Im Kalkül angekommen

Dort wo lange Autonomiezeiten oder skalierbare Leistungen gefragt sind, können Brennstoffzellen (BZ) schon heute mit anderen USV-Systemen mithalten. Rittal geht in Kürze in die Serienproduktion.

10. Dezember 2008

Wenn in der Industrie heute über Verfügbarkeit gesprochen wird, geht es neben der Zuverlässigkeit auch um Flexibilität, einen modularen Aufbau und kurze Wartungszyklen. Das ist richtig, nutzt jedoch ohne eine zuverlässige Stromversorgung relativ wenig. Schon kurze Unterbrechungen im Versorgungsnetz können einen beträchtlichen wirtschaftlichen Schaden anrichten, gerade in kritischen Bereichen. Als Redundanz setzt man daher eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) ein, die den notwendigen Netzstrom innerhalb von Millisekunden bereitstellt.

Batteriebetriebene Lösungen wurden für diese Anwendungsfälle bislang eher zur Absicherung kurzzeitiger Stromausfälle im Minutenbereich genutzt. Für die Absicherung von deutlich längeren Stromausfällen gab es bisher nur eine Lösung: den klassischen Generator mit Verbrennungsmotor. Das aber heißt: hoher Lärmpegel, Abgase und Verschleiß. Eine Alternative ist die Brennstoffzelle – nicht nur aufgrund ihrer langen Autonomiezeiten.

Das hat man auch bei Rittal erkannt. Als einer der weltweit führenden Lösungsanbieter für Gehäuse- und Schaltschranktechnik präsentierte das Herborner Unternehmen kürzlich das neue anschlussfertige 5-kWBrennstoffzellensystem RiCell. Es wird am Standort Burbach produziert und geht in Kürze in Serie. »Die große Herausforderung ist, diese Entwicklung an verschiedene Marktsegmente zu adressieren«, sagt Martin Roßmann, Hauptabteilungsleiter Forschung und Grundlagenentwicklung.

Das heißt, auch wenn die Brennstoffzelle in Serie gefertigt wird, muss sie aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen flexibel und kundenspezifisch ausgerichtet sein. Denn zur Zielgruppe zählen nicht nur Telekommunikation und IT, sondern beispielsweise auch die Verkehrs- und Umwelttechnik sowie Tunnel und Bergwerke. RiCell ist daher als zeitlich skalierbares System (abhängig von der Anzahl der Wasserstoff-Flaschen) mit kaskadierbaren Leistungen von 5, 10, 15 und 20 kW ausgelegt. Autonomiezeit und Leistung bestimmt der Anwender. Genau das sei, so Roßmann, »die Lösung, die der industrielle Markt so dringend benötigt«. Speziell bei der Optimierung einiger Parameter ist Rittal gut vorangekommen und hat damit auch den wirtschaftlichen Anreiz erhöht. So ist es nicht nur gelungen, den Standby-Betrieb bei RiCell 5000 von 400 auf 50 W (bei 48 VDC), sondern auch den Wasserstoffverbrauch um 16 % zu senken. Bei einer Leistung von 5 kW sind es jetzt nur noch 63 slpm (Standardliter pro Minute). Mit einer 50-l-Wasserstoff-Flasche und 200 bar wird eine Autonomiezeit von über zwei Stunden erreicht.

Im Forschungsbergwerk Tests unter Realbedingungen

»Da die Brennstoffzelle sehr flexibel einsetzbar ist, kommen viele Anwendungsfelder in Frage«, sagt Hauptabteilungsleiter Roßmann. Die Anfragen würden sich auf unterschiedliche Applikationen von der temporären über die kritische Stromversorgung hin zur unterbrechungsfreien Anwendung belaufen.

Seit Juli betreibt Rittal ein Forschungsbergwerk in der hessischen Grube Fortuna, in dem RiCell getestet werden soll. Im Bergbau ist es im Krisenfall enorm wichtig, dass etwa die Notbeleuchtung und die Kommunikationsinfrastruktur weiter funktionieren. Für Roßmann ist gerade der Bergbau ein besonders sinnvolles Einsatzgebiet, da Brennstoffzellen emissionsfrei arbeiten. Bis dato gibt es jedoch noch keine umfassenden Erfahrungswerte dazu, wie gut sich die Technik unter Tage einsetzen lässt. Deshalb nutzt man bei Rittal die Chance und testet unter Realbedingungen die Auswirkungen von Feuchtigkeit, Staubbelastung oder Sprengungen. Ein weiteres Einsatzfeld, das das Unternehmen derzeit näher begutachtet, ist die Bahntechnik. Die BZ-Verwendungsmöglichkeiten reichen von der Absicherung von Stromausfällen in der Verkehrsleittechnik und ganzen Stellwerken, über Backup oder temporäre Primärversorgung zum Betrieb von Infoterminals bis zur Notstromversorgung auf Bahnhöfen oder der Beleuchtung von abgelegenen Strecken.

In der Bahntechnik müssen Backup-Systeme jedoch hohen Anforderungen genügen: Einerseits ist es wichtig, dass sie besonders zuverlässig arbeiten, andererseits sollen sie wirtschaftlich und umweltgerecht sein. Bis heute werden hierzu konventionelle Technologien eingesetzt: Wenn das speisende Elektroenergienetz ausfällt, übernehmen erst einmal Akkumulatoren die Ersatzversorgung.

Da deren Kapazität begrenzt ist, startet automatisch ein Dieselaggregat, wo dieses nicht vorhanden ist, wird es her angeführt, angeschlossen und gestartet. Dieses Aggregat ist unter wirtschaftlichen und umwelttechnischen Gesichtspunkten nicht sehr effektiv.

Einerseits werden besondere technische Maßnahmen zur Geräuschdämmung und Abgasfilterung notwendig, andererseits muss das Aggregat ständig gewartet und geprüft werden. Dies zieht neben den Errichtungskosten zyklische Kosten wie die periodische Wartung, Probeläufe und Ähnliches nach sich.

Der Bedarf der Industrie hinsichtlich USV liegt jedoch nicht nur im kW-Bereich. Im Frühjahr 2009 geht ein ebenfalls zeitlich skalierbares Brennstoffzellen-System mit Leistungen von 300, 600, 900 und 1.200 W in Serie. Der elektrische Wirkungsgrad wird mit 44 % angegeben; der eigene Verbrauch (Gebläse/Lüfter) ist hier bereits berücksichtigt. Bei diesem Polymer-Electrolyt-Membran(PEM)-System handelt es sich um eine komplette Eigenentwicklung von Rittal.

Zukünftige Anforderungen des Marktes

Die steigenden Forderungen des Marktes sind bereits heute abzusehen: »Höhere Leistungen der einzelnen Module bis hin zu 20 kW, noch längere Autonomiezeiten und niedrigere Kosten«, hat Roßmann ausgemacht. Eine – allerdings umstrittene – Möglichkeit ist der Einsatz von Methanol als primärer Brennstoff. Das hat zwar den Vorteil einer höheren Energiedichte und damit längeren Autonomiezeiten, bedingt aber auch eine höhere Investition. Hinzu kommt der Umweltschutz: »Methanol in Verbindung mit Reformertechnik und PEM-BZ einzusetzen, ist aufgrund der toxischen Eigenschaft und der in Deutschland existierenden Gefahrstoffverordnung nicht sinnvoll«, sagt Experte Roßmann. Die bessere Alternative scheint Ethanol zu sein. Diesem Brennstoff wird eine positivere Zukunft bescheinigt, weil er nicht toxisch ist. Hinzu kommt, dass die Energiedichte pro Volumen günstiger ausfällt als bei druckgasförmigem Wasserstoff. Grundsätzlich ist es bei redundanten Systemen wichtig, kurze und lange Netzausfälle überbrücken zu können. Mit der neuen Option Brennstoffzelle geht es weniger darum, bestehende USV-Systeme zu ersetzen, als darum die Brennstoffzelle bei einer Neuplanung überhaupt mit ins Kalkül zu ziehen. Denn wenn man »lange Autonomiezeiten, skalierbare Leistungen, Flexibilität und geringe Wartungskosten in die Waagschale wirft«, so Roßmann, »liegt die Total Cost of Ownership eher niedriger als bei Standardanlagen«. Und noch einen Punkt gibt er zu bedenken: Die Kombination mit regenerativen Energien, wie Sonnen- oder Windkraft. Die Umweltfreundlichkeit der Systeme lasse sich mit solchen Hybrid-Anlagen noch steigern.

»Deutlich mehr Akzeptanz«

Gespräch mit Siegfried Suchanek, Abteilungsleiter Forschung und Grundlagenentwicklung BZ-Technik bei Rittal. - bzm: Bisher war die Akzeptanz der Brennstoffzelle in der Industrie noch gering. Wie ist die Situation heute?

Durch den steigenden Bekanntheitsgrad der Technologie und die verschiedenen Evaluationsanwendungen nimmt die Akzeptanz deutlich zu.

bzm: Wie groß schätzen Sie Ihren Vorsprung gegenüber Wettbewerbern ein?

Man kann heute noch nicht von einem wirklichen Wettbewerb sprechen, weil die Anzahl der Installationen bis dato keine Marktdurchdringung darstellt. Wir treiben die Erschließung neuer Märkte für die Brennstoffzelle schon seit einigen Jahren voran. Deutschlandweit sind wir der einzige Anbieter, der BZ-Systeme für acht verschiedene Branchen anbietet.

bzm: Sie sind gerade dabei, in die Serienproduktion einzusteigen. Welche Produkte werden dort gefertigt?

Derzeit geht es in der Fertigung um zwei Produkte: RiCell 300 und RiCell 5000. Bei diesen BZ-Typen handelt es sich um sensible Produkte, die als direkte Kundenprodukte hergestellt werden. Zudem bauen wir dort Standard-Gasgehäuse, aber auch kundenspezifische Systeme. Das flexible Produktionssystem gestattet eine schnelle Anpassung des Geräteausstoßes.

bzm: Sie konnten hier nur auf geringe Erfahrungswerte zurückgreifen. Was sind die größten Herausforderungen bei der Umstellung auf die Serienproduktion?

Die Planung einer Serienfertigung ist für Rittal nichts Neues. Wir sind mit weltweit 19 Hightech-Produktionsstätten sehr gut aufgestellt – egal ob es um Serien- oder Sonderfertigungen geht. Die Herausforderung liegt in diesem Falle einerseits in der Beschaffung von neuen Komponenten. Denn dafür gibt es nur einen begrenzten Anbietermarkt – teilweise bedingt durch geringe Stückzahlen und Sonderanfertigungen. Andererseits testen wir neue Technologien in der Fertigung. Dazu gehören Augmented Reality, Data Matrix oder RFID. Ziel ist, damit die Fertigung von Anfang an zu optimieren und den hohen Qualitätsansprüchen gerecht zu werden, wie die Nachverfolgbarkeit von eingesetzten Komponenten, einfachem Produktwechsel und optimierte Lagerverwaltung.

bzm: Worin unterscheidet sich denn die Komplexität einer Brennstoffzelle von anderen Produkten?

Die Komplexität ist vergleichbar mit der unserer Kühlgeräte. Es handelt sich dabei auch um ähnliche Fertigungsschritte. Die Endprüfung der fertigen BZ-Systeme ist jedoch aufwendiger, weil sich die Testprozeduren unterscheiden.

bzm: Welche neuen Produkte und Themen haben Sie in der Pipeline?

Wir verfolgen unter anderem die Kombination von Brennstoffzelle und regenerativen Energien wie Photovoltaik oder Windkraft, als Hybridsystem weiter und werden hierzu konkrete Lösungen vorstellen. Systeme zur Erzeugung von Wasserstoff sind ein weiteres wichtiges Thema. Es ist heute jedoch noch zu früh, um über konkrete Produkte zu sprechen.

Erschienen in Ausgabe: 04/2008