- Was sind Brennstoffzellen Notstromversorgungssysteme?
- Komponenten von Wasserstoffgeneratoren
- Anwendungsfälle
- Stack-Technologie
- Vergleich mit einem reinen Batterie-Stromversorgungssystem
- Grundsätze der Gestaltung
- Wasserstoffverbrauch pro KW
- Wasserstoffspeicherung
- Leistungskriterien
- Sehen Sie das Lehrvideo über die Notstromversorgung mit Brennstoffzellen
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Was sind Brennstoffzellen Notstromversorgungssysteme?
Die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Notstromversorgung ist die moderne Art, eine unterbrechungsfreie und dezentrale Stromversorgung zu gewährleisten. Eine stationäre Brennstoffzelle, auch als Wasserstoffgenerator bezeichnet, wird zur Stromerzeugung bei Stromausfällen oder in anderen Notsituationen eingesetzt. Diese Brennstoffzellen-Backup-Stromversorgungssysteme sind so konzipiert, dass sie eine zuverlässige und effiziente Stromquelle für kritische Verbraucher wie Krankenhäuser, Rechenzentren und andere kritische Infrastrukturen darstellen.
Komponenten von Wasserstoffgeneratoren
Zu den Hauptkomponenten eines Wasserstoff-Backup-Stromversorgungssystems gehören ein Brennstoffzellenstapel, ein Wasserstoffspeichersystem, eine Stromaufbereitungseinheit und ein Steuerungssystem. Der Brennstoffzellenstapel ist die Kernkomponente des Systems und für die Stromerzeugung durch die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff verantwortlich. Das Wasserstoffspeichersystem speichert und versorgt den Brennstoffzellenstapel mit Wasserstoff, während die Stromaufbereitungseinheit den Gleichstrom (DC) des Brennstoffzellenstapels in Wechselstrom (AC) für die Nutzung durch die Verbraucher umwandelt. Das Kontrollsystem steuert den Betrieb des Systems und gewährleistet, dass es sicher und effizient arbeitet.
Diese Komponenten und Systeme werden an die jeweilige Anwendung angepasst, z. B. an ein Brennstoffzellen-Heimaggregat für den Hausgebrauch, ein kommerzielles Wasserstoff-Brennstoffzellenaggregat oder sogar ein tragbares Brennstoffzellenaggregat.
Beispiel – Brennstoffzellen Notstromversorgungssysteme
Anwendungsfälle
Brennstoffzellen Notstromversorgungssysteme werden in der Regel dort eingesetzt, wo bei Stromausfällen oder in anderen Notsituationen eine zuverlässige und effiziente Stromquelle benötigt wird. Diese Systeme werden häufig als Notstromversorgung für kritische Verbraucher wie Krankenhäuser, Rechenzentren und andere kritische Infrastrukturen eingesetzt. Ein Wasserstoff-Brennstoffzellengenerator kann auch an abgelegenen Orten eingesetzt werden, wo der Zugang zum Stromnetz begrenzt oder nicht verfügbar ist, oder in Anwendungen, bei denen die Verwendung fossiler Brennstoffe nicht sinnvoll oder wünschenswert ist.
Stack-Technologie
Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellentechnologien, die für Notstromanwendungen eingesetzt werden können, darunter Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC), Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) und phosphorsaure Brennstoffzellen (PAFC). PEMFCs sind die am häufigsten verwendete Brennstoffzellentechnologie für Wasserstoff-Backup-Stromversorgungssysteme aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads, ihrer schnellen Startzeiten und ihrer Fähigkeit, in einem breiten Temperaturbereich zu arbeiten. SOFCs und PAFCs werden auch in einigen Notstromanwendungen eingesetzt, sind aber im Vergleich zu PEMFCs weniger effizient und haben längere Anlaufzeiten.
Vergleich mit einem reinen Batterie-Stromversorgungssystem
Beim Vergleich eines Brennstoffzellengenerators mit einem reinen Batterie-Stromversorgungssystem gibt es mehrere Vor- und Nachteile zu berücksichtigen. Bei solchen Vergleichen muss berücksichtigt werden, dass häufig eine Batterie zusammen mit dem Brennstoffzellenstapel verwendet wird, um zusätzliche Energie zu speichern und Schwankungen in der Leistung des Brennstoffzellenstapels auszugleichen.
Vorteile von Brennstoffzellen-Backup-Stromversorgungssystemen
- Höhere Energiedichte: Brennstoffzellen haben eine höhere Energiedichte als Batterien, was bedeutet, dass sie mehr Energie pro Gewichts- und Volumeneinheit speichern und erzeugen können. Dies kann bei Anwendungen von Vorteil sein, bei denen der Platz begrenzt ist oder eine hohe Energiedichte erforderlich ist.
- Längere Lebensdauer: Brennstoffzellen haben eine längere Lebensdauer als Batterien, in der Regel 20 Jahre und mehr. Dies kann langfristig zu niedrigeren Betriebskosten führen.
- Schnelle Reaktionszeiten: Ein Brennstoffzellen-Stromerzeuger hat eine schnelle Reaktionszeit und kann in wenigen Sekunden die volle Leistung erreichen. Dies kann in Notsituationen von Vorteil sein, wenn eine schnelle Reaktion erforderlich ist.
- Hoher Wirkungsgrad: Brennstoffzellensysteme können einen hohen Wirkungsgrad haben, da sie einen großen Teil der chemischen Energie des Wasserstoffs in elektrische Energie umwandeln können. Dies kann zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch und niedrigeren Betriebskosten führen.
Nachteile von Brennstoffzellen Notstromversorgungssystemen
- Höhere Anfangskosten: Brennstoffzellen Notstromversorgungssysteme sind in der Regel in der Anschaffung und Installation teurer als Batteriesysteme.
- Erfordert Wasserstoff als Brennstoff: Ein Brennstoffzellen-Backup-Stromversorgungssystem erfordert einen Vorrat an Wasserstoff, dessen Lagerung und Transport in einigen Fällen schwierig sein kann.
- Erfordert Wartung: Brennstoffzellen-Backup-Stromversorgungssysteme müssen regelmäßig gewartet werden, um ihre Zuverlässigkeit und Effizienz zu gewährleisten. Dies kann dazu führen, dass bestimmte Komponenten im Laufe der Zeit ausgetauscht werden müssen, was die Betriebskosten des Systems in die Höhe treiben kann.
Vorteile von Batterie-Backup-Stromversorgungssystemen
- Niedrigere Anfangskosten: Batteriegestützte Stromversorgungssysteme sind in der Regel in der Anschaffung und Installation kostengünstiger als Brennstoffzellensysteme.
- Geringe Anforderungen: Batteriegestützte Stromversorgungssysteme benötigen keine separate Brennstoffquelle, was bei einigen Anwendungen von Vorteil sein kann.
- Geringer Wartungsaufwand: Batteriegestützte Stromversorgungssysteme erfordern nur minimale Wartung und haben in der Regel niedrige Betriebskosten.
- Gute Energiedichte: Batteriesysteme haben im Vergleich zu anderen Energiespeichern eine relativ hohe Energiedichte, wenn auch nicht so hoch wie stationäre Brennstoffzellen.
Nachteile von Batterie-Backup-Stromversorgungssystemen
- Kürzere Lebensdauer: Batterien haben eine kürzere Lebensdauer als Brennstoffzellen, die in der Regel 5-10 Jahre beträgt. Dies kann auf lange Sicht zu höheren Betriebskosten führen.
- Längere Reaktionszeiten: Batteriegestützte Stromversorgungssysteme haben in der Regel längere Reaktionszeiten und brauchen unter Umständen länger, um nach dem Abschalten wieder die volle Leistung zu erreichen. Dies kann in Notsituationen, in denen eine schnelle Reaktion erforderlich ist, ein Nachteil sein.
- Geringerer Wirkungsgrad: Batteriesysteme haben im Vergleich zu Brennstoffzellensystemen in der Regel einen geringeren Wirkungsgrad, da weniger der gespeicherten Energie in Strom umgewandelt wird. Dies kann zu größeren Energieverlusten und höheren Betriebskosten führen.
Brennstoffzellen Notstromversorgungssysteme bieten mehrere Vorteile gegenüber rein batterieelektrischen Systemen, darunter eine höhere Energiedichte, eine längere Lebensdauer, schnelle Reaktionszeiten und eine hohe Effizienz. Allerdings sind sie in der Regel teurer in der Anschaffung und im Unterhalt und benötigen einen Vorrat an Wasserstofftreibstoff. Batteriegestützte Stromversorgungssysteme hingegen sind in der Regel kostengünstiger und erfordern nur minimale Wartung, haben aber eine kürzere Lebensdauer, längere Reaktionszeiten und einen geringeren Wirkungsgrad. Die Wahl zwischen einem Brennstoffzellensystem und einem Batteriesystem hängt von den spezifischen Anforderungen und Beschränkungen der Anwendung ab.
Grundsätze der Gestaltung
Es gibt einige grundlegende Konstruktionsprinzipien, die ein effektives Notstromsystem erfüllen muss, um einen zuverlässigen und effizienten Betrieb zu gewährleisten. Dazu gehören die folgenden:
- Dimensionierung: Das Notstromsystem sollte so dimensioniert sein, dass es den Energie- und Leistungsbedarf der Verbraucher für die erforderliche Dauer der Notstromversorgung deckt. Das System sollte außerdem so ausgelegt sein, dass es das erwartete Lastprofil bewältigen kann und genügend Spielraum für die Deckung des Spitzenbedarfs bietet.
- Verlässlichkeit: Das Notstromsystem sollte so ausgelegt sein, dass es zuverlässig arbeitet und die Verbraucher gleichmäßig und stabil mit Strom versorgt. Dies kann die Verwendung redundanter Komponenten oder andere Maßnahmen zur Sicherstellung der Verfügbarkeit des Systems beinhalten.
- Sicherheit: Das Notstromsystem sollte so konzipiert sein, dass es alle einschlägigen Sicherheitsnormen und -vorschriften erfüllt und einen angemessenen Schutz für das Personal bietet, das das System bedient. Das System sollte außerdem so konzipiert sein, dass das Risiko von Bränden, Explosionen oder anderen Gefahren minimiert wird.
- Wartungsfreundlichkeit: Das Notstromsystem sollte so konzipiert sein, dass es leicht zu warten ist und die Komponenten für Inspektion und Austausch leicht zugänglich sind. Eine regelmäßige Wartung ist wichtig, um die Zuverlässigkeit und Effizienz des Systems zu gewährleisten.
- Skalierbarkeit: Das Notstromsystem sollte so konzipiert sein, dass es skalierbar ist und bei Bedarf problemlos Kapazitäten hinzugefügt oder entfernt werden können. Dies kann wichtig sein, wenn sich der Energie- oder Leistungsbedarf der Verbraucher im Laufe der Zeit ändert.
- Kosteneffizienz: Das Notstromsystem sollte so konzipiert sein, dass es kosteneffizient ist und ein angemessenes Verhältnis zwischen Anschaffungskosten und langfristigen Betriebskosten aufweist. Dies kann den Einsatz kostengünstiger Technologien oder die Optimierung von Systemkomponenten zur Kostenminimierung beinhalten.
Wasserstoffverbrauch pro KW
Der Wasserstoffverbrauch pro Kilowattstunde moderner Brennstoffzellen-Generatoren, die als Notstromaggregate eingesetzt werden, hängt von einer Reihe von Faktoren ab, unter anderem von der Art der verwendeten Brennstoffzellentechnologie, dem Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-Kraftwerks und den Betriebsbedingungen. Im Allgemeinen haben PEMFC-basierte Systeme im Vergleich zu SOFC- oder PAFC-basierten Systemen einen höheren Wasserstoffverbrauch pro KW. Der Wasserstoffverbrauch eines Brennstoffzellen-Backup-Stromversorgungssystems kann auch von Faktoren wie der Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit, dem Ladezustand des Brennstoffzellenstapels und dem Lastprofil des Systems beeinflusst werden.
Wasserstoffspeicherung
Wasserstoff wird in Verbindung mit einem Brennstoffzellen-Notstromsystem in der Regel auf eine von drei Arten gespeichert: als komprimiertes Gas, als Flüssigkeit oder als Feststoff. Komprimiertes Wasserstoffgas ist die gebräuchlichste Art der Speicherung und kann in Hochdrucktanks oder -flaschen gelagert werden. Flüssiger Wasserstoff ist eine weitere Option, aber er erfordert kryogene Speicher- und Handhabungseinrichtungen, die komplex und teuer sein können und sich daher nicht für einen Brennstoffzellengenerator für den Hausgebrauch eignen. Fester Wasserstoff kann ebenfalls verwendet werden, ist aber wegen der hohen Kosten und der Komplexität der Speicher- und Handhabungssysteme nicht weit verbreitet.
Leistungskriterien
Es gibt mehrere wichtige Leistungskriterien, die Brennstoffzellen-Backup-Stromversorgungssysteme erfüllen sollten, um effektiv und zuverlässig zu sein.
- Wirkungsgrad: Der Wirkungsgrad eines Brennstoffzellen-Backup-Stromversorgungssystems bezieht sich auf die Menge der vom System erzeugten elektrischen Energie im Vergleich zur Menge der im Wasserstoff-Brennstoff gespeicherten chemischen Energie. Systeme mit höherem Wirkungsgrad sind in der Lage, einen größeren Anteil der chemischen Energie in elektrische Energie umzuwandeln, was zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch und niedrigeren Betriebskosten führen kann.
- Leistungsdichte: Die Leistungsdichte eines Brennstoffzellen-Backup-Stromversorgungssystems bezieht sich auf die Menge an Strom, die pro Volumen- oder Gewichtseinheit erzeugt werden kann. Systeme mit höherer Leistungsdichte sind in der Lage, mehr Leistung auf kleinerem Raum zu erzeugen, was bei Anwendungen mit begrenztem Platzangebot von Vorteil sein kann.
- Anfahrzeit: Die Anlaufzeit eines Notstromsystems mit einem Brennstoffzellengenerator bezieht sich auf die Zeit, die das System benötigt, um nach dem Abschalten die volle Leistung zu erreichen. Schnellere Startzeiten können in Notsituationen von Vorteil sein, wenn eine schnelle Reaktion erforderlich ist.
- Lebensdauer: Die Lebensdauer bezieht sich auf die erwartete Nutzungsdauer von Wasserstoff-Backup-Systemen, bevor sie ersetzt werden müssen. Eine längere Lebensdauer eines Systems kann langfristig zu niedrigeren Betriebskosten führen.
Sehen Sie das Lehrvideo über die Notstromversorgung mit Brennstoffzellen
Letzte Aktualisierung: 19.01.2023