Von der Sonne in die Energiezelle

Titel

Mit der Energiezelle verfolgt Fronius einen Komplettansatz. Per Regenerativ-Strom wird Wasserstoff produziert. Dieser dient der Brennstoffzelle als Brennstoff. Der Einsatz ist vielseitig: im Haus, in der Logistik oder im Elektroboot.

09. Juni 2009

Das Interesse war groß: Ende April kamen TV- und Medienvertreter aus sieben Ländern, diverse Vertreter der Politik und führende Wirtschaftstreibende zum Traunsee nach Österreich. Sie alle wollten das bisher einmalige Konzept einer geschlossenen Energieversorgung auf solarer Wasserstoffbasis für ein Elektroboot aus der Nähe sehen. »Wir haben ein sehr positives Echo erhalten«, berichtet Michael Schubert, Business Development im Bereich Solarelektronik bei Fronius International. Das österreichische Unternehmen produziert Schweiß- und Batterieladegeräte sowie Wechselrichter für Photovoltaik-Anlagen und beschäftigt über 2.200 Mitarbeiter. 2002 startete man mit ersten Entwicklungen im Bereich Brennstoffzelle (BZ).

Der Hauptvorteil gegenüber einem herkömmlichen Elektroboot liegt in der wegfallenden Ladezeit. Diese dauert dort sechs bis acht Stunden und steht einer Betriebszeit von lediglich zwei bis drei Stunden gegenüber. Durch das wasserstoffbetriebene Elektroboot bedarf es nur der Zeit des Kartuschenwechsels, der in fünf Minuten erledigt ist. Das Boot hat eine Reichweite von 80 km – doppelt so weit wie mit der standardmäßigen Batterieausstattung.

Unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades der Energiezelle bekommt man aus dem Tank etwa 11,5 kWh elektrische Energie. Zusammen mit der Hybride-Mode- Batterie von 100 Ah bei 48 V ergibt sich eine Fahrtdauer von bis zu fünf Stunden bei Volllast und dies bei gleichbleibender Fahrleistung. Die Batterie dient zum Abdecken von Leistungsspitzen wie sie etwa beim Anfahren entstehen. Das 4-kW-Brennstoffzellensystem (Niedertemperatur-PEM) liefert bei Volllast die Antriebsleistung für den Bootsmotor. Zusätzlicher Vorteil in der Bootsanwendung ist, dass man bei einem leeren Wasserstofftank noch als Reserve die Batteriekapazität an Bord hat.

Im konkreten Fall bedeutet dies noch eine Stunde zusätzliche Fahrtdauer bei voller Leistung. Die Batterien lassen sich zudem auch über ein eingebautes Ladegerät per Netzstrom laden. Beteiligt an der Entwicklung des »ersten serientauglichen Elektroboots mit Wasserstoff-BZ-Antrieb« sind neben Fronius die Bootswerft Frauscher und das Engineering-Unternehmen Bitter. Dieses entwickelte das Hochdruck-Betankungssystem: Der Wasserstoff-Behälter lässt sich nach Entnahme entweder per Standard-350-bar- Füllkupplung auftanken oder gegen einen bereits befüllten Behälter austauschen.

Das Herzstück dabei ist die Wechselkartusche, die aus einem Compoundtank mit nachgeschalteter Druckreduziereinheit besteht. Das Boot wurde vom TÜV mit einem Sicherheitszertifikat abgenommen. Nach Angaben des Unternehmens Fronius aus Wels gehen von Wasserstoff keine außergewöhnlichen Gefahren aus. Bei der Entwicklung des BZ-Bootes besteht ein Ziel darin, »schon zum jetzigen Zeitpunkt die technologische Machbarkeit in einem ökonomisch sinnvollen Rahmen zu veranschaulichen«, betont Experte Schubert. Dazu verfolgt man zwei Ansätze.

Eine autonome Lösung mit Wasserstofferzeugung vor Ort mittels Photovoltaik und eine weitere Lösung über die Wasserstoffbereitstellung mittels Kartuschen. Für Schubert steht gemeinsam mit der Bootswerft Frauscher zuerst das Projektgeschäft im Fokus. Eine mögliche Variante wäre es, dass eine Tourismusregion, ein Bootsverleih oder ein Hotel mehrere Boote kauft. Mit dieser kritischen Masse wäre es dann auch möglich vor Ort eine H2-Infrastruktur aufzubauen. In der Folge könnten sich laut Schubert dann auch Einzelpersonen mit einem Boot beteiligen. Erste Gespräche dazu gebe es bereits. Ziel sei es, Anfang kommenden Jahres ein entsprechendes Flottenprojekt umzusetzen.

Lange Betriebszeit als wichtiges Argument

Obwohl das BZ-Boot mit rund 150.000 € rund das Dreifache eines ›normalen‹ Elektrobootes kostet, sieht Schubert gute Chancen Interessenten zu finden. Neben der Reichweite sei auch die Betriebszeit ein wichtiges Argument. Der Hintergrund: Die im Allgemeinen nur geringen Einsatzzeiten von Booten wirken sich negativ auf die Batterien aus. Häufig müssten diese laut Schubert schon nach drei Jahren ausgetauscht werden. Bei der BZ rechnet er mit rund 5.000 Betriebsstunden, was einer Lebensdauer von zumindest 10 Jahren entspricht. Ein weiteres Plus: Da man das BZ-Aggregat mit Seewasser kühlt, erhöht sich der Wirkungsgrad gegenüber der Luftkühlung um rund 5 %. Obwohl das Boot nach Angaben des Unternehmens »bereits fertig für die Serienfertigung« ist, fließen stets Erkenntnisse aus den laufenden intensiven Testfahrten in die Optimierung ein.

Wichtig ist Fronius insbesondere die komplette Kette einer emissionsfreien Energieversorgung. Dazu wird der Wasserstoff über regenerative Energieträger erzeugt. Am Standort Sattledt, wo rund 650 Mitarbeitern beschäftigt sind und auch die 2- und 4-kW-BZ-Geräte hergestellt werden, ist dies weitgehend umgesetzt: 90 % der benötigten Energie werden dort über eine PV-Anlage mit 615 kWp und eine Biomasseheizanlage mit 1,5 MW bereitgestellt. Mittels Elektrolyse produziert man so auch Wasserstoff. Dieser findet auch beim innovativen Projekt ›HyLog‹ Verwendung. Im Werk Sattledt will Fronius hier den innerbetrieblichen Materialtransport durch Umrüstung der eingesetzten Flurförderzeuge von Batterie- auf BZ-Antrieb technologisch auf eine neue Basis stellen.

Im Zuge des Hy-Log-Projekts erfolgt dabei eine Weiterentwicklung in Richtung ›Range-Extender-Antrieb‹. Bei diesem hybriden Antriebskonzept stellt die BZ den durchschnittlichen Leistungsbedarf bereit, während über eine Pufferbatterie die Spitzen gedeckt werden und Bremsenergie rückgewonnen wird. Momentan befindet sich ein BZ-Flurförderzeug im Einsatz. Insgesamt sind im Werk fünf Schlepper vorhanden, die laut Schubert sukzessive umgebaut werden. System aus Brennstoffzelle, PV und Batterie fürs Haus Die Vision von Fronius ist, das Konzept der Energiezelle auch in der Hausenergieversorgung umzusetzen.

In einer Kombination aus BZ, PV und Batterie liefert eine PV-Anlage den Strom, mit dem ein Elektrolyseur betrieben wird. Der erzeugte Wasserstoff dient als BZ-Brennstoff, wobei sich hier auch die Wärme nutzen lässt. In einem Pilotprojekt in einer Messstation kommt das System bereits zum Einsatz. 80 % des jährlichen Energiebedarfs der Messstation (rund 880 kWh) deckt die PV-Anlage, die restlichen 20 % stellt die BZ bereit. Schubert ist mit dem Test zufrieden: »Konzeptionell konnte die PV aufgrund des BZ-Backups rund zwei Drittel kleiner ausgelegt werden bei gleichzeitiger Erreichung von 100-prozentiger Energieverfügbarkeit«.

Auch die erforderlichen Betriebsstunden der BZ für einen Ganzjahresbetrieb, in diesem Fall waren es etwa 400 Stunden, bestätigten laut Schubert das Konzept. Der BZ-Experte ist überzeugt: »Damit ist die vollständige Energieversorgung für ein Haus autonom auf eigenem Grund und Boden möglich. Keine andere Technologie bietet das«. Im ersten Schritt stehen echte Inselanwendungen auf Standorten ohne öffentliches Stromnetz im Fokus. Förderungen für Stromspeicher im öffentlichen Netz seien jedoch »nur mehr eine Frage der Zeit«, prognostiziert Schubert. Dann werde die Technologie auch Einzug in Verbindung mit öffentlichen Netzen halten.

»Unverändertes Kommitment«

Michael Schubert, Business Development der Fronius-Sparte Solar erläutert seine Markterwartungen hinsichtlich der Energiezelle.

bzm: Brennstoffzelle und Wasserstoff galten immer als Zukunftsvisionen. Wie visionär ist die Technologie heute noch aus Ihrer Sicht?

Man muss hier sicher immer noch von frühen Märkten sprechen. Der Brennstoffzellenmarkt hat sich aber klar von Labor- und Demonstrationsobjekten zu industriell verfügbaren Produkten entwickelt. In einigen Anwendungsbereichen, wie der Stromversorgung im Campingbereich, hat sich durchaus schon ein Markt entwickelt. In anderen, wie der Automobilindustrie, wird es noch ein paar Jahre dauern. An dem breiten positiven Kommitment, dass Wasserstoff der Energieträger der Zukunft werden kann, hat sich nichts geändert. Die Frage ist nur, wann und das ist abhängig von sehr vielen Rahmenbedingungen, wie vor allem dem politischen Willen.

bzm: Wie sehen Ihre konkreten Markterwartungen aus?

Prior sehen wir die energieautonomen Anwendungen und die Brennstoffzelle als Stromaggregat im bestehenden Elektrofahrzeugmarkt, wie Flurförderzeuge und Boote. Flurförderzeuge sind aktuell der weltweit größte Markt für Elektrofahrzeuge, mit etwa 500.000 Neufahrzeugen pro Jahr. Derzeit ist es noch ein Projektgeschäft, das sich aber in den nächsten Jahren über diese Märkte zu einem Seriengeschäft entwickeln wird.

bzm: Planen Sie dabei bereits mit konkreten Zahlen?

Vor allem im Flurförderzeugbereich ist das Potenzial da, in den nächsten Jahren auf eine dreistellige Stückzahl zu kommen. Die stationäre Energiezelle wird als Vorseriengerät aktuell für Pilotprojekte eingesetzt. Der Serienstart ist für Anfang 2010 geplant. Für Anfragen hinsichtlich weiterer Pilotprojekte stehen wir gerne zur Verfügung.

bzm: Wie weit entwickelt ist denn Ihr Brennstoffzellengerät?

Unser Gerät ist bereits fertig für die Serienfertigung. Auch die Energiezellen für unsere Pilotprojekte kommen schon aus unserem zentralen Werk in Sattledt in Oberösterreich. Wir haben unsere Kompetenz in der Entwicklung und Produktion von elektronischen Geräten, das kommt hier auch unserer Energiezelle zu Gute.

bzm: Sie haben Ihr System vom TÜV Süd zertifizieren lassen. Was hat der Kunde davon?

Für die Käufer der Energiezelle hat das TÜV-Süd-Zertifikat einen erheblichen Vorteil: Es vereinfacht die Anlagengenehmigung und die Inbetriebnahme durch die zuständigen Behörden. Ohne das Zertifikat müssten sich die Anwender in der Regel die Sicherheit zusätzlich durch eine unabhängige Stelle bestätigen lassen. Bei dem Einsatz unserer Energiezelle fällt dieser Aufwand weg und erspart dem Kunden so Kosten und zusätzlichen Zeitaufwand. Im Rahmen des Zertifizierungsprozesses wurde übrigens nicht nur die Produktqualität überprüft, sondern auch der Produktionsprozess in den Fertigungsstätten.

Erschienen in Ausgabe: 02/2009