04.03.2013

Langsame Fortschritte

Der Aufbau der BOS-Netze kommt langsam voran. Derzeit sollen – so die Bundesanstalt für den Digitalfunk der Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BDBOS) – von den bundesweit geplanten ca. 4.500 Basisstationen 3.617 aufgebaut und 2.865 ins Netz integriert worden sein (Stand Mitte Februar 2013). Die einst für 2007 geplante flächendeckende Inbetriebnahme soll jetzt im Wesentlichen 2014 erfolgen. Zu dieser Verzögerung dürften auch technische Probleme beigetragen haben, denn die Planungs-, Genehmigungs- und Errichtungsarbeiten gestalten sich meistens recht zäh. Neben Einsprüchen von Bürgern und Umweltverbänden verzögern aber auch die zusätzlichen Maßnahmen für die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) das Vorhaben. Moderne und zuverlässige Brennstoffzellen könnten hier künftig Akzente setzen.

Der Aufbau der BOS-Netze ist die eine Seite, ihr bedingungsloses Funktionieren bei jedweder Art von Störfällen die andere. Hier bedarf es zusätzlicher USV-Maßnahmen und die sind recht aufwendig, vor allem für Basisstationen in Natur- und Wasserschutzgebieten. Das Anschlussnetz und die Einbindung ins BOS-Funknetz ist dann meistens ein weiterer Kraftakt. Mindestens 2 h muss die Systemtechnik der Basisstationen allein mit Akkus klar kommen. Hierbei „legt das jeweilige Bundesland fest, auf welche Art die Versorgung der Basisstation über die USV-Anlage hinaus sichergestellt wird und realisiert die Lösung im Rahmen ihrer Verantwortlichkeit“, so eine Sprecherin der BDBOS. Neben weiteren Akkustacks können auch stationäre oder mobile Netzersatzanlagen eingesetzt werden. Auch über die notwendigen Überbrückungszeiten entscheiden die Länder selbst; die meisten sehen 72 h als ausreichend an. Strenger sind die Auflagen für Vermittlungsstellen. Hier muss der vor Ort bevorratete Treibstoff die Notstromversorgung für mindestens 72 h sicherstellen. Vor allem aber sind die USVAnlagen redundant aufzubauen. „In den meisten Fällen werden noch immer Dieselgeneratoren zur Absicherung des Stromnetzes genutzt“, heißt es bei der BDBOS. Doch das beginnt sich ganz langsam zu ändern, die wartungsintensiven und umweltproblematischen Generatoren oder gigantischen Akkuparks könnten künftig durch moderne und zuverlässige Brennstoffzellen (BZ) ersetzt werden.

Erste Anlagen in Niedersachsen

So konnte in Niedersachsen bislang erst eine Anlage mit Brennstoffzellen in den Regelbetrieb gehen – das war im November 2011 am Stadersand im Netzabschnitt der Polizeidirektion Lüneburg. Das von der Firma Rittal gelieferte und mit 2-kW-Wasserstoff-BZ von Ballard (Vancouver) ausgestattete System kann mit den bereit stehenden 600 l Wasserstoff einen Netzausfall bis 74 h überbrücken. Demnächst sollen vier weitere Standorte in Niedersachen ausgerüstet werden – in Rinteln an der Weser und in Narjesberg, so die BOS Niedersachsen. Gefördert wird das 365.000 € schwere Gesamtprojekt durch das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) mit 176.000 €. Auch die BOS-ler in Baden-Württemberg erwärmten sich bereits für die BZ-Technik. Am 21. Juni 2012 startete in Karlsruhe ein einjähriges Pilotprojekt. Neben den Firmen Emerson, Knürr, FutureE und Linde sind auch der Landesbetrieb Vermögen und Bau sowie das Karlsruher Institut für Technologie eingebunden. Geplant ist einspäterer Rollout von rund 30 Systemen. Ebenfalls heftiges Interesse bekundeten NRW und Sachsen, Bayern hingegen soll einen Rückzug gemacht haben.

Brandenburg wird sauberstes BOS-Land

Den größten Schritt in Sachen Umweltfreundlichkeit und Zuverlässigkeit er-laubt sich das Land Brandenburg. 116 der insgesamt 140 auszurüstenden Standorte sollen demnächst mit der Brennstoffzellentechnik ausgestattet werden, wobei verschiedene Verfahren für die USV zur Diskussion stehen. Um herauszufinden, welche Techniken und Systeme im Einzelnen die geeignetsten sind, beauftragte der Zentraldienst der Polizei des Landes Brandenburg (ZDPol) die TH Wildau mit der wissenschaftlichen Begleitung des Vorhabens. Dort wird schon seit längerer Zeit an Themen rund um regenerative Energien und Energiemanagement geforscht. Bis März 2016 soll die TH das Projekt begleiten, einmal durch eine Langzeituntersuchung der Zuverlässigkeit der Brennstoffzellen unter den praktischen Einsatzbedingungen des Polizeibetriebs und zum anderen durch die Überprüfung und Anpassung der erforderlichen Service- und Logistikkonzepte. Zudem soll interessierten Behörden, Einrichtungen und Unternehmen Workshops zur Brennstoffzellentechnik in ihrer gesamten Breite angeboten werden. Damit soll, so Prof. Siegfried Rolle vom Lehr- und Forschungsschwerpunkt „Physikalische Technik“ der FH, „der Brennstoffzellentechnik auch in anderen Anwendungsfeldern zum Durchbruch verholfen werden.” So wird noch in diesem Halbjahr für Demonstrations- und Forschungszwecke auf dem Campus der TH Wildau ein „gläserner Container“ errichtet, in dem erweiterte Untersuchungen an Brennstoffzellenanlagen zur unterbrechungsfreien (Not-)Stromversorgung unter Praxisbedingungen durchgeführt werden, allerdings unabhängig vom Regelbetrieb bei der Polizei. Die 116 aufzubauenden Brennstoffzellensysteme sollen nun nach einigen Verzögerungen im März ausgeschrieben werden – in drei Losen, wie Wolfgang Axthammer, Geschäftsführer und Programmleiter Spezielle Märkte der Now GmbH Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie gegenüber NET erklärt. Dabei wurden in Brandenburg bereits diverse Systeme getestet, so auch die Anlagen von b+w Electronic Systems. Egal, ob reiner Wasserstoff, Methanol oder LPG – das Prinzip ähnelt sich: Wasserstoff und Sauerstoff reagieren kontrolliert, zwei Elektroden und ein Elektrolyt als Trennschicht verhindern den Knallgaseffekt. Der Wasserstoff wird katalytisch in seine Bestandteile – zwei Elektronen und zwei Protonen – aufgeteilt. Während die Protonen direkt durch das Elektrolyt zum Sauerstoff diffundieren, müssen die Elektronen in den Stromkreislauf eintreten. Das Resultat: Strom und warmes Wasser. Bei Methanol oder bestimmten Gasen wird häufig ein Zwischenschritt eingebaut, indem es zunächst in Wasserund Sauerstoff getrennt wird. Bei Direktbrennstoffzellen werden kohlenstoffhaltige Moleküle indes direkt an der Elektrode umgesetzt, wodurch sich aber der Wirkungsgrad etwas verschlechtert. Diese Art der Brennstoffzelle ist daher eher in kleineren Leistungsklassen (bis 1 kW) unterwegs. Nun ist zu bedenken, dass Methanol recht toxisch ist, allerdings weniger als Benzin, und zudem biologisch leichter abbaubar als Benzin oder Diesel. Trotzdem gibt es Einsatzorte, wo weder diesel- noch methanolbetriebene Anlagen zugelassen sind. Die Wasserstoff-Lösung bietet daher viele Vorteile, auch wenn der Energieträger in schwergewichtigen Gebinden angeliefert wird. Ideal ist natürlich der solare, also vor Ort mittels Sonnenenergie erzeugte Wasserstoff, aber auch der bleibt eine Ausnahme. Immerhin hat E-Plus bereits zwei energieautarke Mobilfunkstationen in Versmold-Loxten und Büren mit Solar, Wind und Brennstoffzellen errichtet, allerdings noch ohne Elektrolyse.

Noch kein Durchbruch

Brennstoffzellen gehören längst noch nicht zur Regelausstattung bei BOSBasisstationen. Trotz Fördermaßnahmen ist das Interesse seitens der Polizei in den meisten Bundesländern eher bescheiden, unabhängig von der angebotenen Technik. „Es wird sich aber ein kleiner Markt entwickeln“, ist Dirk Weniger von b+w zuversichtlich, „aber wohl eher ein Nischenmarkt.“ Überall dort, wo Diesel als Energieträger zu gefährlich und im Unterhalt zu aufwendig ist, werden Alternativen gesucht. Der Einsatz von reinem Wasserstoff ist da bestimmt die Technik der Wahl, nur in den Systemkosten inklusive „Ertüchtigung und Peripherie“ auch etwas teurer, zumal Transport und Anschluss der Flaschen nur durch eingewiesenes Personal erfolgen darf. In Zeiten hoher Staatsverschuldung wird auch gerne bei der Sicherheit gespart. Mit einer besonders günstigen CO2- Bilanz vermögen die Wasserstoff-BZ zumindest beim BOS-Einsatz kaum zu punkten, denn die eingesparten Treib- Tetra-Basisstation mit Brennstoffzelle im Vordergrund (Foto: Motorola) Wasserstoff-Brennstoffzelle in einer abgelegenen Basisstation (Foto: FutureE) Langsame Fortschritte 18 NET 3/13 hausgase halten sich in Grenzen – der Einsatz soll ja nur einmal pro Jahr für Wartungszwecke oder bei wirklichen Stromausfällen erfolgen. Doch die sind zumindest in Deutschland höchst selten. Anders bei energieautarken Systemen, wie sie z.B. von der Heliocentris Energy Solutions AG in Kuwait aufgebaut wird, also mit Solar, Wind und Wasserstoffelektrolyse vor Ort.

Viele Techniken – viele Varianten

Die Ungewissheit in Sachen Brennstoffzellen ist noch immer recht groß, und die Terminologie macht das Verständnis nicht gerade leichter. So sind es Bezeichnungen wie PEM-FC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), HT-PEM (High Temperature PEM), DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), SOFC (Solid Oxid Fuel Cell – Festoxid-BZ), AFC (Alkaline Fuel Cell), MCFC (Molton Carbonat Fuel Cell – Schmelzkarbonat- BZ), PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) usw., mit denen Techniker und Ingenieure nur zu gerne brillieren. Allein 17 deutsche Anbieter sind mit den unterschiedlichsten BZ-Systemen unterwegs. Verständlich, dass die Brennstoffzellentechnik auch im Fokus der Wissenschaft steht. So werden u.a. am Fraunhofer- Institut für Solare Energiesysteme ISE Brennstoffzellensysteme ebenso entwickelt und untersucht wie im Forschungszentrum Jülich. Das Team um Prof. Detlef Stolten und Martin Müller forciert dort vor allem die Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC), u.a. auch für BOS-Basisstationen. Die Brennstoffzufuhr erfolgt hier direkt über flüssiges Methanol. Flüssiges Methanol kann einfach transportiert und nachgefüllt werden, ist schnell zu starten und hat zudem eine um drei- bis sechsmal höhere Energiedichte als gasförmiger Wasserstoff bei 700 bzw. 350 bar. Vor allem aber ist für den Einsatz kein Reformer nötig, über den sonst das Methanol in Wasserstoff konvertiert werden müsste. In Jülich wurde nun ein Projekt gestartet, mit dem künftig auch die Notstromversorgung gesichert werden könnte. „Wir brauchen derzeit noch eine Hochlaufzeit von 15 min, doch dürfte sich die Zeit auf 5 min reduzieren lassen“, erklärt Martin Müller. (Übrigens laufen Wasserstoff-BZ bereits nach maximal 15 s auf Volllast!) Für die installierte Leistung der Methanol- BZ rechnen die Jülicher pro kW etwa mit 7.500 €. Und die Nutzungsdauer einer DMFC liegt bei zehn Jahren, d.h. über 80.000 h Stillstand und 5.000 Betriebsstunden. Aber auch die doppelte Zeit wurde bereits erreicht.

Auch die Höhe der Betriebskosten spielt bei der BZ-Auswahl eine gewisse Rolle. Eine Untersuchung für das FZJ ergab für PEM-Brennstoffzellen (reiner Wasserstoff) einen Preis von 7,80 € pro kWh, beim PEM mit Reformer (für Methanol) sind es 7,72 € und bei einer DMFC 3,95 €. Alternativtechniken wie Dieselgeneratoren, PEM-FCs, Li-Ionen oder gar Bleiakkus sind entweder in der Investition oder dem Unterhalt zu teuer, oder die Wartung ist zu intensiv. Dr. Henrik Colell von der Heliocentris Energy Solutions und gewählter Sprecher des Clean Power Net (CPN) will hingegen keine derartige Rechnung aufmachen: „Die gesamten Installationskosten sind sehr schwierig zu beurteilen, es geht auch um die meistens gemieteten Wasserstoffflaschen, die Leistungselektronik, Batterien, Schränke, Verkabelung – die eigentliche Brennstoffzelle ist da nur ein Teil der Anlage. Die gesamten Investitionen, die man pro kW zu tätigen hat, hängen schon sehr stark vom Standort und den geforderten Überbrückungszeiten ab. Im Prinzip lässt sich eine solche Anlage nur über die TCO (Total Cost of Ownership) bewerten, also über Investitionen, Betriebs- und Wartungskosten sowie Umweltverträglichkeit. Hier kann die Wasserstoff- Brennstoffzelle durchaus punkten.“ Und weiter: „Die Brennstoffkosten kommen immer dann stark zum Tragen, wenn eine Anlage häufiger läuft.“

Mit NIP zu Fortschritten

Das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellen (NIP) ist eine strategische Allianz der Bundesrepublik mit der BZ-Industrie und -Wissenschaft und soll vor allem den Einsatz der Wasserstofftechniken forcieren. Dazu stehen von 2008 bis Ende 2016 insgesamt 1.400 Mio. € zur Verfügung, 200 Mio. € vom BMWI, 500 Mio. € vom BMVBS sowie 700 Mio. € von der Industrie. Daneben gibt es noch eine eher ideelle Unterstützung durch die Ministerien für Bildung und Forschung sowie für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. Gesteuert und koordiniert wird das Ganze von der Now GmbH, ebenso wie Clean Power Net, ein offener, bundesweiter, branchenübergreifender Zusammenschluss von Anwendern und Herstellern von Brennstoffzellen für unterbrechungsfreie Stromversorgung. 183 Projekte sind derzeit im Gange, davon 53 % für Verkehr und Wasserstoff- Infrastruktur, 28 % für stationäre Anwendungen und 14 % für spezielle Märkte, wozu auch die unabhängigen Stromversorgungen für die BOS zählen. Rund 170 Brennstoffzellen befinden sich derzeit in Feldtests. Die einzelnen Projekte werden zu 48 % aus dem NIP finanziert, wobei das Programm zum einen durch Now und und zum anderen durch den Projektträger Jülich gemanagt wird. Für 2013 sind die Mittel übrigens schon ausgeschöpft, für 2014 liegen bereits diverse Anträge vor. Axthammer und seine Leute brauchen sich jedenfalls über mangelndes Interesse an der BZ-Technik nicht zu beklagen. (bk)

Credit/Thumb: Wasserstoff-Brennstoffzelle in einer abgelegenen Basisstation (Foto: FutureE)

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