoffzelle. Diese voll regenerative und CO2-neutrale Stromversorgung eignet sich für entlegene Stützpunkte, Telekommunikations-, Signal- und Kommunikationsanlagen oder Notstromversorgung, zum Beispiel in Katastrophengebieten. Das auf extreme Anforderungen ausgelegte System funktioniert völlig autark, ohne zusätzliche externe Versorgung mit Brennstoffen. Es ist modular aufgebaut und erreicht je nach Konfiguration eine Leistung zwischen einem und fünf kW.

Das komplexe System wird in dem deutsch-französischen Gemeinschaftsprojekt „Renewable Energy Telecom Station“ – kurz REnerSta – von neun Unternehmen und Forschungseinrichtungen entwickelt. Zentrale Aufgaben sind die standortunabhängige Auslegung, das Energiemanagementsystem, Sicherheitstechnik und Brennstoffzelle. Die Airbus Defence und Space (ehemals EADS Deutschland) koordiniert das Projekt. Sie erarbeitete gemeinsam mit den Projektpartnern das Systemkonzept, die Systemarchitektur und die Sicherheitsanalyse für die Anlage.

Wasserstofftechnik sichert ganzjährig unabhängige Versorgung

In Elancourt nahe Paris versorgt eine Testanlage eine Telekommunikationseinrichtung mit Energie. Sie erzeugt ganzjährig eine kontinuierliche Leistung von 1 Kilowatt netto. Das autonome System wurde nach Angaben der Wissenschaftler für den weltweiten Einsatz konzeptioniert und soll auch unter extremen Bedingungen zuverlässig rund um die Uhr unterbrechungsfrei arbeiten. Die Testanlage speichert den von Photovoltaikmodulen und Windgenerator erzeugten Strom kurzfristig in einem Batteriespeicher, der die elektrischen Verbraucher speist. Für eine längere Speicherdauer wird ein Wasserstoffsystem mit Elektrolyseur und Brennstoffzelle aufgebaut. Der Elektrolyseur erzeugt aus überschüssiger Energie Wasserstoff, der in Tanks bei 30 bar gespeichert werden kann. Sobald der Ladezustand der Batterie einen Grenzwert unterschreitet, lädt die Brennstoffzelle den Batteriespeicher auf. Die Anlage ist auf eine Betriebszeit von 20 Jahren ausgelegt. Bei der jährlichen Wartung wird frisches entmineralisiertes Wasser nachgefüllt, um die Versorgung des Elektrolyseurs sicherzustellen. Immerhin 80 Prozent des Wassers lassen sich wirtschaftlich zurückgewinnen, 20 Prozent gehen verloren.

Ein für jedes Klima geeignetes Brennstoffzellensystem aufbauen

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE entwickeln ein energieoptimiertes PEM-Brennstoffzellensystem, das im Freien in einem Klimabereich von deutlich unter null bis 40 Grad Celsius eingesetzt werden kann. Ziel ist ein Brennstoffzellensystem mit 1 bis 5 kWel sowie Rückgewinnung des Produktwassers, das an einen Wasserstoffspeicher mit Elektrolyseeinheit gekoppelt wird.
Arbeitsschwerpunkte sind die Entwicklung von Kaltstartstrategien bei Gefriertemperaturen, eines Kühlkonzeptes bei hohen Außentemperaturen sowie einer angepasste Betriebsweise zur Reduzierung der Zelldegradation.
Die Forscher testen die Funktion des Systems in der Klimakammer bei extremen Witterungsbedingungen und Temperaturen von minus 20 bis plus 40 Grad Celsius. Im Sommer braucht die Brennstoffzelle eine zusätzliche Wärmeableitung durch eine Wasserkühlung.

Übergangsweise ist ein vereinfachtes System ohne Elektrolyseur machbar

Bis die Wasserstofftechnik mit Elektrolyseur erschwinglich ist, könnte es nach Einschätzung des Airbus-Experten José Fernandez wirtschaftlich sinnvoll sein, auf einen Elektrolyseur zu verzichten und stattdessen einen größeren Wasserstofftank zu installieren. Dieser könne dann im Rahmen der jährlichen Wartung nachgefüllt werden. Solange die Wasserstoff-Infrastruktur noch lückenhaft ist, sei ebenfalls denkbar, die Brennstoffzelle als Backup auch – kombiniert mit einem Reformer – mit Propan oder Erdgas zu betreiben.
Zur Dimensionierung der Batterie erklärt Fernandez: „Die Batterie dient zur ständigen Versorgung der Telekommunikationsanlage. Deshalb muss sie mit einer Kapazität von 50 Kilowattstunden deutlich größer als bei einer reinen USV-Anlage sein. Zudem muss das Batteriemanagement entsprechend verändert werden, um eine hohe Lebensdauer des Speichers zu gewährleisten.“
Durch genaue Vorgaben für die Be- und Entladung und Limitierung der Aufladung (nicht maximal aufladen) sollen Zyklenfestigkeit und Haltbarkeit der Batterien optimiert werden.

 

 

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Mehr zum Projekt

REnerSta - Autonome und unterbrechungsfreie Stromversorgung

Entwicklung des Brennstoffzellensystems
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Projektkoordination und Systemkonzept
Airbus Defence und Space (ehemals EADS Deutschland)

Förderkennzeichen:
03ET2037A-G

Laufzeit:
2011 – 2014

Kooperationspartner:
AEG, Atermes, Airbus (Cassidian), CETH, EADS, Saft