Das Zukunftsbild der All Electric Society beschreibt eine Welt, in der regenerativ erzeugte elektrische Energie als primäre Energieform weltweit in ausreichendem Maße und bezahlbar zur Verfügung steht. Grundlage dafür ist die umfassende Elektrifizierung, Vernetzung und Automatisierung aller Sektoren von Wirtschaft und Infrastruktur. Aufgrund der unvermeidlichen Volatilität von Wind- und Sonnenenergie sind Energiespeicher essenziell für dieses Zukunftsbild. Das größte Potenzial steckt derzeit in Batterie-Energiespeichern sowie in der Erzeugung und Anwendung grünen Wasserstoffs.
Power-to-X als Energiespeichertechnologie
Die Speicherung von Energie in Form von Wasserstoff basiert auf dem Einsatz nicht unmittelbar verwendeter regenerativer Energie für die Elektrolyse. Dabei wird Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Zur Speicherung wird das Wasserstoffgas üblicherweise komprimiert. In dieser Form kann es dann in Tanks gelagert, transportiert und bei Bedarf wieder entnommen werden. Sobald wieder elektrische Energie benötigt wird, kann der Wasserstoff in Brennstoffzellen unter Verwendung von Umgebungsluft zu Wasser reagieren. Wir sprechen bei dieser Prozesskette von Power-to-X-Technologie. Der Begriff steht allgemein für die Umwandlung überschüssiger regenerativer Energie in andere Energieträger, meist Gase, Flüssigkeiten oder Wärme.
Batterie-Energiespeicher
Alternativ zu dem beschriebenen Power-to-X-Verfahren lässt sich elektrische Energie sehr effizient in Batterien speichern. Hierbei findet in einem galvanischen Element bei angelegter elektrischer Spannung eine chemische Umwandlungsreaktion statt. Schließt man die beiden Elektroden anschließend über einen elektrischen Verbraucher kurz, fließt Strom. Die chemische Reaktion findet in umgekehrter Richtung statt.
Kurz- und Langzeitspeicherung
Bei Batterien ist der chemische Reaktor gleichzeitig auch der Speicherbehälter. Darin unterscheiden sie sich maßgeblich vom Power-to-X-Prozess, bei dem diese beiden Eigenschaften getrennt sind. Sobald es also darum geht, große Energiemengen zu speichern, wird bei Batterien sehr viel Masse benötigt. Da es sich hierbei im Allgemeinen um kostbare Materialien handelt, steigt der Investitionsbedarf rasch an.
Soll diese Energie dann für längere Zeit, also Wochen oder Monate gespeichert werden, ist die Kapitalbindung sehr hoch. Im Vergleich dazu ist das Speichern von großen Mengen an Wasserstoff preisgünstiger. Darüber hinaus ist die volumetrische Energiedichte von komprimiertem Wasserstoff etwa viermal höher als die von zum Beispiel Lithium-Ionen-Batterien. Diese Unterschiede machen Power-to-X-Technologien attraktiv für die Langzeitspeicherung von Energie.
Die Umwandlungseffizienz entlang des Wasserstoffpfades ist jedoch geringer. Sowohl bei der Elektrolyse und noch mehr in der Brennstoffzelle entstehen größere Mengen an Abwärme. Deren Nutzung ist nicht immer möglich, was sich in Gesamtwirkungsgraden von weniger als 50 Prozent widerspiegelt. Anders bei Batterien – hier liegt der Gesamtwirkungsgrad bei deutlich über 90 Prozent. Vor diesem Hintergrund ist der Batterie-Energiespeicher besser geeignet für eine kurze Speicherdauer. Sobald es um Stunden oder wenige Tage geht, ist die Wirtschaftlichkeit hier wesentlich höher.
In der Kombination liegt die Stärke
Ein weiterer Unterschied zwischen dem Wasserstoffprozess und der Batterie besteht in der Trägheit. Batterien können große Energiemengen sehr schnell – oft innerhalb von Millisekunden - speichern und wieder bereitstellen. Bei Elektrolyseuren und Brennstoffzellen ist die dafür benötigte Leistung proportional zur Größe der chemischen Reaktoren. Hinzu kommt, dass beide Wasserstoffprozesse nur in einem kleinen Prozessfenster mit höchster Effizienz arbeiten. Somit sollten größere Schwankungen möglichst vermieden werden. An dieser Stelle kommt die Kombination der beiden Technologien zum Tragen. In hybriden Lösungen zur stationären oder quasistationären Elektrizitätserzeugung deckt zum Beispiel eine wasserstoffbetriebene Brennstoffzelle die Grundlast eines Verbrauchers ab, während die Batterie kurzfristige Lastschwankungen bedient.
Die Rolle von elektrischer Verbindungstechnik
Bei den Themen Effizienz und Zuverlässigkeit kommt der elektrischen Verbindungstechnik eine hohe Bedeutung zu. Für den Betrieb sowohl von Batterien als auch von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen werden Leistungs-, Signal- und Datenverbindungen benötigt. Es fließen hohe Ströme bei teilweise signifikanten Spannungen. Über analoge Signale werden Sensoren ausgelesen und Subsysteme gesteuert. Und schließlich arbeiten alle genannten Systeme auf Basis digitaler Signalverarbeitung und sind über digitale Kommunikation in die Infrastruktur eingebunden.
Beispielhafte Fehler in der Verbindungstechnik
Welche Relevanz diese unscheinbaren Komponenten besitzen, zeigen diese drei Beispiele für Fehlerzustände, beginnend mit der Leistungsverdrahtung. Für das Verdrahten von Systemen auf Leistungsebene wird in vielen Fällen eine klassische Schraubverbindung eingesetzt. Schraubverbindungen können sich unter ungünstigen Umständen lösen. Treten beim ersten Anschließen oder in der späteren Wartung Versäumnisse auf, führt dies zu erhöhten Übergangswiderständen. Diese drücken sich im besten Fall durch Wärmeverluste aus, im schlimmsten Fall jedoch durch starke Überhitzung, die sogar zum Brand und damit zur völligen Zerstörung des Systems führen kann.
Eine typische Signalverbindung ist der Anschluss eines Sensorkabels an eine Leiterplatte. Diese werden oft direkt gelötet, was in Verbindung mit freien Leitungsenden das Risiko sog. kalter Lötstellen birgt. Die Folge sind falsche Signalinformationen, also zum Beispiel zu geringe gemessene Temperaturen. Dieser wichtige Umgebungsparameter hat eine hohe Relevanz für die Steuerung der betrachteten Anlagen. Fehlmessungen können zu Leistungseinbußen bis hin zu Systemausfällen führen.
Datenverbindungen werden oft mittels Patch-Kabeln hergestellt, also steckbaren Leitungen. Achtet man hier nicht auf Qualität im Sinne von zum Beispiel engen Dimensionstoleranzen und hochwertigen Kontaktoberflächen, kann es zu Fehlern bei der Datenübertragung kommen. Systemstörungen sind die Folge, im schlechtesten Fall sogar Schäden an der Hardware.
Tipps zur Auswahl der Verbindungstechnik
Wie lassen sich die beschriebenen Fehler, die immer zu finanziellen Einbußen für den Anlagenbetreiber führen, vermeiden? Bei Leistungsverbindungen sollten überall dort, wo keine definierten Installationsbedingungen sichergestellt werden können, Steckverbindungen eingesetzt werden. Dies gilt für Leistungsverbindungen, die bei der Installation und zur Wartung hergestellt werden müssen.
Bei Anschlüssen von freien Leitungsenden auf Leiterplatten bieten sich innovative Anschlusstechniken anstelle des Lötens an. Schneidklemmverbindungen etwa erfordern keine Vorbehandlung des Leiterendes und bieten - ebenso wie Federanschlusstechniken - hohen Komfort und Zuverlässigkeit.
Bei Datenanschlüssen definieren die Umgebungsbedingungen die Anforderungen. So sollten bei hohen Verschmutzungsgraden oder feuchter Umgebung IP-geschützte Datenstecker eingesetzt werden. Bei rauen mechanischen Anforderungen sollten Datenverbindungen in Industriequalität verwendet werden.
Automatisierung in Energiespeicherlösungen
Sowohl batterie- als auch wasserstoffbasierte Energiespeicherlösungen sind komplexe Systeme, für die neben Betriebsanforderungen auch Anforderungen hinsichtlich der funktionalen Sicherheit, der IT-Sicherheit und gegebenenfalls auch des Explosionsschutzes berücksichtigt werden müssen. Je nach Anwendungsszenario ergeben sich hier die unterschiedlichsten Anforderungskombinationen.
Die grundsätzliche Aufgabe des Automatisierungssystems besteht in der optimalen Ausregelung aller Untersysteme des Energiespeichersystems. „Optimal“ ist abhängig von den Zielsetzungen des Anlagenbetreibers. Kriterien sind je nach Anwendermotivation zum Beispiel minimale Betriebskosten bezogen auf die gespeicherte Energie, eine optimale Lebensdauer oder maximale Verfügbarkeit (etwa beim Einsatz als Notstromversorgung). Weiterhin sind Nebenbedingungen wie die Einhaltung der Netzanschlussbedingungen bei netzgekoppelten Anlagen zu berücksichtigen.
Aufgrund der Vielzahl der einzubindenden Untersysteme müssen verschiedenste Schnittstellen unterstützt werden. Dabei ist es im Anlagendesign vorteilhaft, wenn die Anlage im Vorfeld simuliert werden kann. Eine modulare, skalierbare Automatisierungsplattform mit den relevanten Zertifizierungen und einem flexiblen Engineering reduziert Entwicklungszeiten und -kosten für Energiespeicheranwendungen. Im besten Fall unterstützt der Automatisierungslieferant den Anwender mit Dienstleistungen zum Beispiel hinsichtlich der Safety-Konzepterstellung, IT-Sicherheitsbetrachtung und Programmierung.
Fazit
Bei der Herstellung grünen Wasserstoffs sowie bei dessen Verwendung in Brennstoffzellen zur Bereitstellung elektrischer Energie ist eine Kombination der Wasserstoffprozesstechnik mit Batterieenergiespeichern besonders effizient.
Für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb werden Leistungs-, Signal- und Datenverbindungen in großem Umfang benötigt. Daher lohnt es sich, bei der Verbindungstechnik auf hochwertige Komponenten und die Expertise kompetenter Hersteller zu setzen. Eine offene, modulare Automatisierungsplattform reduziert die Engineeringaufwände und unterstützt den Anwender bei der Umsetzung aktueller Anforderungen im Bereich der Funktionalen Sicherheit und Cybersecurity.
