USV-Systeme mit Brennstoffzellentechnik

In den modernen Wirtschaftssystemen nimmt die Bedeutung von elektronischen Gerätschaften, Computern und Steuerungen für den Informationsaustausch, in der Produktion, bei der Kommunikation und für die Sicherheit im Allgemeinen, stetig zu. Eine umweltfreundliche Notstromerzeugung lässt sich mit USV-Systemen mit Brennstoffzellentechnik verwirklichen. Der Integration von Brennstoffzellenmodulen in USV-Systeme gehört die Zukunft.
Die Gefahr langfristiger Stromunterbrechungen durch Naturereignisse wie Feuer, Eis und Sturm, durch fehlerhafte Schaltvorgänge, durch Kurzschlüsse und durch Einwirkung seitens Dritter wächst zunehmend. Wie ausgerechnet in der Neujahrsnacht in Berlin, wo die S-Bahn wegen eines Stromausfalls in einem Stellwerk (Auslöser könnte ein Böller gewesen sein) zwischen ein und drei Uhr nachts still stand. Die umweltfreundliche Notstromerzeugung wird in Zukunft stärker in den Vordergrund rücken, wenn Industrieanlagen, Medizingerätschaften, DV- und Kommunikationssysteme, Überwachungseinrichtungen, Not- und Sicherheitssysteme dem Gesellschaftsraum nahe kommen. Durch die Komplexität der Anwendungen ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) mit langen Überbrückungszeiten wichtig, denn:
– Für lebenserhaltende, medizinische Apparate macht eine Abschaltzeit keinen Sinn.
– Im Rechenzentrum werden Shutdown-Strategien durch variierende Anwendungen und unterschiedliche Abhängigkeiten untereinander praktisch unmöglich; typischerweise können als sogenannte Co-Locations betriebene Rechenzentren nicht heruntergefahren werden.
– Beim Stillstand von Schaltanlagen fallen sämtliche Betriebseinrichtungen aus.
– Telekommunikationseinrichtungen wollen Teilnehmern keine Datenverluste zumuten.
– Produktionsanlagen wie z.B. große Druckwalzen, die beständig in Bewegung bleiben müssen, damit keine irreparablen Deformierungen oder andere Schädigungen eintreten.

Als Standardlösungen für die Energiebereitstellung bei USV-Systemen wurden bislang große stationäre Batteriesysteme und Dieselgeneratoren eingesetzt. Diese beiden Technologien haben sich über den Einsatz in Fahrzeugen und als Energiespeicher bei fehlendem Zugang zum Stromnetz zu wichtigen Bausteinen bei der Absicherung der Stromversorgung weiterentwickelt. Die erreichte Marktakzeptanz von Brennstoffzellen im mobilen und maritimen Einsatz führt als logische Konsequenz dazu, dass die Brennstoffzelle (BZ) ihre ökologischen Vorteile nun auch bei der unterbrechungsfreien Stromversorgung ausspielen kann.

Systemaufbau

Grundlegende Elemente bei einem BZ-USV-System sind die Wasserstoffanlage, die externe Kühleinrichtung für die Abwärme der Brennstoffzelle, die Brennstoffzelle mit Steuerung und den Betriebsaggregaten, ein DC/DC-Wandler für die BZ-Anbindung an den USV-Zwischenkreis und das USV-System selbst. Alle Elemente des PM Cube S AC von SPower, die unmittelbar mit der sicheren Stromversorgung zu tun haben, sind kompakt in einem Standard-19″-Schrank eingebaut (siehe Bild Seite 40). Ausgenommen die externe Handumgehung, deren Sinn ja gerade in einer lokalen Abtrennung liegt, die eigenständig im Raum angebracht oder aufgestellt wird. Somit wird, selbst bei vergleichsweise geringen Abmessungen, ein modularer Aufbau in einem Schrank erreicht, der Service, Erweiterung oder Umbau einfach möglich macht. Beim Wasserstoffkreislauf in Rot wird das Gas nach dem Druckbehälter durch einen Druckminderer entspannt und zur Brennstoffzelle geleitet. Über das Schrankanschlusssystem des PM Cube S AC führt ein modulares Verteilsystem im Schrank zum BZ-Modul. Das Kühlmittel wird vom externen Wärmetauscher zum Brennstoffzellenmodul geleitet, nimmt dort vom integrierten Primärkühlkreislauf die Abwärme auf und wird zurückgepumpt. Der Wärmekreislauf für die Brennstoffzelle kann an ein vorhandenes Klimatisierungssystem oder eine Frischwasserkühlung angebunden werden. Für die Sauerstoffversorgung der Brennstoffzelle wird die Raumluft genutzt. Ebenso grün dargestellt ist die Ableitung der Reaktionsluft und des Reaktionswassers eingezeichnet. Das Wasser wird in einem Kondensat-Auffangbehälter gesammelt. Über das Brennstoffzellenmodul kann die Entleerung des Behälters, z.B. mittels einer Pumpe, gesteuert werden.

Funktionsweise

Der Netzeingang wird über die externe Handumgehung geführt, damit der gesamte 19″-Schrank für Wartungsarbeiten freigeschaltet werden kann. Deshalb wird auch die saubere Laststromversorgung vom Cube wieder zurück zum Handumgehungsmodul geleitet. Bei der BZ-USV-Lösung wird im Normalbetrieb die Eingangswechselspannung durch den Gleichrichter in eine Gleichspannung gewandelt. Diese Gleichspannung versorgt den Wechselrichter, der über den USV-Ausgang eine saubere Wechselspannung, frei von Störungen im Eingangsnetz, an die angeschlossenen Verbraucher liefern kann. Im Falle einer Störung oder Unterbrechung der Netzversorgung wird der Wechselrichter unterbrechungsfrei über die angeschlossene Batterie und das Brennstoffzellenmodul weiter versorgt. Dabei wird die Batterieentladung und Wiederaufladung von der Brennstoffzelle aus gesteuert. Der State of charge (SOC) der Batterie regelt spannungsabhängig den Betrieb der Brennstoffzelle. Die Gleichspannung von der Brennstoffzelle muss für das vom Wechselrichter benötigte DC-Spannungsniveau noch über einen DC/DC-Wandler angehoben werden. Der DC/DC-Wandler besitzt einen zweiten DC-Ausgang, mit der 24VDC-Steuerspannung für die Brennstoffzelle. Nach Störungsende übernimmt der Gleichrichter wieder die Wechselrichterversorgung und lädt die Batterie nach. Betriebsszenarien, bei denen der Brennstoffzellenbetrieb im BZ-USV-System zur Kostensenkung für Spitzenlastzeiten genutzt wird, sind möglich. Bei der 19″-BZ-USV können entweder unabhängig voneinander laufende Einzelsysteme betrachtet werden, oder auch ein Parallelsystem für Redundanzbetrieb. Im Bild auf Seite 40 bedienen zwei parallel laufende USV-Geräte, denen jeweils ein Brennstoffzellenmodul, ein DC-DC-Wandler und ein Batteriepack im Schrank zugeordnet sind, die angeschlossenen Verbraucher gemeinsam. Damit werden Lasten bis 6kVA unterbrechungsfrei mit einer 1+1-Redundanz versorgt.

Ausbau bei höherem Leistungsbedarf

Entscheidend für das Zusammenspiel von USV-System und BZ-Modulen ist die Einbindung in den USV-Zwischenkreis. Die modular aufgebauten Schränke können so umgerüstet werden, dass bis zu vier BZ-Module im 19″-Schrank integriert sind und die USV-Systeme separat aufgestellt werden. Selbstverständlich muss die Steuerung der Geräte harmonieren. Mit den 20kW Leistung von vier BZ-
Modulen in einem Schrank ließe sich eine externe modulare USV versorgen. Die USV der Serie M von SPower integriert Batterie- und Leistungsmodule in einem Gehäuse, sodass auf kompakte Art und Weise Redundanzkonzepte realisiert werden können. Wirtschaftlich vorteilhaft ist eine Redundanzlösung von 3+1-BZ-Modulen im 19″-Schrank mit einer externen USV und 1+1-Redundanz bei USV- und Batteriemodulen in einem Gehäuse für eine Ausgangsleistung bis 18,5 kVA (entspricht 15kW bei Powerfaktor 0,8). Für größere Leistungen können die BZ-Schränke und USV-Systeme parallel betrieben werden.

Fazit

Mit Standardkomponenten, die bereits seit einiger Zeit ihre Alltagstauglichkeit beweisen, lassen sich durch die Verbindung des Ingenieur-Know-hows der USV-Branche mit der Brennstoffzellentechnik fortschrittliche USV-Systeme entwickeln. Gerade hinsichtlich Umweltfreundlichkeit, Aufstellmöglichkeiten, Betriebsflexibilität und Verfügbarkeit bedeutet die Integration von Brennstoffzellenmodulen einen Schritt in die USV-Zukunft. Bereits in der Entwicklung befinden sich 50kW-Module für USV-Systeme mit 200, 300 oder 500kW Ausgangsleistung. Mit solchen Systemen können beim Spitzenlastmanagement wirtschaftliche Vorteile erzielt werden, die den Markterfolg der Brennstoffzellentechnik beschleunigen werden.