Bachelor-Studiengang

Physikalische Technologien/ Energiesysteme (B. Eng.)

Wasserstoff-Brennstoffzellen-Netzersatzanlagen für den Digitalfunk der Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben des Landes Brandenburg

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Projektgegenstand

Ausstattung von Basisstationen des Digitalfunks der Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BSO) des Landes Brandenburg mit Wasserstoff-Brennstoffzellen-Netzersatzanlagen

Die Erprobung von 115 Brennstoffzellensystemen als NetzErsatzAnlagen (NEA) in einem durch das Nationale Innovationsprogramm (NIP) Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie geförderten Projekt des Zentraldienstes der Polizei des Landes Brandenburgs – Projektorganisation Digitalfunk BOS BB - war Gegenstand des Projektes.

Die Projektorganisation Digitalfunk BOS BB koordiniert die landesweite Einführung eines bundesweit einheitlichen Digitalfunknetzes für alle Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS). Das Projekt „Wasserstoff-Netzersatzanlagen für Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben des Landes Brandenburg“ (W-NEA BOS BB) diente der Erprobung von (Not-)Stromversorgungen mittels Brennstoffzellen als Ersatz von wartungsintensiven und umweltproblematischen Dieselgeneratoren im BOS-Digitalfunk. Ein wesentlicher Bestandteil war die wissenschaftliche Begleitung durch die Technische Hochschule Wildau über die gesamte Projektlaufzeit. Unter realen Bedingungen wurden verschiedene Brennstoffzellen-NEA in statistisch signifikanter Stückzahl (115) im Flächenland Brandenburg über einen längeren Einsatzzeitraum untersucht.

Projektziele

Die Zielstellungen des Projektes war die Verifizierung der Eignung von Brennstoffzellen als Alternative zu herkömmlichen Technologien im Feldtest. Das umfasste die Erprobung der Brennstoffzellen-NEA unter realen Bedingungen, die Marktvorbereitung und der Test und die Prüfung der angebotenen Service- und Logistikkonzepte auf ihre Praxistauglichkeit. Der Schwerpunkt der technischen Untersuchungen lag auf der Zuverlässigkeit der Brennstoffzellensysteme unter ständiger Einsatzbereitschaft. Für erweiterte Untersuchungen an einer Brennstoffzellen-NEA sowie für die Aus- und Weiterbildung von Studierenden und Interessierten wurde ein Demonstrationscontainer an der TH Wildau errichtet.

Wesentliche Anforderungen

115 BZ-Netzersatzanlagen aufgeteilt auf drei Anbieter (A - Los 1, B - Los 2 und C - Los 3)

Leistungsbedarf der Standorte zwischen 2,5 kW bis 3,5 kW

Notstrombetrieb von mindestens 72 h in zwei Bänken

Elektrotechnische Einbindung als dreiphasige Wechselspannung

Zu erbringende Nennleistung von mindestens 2500 Betriebsstunden nach Abzug von Verlusten durch z. B. Wandlung oder Degradation

Vandalismussichere Ausführung

Detailliertes Anlagen-Monitoring inkl. Datenbank

Aufgaben der wissenschaftlichen Begleitung

Feldtest und Betriebserfahrungen

Begutachtung und Optimierung der Logistik- und Servicekonzepte

Energieoptimierung der W-NEA Digitalfunkstandorte

Demonstrations- und Testcontainer

Feldtest und Betriebserfahrungen

Statistische Auswertungen der NEA-Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit

Auswahl relevanter Parameter im Feldversuch

Umwelt

Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luftdruck

Öffentliches Netz

Spannung u. Strom der Phasen, Frequenz, Wirk- u. Scheinleistung

Verbraucher

Elektrische Leistungsaufnahme, Statusmeldungen Licht / Tür / Klima

NEA-System

Betriebszustand, DC-Systemspannung u. -strom, Elektrische Systemleistung, Systemuhrzeit, Systemlaufzeit

NEA-Wasserstoffspeicher

Betriebszustände, Druck Bank A u. B, Füllstände

NEA-Brennstoffzellen

Statusmeldungen zu Betrieb, Störungen und Fehler, BZ-Heizung

Betriebszeiten BZ1 / BZ2, Elektrische Leistungen, Temperatur / Feuchte / Druck

Feldtestdurchführung in zwei Betriebsphasen

Betrieb I (ersten 24 Wochen nach Standort-Abnahme)

Wöchentlicher Test je Standort nach Versuchsplanung
Funktionsüberprüfung Gesamtsystem
Datensammlung: Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit
Überprüfung von Treibstofflogistik und Service

Betrieb II (restliche Projektlaufzeit)

Monatlicher Test je Standort
Datensammlung und Auswertung: Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit
Überprüfung von Treibstofflogistik und Service

Ergebnisse der Untersuchungen

Hohe Verfügbarkeit der Brennstoffzellen-Netzersatzanlage (>97%)
Hohe Funktionszuverlässigkeit der Brennstoffzellen-Netzersatzanlage (>94%)

unter realen Bedingungen in über 4700 Tests wurde nachgewiesen.

Monitoringsysteme nach zahlreichen Anpassungen erfolgreich in Betrieb genommen
Datensammlung für Verfügbarkeit- und Zuverlässigkeitsanalyse von Oktober 2014 – Januar 2017

Begutachtung und Optimierung der Logistik- und Servicekonzepte

Bearbeitung durch die Forschungsgruppe Verkehrslogistik an der THWi von Prof. Dr.-Ing. H. Sonntag
Übergabe der durchgeführten Studie an die Projektorganisation Digitalfunk

Anforderung bei einem großflächigen Stromausfall

mindestens 20% der Standorte eines Loses müssen innerhalb von 2 Arbeitstagen wieder befüllt sein

Ergebnis der Untersuchungen

alle Anbieter erfüllen diese Anforderung ohne Einschränkungen

Energieoptimierung der W-NEA Digitalfunkstandorte

Durchführung und Ziel der Energieoptimierung

Ein vergleichbarer Standort je Anbieter
Aufschlüsselung der vorhandenen Systeme nach dem Energiebedarf
Integration zusätzlicher Messtechnik
Messdatenaufnahme der relevanten Parameter über ein Jahr
Erfassung der Elektrische Leistungen
NEA-Status und Leistungsabgabe
Statuskontakte: Tür / Licht / Klimaanlage / Zusatzheizung
Innen- und Außentemperaturen

Ziel: Vorschlag eines energieeffizienteren Gesamtcontainer

Ergebnis

Die gewonnenen Erkenntnisse aus der Auswertung aller Messdaten wurden für die Projektorganisation Digitalfunk aufbereitet und übergeben
Das Einsparpotential ist gering

Demonstrations- und Testcontainer

Integration einer NEA vom Anbieter A
Integration von Mess- und Steuerungstechnik für erweiterte Untersuchungen
Schautafeln und Präsentationen für die Öffentlichkeitsarbeit
Aus- und Weiterbildung an der TH Wildau

Führungen für Studentengruppen

Nutzung für Nawitex (Schülerlabore)

Durchgeführte Untersuchungen

Charakterisierung der BZ-NEA

Wirkungsgrad / Verbrauch
Elektrisches System

Besonderer Betriebszustände

Stresstests (An/Aus-Zyklen)
Ausfall einer Phase
Überlastverhalten
Vandalismus

Ergebnisse

Die Brennstoffzellen-Netzersatzanlage entspricht den Anforderungen
Die Herstellerangaben wurden verifiziert
Ein Demonstrationscontainer wird aktiv für die Öffentlichkeitsarbeit und Lehre genutzt

Wesentliche aufgetretene Störungen und Fazit

Aufgetretene Störungen

Menschliches Versagen -> wie z. B. nicht geöffnete Druckgasflaschen
Schleichende Wasserstoffleckagen, keine Erkennung durch Monitoring
Undichte Entspannstationen, defekte Überdruckventile
Automatischer Netzumschalter ATS (defekt, falsche Verdrahtung)

Aufgetretene Fehler betreffen überwiegend nicht die Brennstoffzelle

Fazit:

Erfolgreicher Einsatz der Brennstoffzelle als Netzersatzanlage sicherheitsrelevanter Digitalfunkstationen im Feldtest
Integration der gewonnenen Ergebnisse und des Demonstrationscontainers in die Lehre sowie Aus- und Weiterbildung

Projektinformationen

MITTELGEBER: Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung; Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie; Bundesministerium für Bildung und Forschung; Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit

KOORDINATION: Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW GmbH); Projektträger Jülich (PtJ)

PROJEKTVOLUMEN: 3,17 Mio € Fördermittel (TH Wildau-Anteil: 471.200 €)

PROJEKTLAUFZEIT: Juni 2012 – März 2017

FÖRDERKENNZEICHEN: 03BS224