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Wissenschaft und Technologie Energiespeicher Energiespeicher
Wissenschaft und Technologie
Mobile Energiespeicher: Liegt die
Zukunft in Brennstoffzellen?
Wie im zivilen Leben steigt auch im militärischen Einsatz der Energiebedarf kontinuierlich
an. Damit dieser Bedarf fernab fester Infrastruktur gedeckt ist, braucht es Energiespeicher.
In Frage kommen entweder Stromgeneratoren, kontinuierlicher Nachschub an Batterien
oder aber – neuerdings – intelligente hybride Versorgungssysteme, die verschiedene mobile
Quellen kombinieren und gleichzeitig eine hohe Autonomie garantieren. Der Fachbereich
Testcenter des Kompetenzbereichs Wissenschaft und Technologie (W+T) unterhält ein
eigenes Batterielabor, das sicherstellt, dass die mobilen Energiespeicher den Anforderungen
im Einsatz genügen.
Ronny Lorenzo, Markus Tanner
Speicher elektrischer Energie – seien es
Batterien, Akkumulatoren oder Brennstoffzellen
– müssen für ein breites Spektrum
von Umweltbedingungen und Leistungsprofilen
ausgelegt sein. In den
meisten Fällen sollen sie in Geräten zum
Einsatz gelangen, die sowohl zuhause als
auch unterwegs genutzt werden können.
Überdies sollen sie in der Lage sein, sowohl
konstant Leistung abzugeben als
auch Spitzen abzudecken. So hätte etwa
ein Elektromobil, das zwar auf der Autobahn
funktioniert, dem stop-and-go Betrieb
im Stossverkehr aber nicht gewachsen
ist, kaum Chancen auf dem Markt.
Genauso undenkbar ist ein mobiles Telefon,
das zwar im Sommer am See funktioniert,
nicht aber beim Après-Ski vor der
Berghütte (und überdies kann der Akku
nicht bei allen Modellen ohne Weiteres
gewechselt werden).
Was für zivile Anwendungen gilt, hat
im militärischen Bereich natürlich erst
recht seine Gültigkeit: So müssen in der
Schweizer Armee verwendete mobile
Energiespeicher in einem Temperaturbereich
von -20°C (Gebirgsschiessplatz
im Winter) bis +50°C (ein Platz an der
Sonne im Sommer) nachweislich noch
funktionieren. Zusätzliche Probleme ergeben
sich bei längeren Einsätzen: Funkrelais
(z.B.) werden in der Regel über ei-
Prinzipskizze des tragbaren intelligenten Brennstoffzellen-Systems.
nen längeren Zeitraum betrieben. Bedingt
durch die Aufgabe, grössere Distanzen
zu überbrücken, resp. zwei Geländekammern
miteinander zu verbinden, sind die
Standorte meist abgelegen und kaum je
mit einer Steckdose in der Nähe versehen.
Bis anhin griff die Schweizer Armee
in diesen Situationen jeweils auf Stromgeneratoren
zurück. Generatoren sind allerdings
sperrig und benötigen einiges an
Treibstoff – was nicht zuletzt auch in ökologischer
Hinsicht ein Problem darstellt.
Zusätzliche Probleme ergeben sich bei
Einsätzen des Armee Aufklärungsdetachements
10 (AAD 10) oder der Fernspäher.
Sie müssen mit diversen technischen
Hilfsmitteln in der Lage sein, mehrtägige
Einsätze autonom zu bestreiten – das Mittragen
eines Aggregates schliesst sich
hier von selbst aus.
Intelligenter tragbarer Energiespeicher.
1: Brennstoffzelle; 2: Methanoltank; 3: Steuergerät; 4: künstliche Verbraucher; 5: Puffer (Akkumulator).
Aktuelle Ansätze
Herkömmliche Akkumulatoren und Batterien
eignen sich wegen ihres Gewichtes
nicht dafür, längere Einsätze zu bewältigen.
Entweder sind sie klein und die
gespeicherte Energie reicht nicht für den
ganzen Einsatz, oder sie genügen der
Einsatzlänge, sind dafür aber entsprechend
grösser und somit zu schwer. Dazu
kommt, dass sich die Lebensdauer der
Akkus und Batterien bei tiefen Temperaturen
drastisch verkürzen kann.
Mit den massiven Fortschritten, die in den
letzten Jahren im Bereich der Brennstoffzellen
(BSZ) erzielt wurden, rückt eine
neue Lösung in greifbare Nähe. Doch
auch BSZ können die ihnen gestellten
Aufgaben oft nicht autonom bewältigen.
Da beim Betrieb der Zellen Wasser entsteht,
können bei Temperaturen unter dem
Gefrierpunkt Probleme mit gefrierenden
Leitungen auftreten oder die BSZ sind
schlicht zu kalt, um eine Reaktion in Gang
zu bringen. Des Weiteren benötigen die
BSZ nach dem Einschalten eine kurze
Anlaufzeit. Damit sie zur Selbsterhaltung
bei tiefen Temperaturen oder Intervallbelastungen
nicht permanent in Betrieb bleiben
müssen, wird zwischen BSZ und Verbraucher
in der Regel ein Puffer (Akku)
geschaltet.
Vertrauen ist gut, Kontrolle besser
Zurzeit hat die Schweizer Armee zwei
Systeme im Test, die als Lösungen für
die erwähnten Einsatzarten in Frage kommen.
Für den Einsatz in Funkfahrzeugen
wird ein spezialisiertes System aus BSZ
auf Methanolbasis und integriertem Zwischenspeicher
im Labor auf Herz und Nieren
getestet. Diese Variante ist in erster
Linie für den Einbau in Fahrzeuge vorgesehen,
kann zusammen mit dem Funk aber
auch ausgebaut und abgesetzt betrieben
werden. Für den hochmobilen, tragbaren
Einsatz ist zeitgleich ein System aus einer
kleinen Methanol-Brennstoffzelle mit
zugehörigem Steuergerät auf dem Prüfstand.
Bei dieser Variante werden neben
der BSZ und (mindestens) einem separaten
Pufferspeicher auch sämtliche Verbraucher
am Steuergerät angeschlossen.
Gehen die Energievorräte zur Neige,
schaltet das Steuergerät die Verbraucher
gemäss der vom Nutzer festgelegten Prioritätenliste
ab, damit es die zwingend benötigten
Geräte so lange wie möglich mit
Strom versorgen kann.
Der Fachbereich Testcenter von W+T betreibt
für das Erproben von Akkumulatoren,
Batterien und Brennstoffzellen ein
Batterielabor, das sich auf dem neusten
Stand der Technik befindet. Neben den
beiden derzeit getesteten Komplettsystemen
auf Brennstoffzellenbasis kommen
auch sämtliche für die Schweizer Armee
vorgesehenen Akkumulatoren zur Zertifizierung
in dieses Labor. Bis eine Beschaffungsfreigabe
erfolgt, müssen die
Prüflinge eine Reihe von Belastungstests
nach vorgegebenen Lade- / Entladezyklen
bei verschiedenen Temperaturen zwischen
-20°C bis +50°C bestehen. Nur so
kann sichergestellt werden, dass die mobilen
Energiespeicher die Anforderungen
im Einsatz bestehen können.
Die wichtigsten Typen von
Brennstoffzellen
• DMFC
(Direktmethanol-Brennstoffzelle):
- Elektrolyt: Polymermembran
- Anodengas: Methanol
- Kathodengas: O2
(Luftsauerstoff)
- Bemerkung: Für die Zukunft
sehr vielversprechend, da die
Wasserstofferzeugung
wegfällt. Der Umgang mit
Methanol ist recht einfach und
wenig gefährlich.
• AFC (Alkalische Brennstoffzelle):
- Elektrolyt: Kalilauge
- Anodengas: Reinster
Wasserstoff
- Kathodengas:O2
(reines Sauerstoffgas)
- Bemerkung: Reinstes Gas ist
unabdingbar, damit die Zelle
keinen Schaden nimmt. Der
Umgang mit Wasserstoffgas
ist nicht ungefährlich
(Explosionsgefahr).
• PEMFC (Polymerelektrolyt-
Brennstoffzelle:
- Elektrolyt: Polymermembran
- Anodengas: Wasserstoff
- Kathodengas: O2
(Luftsauerstoff)
- Bemerkung: CO-freies Gas ist
unabdingbar, damit die Zelle
keinen Schaden nimmt. Der
Umgang mit Wasserstoffgas
ist nicht ungefährlich
(Explosionsgefahr).
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