Obwohl das Prinzip der Brennstoffzelle schon seit mehr als einhundert Jahren bekannt ist, rückt diese Technologie in den letzten Jahren in den Fokus. Klassische Brennstoffzellen wandeln die in Wasserstoff und Sauerstoff gespeicherte chemische Energie über eine elektrochemische Reaktion in elektrischen Strom, Wärme und Wasser. Im Vergleich zu Generatoren, die durch Wärmekraftmaschinen angetrieben werden, entstehen keine lokalen Schadstoff- und praktisch keine Lärmemissionen.
Werden Brennstoffzellen mit grünem Wasserstoff betrieben, der aus erneuerbaren Energien erzeugt wurde, erweist sich die Stromgenerierung über den gesamten Zyklus als CO2-frei. Alternativ arbeiten bestimmte Brennstoffzellen-Technologien ebenfalls mit Methanol oder Ammoniak. In diesen Fällen wird aus den alternativen Brennstoffen mittels eines vorgelagerten Reformierungsprozesses Wasserstoff gewonnen und dieser anschließend dem eigentlichen Brennstoffzellenprozess zugeführt. Wurden die alternativen Kraftstoffe zuvor aus grünem Wasserstoff und direkt aus der Umgebungsluft gewonnenem CO2 respektive Stickstoff hergestellt, ist der komplette Wandlungszyklus auch in diesem Fall CO2-neutral. Aus der deutlich höheren volumetrischen Energie von eMethan, eMethanol und eAmmoniak gegenüber reinem Wasserstoff ergeben sich zukünftig interessante Nutzungsszenarien für die Brennstoffzellentechnik im Bereich der Luft- und Hochseeschifffahrt.
Zusammenspiel der Komponenten
Für den effizienten und sicheren Betrieb von Brennstoffzellensystemen ist das optimale Zusammenspiel der einzelnen Funktionseinheiten notwendig. Neben dem Kern, dem Brennstoffzellen-Stack, definiert die Norm IEC 62282-3-100 hier als typische Einheiten die Medienaufbereitung, das Temperatur- und Wassermanagement, die interne Energieversorgung – wie die Leistungselektronik zur Anpassung der produzierten elektrischen Leistung an die nachgelagerten Verbraucher – bis zur Sicherheits- und Automatisierungstechnik. Ausgangspunkt für das Zusammenwirken der oben genannten Funktionen ist ihre datentechnische und energetische Verknüpfung sowie die Ankopplung aller relevanten Sensoren – zum Beispiel für Druck, Durchfluss und Temperatur – sowie Aktoren wie Pumpen, Gebläse, Ventile und andere Komponenten. Führende Brennstoffzellenhersteller vertrauen in diesem Zusammenhang auf die Verbindungstechniklösungen von Phoenix Contact im Bereich der robusten Steckverbinder sowie der Daten- und Leistungskabel. Zur Erfassung der Sensorik und Aktorik kann diese entweder dezentral an I/O-Boxen der Produktfamilie Axioline E angebunden werden. Ansonsten lassen sich die Geräte im Schaltschrank über die hutschienenmontierbare Remote-I/O-Familie Axioline F integrieren.
Stellt der Brennstoffzellen-Stack das Herz des Brennstoffzellensystems dar, so bildet das Automatisierungssystem das Gehirn. Die modulare und offene Automatisierungsplattform PLCnext Technology von Phoenix Contact bietet Systemherstellern den Vorteil, dass sie das Automatisierungssystem optimal auf die I/O-Architektur und die Funktionsanforderungen ihres Brennstoffzellensystems adaptieren können. Als interessanter Aspekt zeigt sich die Flexibilität hinsichtlich der Applikationsentwicklung, die abgesehen von den Standardsprachen der IEC 61131 ebenso in Hochsprache oder modellbasiert in Matlab/Simulink erfolgen kann. Dies reduziert die Entwicklungszeit, weil sich die zunächst in einer Simulationsumgebung entwickelten Funktionen direkt auf der Steuerung einsetzen lassen.
Funktionale Sicherheit
Da als primärer Energieträger in Brennstoffzellen Wasserstoff verwendet wird, spielt das Thema der funktionalen Sicherheit eine besondere Rolle. Grundlegende Anforderungen an die Sicherheit von stationären Brennstoffzellensystemen stellt die Norm IEC 62282-3-100. In einfachen Systemen lassen sich diese durch Nutzung von Sicherheitsrelais – beispielsweise aus der Produktfamilie PSRmodular – oder sicherheitszertifizierten Trennverstärkern der Baureihe MACX MCR realisieren. Komplexere Sicherheitsanwendungen werden mit den linksanreihbaren Sicherheitssteuerungen der Produktfamilie PLCnext Control umgesetzt. Auf diese Weise sind anspruchsvollere Applikationen – etwa die Überwachung analoger Prozessgrößen wie Druck oder Temperatur auf kritische zeitliche Gradienten – möglich.
Bei der Auswahl des für die jeweilige Anwendung am besten geeigneten Sicherheitskonzepts kann der Kunde auf die jahrelange Erfahrung der Safety-Experten zurückgreifen. Das Team unterstützt schon in der Entwicklungsphase bei der Risikoanalyse und Definition des optimalen Safety-Konzepts. Im Bedarfsfall programmieren die Spezialisten ebenfalls die sicherheitsrelevanten Teile der Anwendungssoftware als Dienstleistung.
Sicherer IT-Fernzugriff
Häufig werden stationäre Brennstoffzellen als dezentrale Energieerzeuger eingesetzt, zum Beispiel als Notstromaggregate oder Netzersatzanlagen. Daraus ergibt sich der Bedarf bezüglich ihrer Remote-Anbindung zu Überwachungs- und Fernwartungszwecken, um die Verfügbarkeit der Anwendungen jederzeit sicherzustellen. Dabei kommt dem Thema IT-Sicherheit eine große Bedeutung zu, besonders wenn Brennstoffzellen als Backup in kritischen Infrastrukturen Anwendung finden. Bei der Lösung von Phoenix Contact erweist es sich als Vorteil, dass die Steuerungsfamilie PLCnext Control bereits nach den Sicherheitsanforderungen der IEC 62443 entwickelt und zertifiziert worden ist. Darüber hinaus bietet Phoenix Contact mit seinem Portfolio der Security-Router FL mGuard und der mGuard Secure Cloud Lösungen für den IT-sicheren Fernzugriff auf kritische Anwendungen.
Schritt zur „All Electric Society“
Die Elektrolyse zur Generierung von grünem Wasserstoff aus erneuerbaren Energien und die Brennstoffzellentechnik zur Rückverstromung des Wasserstoffs bilden das Fundament der „All Electric Society“. Sie ermöglichen den saisonalen und regionalen Ausgleich der Schwankungen in der Erzeugung und im Verbrauch, die bei der Nutzung von Solar- und Windenergie naturgemäß auftreten. Weiterhin ist die Brennstoffzelle ein Schlüsselelement der Sektorenkopplung. Sie verbindet den Sektor der regenerativen Energiegewinnung mit dem Gebäudesektor, wenn zum Beispiel stationäre Brennstoffzellensysteme die in Wasserstoff gespeicherte Energie wieder in Strom und Wärme umwandeln, um damit ein Rechenzentrum oder Bürogebäude zu versorgen.
Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg
Halle 9, Stand 310
Autor: Thomas Oesselke
Business Development Manager Power-to-X,
Phoenix Contact Electronics
