Solaranlagen und Produkte der Vormonate:

Photovoltaik plus Brennstoffzelle:
Solare Energie mit Wasserstoff gespeichert

Die ganzjährige Verfügbarkeit von Strom aus der Sonne erfordert in unseren Breiten normalerweise sehr große Solargeneratoren und Akkumulatoren, um sicher über die sonnenarmen Wintermonate zu kommen. Der Einsatz einer Brennstoffzelle als zusätzlicher Energielieferant ist nicht nur umweltfreundlicher, sondern oft auch kostengünstiger, weil die Größe der Solarstromanlage und der Batterien wesentlich reduziert werden kann. Zu diesem Zweck entwickelte der österreichische Photovoltaik-Wechselrichterproduzent Fronius international ein praxistaugliches "Energiezellen"-Konzept für ein hybrides Brennstoffzellensystem mit integriertem Pufferspeicher, das saubere, emissionsfreie Energie dauerhaft nutzbar macht. Als "Solar-Anlage des Monats" im Oktober 2007 stellt der Solarserver die Fronius-Energiezelle vor und zeigt zwei praktische Anwendungen: zur autonomen Solarstromversorgung und zur mobilen Anwendung einer Brennstoffzelle für den Betrieb von Logistikfahrzeugen.

Solar-Anlage des Monats als PDF-Dokument

Die Photovoltaik-Anlage von Fronius international soll künftig nicht nur Solarstrom sondern auch solaren Wasserstoff zum Betrieb von Logistikfahrzeugen produzieren. Die Fronius-Energiezelle verbindet Photovoltaik- und Brennstoffzellentechnologie.
Links: Die Photovoltaik-Anlage von Fronius international soll künftig nicht nur Solarstrom sondern auch solaren Wasserstoff zum Betrieb von Logistikfahrzeugen produzieren. Rechts: Die Fronius-Energiezelle verbindet Photovoltaik- und Brennstoffzellentechnologie. Fotos: Fronius international

Die Brennstoffzelle: Eine Idee mit Zukunft

Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Stromerzeuger, sozusagen eine "gasbetriebene Batterie". In der Brennstoffzelle werden Gase oxidiert und direkt in hochwertige Energie (Strom und Wärme) umgewandelt. Das Prinzip wurde bereits im 19. Jahrhundert entdeckt. Der erste praktische Einsatz einer alkalischen Brennstoffzelle erfolgte 1963 bei der Gemini-Mission der amerikanischen Raumfahrt. Aufgrund des gestiegenen Umweltbewusstseins wurde die Erforschung und Entwicklung dieser emissionsfreien und umweltschonenden Art der Energiewandlung wieder intensiviert. Die Fronius-Energiezelle ist jedoch mehr als nur eine Brennstoffzelle. Sie ist ein Gesamtsystem regenerativer Energieerzeugung: Eine Photovoltaik-Anlage liefert den Strom, mit dem ein Elektrolyseur betrieben wird. Dieser spaltet Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Der Wasserstoff wird gespeichert und schließlich bei Bedarf in der Brennstoffzelle wieder in Energie umgewandelt. Ein ausgeklügeltes Energiemanagement sorgt dabei für höchste Effizienz und Wirtschaftlichkeit.

So funktioniert die Fronius Energiezelle

Die Solar-Module (1) fangen das Sonnenlicht ein und wandeln es in Gleichstrom um. Unmittelbarer Energiebedarf wird direkt über die Wechselrichterelektronik (5) gedeckt, die den Verbrauchern (7) Strom zur Verfügung stellt. Mit Hilfe der restlichen Energie spaltet der Elektrolyseur (2) Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff. Der Wasserstoff wird in einem Speicher (3) zwischengespeichert, der Sauerstoff wird an die Umgebung abgegeben.

So funktioniert die Fronius Energiezelle

Wenn keine Energie aus den Solar-Modulen zur Verfügung steht (z. B. in der Nacht oder im Winter), wird der zwischengespeicherte Wasserstoff der Brennstoffzelle (4) zugeführt. In ihr wird der Wasserstoff mit Hilfe von Sauerstoff aus der Umgebung in Gleichstrom umgewandelt. Der Gleichstrom aus der Brennstoffzelle anschließend von der Wechselrichterelektronik (5) in gebrauchsfähigen Wechselstrom umgewandelt. Das in der Brennstoffzelle anfallende Reaktionswasser kann dem Elektrolyseur erneut zugeführt werden (6). Durch den Einsatz der Fronius-Energiezelle kann somit Sonnenenergie jederzeit bedarfsgerecht zur Verf ügung gestellt werden (7).Das Kernstück dieses Konzeptes, die hybride Brennstoffzelle (4), gibt es bereits als Vorserienprodukt das auf der diesjährigen Intersolar erstmals der breiten Öffentlichkeit präsentiert wurde.

Steyr: Solar betriebene Öko-Messstation mit Brennstoffzellen-Unterstützung

An der Höheren Technischen Lehranstalt Steyr macht diese Idee Schule: Dort arbeitet eine Umwelt-Messstation, die durch den Einsatz der Fronius-Energiezelle ganzjährig mit Solarstrom betrieben wird.

Steyr: Solar betriebene Öko-Messstation mit Brennstoffzellen-Unterstützung

Das Mess-System hat einen Leistungsbedarf von 100 Watt und benötigt jährlich rund 900 Kilowattstunden Strom. Die Photovoltaik-Brennstoffzellen -Kombianlage stellt die netzunabhängige Stromversorgung sicher. Die Einbindung der Brennstoffzelle als selbststartender Hilfsgenerator eines Photovoltaik-Inselsystems erfolgt durch die Kopplung an den Batteriespeicher.

Der von Fronius speziell entwickelte Laderegler überwacht kontinuierlich den Batterieladezustand. Wird ein kritischer Ladezustand erreicht, startet die Systemsteuerung den Brennstoffzellen-Generator und ein kompletter Ladezyklus wird ausgeführt. 80 % des jährlichen Energiebedarfes der Messstation werden unmittelbar von der Photovoltaik-Anlage gedeckt. Die restlichen 20 % stellt die Brennstoffzelle bereit. Die 1,3 kWp-Photovoltaikanlage erzeugt pro Jahr rund 1.100 Kilowattstunden Solarstrom, die Brennstoffzelle mit einer Leistung von 1,2 kW weitere 140 kWh/a. In diesem Projekt arbeitet Fronius mit der HTL-Steyr und der Energie AG Oberösterreich zusammen.

In den Monaten April bis September erzeugt die Photovoltaikanlage einen Solarstromüberschuss.
In den Monaten April bis September erzeugt die Photovoltaikanlage einen Solarstromüberschuss; von Oktober bis März wird sie von der Brennstoffzelle unterstützt, wobei der Schwerpunkt der Brennstoffzellen-Aktivität in den Monaten November, Dezember und Januar liegt. Grafik: Fronius International.

Die Fronius-Energiezelle in der Praxis: HyLOG Fronius Energiezelle im mobilen Einsatz

In Sattledt, dem neuen Produktions- und Logistikstandort, demonstriert Fronius im Rahmen des Pilotprojektes HyLOG (Hydrogen Powered Logistic System) die mobile Anwendung Energiezelle: ein Gesamtsystem zur regenerativen Produktion von Wasserstoff, den ein innerbetriebliches Logistikzugfahrzeug als Treibstoff nutzt. Der Fronius Systemstandort Sattledt ist mit 650 Mitarbeitern und 37.000 Quadratmetern Nutzfläche als Modell für eine zukunftsfähige Energieversorgung in industrieller Größenordnung zu verstehen: 90 % des benötigten Stroms und der erforderlichen Wärme werden mit Photovoltaik (604 kWp) sowie einer Biomasseheizanlage mit 1,5 Megawatt (MW) bereitgestellt. Modernste Klimatechnik mit unterirdischen Wasserbecken gewährleistet die erforderliche Sommer- und Wintertauglichkeit des Gebäudes.

Fronius-Standort Sattledt (Oberösterreich) mit Photovoltaik-Dächern Wechselrichter-Produktion.
Fronius-Standort Sattledt (Oberösterreich) mit Photovoltaik-Dächern; Wechselrichter-Produktion. Quelle: Fronius International

Wasserstoffantrieb für den innerbetrieblichen Transport verkürzt Ladezeiten und verdoppelt die Reichweite

Den Wasserstoff für den Betrieb des HyLOG-Fahrzeuges produziert Fronius selbst und verwendet den auf dem Dach erzeugten Solarstrom zur Elektrolyse (Zersetzen von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff) Der Solarstrom wird mit einer 604 kWp starken Photovoltaik-Anlage gewonnen. Der solare Wasserstoff wird zwischengespeichert und über eine eigene Tankstelleninfrastruktur für die Betankung des Logistikzugfahrzeuges bereitgestellt. Der im HyLOG-Fahrzeug integrierte Brennstoffzellenantrieb wandelt den Wasserstoff in Antriebsenergie um. Der größte Vorteil dieser emissionsfreien Logistik-Lösung ist, dass die Betankung mit Wasserstoff nur wenige Minuten dauert, während konventionelle Fahrzeuge mit Batterie 8 bis 10 Stunden lang aufgeladen werden müssen. Durch den Einsatz der Fronius-Energiezelle entfallen die langen Batterielade-Stehzeiten und das Fahrzeug ist praktisch rund um die Uhr betriebsbereit. Da der für den Antrieb benötigte Wasserstoff direkt vor Ort produziert wird, entfällt eine umweltbelastende Anlieferung. Mit dem HyLOG-Projekt will Fronius den innerbetrieblichen Transport auf eine technologisch völlig neue Basis stellen. Die Verdoppelung der Fahrzeug-Reichweite ist ein wirtschaftlich besonders relevanter Vorteil dieser Lösung. Ziel des HyLOG Projekts ist nicht nur die Demonstration der innovativen Logistiklösung in einem realen, industriellen Anwendungsumfeld. Neben der Untersuchung des Gesamtsystems soll auch eine Referenz zur Beschleunigung der Markteinführung geschaffen werden.

Logistik-Zug im Lager von Fronius International: Brennstoffzellen sollen die bisher verwendeten Batterien ersetzen.
Logistik-Zug im Lager von Fronius International: Brennstoffzellen sollen die bisher verwendeten Batterien ersetzen. Foto: Fronius International.

Solarstrom für die Elektrolyse und zur Netzeinspeisung

Die installierte Solarstrom-Produktionskapazität mit 823 Kilogramm Solarwasserstoff pro Jahr ermöglicht rechnerisch die Versorgung der gesamten Logistikzugflotte mit sechs Fahrzeugen. Da derzeit jedoch nur rund 10 % des Solarstromangebots für die Wasserstofferzeugung genutzt werden, könnten nach einer Vergrößerung der Elektrolysekapazität auch externe Nutzer (benachbarte Logistikzentren, Wasserstofffahrzeuge) bedient werden. Der überschüssige Strom wird mit 15 Fronius-Zentralwechselrichtern vom Typ "IG 500" in das öffentliche Netz eingespeist.

Jeder FRONIUS IG-Zentralwechselrichter arbeitet mit mehreren kleineren Leistungsteilen, die sich je nach Einstrahlung vollautomatisch zu- oder abschalten. Jeder FRONIUS IG-Zentralwechselrichter arbeitet mit mehreren kleineren Leistungsteilen, die sich je nach Einstrahlung vollautomatisch zu- oder abschalten, um immer maximale Energie liefern zu können. Das FRONIUS MIX™-Konzept ist besonders in Gebieten interessant, in den Teillastbereiche wie z.B. starke Bewölkung oder Nebel nicht unbekannt sind.
Fronius entwickelt ein Brennstoffzellen-"Range-Extender"-Antriebssystem mit einer Leistung von 2,5 Kilowatt und einem 26 Litern fassenden Druckwasserstofftanksystem (350 bar) und bereitet dessen zertifizierbare Integration in ein Serien-Logistikzugfahrzeug (Linde P30) auf Basis geltender Sicherheitsstandards vor. Mit dem Prototyp werden in der realen industriellen Anwendungsumgebung Erfahrungen und Daten für technisch-wirtschaftliche Vergleiche mit Batteriefahrzeugen gesammelt. Darüber hinaus wird die soziale Akzeptanz erforscht und zudem logistische Barrieren für eine breite Markteinführung analysiert. Die Effizienz der Solarwasserstoff-Erzeugung soll durch Entwicklung einer Lösung zur Gleichstrom-Direktkopplung des Elektrolyseurs mit dem Photovoltaik-Generator sowie eine Optimierung der Betriebsstrategie des Gesamtsystems, um bis zu 15 % verbessert werden. Die Analyse der Systemtechnik des Gesamtsystems soll Potenziale zur Standardisierung und Kostensenkung aufzeigen. Mittelfristig ist die Anbindung der installierten Solarwasserstoff-Betankungsinfrastruktur an die im Aufbau befindliche, europäische Wasserstoffinfrastruktur geplant.

Die Fronius-Energiezelle, basierend auf einer Niedertemperatur PEM-Brennstoffzelle (Polymer-Membran-Zelle) wurde in den vergangenen Jahren als universell einsetzbarer Stromgenerator im Leistungsbereich von einem bis 5 Kilowatt bis zur Vorserienreife entwickelt. Mit diesem Vorserienprodukt plant Fronius nächstes Jahr die ersten Kundeninstallationen. Im Zuge des HyLOG-Projekts erfolgt die Weiterentwicklung in Richtung "Range-Extender-Antrieb". Ein Range-Extender-Antrieb ist ein hybrides Antriebskonzept bei dem die Brennstoffzelle den durchschnittlichen Leistungsbedarf deckt, während die Spitzenlasten über eine Pufferbatterie gedeckt werden und zudem Bremsenergie zurückgewonnen wird. Dadurch kann die Energiebereitstellung kostengünstiger und effizienter erfolgen. Ein erster Testbetrieb mit dem umgebauten Logistikzugfahrzeug ist für Ende 2007 geplant. An der Entwicklung des in der Fronius Energiezelle integrierten Elektrolyseteils wird aktuell gearbeitet.

Weitere Informationen zur Brennstoffzellen-Technik unter brennstoffzelle.html

Material und Bilder: Fronius International. Redaktion Solarserver: Rolf Hug.


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