Energieversorgung im Einsatz

Krisen und Katastrophen kann niemand vorhersehen. Konzeptionelle, organisatorische und technische Vorbereitung und Ausrüstung tragen aber entscheidend dazu bei, im konkreten Einsatz außergewöhnliche Situationen schnellstmöglich wieder in den Normalzustand zu bringen bzw. negative Konsequenzen so gering wie möglich zu halten. Hier gewinnt insbesondere die mobile Stromversorgung vor Ort angesichts der zunehmenden Zahl von Kommunikations-, Netzwerk-, Mess-, Überwachungs- und Hilfssystemen an Dringlichkeit: Wenn nicht jederzeit und unter allen Umständen zuverlässig Strom für alle Systeme zur Verfügung steht, kann der Erfolg des Einsatzes nicht garantiert werden.

Die Auswahl einer mobilen Stromversorgungslösung ist abhängig von den Bedingungen der jeweiligen Einsatzszenarien. Ein Überblick über verfügbare Technologien und deren Vor- und Nachteile soll Einsatzkräften helfen, die richtige Stromversorgungslösung für ihre Anwendung zu finden.

Grundsätzlich kann mobiler Strom am Einsatzort entweder aus einem Speicher zur Verfügung gestellt oder mittels Wandler direkt vor Ort erzeugt werden. Hybride Lösungen, die Speicher und Wandler kombinieren, bieten die größte Flexibilität.

Energiespeicher

Elektrochemische Energiespeicher, in denen die Energie in Form von chemischen Verbindungen in einem Gehäuse gespeichert wird, bieten hohe Kapazitäten, allerdings läuft der elektrochemische Wandlungsschritt auf Kosten des energetischen Wirkungsgrades ab. Der wohl bekannteste elektrochemische Stromspeicher ist die Batterie. Hierbei ist zwischen primären und sekundären Batterien zu unterscheiden. Bei letzteren ist die Wandlung von chemischer in elektrische Energie umkehrbar. Für diese Rückreaktion, das Wiederaufladen, muss von extern, z. B. einem Ladegerät, elektrische Energie zugeführt werden. Klassische Blei-Säure-Batterien sind groß und schwer. Sie sind robust und können hohe Stromstärken bereitstellen, verfügen aber über niedrige Energiedichten bei gleichzeitig sehr hoher Selbstentladung. ­LithiumIonen-Batterien sind ein Sammelbegriff für Akkumulatoren mit unterschiedlicher Materialkombination, wobei die jeweilige Zellchemie auf Lithium-Verbindungen basiert. Diese Batterien zeichnen sich generell durch eine höhere Energiedichte aus, sind signifikant leichter, kleiner und langlebiger als andere Technologien und werden aufgrund ihrer vielfältigen positiven Eigenschaften in zahlreichen Anwendungen eingesetzt.

Elektrochemische Energiewandler

Im Gegensatz zu elektrochemischen Energiespeichern wird in elektrochemischen Energiewandlern die Energie chemisch in stofflichen Verbindungen außerhalb der Wandlereinheit in einem Tank flüssig oder gasförmig gespeichert. Aufgrund der Trennung von Speicher- und Wandlereinheit findet keine unerwünschte Reaktion der Medien statt. Die bei elektrochemischen Speichern bekannte Selbstentladung wird durch diesen Aufbau unterbunden. Darüber hinaus bietet dies den Vorteil der permanenten Nachladbarkeit: Ist der Speichertank leer, muss er nur nachgefüllt werden. Die externe Herstellung, Bevorratung des Energieträgers in einem Tank und der daraus resultierende Transport zum Wandler gehen allerdings zu Lasten des Wirkungsgrades.

Eine der bekanntesten Wandlereinheiten ist die Brennstoffzelle. Zusammen mit Tank und entsprechenden Pumpen und Ventilen wird von einem Brennstoffzellensystem gesprochen. Wasserstoff ist einer der prominentesten Energieträger für Brennstoffzellen. Wesentliche Vorteile von Wasserstoff sind seine hohe gravimetrische Energiedichte und die flexiblen Nutzungsmöglichkeiten: Während eine Lithium-Ionen-Batterie über eine Energiedichte von bis zu 200 Wh/kg verfügt, hat Wasserstoff eine Energiedichte von ca. 33.000 Wh/kg. Das ist fast dreimal so viel wie die gravimetrische Energiedichte von beispielsweise Diesel mit ca. 12.000 Wh/kg – wobei jedoch flüssige Kraftstoffe über signifikant höhere volumetrische Energiedichten verfügen (Diesel: ca. 10.000 Wh/l, flüssiger Wasserstoff (bei 300 bar und -253 °C): 2.700 Wh/l). Ebenso ist im Vergleich zu berücksichtigen, dass für die elektrochemische Wandlung in einer Batterie keine weiteren äußeren Systemkomponenten benötigt werden, während zu einer Brennstoffzelle immer Systemkomponenten volumetrisch wie gravimetrisch hinzuzurechnen sind. Wasserstoff kann flexibel in einem Tank von A nach B transportiert und ohne Selbstentladung über lange Zeiträume gespeichert werden. So findet er nicht nur in elektrochemischen Wandlern Verwendung, sondern kann auch in Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden, um mittels eines Generators Strom zur Verfügung zu stellen.

Stromerzeuger

Häufig werden in mobilen Anwendungen Einheiten aus Verbrennungskraftmaschine und Generator eingesetzt. Dabei wird die chemische Energie eines flüssigen Kraftstoffs, in der Regel Benzin oder Diesel, zukünftig auch Wasserstoff, in elektrische Energie umgewandelt. Bei der Verbrennung konventioneller Betriebsstoffe zur Stromerzeugung produzieren Generatoren Lärm- und Schadstoffemissionen, insbesondere Stickoxide, Kohlenmonoxid, langkettige Kohlenwasserstoffe, Feinstaub und Treibhausgase. Im Sinne des Umweltschutzes aber auch aufgrund von einsatztaktischen Vorteilen geht der Trend hin zu alternativen Stromerzeugern: Solarzellen wandeln Sonnenlicht direkt und ohne bewegliche Teile in elektrische Energie um. Solarzellen sind im Gegensatz zu Generatoren leise, sauber und wartungsfrei, allerdings ist ihre Leistung meist geringer als die von Generatoren und abhängig von den Sonnenlichtbedingungen: Bei schlechtem Wetter und nachts liefern sie weniger bzw. keinen Strom. Für mobile Einsatzszenarien können sie lediglich eine Zusatzstromversorgung darstellen, z.B. als Faltsolarmodule oder Solarkoffer. Dieselbe Einschränkung gilt für Windkraftgeneratoren, die Windenergie in Strom umwandeln. Sie sind groß, schwer und benötigen konstante, ideale Windbedingungen, die in der Regel im mobilen Einsatz nicht gewährleistet sind.

Brennstoffzellen für den mobilen Einsatz

Komplett wetterunabhängig sind Brennstoffzellen. Sie nutzen je nach Typ verschiedene Betriebsstoffe, z.B. Wasserstoff, Methanol, Ammoniak oder Methan (Erdgas). Die Emissionen unterscheiden sich je nach Brennstoff – im einfachsten Fall entsteht im Betrieb lediglich Wasser. Brennstoffzellen sind zuverlässig, langlebig und wartungsarm. Für mobile Einsätze eignen sich Wasserstoff- und Direktmethanol- (DMFC)-Brennstoffzellen.

Die gängigsten Arten von Wasserstoff-Brennstoffzellen sind Protonenaustauschmembran- (PEMFC)- und Festoxid- (SOFC)-Brennstoffzellen. Letztere werden in der Regel stationär eingesetzt, PEMFC-Brennstoffzellen jedoch eignen sich mit ihrer hohen Effizienz, schnellen Reaktionszeiten sowie geringer Größe und Gewicht hervorragend für den mobilen Einsatz. Sie wandeln Wasserstoff, ergänzt um Sauerstoff aus der Luft, in Strom und das einzige Nebenprodukt Wasser um.

Mit ihrer hohen Leistungsdichte und einer niedrigen Betriebstemperatur von ca. 80 °C ist diese Technologie im mobilen Einsatz sicher, leise und produziert nur geringe Abwärme. Kommerzielle Brennstoffzellensysteme für mobile Anwendungen haben eine Ausgangsleistung von 2,5 bis 50 kW ab einem Gewicht von 28,5 kg und einem Nennverbrauch von 0,06 kg H2/kWh. Integrierte Wasserstoff-Tanksysteme stellen im Dauerbetrieb die Betriebsstoffverfügbarkeit und damit eine unterbrechungsfreie Stromversorgung über lange Zeit sicher. Mit einer 50 l 300 bar Gasflasche kann eine 1,5 kW PMFC-Brennstoffzelle mindestens 12 Stunden betrieben werden.

Direktmethanol- (DMFC)-Brennstoffzellen nutzen den flüssigen Betriebsstoff Methanol, ebenfalls ergänzt um Sauerstoff aus der Luft, zur Stromerzeugung. Hierbei wird Methanol direkt in Strom umgewandelt. Als Nebenprodukte entstehen Abwärme, Wasser und geringe Mengen CO2. Dank des flüssigen Betriebsstoffs und geringen Gewichts eignen sich diese Brennstoffzellen für abgelegene Dauereinsätze (z.B. in Überwachungs- oder Messszenarien) und für autarke Einsätze unter schwierigen Umgebungsbedingungen. Kommerzielle Systeme kombinieren die DMFC-Brennstoffzelle mit einer Batterie, aus der die Geräte betrieben werden, wobei die Brennstoffzelle die Batterie stets vollautomatisch nachlädt.

Kommerzielle DMFC-Brennstoffzellensysteme sind mit einer Dauer­leistung bis 500 W erhältlich. Eine 28 l-Tankpatrone versorgt einen 50 W-Verbraucher bis zu 4 Wochen autark, bei Bedarf können mehrere Brennstoffzellen und/oder Tankpatronen kombiniert werden.

Sowohl PEMFC- als auch DMFC-Brennstoffzellensysteme eignen sich für den Betrieb mit anderen alternativen Stromerzeugern, z.B. Solarmodulen. In dieser Hybrid-Kombination schaltet sich die Brennstoffzelle nur dann automatisch ein, wenn die Solar­module nicht mehr genügend Strom produzieren.

Anwendungsbeispiel:

Bei Großveranstaltungen werden mobile 360° CCTV-Kamera­systeme mit einem Leistungsbedarf von 60-120 W zur Lokalisierung von Gefahrenherden sowie zur Beweissicherung von Straftaten eingesetzt. Netzfern übernehmen DMFC-Brennstoffzellen die zuverlässige Stromversorgung. Die Autarkie der CCTV-Systeme kann je nach Bedarf durch entsprechende Tankpatronengrößen verlängert werden. Die Brennstoffzelle ist unsichtbar und vandalismussicher im Fuß der CCTV-Anlage mit einer Batterie verbunden. Im Hybridbetrieb kann ein Solarmodul ergänzt werden.

Fazit

Brennstoffzellen stellen eine umweltfreundliche, leise, sichere und flexible Lösung für die zuverlässige Stromversorgung mobiler Einsatzszenarien dar. Sie sind in unterschiedlichen Formaten als Schaltschrank, Trailer, tragbare Outdoor-Box, fahrzeugbasiert oder direkt in die Anwendung integriert erhältlich. Den im Vergleich zu Generatoren höheren Anschaffungspreis machen sie durch Langlebigkeit, Robustheit und Wartungsfreiheit wett. Sowohl der gasförmige Wasserstoff als auch das flüssige Methanol sind in leicht zu transportierenden Gebinden kommerziell verfügbar, durch die Verwendung von Wasserstoff- bzw. Methanolgebinden kann lange Autarkie erreicht werden. In Kombination mit grünem Wasserstoff sind Brennstoffzellen die aktuell umweltfreundlichste Stromversorgung überhaupt.