Professionelle netzunabhängige Stromversorgung für Mikrowellen-Radio-Stationen

Brennstoffzelle als günstigste und sauberste netzunabhängige Stromversorgung!

Unter netzunabhängigem Strom versteht man heute meist Fotovoltaik-, Wind-
und Dieselgeneratoren oder unter extremen Betriebsbedingungen thermoelektrische Generatoren (TEG). Dabei sind Photovoltaik- und Windkraftanlagen die kostengünstigsten Stromerzeuger, da sie im Betrieb keinen zusätzlichen Brennstoff und wenig Wartung benötigen. Ihr größtes Manko ist in vielen Fällen jedoch die Volatilität der Sonneneinstrahlung und des Windangebots, was den Einsatz zusätzlicher Generatoren erforderlich macht. Darüber hinaus können Leistungslasten von mehr als 100 W je nach verfügbarer Solarenergie des Gebiets (Arizona und Nordkanada haben dramatisch unterschiedliche Sonneneinstrahlungswerte) eine erhebliche Stellfläche für die Installation von Solarmodulen erfordern, ganz zu schweigen von Schnee- und Staubabdeckung die in einigen Bereichen eien zusätzliche Herausforderung darstellt. Größere Strombedarfe werden daher häufig durch Dieselgeneratoren gedeckt. Diese wiederum sind günstig in der Anschaffung, erfordern aber durch Öl- und Filterwechsel sowie regelmäßiges Tanken eine häufige Wartung. Generatoren sind oft für die Lastanforderung überdimensioniert, was zu einem „unterbelasteten“ Betriebszustand führt, der den Generator langfristig belasten und seinen Wirkungsgrad auf weniger als 20 % reduzieren kann. Gesetzlich vorgeschriebene Emissionsgrenzwerte werden den Betrieb dieser Geräte in Zukunft erschweren. Thermoelektrische Generatoren, eine weitere Alternative mit einem Wirkungsgrad von ca. 3% und die damit verbundenen hohen Emissionen, werden nur in speziellen Anwendungen und insbesondere bei besonders niedrigen Umgebungstemperaturen eingesetzt. Generatoren sind oft für die Lastanforderung überdimensioniert, was zu einem „unterbelasteten“ Betriebszustand führt, der den Generator langfristig belasten und seinen Wirkungsgrad auf weniger als 20% reduzieren kann. Gesetzlich vorgeschriebene Emissionsgrenzwerte werden den Betrieb dieser Geräte in Zukunft erschweren. Thermoelektrische Generatoren, eine weitere Alternative mit einem Wirkungsgrad von ca. 3% und die damit verbundenen hohen Emissionen, werden nur in speziellen Anwendungen und insbesondere bei besonders niedrigen Umgebungstemperaturen eingesetzt. Generatoren sind oft für die Lastanforderung überdimensioniert, was zu einem „unterbelasteten“ Betriebszustand führt, der den Generator langfristig belasten und seinen Wirkungsgrad auf weniger als 20% reduzieren kann. Gesetzlich vorgeschriebene Emissionsgrenzwerte werden den Betrieb dieser Geräte in Zukunft erschweren. Thermoelektrische Generatoren, eine weitere Alternative mit einem Wirkungsgrad von ca. 3% und die damit verbundenen hohen Emissionen, werden nur in speziellen Anwendungen und insbesondere bei besonders niedrigen Umgebungstemperaturen eingesetzt. Eine weitere Alternative mit einem Wirkungsgrad von ca. 3% und die damit verbundenen hohen Emissionen, werden nur in speziellen Anwendungen und insbesondere bei besonders niedrigen Umgebungstemperaturen eingesetzt.

Brennstoffzellen sind die nachhaltige Alternative. Klassische Niedertemperatur-Wasserstoff-Brennstoffzellen auf Basis der PEM-Technologie oder Methanol-Brennstoffzellen sind ideal für Backup-Anwendungen mit kurzer Laufzeit von einigen tausend Betriebsstunden. Sie starten relativ schnell, können kurze Netzausfälle überbrücken oder in Fotovoltaik-Hybridsystemen die Batterien wieder aufladen, sofern die zu geringen Einstrahlungszeiten nicht zu lang sind. Allerdings schränkt die Lebensdauer des Stacks, des Kernsystems des Brennstoffzellengenerators, von üblicherweise 3 000 bis 7 000 Betriebsstunden die Einsetzbarkeit im Dauerbetrieb deutlich ein. Zudem ist die volumetrische Leistungsdichte von Wasserstoff auch bei Lagerung und Transport in Druckbehältern im Vergleich zu flüssigen oder verflüssigten Kraftstoffen wie Diesel, Methanol, Propan oder Ammoniak sehr gering.

Die Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) mit keramischem Elektrolyten haben sich seit mehreren Jahren im stationären Dauerbetrieb bewährt. Diese basieren auf dem Prinzip, dass viele Keramiken bei Temperaturen über 650 °C für Sauerstoffionen leitfähig werden. Es handelt sich also um Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die üblicherweise im Bereich von 700 °C bis 850 °C betrieben werden. Im Gegensatz zu den vorgenannten Technologien sind diese Brennstoffzellen wartungsarm. Intervalle bis zu 10 000 Betriebsstunden sind möglich. Das Herzstück der SOFC-Brennstoffzellen kann im Dauerbetrieb eine Lebensdauer von 20 000 bis 30 000 Betriebsstunden erreichen. Seit 2014 fertigt und vertreibt die Sunfire Fuel Cells GmbH solche Brennstoffzellen-Generatoren, aktuell sind sie für den Betrieb mit Erdgas oder Propangas als Brennstoff erhältlich. Mit der erweiterten Verfügbarkeit von erneuerbarem Ammoniak oder Wasserstoff werden auch entsprechende Produktvarianten rechtzeitig verfügbar sein. Dem Umstieg auf eine hocheffiziente, saubere und nachhaltige Lösung steht also nichts mehr im Weg.

Netzunabhängige Mikrowellen-Funkstation mit SOFC-PV-Hybridkonfiguration in Alaska – Sunfire-Remote 400 installiert 2019

Abb. 1: Off-grid Microwave Radio Station mit SOFC-PV-Hybridkonfiguration in Alaska – Sunfire-Remote 400 installiert 2019

Die Frage ist: Wie rangieren die unterschiedlichen Energieerzeugungstechnologien zur netzfernen Stromversorgung? Dazu wurden die Gesamtkosten für Anschaffung, Betrieb und Wartung verschiedener Off-Grid-Generatoren ermittelt und als Total Cost of Ownership (TCO) für eine Richtfunkstation mit einer durchschnittlichen Leistungsaufnahme von 220 W verglichen. Weiterhin das Kohlendioxid -Emissionen wurden unter der Annahme berechnet, dass Kraftstoff aus fossilen Quellen im Vergleich zu Kraftstoff aus nicht-fossilen Quellen verwendet wird. Als Region wurde die gemäßigte Klimazone der Nordhalbkugel gewählt.

Folgende technische Lösungen wurden in Betracht gezogen:

1. SOFC-Brennstoffzelle Stand Alone
Die Brennstoffzelle, in diesem Fall eine Sunfire-Remote 400, wird mit einer kleinen bis mittelgroßen Batteriebank kombiniert. Diese liefert Energie zum Starten der Brennstoffzelle und kann im Dauerbetrieb der Brennstoffzelle kurzzeitige Lastspitzen abdecken.

2. SOFC-Brennstoffzelle in einem PV-Hybridsystem
Je nach Energiebedarf des Verbrauchers werden ein Fotovoltaikgenerator und eine recht große Batteriebank mit mehreren Tagen Gangreserve kombiniert, um den Energiebedarf der Anwendung in den Monaten mit guter Einstrahlung zu decken Verfügbarkeit (typischerweise April bis Oktober auf der Nordhalbkugel). Wenn die Tage kürzer und das Wetter schlechter wird, wird die Sunfire-Remote 400 Brennstoffzelle aktiviert und liefert Energie während der strahlungsarmen Wintersaison.

3. Dieselgenerator mit Batteriespeicher
Dieselgeneratoren können auch direkt einen Verbraucher versorgen, arbeiten dann aber meist im ineffizienten Unterlastzustand und erreichen schnell eine hohe Betriebsstundenzahl. Aus diesem Grund werden diese Generatoren in Off-Grid-Anwendungen oft mit Batterien hybridisiert, um möglichst wenige Betriebsstunden im Volllastbetrieb zu laufen.

4. Methanol-Brennstoffzelle alleinstehend
Äquivalent zu 1. Zum Vergleich wird der gleiche Fall mit einer 500-W-Methanol-Brennstoffzelle betrachtet.

5. Thermoelektrischer Generator
Thermoelektrische Generatoren erzeugen elektrische Energie aus Verbrennungswärme und werden in Off-Grid-Anwendungen meist mit Batterien kombiniert.

Vergleich der 10-Jahres-TCO und CO2-Emissionen der verschiedenen Lösungen

Abb. 2: Vergleich der 10-Jahres-TCO und CO2 -Emissionen der verschiedenen Lösungen

Die durchgeführten Untersuchungen ergeben folgendes Bild: Hinsichtlich Kosten und CO2-Emissionen beim Einsatz fossiler Brennstoffe ist die Kombination SOFC-Brennstoffzelle im Winterbetrieb und Fotovoltaik im Sommerhalbjahr unschlagbar. Falls der Platz für einen PV-Generator mit entsprechendem Batteriespeicher nicht ausreicht, kann die Sunfire-Remote-Brennstoffzelle auch im Inselbetrieb eingesetzt werden. Eine weitere Reduzierung der CO2-Emissionen um bis zu 90 % ist bereits heute mit BioLPG aus in Mitteleuropa verfügbaren Bioreststoffen oder zukünftig auch strombasiertem E-Propan möglich. Dieselgeneratoren haben in diesem Leistungsbereich geringe Wirkungsgrade. Kraftstoffkosten und Wartungskosten fressen die vergleichsweise geringen Investitionskosten auf. Bei Methanol-Brennstoffzellen hingegen liegt der größte Einfluss auf die Gesamtkosten. Der relativ hohe Methanolpreis steht in Verbindung mit einer kürzeren Lebensdauer der Brennstoffzellen-Stacks. Thermoelektrische Generatoren halten aufgrund ihres geringen Wirkungsgrades schließlich den Negativ-Emissionsrekord.

Zusammenfassend bietet die SOFC-Brennstoffzelle, wie die hier betrachtete Sunfire-Remote 400 in diesem Praxisbeispiel aus Alaska, die optimale Lösung hinsichtlich Versorgungssicherheit, Gesamtkosten und Emissionen. Letztlich empfiehlt es sich jedoch, eine projektspezifische Kostenschätzung vorzunehmen. Auch externe Faktoren wie verfügbarer Platz, Anfahrtshäufigkeit und saisonale Unzugänglichkeit können weitere Faktoren sein, die sich für eine wartungsarme, robuste und bewährte Lösung entscheiden.

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