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