Nachhaltige Energiebereitstellung als kritischer Faktor für vernetzte digitale Systeme

Christian Rucker

BMW & Mini spezialisierter Meisterbetrieb / Raymond Götz GmbH

In diesem Jahr gelang es einer Gruppe von Hackern, sich Zugang zu einer Wasseraufbereitungsanlage im US-Bundesstaat Florida zu verschaffen und Wasser chemisch zu manipulieren. Die Bevölkerung kam dabei noch einmal mit dem Schrecken davon. Zudem wurde bekannt, dass die Ursache für den Stromausfall in Mumbai am 12. Oktober 2020 möglicherweise eine Cyberattacke auf die Server staatlicher Energieversorgungsunternehmen gewesen sei. Zu nennen wären viele weitere Vorfälle, die alle eines verdeutlichen: Der Schutz kritischer Infrastrukturen mit sicherer, autarker Energie ist längst keine rein politische Frage mehr. Es ist eine Grundvoraussetzung angesichts der gesellschaftlichen Bedrohungen für Gesellschaften im 21. Jahrhundert. Diese Entwicklung betrifft auch den modernen, digitalisierten Bevölkerungs- und Katastrophenschutz.

Eine leichte, leise und hocheffiziente Möglichkeit, diesen vermehrten Strombedarf zu decken und eine dieselunabhängige (Back-up-) Stromversorgung sicherzustellen, sind Energielösungen mit Brennstoffzellen von SFC Energy auf Methanol- oder Wasserstoffbasis. Aufgrund ihres Designs und ihrer effizienten Wirkungsweise können sie die bestehenden und künftigen elektronischen Systeme der BOS unterstützen und deren Unabhängigkeit sicherstellen.

EFOY JUPITER-Energielösung (Wasserstoff) von SFC Energy.
EFOY JUPITER-Energielösung (Wasserstoff) von SFC Energy.
Quelle: SFC Energy AG

Aktuelle Notstromlösungen beruhen fast ausschließlich auf Generatoren und Batterielösungen mit begrenzter Reichweite. Brennstoffzellensysteme bilden hier eine sinnvolle Alternative. Sie sind dabei nicht als Ersatz für Batterien gedacht, sondern als Ergänzung. Batterien haben den Vorteil der hohen Spitzenstromfähigkeit, aber den entscheidenden Nachteil der limitierten Kapazität, welche sich hervorragend durch die Kombination mit Brennstoffzellen ausgleichen lässt. Neben der gesteigerten Autarkie ist die Kosteneinsparung ein weiterer wichtiger Vorteil von Brennstoffzellen. Zur Aufrechterhaltung der Stromversorgung mit Batterien müssen oft teure Primärbatterien beschafft oder Sekundärbatterien mit entsprechendem Aufwand nachgeladen werden. Dies führt neben Material-, Logistik- und Entsorgungskosten zu zusätzlichen Kosten für Ladegeräte, Generatoren, Treibstoff und Zubehör, die durch den Einsatz von Brennstoffzellen deutlich reduziert werden.

Brennstoffzellen laden Batterien vollautomatisch. Das System wird gestartet und bei geladener Batterie wieder in Stand-by versetzt. Dadurch haben Anwender nicht nur immer volle Energiereserven, die Batterien halten auch wesentlich länger, da die kontinuierliche Aufladung sie vor schädlicher Tiefentladung schützt. Egal bei welcher Anwendung: Brennstoffzellen in vollintegrierten wetterfesten Lösungen sind innerhalb weniger Minuten einsatzbereit und liefern tagelang Strom ohne Benutzereingriff.

Als Beispiel für netzferne Ersatz- und Notstromversorgung für (semi-)stationäre Systeme dient das BOS-Funknetzwerk in allen seinen verschiedenen Facetten. Bei einem längerfristigen Energieausfall müssen die Länder und Kommunen die Sicherstellung der kritischen Systeme von mindestens sieben Tagen gewährleisten. Bei der energetischen Aushärtung des BOS-Digitalfunknetzes kommen die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Lösungen von SFC (EFOY JUPITER) bereits zum Einsatz.

Dieselben Vorteile werden deutlicher, wenn man sich die portable Stromerzeugung vor Augen führt. Kleine, leichte und flexible Stromversorgungslösungen mit Brennstoffzellen können bis zu 80 Prozent des mitzuführenden Batteriegewichts einsparen. Hinsichtlich des zunehmenden „portablen Energiebedarfes“ durch mobile Lagekarten, GPS-Tracker, Drohnen oder multifunktionale Handhelds etc. bildet gerade die Gewichtsreduktion einen „Game Changer“ für die BOS. Sie ermöglicht eine längere Missionsdauer und erhöht die Sicherheit der Einsatzkräfte. BOS-Kräfte müssen – bei weiter fortschreitender Digitalisierung – in Ausnahmeszenarien und Katastrophenfällen, aber auch in alltäglichen Bedrohungslagen schnell und effizient vor Ort operieren. Moderne Systeme benötigen aus diesen Gründen eine alternative Stromversorgung mit weit besseren Eigenschaften, um die Möglichkeiten der Digitalisierung uneingeschränkt zu nutzen.

Ein anschauliches Beispiel bildet die Integration in Behördenfahrzeuge und unbemannten Plattformen. Die IT-Modernisierung vieler Fahrzeuge hat einen deutlich gesteigerten Energiebedarf zur Folge. Die im und am Fahrzeug betriebene Technik wie Sondersignalanlagen, spezifische Beleuchtungseinrichtungen und Kommunikationstechnik benötigen eine zuverlässige 12 V bzw. 24 V-Energieversorgung. Die Bordstromversorgung mit Energie aus der Lichtmaschine hat einen extrem schlechten Wirkungsgrad mit hohem Dieselverbrauch. Weiterhin werden Verschleißteile im Fahrzeug durch den Leerlaufbetrieb – auch im kalten Zustand – stark belastet, was zu einem höheren Wartungsaufwand führt. Im Standgasbetrieb ist der Betriebsstoffverbrauch um einen Faktor 20 höher als bei einem Einsatz mit Brennstoffzellen. Platz ist in Behördenfahrzeugen zudem sehr wertvoll, daher müssen Stromquellen leicht, kompakt und klein sein.

Bei laufendem Motor wird der erzeugte Strom teilweise direkt verbraucht und bei freier Kapazität die Fahrzeugbatterie geladen. Somit erhöht sich beim Betrieb von Brennstoffzellen die entnehmbare Kapazität der eingebauten Batteriegruppe bei einem zumeist geringen Entladestrom. Eine Energieversorgung an Bord lediglich durch Batterien ist durch die Limitierung der möglichen Laufzeit nur bedingt geeignet, da die Batterien sonst tiefentladen werden. Batterieschonung und eine Verlängerung des Lebenszyklus durch Tiefenentladeschutz – gerade im Winter – sind allerdings wichtige Faktoren hinsichtlich gesamtgesellschaftlicher Trends wie „Nachhaltigkeit“ und „Digitalisierung“. Bei der Bordstromversorgung sind neben Stromerzeugern auch ein oder mehrere Stromspeicher erforderlich. Eine Reduzierung des Fahrzeuggewichtes durch Einsparung zusätzlicher Batterien ist somit ein weiterer Vorteil, den die Integration von Brennstoffzellen an Bord bietet. Der Energieträger Methanol leistet somit einen entscheidenden Beitrag zu Umweltschutz, Ressourcenschonung und nachhaltiger Energiewirtschaft.

Energiesystem bestehend aus Brennstoffzelle und Batteriespeicher der AXSOL GmbH...
Energiesystem bestehend aus Brennstoffzelle und Batteriespeicher der
AXSOL GmbH und der SFC Energy AG.
Quelle: SFC Energy AG

Wie erwähnt, sind Brennstoffzellen nicht als Ersatz für Batterien gedacht, sondern als Ergänzung. Je nach Betriebsart unterliegen die Verbraucher unterschiedlicher Nutzung. BOS-Einsätze erfordern daher ein auf den Einzelfall bzw. Einsatz konzipiertes Energiekonzept. SFC arbeitet mit vielversprechenden Partnern zusammen, um Batterie- und Brennstoffzellentechnologie zu kombinieren und in hocheffiziente, ausfallsichere Systemlösungen zu integrieren. Während die Stromspeichersysteme („­Sprinter“) höchste Flexibilität ermöglichen, kommt die EFOY ­Brennstoffzelle („Marathon-Läufer“) als umweltfreundliche, leistungsstarke und kontinuierliche Energiequelle in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz. Die Brennstoffzellen ersetzen bzw. substituieren Generatoren als Residuallastquelle, während Batteriespeicher dem Zwischenspeichern der Energie aus den Brennstoffzellen dienen und optimal auf den Anwendungsbedarf zugeschnitten werden können.

Des Weiteren reduzieren DMFCs aufgrund der Einsparpotenziale die lokale Abhängigkeit von fossilen Energieträgern, welche gerade bei einer entsprechenden Verknappung anderweitig benutzt werden müssen. So muss im Falle einer Versorgungsknappheit mit Treibstoff der Betrieb entsprechend priorisiert werden. Eine Ausdifferenzierung der Treibstofflogistik – vor allem in Bezug auf Anzahl und Betrieb von Notstromanlagen – ist somit ein wichtiger Bestandteil in modernen Konzepten zum Bevölkerungs- und Katastrophenschutz.

Durch die bedarfsgerechte Stromerzeugung des Gesamtsystems Brennstoffzelle-Batterie können erhebliche Einsparungen mit Blick auf Treibstoff, Materialerhalt etc. gegenüber einer konventionellen Lösung erreicht werden. Brennstoffzellen sind im Vergleich zu Dieselgeneratoren nahezu wartungsfrei, einfach zu bedienen und genauso langlebig. Neben der Vereinfachung der Betriebs- und Treibstofflogistik sind Brennstoffzellen im Gegensatz zu Dieselgeneratoren leicht zu transportieren und immer und überall einsatzfähig. Daraus folgt eine größere Flexibilität, was die energetische Autarkie betrifft. Neben der deutlichen Reduzierung der CO2- und Stickoxidemissionen können Feinstaubemissionen komplett vermieden werden. 


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