13.06.2012

Von CO2 nach H2O – Die Telekommunikation wird grüner

Wo die reguläre Stromversorgung versagt, hilft nur autarke Technik. Dies ist auch bei Basisstationen für den allgemeinen Mobilfunk, erst recht aber für Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) nötiger denn je. Wenn denen der Saft ausgeht, ginge bestenfalls noch etwas im sogenannten Direct Mode. Die Clean-Technology in Form von Brennstoffzellen gilt als Inkarnation einer sauberen Energieversorgung. Ihre Einsatzorte sind scheinbar unbegrenzt – von der Wärme- und Stromversorgung für Wohn- und Geschäftshäuser, Fabriken bis hin zu Autos, Bahnen, Computern, Handys und nicht zuletzt auch Basisstationen für den Mobilfunk – kurzum, für grüne Telekommunikation.

Die Stromversorgung einer Basisstation muss ständig funktionieren. Die Netzverfürgbarkeit einer Funkzelle gibt die Bundesanstalt für den Digitalfunk der BOS (BDBOS) mit 98,5 % an, beim öffentlichen Mobilfunk sind die Anforderungen weniger streng. Dennoch – die heute übliche Kombination von Dieselaggregaten und Akkumulatoren gilt weitestgehend als antiquiert, da sie neben Strom vor allem Lärm, Gestank, Wärme und CO2 produziert. Zudem gibt es starke Restriktionen für Aufbau und Betrieb. Kein Tropfen Diesel darf ins Erdreich, erst recht nicht in Natur- und Wasserschutzgebiete gelangen. Als Batterien werden meist Bleiakkus eingesetzt. Lithium- Ionen-Speicher sind schlichtweg zu teuer, kosten zehnmal mehr. Da kommt die Brennstoffzellentechnik gerade recht. Bei der Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff entstehen Wasser, Strom und Wärme. Doch der Weg zur sauberen Brennstofftechnologie ist ein weiter. Daher haben Bund, Industrie und Wissenschaft 2006 das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) ins Leben gerufen. Es ist auf zehn Jahre angelegt und soll die Marktvorbereitung von Produkten dieser Technologie entscheidend beschleunigen. Das dazu zur Verfügung stehende Gesamtbudget von 1,4 Mrd. € wird je zur Hälfte vom Bund und den beteiligten Industrien bereitgestellt. Das NIP ist in die drei Programmbereiche Verkehr und Wasserstoffinfrastruktur, stationäre Energieversorgung sowie spezielle Märkte unterteilt. Koordination und Steuerung des NIP sowie des Programms Modellregionen Elektromobilität wurde der NOW GmbH Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie übertragen. Die „speziellen Märkte“ können im Zeitraum 2011 bis 2016 auf insgesamt 60 Mio. € zugreifen. Ein Teil davon ist für die BOS reserviert. Das hat sich die Projektorganisation Digitalfunk BOS Brandenburg nicht zweimal sagen lassen. 140 Basisstationen müssen ins Netz integriert und mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) ausgerüstet werden, sofern sie sich nicht auf einer Polizeiliegenschaft befinden. So sollen 116 Basisstationen möglichst bald durch eine USV mit Brennstoffzellen versorgt werden. Die Auswahl der jeweiligen Technik ist kein Kinderspiel, vier Systeme wurden bislang getestet. Per Fernüberwachung und -steuerung wurden Stromausfälle simuliert – von Sekunden bis maximal drei Tage.

Ausschreibung kommt

Derzeit wird die Ausschreibung für die Beschaffung dieser 116 Einheiten vorbereitet, wobei die Finanzierung durch das NIP bzw. NOW erfolgen wird. Insgesamt ist ein Projektvolumen von 6,6 Mio. € geplant. Der Förderbescheid über nahezu 3,2 Mio. € dürfte Brandenburgs BOS-lern inzwischen zugegangen sein. Dabei sind die Anforderungen im flächenmäßig größten Land der neuen Bundesländer nicht ohne: Brennstoffzellen müssen zugleich USV und Netzersatzanlagen sein, Ausfallzeiten von bis zu 72 h sind zu überbrücken – eine Vorgabe, die nicht alle Länderübernommen haben. Mindestens drei Anbieter sollen 2013 zum Zuge kommen – mit möglichst unterschiedlichen Brennstofftechnologien. Es wird auch nicht unbedingt das wirtschaftlichste Angebot sein müssen, das den Zuschlag bekommt, ist von der NOW zu hören. Niedersachsen bemüht sich ebenfalls um Förderung für BOS-Basisstationen. Von den aufzubauenden 430 Systemen ist seit November 2011 eines bereits in Stadersand an der Elbe mit einer Brennstoffzelle in Betrieb, 600 l H2 reichen für bis zu 74 h. Ein weiteres soll noch in diesem Jahr in Rinteln an der Weser hinzukommen, bis Juni 2013 drei weitere im Harz. Das Projektbudget liegt bei 365.000 €, die Fördersumme bei 175.000 €. Auch Nordrhein-Westfalen bereitet sich auf das BOS-Brennstoffzellenzeitalter vor – 20 Systeme stehen in den Planungspapieren. Laut BDBOS strebt auch Bayern BSZ-Netzersatzanlagen an, Rheinland-Pfalz setzt auf Dieselaggregate, allerdings stehen endgültige Entscheidungen noch aus. Keines der Projekte dürfte aber eine ähnliche Dimension wie das in Brandenburg erreichen. Die Brennstoffzellenindustrie erwartet mit den bundesweit insgesamt rund 4.500 aufzubauenden Basisstationen dennoch langfristig ein lukratives Geschäft, auch wenn die Förderung nicht mehr überall greifen kann. Viele Basisstationen müssen in abgelegenen Gegenden errichtet werden, die bei Schnee, Hochwasser und Sturm nur schwer zu erreichen sind. Übrigens geht der Trend auch weg von der Batterie – Kondensatoren reichen für die Überbrückungszeit, bis die Brennstoffzelle auf Touren gekommen ist. Knürr wird in Karlsruhe für eine BOSBasisstation eine besonders zukunftssichere 400-V-AC-Anlage einsetzen. Sie versorgt den ganzen Standort, d.h., nicht nur 48 V für die Funktechnik, sondern bedient zusätzlich Licht und Heizung. Doch: Eine „Vollversorgung“ ist nicht immer gefordert; eine Leistung von 2 bis 6 kW reicht allemal fürs Funken und eine Notbeleuchtung.

Ziel: die total autarke Basisstation?

Interessant ist das E-Plus-Projekt: Der Mobilfunkbetreiber hat im April 2012 in Versmold die europaweit erste energieautarke Basisstation in Betrieb genommen. Der benötigte Strom wird durch Photovoltaik (Solar Tracking System, 8,7 kW), Windkraft (vertikale Windturbine auf der Spitze des Antennenmastes, 10 kW), Batterien und Brennstoffzelle (Rittal mit FutureE, 2 x 2 kW) gewonnen. Allein das Brennstoffzellensystem kann 250 h überbrücken. Insgesamt stehen dafür 24 Wasserstoffflaschen zu je 50 l und 300 bar zur Verfügung. Hinzu kommt eine massive Batteriekapazität. 7,88 t CO2 sollen im Jahr mit regenerativen Energien eingespart werden. „E-Plus wird später 13 solcher CO2-freien Standorte betreiben, über das Bundesverkehrsministerium (BMVBS) finanzieren wir den Brennstoffzellenanteil nebst Energiemanagement plus Schnittstelle mit 2,3 Mio. € aus dem NIP“, erklärt Wolfgang Axthammer, Programmleiter bei der NOW GmbH. Eine ähnlich autarke Basisstation hatte die Telekom in Hannover geplant – aber nicht realisiert. Auf der Hannover Messe 2012 zeigte FutureE zusammen mit Emerson Network Power ein solches autarkes System – mit Solar und Elektrolyse – und einem Wirkungsgrad von fast 50 %. Pro Minute werden bei 30 bar bis 5 Standard-Liter Wasserstoff generiert, aus 4 kWh Sonnenstrom werden 2 kWh zu speichernder Wasserstoff. Gibt es im Winter weder Sonne noch Wind, muss dieses Gas in der Brennstoffzelle verstromt werden. Was erneut mit einem Wirkungsgrad von 50 % verbunden ist, so dass von den ursprünglich überschüssigen 4 kWh elektrisch noch 1 kWh elektrisch verbleibt – ein Gesamtwirkungsgrad von ca. 25 % also. „Der große Vorteil ist, dass die 1 kWh elektrisch dann verfügbar ist, wenn sie benötigt wird. Außerdem – diese Kilowattstunde wird völlig emissionsfrei produziert“, weiß Mark-Uwe Oßwald, Mitgründer und Geschäftsführer von FutureE. Dennoch: Für Deutschland dürfte sich die Nachfrage solcher energieautarker Systeme in Grenzen halten. Aber fürs Ausland, wo es keine Wasserstoff-Lieferinfrastruktur gibt, verspricht sich FutureE gute Absatzchancen. Die Industrie rechnet mit einem weltweiten Bedarf von 3 Mio. Einheiten.

Gute Investition

Preise für Brennstoffzellen sind weit gestaffelt, die reinen Investitionskosten sind beinahe schon vergleichbar mit Dieselanlagen. Doch tun sich alle Hersteller mit konkreten Angaben schwer – sind doch viele Parameter wie z.B. Leistungsklasse, Gehäuse-, Brennstoff-, Technologie- und Aufstellungsart zu beachten. Während ein Dieselaggregat monatlich manuell vor Ort für einen Testlauf gestartet werden muss und in der Betriebsphase immer unter Volllast läuft, lassen sich Brennstoffzellen per Fernzugriff anwerfen und alle Parameter überprüfen. Strom wird nur so viel produziert wie auch „verbraucht“ wird. Dirk Weniger von B+W geht davon aus, dass bei einer TCO-Betrachtung (Total Cost of Ownership) bereits in drei Jahren ein Brennstoffzellensystem günstiger als ein Dieselaggregat sein kann. Er sieht drei Gründe für den Einbau von Brennstoffzellen – die TCO-Betrachtung (Break-Even-Punkt), den ökologischen Aspekt und einen Ansatz nach dem Motto „Koste es, was es wolle, vor allem modern und zuverlässig muss die Technik sein”. Reiner Wasserstoff dürfte wohl die teuerste und für die Versorgung auch aufwendigste Variante sein. Dafür ist sie auch die sauberste und beim Einsatz unkomplizierteste. Allerdings dürfen Transport und Anschluss von Wasserstoffflaschen nur durch Spezialkräfte erfolgen. „Wir haben eine eigene Servicegesellschaft und können die Belieferung mit reinem Wasserstoff selbst übernehmen“, erklärt Michael Tausch, Key-Account-Manager IT/Telecom von Hoppecke Batterien. „Reformer kommen für uns nicht in Betracht, sie verbrauchen selbst zu viel Energie und verzögern das Anlaufen der Brennstoffzelle.“ Bei der Auswahl der optimalen Anlage spielen die unterschiedlichen Basistechniken und die Wahl der jeweiligen Medienversorgung eine entscheidende Rolle. Reiner Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffe wie Propan, Methanol, Ethanol, Bioethanol, Erdgas, LPG (Autogas) oder auch Diesel in Verbindung mit einem Reformer – da bedarf es einer gründlichen Analyse. Hierbei kann das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE helfen. Ob reiner Wasserstoff angeliefert und eingesetzt wird oder Kohlenwasserstoffe vor Ort „reformiert“, also in H2 und CO2 aufgespalten werden sollen, hängt von den Einsatzbedingungen ab. Ulf Groos, Abteilungsleiter Brennstoffzellensysteme, hält Reformer wegen der hohen Komplexität für anfälliger. „Die meisten Anwender lassen sich daher reinen Wasserstoff liefern, zumal der Verbrauch minimal ist.“ Beim Einsatz von Kohlenwasserstoffen – in welcher Form auch immer – entstehen neben H2O auch Wärme und CO2. Dirk Weniger von B+W Electronic Systems sieht dennoch Vorteile: „Methanol ist einfacher zu handhaben, kann in 25-l-Kanistern angeliefert und selbst betankt werden.“ Allerdings: Ungefährlich ist der Stoff nicht – 30 ml können tödlich wirken. Rittal und SFC Energy wollen künftig bei Entwicklung und Vertrieb von Direktmethanol- Brennstoffzellen zusammenarbeiten und stellten vor kurzem das erste EFOY ProCabinet als „netzferne Steckdose“ vor. Für Propangas als Energieträger kann sich Dr. Martin Konrad, Mitgründer und Technischer Leiter von FCPower Fuel Cell Power Systems, erwärmen: „Es ist überall erhältlich, einfach zu transportieren und kann selbst angeschlossen werden.“ Er rechnet vor: „72 h Überbrückungszeit bei 6 kW sind 10 Flaschen Gas à 11 l“. Jedoch benötigen diese Brennstoffzellensysteme rund 15 min, bis die elektrische Leistung voll zur Verfügung steht, da der Reformer erst hochgeheizt werden muss. Zudem sei Propan leicht durch „grünes“ Gas zu ersetzen. Brennstofftechnologien kommen mit recht kryptischen Abkürzungen daher 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. Einsatzgebiete gibt es viele. „Die Felderprobung soll zu verbesserten Geräten der nächsten Generation führen bzw. zu Geräten, die auf die jeweiligen Applikationsspezifika hin optimiert sind“, heißt es in der Version 3.0 des NIP. Insgesamt sind 2.000 Systeme für BOS-Netze, Bundeswehr und THW als Referenzprojekte vorgesehen, die über ein Markteinführungsprogramm kofinanziert werden. Ein weiterer Punkt für Outdoor-Systeme sind Gehäuse mit Widerstandsklasse WK4 und Feuerfestigkeitsklasse F30. Sie sind „für Dieselaggregate nicht möglich“, erklärt Michael Mansfeld, Key Market Manager Tetra/BOS von Emerson Network Power – Knürr. Der Hersteller setzt im Übrigen auf die FutureE-Wasserstoff-PEM-FC, die bereits nach etwa 1 bis 2 s ihre volle Leistungsfähigkeit erreicht hat.

Noch keine Regelversorgung

Bis in den meisten TK-Einrichtungen Brennstoffzellen arbeiten, wird es noch dauern. Ihre Lebensdauer wird oft mit 1.000 bis 5.000 h angegeben. „Für Notstromeinsätze ist diese Zahl unerheblich, die 1.000 werden zumindest hierzulande nie erreicht“, ist Bernard Krüsemann, Entwicklungsleiter bei Hypower, sicher. Der Markt für Brennstoffzellensysteme ist noch längst kein Selbstläufer. Nach Ulf Groos, Abteilungsleiter Brennstoffzellensysteme des ISE, „gibt es aber eine sehr erfreuliche und sehr starke Bewegung, die auch durch das Industrie- und Forschungs-Netzwerk Clean Power Net forciert wird.“ Initiiert wurde das durch die NOW GmbH, und es repräsentiert das im NIP genannte Leuchtturmprojekt „Kritische Stromversorgung/USV“. Vor allem ist natürlich die sog. On-Site-Wasserstoffversorgung mit solar-, windkraft und batteriegetriebener Energieversorgung sowie Elektrolyseure für abgelegene Einsatzorte die technische Perspektive. Doch der Weg dorthin ist gerade erst eröffnet.

Rainer Bücken, aus NET 5/2012, S. 43-45
Rainer Bücken ist freier Journalist in Berlin

KONTAKT

Adresse