Das Brennstoffzellensystem RiCell Flex von Rittal.

Das Brennstoffzellensystem RiCell Flex von Rittal.Rittal

Unterbrechungen im Versorgungsnetz können einen enormen wirtschaftlichen Schaden verursachen und darüber hinaus auch die Sicherheit beinträchtigen. In sensiblen Bereichen wird daher als Redundanz eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) eingesetzt, die den notwendigen Netzstrom unterbrechungsfrei bereitstellt. Dies nutzt auch DB Systel, der Informations- und Telekommunikationsdienstleister der Deutschen Bahn. Die GmbH entstand 2007 durch die Fusion der Tochtergesellschaften DB Systems und DB Telematik. Im Neubau in Berlin stehen den Mitarbeitern zwei Rechenzentren und sieben Serverzentren mit zur Zeit circa 4000 Servern zur Verfügung. Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit haben hier höchste Priorität. Das gilt auch für die über 70 Backbone-Standorte in Deutschland. In diesen Knotenpunkten mit Routern und Switches laufen unter anderem sensible Anwendungen von Schenker, dem Logistikpartner der Deutschen Bahn.

Die Bereitstellung der notwendigen Netzspannung (230 V) erfolgt über entsprechende Wechselrichter.

Die Bereitstellung der notwendigen Netzspannung (230 V) erfolgt über entsprechende Wechselrichter.Rittal

Klassische Absicherung

Die klassische Absicherungslösung in der Stromversorgung ist ein batteriegepuffertes USV-System für ein Backup im Minutenbereich und optional ein Dieselgenerator zur Absicherung gegen längere Stromausfälle, die nicht mehr über die Batterie-USV gepuffert werden können. Neben den Nachteilen der Batterien, deren Lebensdauer begrenzt ist und sowohl Wartung als auch Entsorgung (Blei ist Sondermüll) aufwändig und teuer sind, hat auch der Dieselgenerator bauartbedingte Nachteile. Diese sind unter anderem ein hoher Lärmpegel, hohe Schadstoffemissionen, Verschleiß und besonders hohe Wartungskosten, zum Beispiel durch regelmäßige Öl- und Filterwechsel. Außerdem unterliegt die Bevorratung von Treibstoff besonderen Auflagen.

Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme als Alternative

Bisher führte zur Absicherung von deutlich längeren Stromausfällen in den meisten Anwendungen dennoch kein Weg an klassischen USV-Lösungen mit Dieselgenerator vorbei. Daher wird bereits seit längerem nach geeigneten Alternativlösungen gesucht, da den moderaten Investitionskosten des klassischen Generators technische Nachteile und hohe Betriebskosten gegenüberstehen. Als mögliche Alternative werden Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme gehandelt, die den Einsatz von bleihaltigen Batterien immens minimieren und Dieselgeneratoren gänzlich ersetzen können. Einsetzbar sind Brennstoffzellensysteme neben dem Ersatz der konventionellen Lösungen auch als Kombination mit USV-Anlagen. Die Vorteile liegen hierbei vor allem in dem deutlich niedrigeren Wartungsaufwand und der Emissionsfreiheit, denn Brennstoffzellen arbeiten nahezu lautlos, sind vibrationsfrei und stoßen keinerlei Abgase aus. Gerade diese Argumente haben die DB Systel dazu bewogen auf Brennstoffzellensysteme des Systemanbieters Rittal zu setzen. „Ein weiterer Grund für DB Systel in diese Technologie einzusteigen ist die positive Umwelteigenschaft von Brennstoffzellen – keine Schadstoffemission, kein Sondermüll und keine Geräuschentwicklung. Unser Ziel ist es, die spezifischen Kohlendioxid-Emissionen deutlich zu senken“, erläutert Wolfgang Ziebs, Leiter Basis Infrastruktur bei DB Systel.

Neben dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft arbeiten die Brennstoffzellen mit Wasserstoff aus Gasflaschen.

Neben dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft arbeiten die Brennstoffzellen mit Wasserstoff aus Gasflaschen.Rittal

Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff

Wasserstoff-Brennstoffzellen nutzen die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, bei der elektrische Energie, Wasser und Wärme entstehen. Auch wenn es unterschiedliche Typen gibt, das Prinzip ist immer gleich: Zwei Elektroden sind durch eine Membran getrennt, die nur für Wasserstoff-Ionen durchlässig ist. Neben dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft arbeiten diese Brennstoffzellen mit Wasserstoff aus Gasflaschen. Der Wasserstoff wird an der Anode in Wasserstoff-Ionen und Elektronen getrennt. Die Ionen diffundieren durch die Membran zur Kathode. Die Elektronen nehmen den Weg über den elektrischen Verbraucher zur Kathode – und damit fließt elektrischer (Gleich-) Strom.

An der Kathode werden die Sauerstoffmoleküle getrennt, nehmen Elektronen aus dem Stromkreislauf auf und reagieren mit den Wasserstoff-Ionen zu Wasser. Die Bereitstellung der für viele Anwendungen notwendigen Netzspannung (230 V) erfolgt über entsprechende Wechselrichter. Aufstellungsort, Leistung sowie die Autonomiezeit bestimmt der Betreiber.

Der eigentliche Prozess kommt ohne bewegliche Teile aus. Je nach Systemaufbau sind lediglich Pumpen, Lüfter und/oder Ventile zur Versorgung des Systems mit den Prozessmedien nötig. Da die Umwandlung der chemischen Energie direkt in elektrische Energie erfolgt, ist die Energieeffizienz einer wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle mit deutlich über 50 Prozent erheblich besser als die eines Dieselaggregates.

Brennstoffzellen statt Dieselgeneratoren

Klassische unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme, besonders wenn es sich um Notstromanlagen handelt, werden häufig zusammen mit Dieselgeneratoren betrieben. Hier setzt Rittal erstmalig auf RiCell Flex Brennstoffzellen-Systeme. Da die modulare Brennstoffzellentechnik selbst 48 V Gleichspannung erzeugt, wird die Ausgangswechselspannung von 230 V einphasig bzw. 400 V dreiphasig über Wechselrichter zur Verfügung gestellt.

DB Systel hat bereits an zwei Backbone-Standorten die bisherigen Netzersatzaggregat-Lösungen (NEA) durch Brennstoffzellen-Systeme von Rittal ersetzt; eines der wenigen Unternehmen, das die Entwicklung und den Einsatz von Brennstoffzellen erfolgreich vorantreibt. Die Einsatzbereiche der bei Rittal entwickelten Lösungen reichen von Basisstationen für Mobilfunknetze, über die Telematik bis hin zum digitalen Behördenfunk in Niedersachsen. In dieser Anwendung überbrücken die Rittal-Brennstoffzellensysteme mögliche Stromausfälle bis hin zu 72 Stunden und sorgen damit für mehr Betriebs- und Versorgungssicherheit.

Lange Autonomiezeiten und skalierbare Leistungen

Die RiCell Flex Brennstoffzellen-Systeme von Rittal leisten 7,5 kW und 12,5 kW an den beiden Backbone-Standorten. Die benötigte Ausgangsspannung von 230 V einphasiger bzw. 400 V dreiphasiger Wechselspannung wird über Wechselrichter zur Verfügung gestellt, da die modulare Brennstoffzellentechnik selbst 48 V Gleichspannung erzeugt. Im Falle der DB Systel sind die Brennstoffzellen-Module in doppelwandigen Outdoor-Gehäusesystemen untergebracht. Die notwendigen Gasflaschen – zur Erreichung der seitens DB-Systel benötigten Backup-Zeit von vier Stunden – sind ebenfalls in speziellen Gasflaschengehäusen von Rittal sicher installiert.

Zu den Leistungen von Rittal gehört aber nicht nur die Bereitstellung des technischen Equipments. Der Hersteller bietet dem Betreiber eine Komplettlösung an – angefangen von der Planung und Projektierung über die Erstellung der Fundamente und der Einhausung bis hin zur Inbetriebnahme, Abnahme und Schulung.

Aufgrund der modularen 19″-Bauweise erhält der Betreiber nicht nur die Möglichkeit, n+1 redundante Systeme aufzubauen, sondern auch sehr kurze Wiederinstandsetzungszeiten im Fehlerfall. Sämtliche modulare Bauteile sind dank wartungsfreier Schnellkupplungen ohne Spezialwissen innerhalb weniger Minuten auswechselbar, so dass auch im laufenden Betrieb für schnellen Ersatz gesorgt ist. Für zusätzliche Sicherheit sorgen Wasserstoffsensoren, die in jedem Modul integriert sind, um im unwahrscheinlichen Fall eines Wasserstoffaustritts sofort sämtliche Sicherheitsventile der Gasversorgung schließen zu können.

Lebenszykluskosten

Da für Betreiber von Notstromanlagen gerade die Lebenszykluskosten von großer Bedeutung sind, können Brennstoffzellensysteme hier punkten. Während konventionelle Lösungen besonders günstig in der Anschaffung sind, verlieren diese häufig im Gesamtkostenvergleich aufgrund der deutlich höheren Wartungskosten. Gerade für Backup-Zeiten im Stundenbereich können hier Brennstoffzellen, nicht zuletzt aufgrund der geringeren Ersatzinvestitionskosten im Vergleich zu reinen Batterieanlagen, ihre Stärken ausspielen.

Spätestens jedoch, wenn Brennstoffzellensysteme zu gleichen Anschaffungskosten wie konventionelle Lösungen verfügbar sind, wird sich die Technologie final durchsetzen. Bis dahin lassen sich vermutlich auch die kleinen noch verbliebenen Blei-Akkus gänzlich aus den Systemen verbannen. Ein möglicher Ersatz hierfür könnten je nach Anwendung auch Doppelschicht-Kondensatoren sein. Darüber hinaus werden die Fernwartungsmöglichkeiten weiter ausgebaut, so dass noch mehr Informationen bereits aus der Ferne und ohne Personaleinsatz abgefragt werden können. So könnten beispielsweise auch die Wartungsintervalle bedarfsgerecht und nicht mehr statisch koordiniert werden.