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Wehrtechnik

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Energieversorgung für den Soldaten der Zukunft (2)

Der erste Teil der Artikelserie befasste sich mit Primär- und Sekundärzellen, Technologien, die einem breiten Publikum sehr gut bekannt sind, weil sie eine breite kommerzielle Verfügbarkeit aufweisen. Weniger weit verbreitet sind Brennstoffzellen. Sie werden gerne als Tertiärzellen bezeichnet, stellen aber keine Energiespeicher im eigentlichen Sinn dar.


Brennstoffzellen sind keine Energiespeicher, sondern erzeugen elektrische Energie über die sogenannte Kalte Verbrennung. Unter Kalter Verbrennung wird eine Oxidation eines Brennstoffes unter einer Temperatur von etwa 100° C verstanden. Dabei wird, um nur eine der vielen verfügbaren Technologien zu nennen, Methanol zu Wasser oxidiert und durch Ionentrennung eine elektrische Spannung erzeugt. Ein „Nachladen“ dieser Zelle erfolgt durch Nachfüllen eines Treibstoffes.

Methanol- Brennstoffzelle
Beispielgebend soll hier die Direkt-Methanol Fuel Cell (DMFC) kurz vorgestellt werden:
  Die DMFC ist eine modifizierte Polymer Elektrolyt Membran (PEM) Brennstoffzelle, bei der anstelle von Wasserstoffgas (und all den damit verbundenen Problemen von Lagerung und Transport) Methanol als Brennstoff verwendet wird. Das Attribut „Direkt“ deutet darauf hin, dass der Brennstoff keiner weiteren chemischen Verarbeitung (Reformer) unterzogen wird, bevor er kalt verbrannt wird. Der Elektrolyt besteht aus einer protonendurchlässigen Membran, gefertigt aus einer speziellen Metalllegierung, durch die die zur Erzeugung elektrischer Energie notwendige Ladungstrennung erfolgt. Die Verbrennung des Methanols setzt Wasser und Kohlendioxid frei. Der Wirkungsgrad einer DMFC liegt je nach Qualität der Membran und der Umgebungstemperatur bei etwa 40 %.
  Methanol als Treibstoff bietet eine Energiedichte von etwa 1.2 kWh pro kg während eine Blei-Säure-Batterie nur etwa 40 Wh pro kg zur Verfügung stellen kann. Dieser Energiedichtevorteil macht die Brennstoffzellen interessant für mobile Anwendungen. Dabei darf jedoch nicht außer Acht gelassen werden, dass Methanol giftig ist und die hier angegebene Energiedichte nur den Brennstoff berücksichtigt und nicht die gesamte Zelle.
  Die DMFC ist nicht der einzige Vertreter von Brennstoffzellen. Jedoch bietet dieser Typ die besten Voraussetzungen für eine militärische Nutzung, denn andere Typen arbeiten mit hoher Verbrennungstemperatur, wie etwa Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) mit 800° bis 1.000° C oder Systeme mit einem schwierig handzuhabenden Brennstoff – wie etwa Wasserstoff.

Nicht nur Vorteile
Brennstoffzellen müssen also gestartet und wieder abgeschaltet werden. Jeder dieser Vorgänge lässt die Zelle wegen unvollständiger chemischer Prozesse schneller altern. Auch Lastwechsel in der Leistungsentnahme führen zu einer vorzeitigen Alterung. Aus militärischer Sicht weisen Brennstoffzellen jedoch noch zwei weitere Nachteile auf: Einerseits bedingt der Betrieb der Zelle das Mitführen eines Treibstoffes und andererseits ist die Entsorgung des Nebenproduktes Wasser erforderlich. Insbesondere in der kalten Jahreszeit in den gemäßigten Klimazonen oder in polaren Regionen ist der Einsatz dieser Zellen daher mit Problemen verbunden. Der Betrieb einer derartigen Zelle am Mann kann durch die Wasserabscheidung die Tarnwirkung von Kleidungen vollständig aufheben.

Photovoltaik und Windkraft
Eine Gemeinsamkeit haben Primär-, Sekundär- und Tertiärzellen. Alle drei Arten können praktisch permanent elektrische Energie abgeben. Einzig ihr Wirkungsgrad sinkt mit fallender Temperatur.
  Stark im Trend liegen dz. alternative Energieformen wie die Photovoltaik und die Windkraft. Auch wenn man auf den ersten Blick die Windkraft vielleicht nicht als brauchbaren Energielieferanten zur Versorgung eines einzelnen Soldaten sieht, so kann sie wie die Photovoltaik Ladegeräte für Sekundärzellen speisen.
  Doch zurück zur Photovoltaik (PV). Abgesehen von mit gebündeltem Sonnenlicht getriebenen Wasserdampfturbinen mit Generatoren werden üblicherweise Photozellen zur direkten Erzeugung elektrischer Energie aus Lichtenergie verwendet. Im Laborbetrieb werden dabei schon Wirkungsgrade von bis zu 28 % mit Galiumarsenid- Zellen erreicht. Allerdings sind die Erzeugungskosten um ein Vielfaches höher als von amorphen Siliziumzellen, deren Wirkungsgrad bei etwa 12 % liegt. Siliziumzellen sind die dz. am häufigsten anzutreffenden Zellen und daher soll an ihr der Flächenbedarf für einen 24 Std.-Betrieb eines Verbrauchers mit 1.000 W (1 kW) erläutert werden.

Solarzellen
Die Energiedichte der Sonne beträgt 1.536 W/m² an der Erdoberfläche (Solarkonstante). Davon kann eine Siliziumzelle ca 12 % in elektrische Energie umwandeln. Pro Quadratmeter Solarzellenfläche kann im Idealfall mit einer elektrischen Leistung von etwa 180 W gerechnet werden. Benötigt der Verbraucher nun etwa 1.000 W, so sind aufgerundet ca. 6 m² Zellenfläche erforderlich.
  Solarzellen haben die Eigenschaft, dass ihr Wirkungsgrad mit steigender Zellentemperatur sinkt. Die Zelle erwärmt sich nicht nur durch die Einstrahlungsleistung der Sonne (Absorption), sondern auch durch die Stromentnahme und die dadurch entstehenden Leitungsverluste im Kristall. Ihr Wirkungsgrad sinkt so relativ rasch auf ca. 8 % bis 10 % ab.
  Um optimal genutzt zu sein, muss die Zellenfläche exakt zur Sonne ausgerichtet werden, dies trägt wieder zur weiteren Erwärmung der Zelle bei.
  Solarzellen liefern naturgemäß Gleichstrom, der erst in Wechselstrom umgewandelt werden muss. Derartige Stromwandler weisen einen Wirkungsgrad von etwa 80 % auf und lassen den Gesamtwirkungsgrad des Systems weiter sinken. Berücksichtigt man noch den Umstand, dass 1 m² Zellenfläche zur Installation etwa 1.2 m² benötigt, kann mit einer durchschnittlichen Leistung von etwa 100 W pro m² installierter Fläche gerechnet werden. In unserem Beispiel wären das etwa 10 m² installierte Solarzellenfläche für den permanenten Betrieb eines Verbrauchers mit 1 kW Leistung.
  In Mitteleuropa kann mit einer Sonnenscheindauer von etwa 8 Std., einem Tagesdrittel, gerechnet werden. Wollte man die Leistung von etwa 1 kW über 24 Std. rein aus Photovoltaik zur Verfügung stellen, so wären, abgesehen vom Energiespeicher für den Betrieb während der Nacht- und Dämmerungsstunden, ca. 30 m² installierte Zellenfläche notwendig. Unberücksichtigt bleiben dabei Verschmutzungen von Zellen, bewölkte oder niederschlagsträchtige Tage bzw. Bruch und andere Ausfälle von Solarzellen.
  Heute sind bereits Energieversorgungssysteme, die rein auf Photovoltaik basieren, verfügbar. In einem 20ft- Container können die Elektronik und die Zellen für eine Spitzenleistung von 20 kW untergebracht werden. Umgerechnet bedeutet das eine permanente Leistungsbereitstellung von etwa 7 kW im 24 Std.-Betrieb. Ein Dieselaggregat im gleichen Volumen liefert ca. 750 kVA permanent.

Windkraft
Auch wenn dieses Beispiel klar zeigt, dass Photovoltaik dz. noch nicht zur permanenten Versorgung mit elektrischer Energie geeignet ist, so hat die Photovoltaik durchaus ihre Berechtigung in Bereichen, wo nur kleine Leistungen bereitgestellt werden müssen bzw. Energiespeicher aufgeladen werden und ladungserhaltend betrieben werden müssen.
  Stellt man der Photovoltaik die Windkraft gegenüber, so ist für Kontinentaleuropa Windkraft schlechter vorhersagbar als solare Energie. Im Küstenbereich können Windkraftanlagen effektiver betrieben werden. Für die Windkraft kann eine Rechnung wie für die Photovoltaik nur in Kenntnis der lokalen (demografischen) Gegebenheiten erstellt werden. Windkraft hat mit der Photovoltaik die Gemeinsamkeit, dass eine permanente Energielieferung nur mit Zwischenspeichern (Sekundärzellen) möglich ist. Beiden Systemen ist auch gemein, dass ihre Energiespeicher eine begrenzte Lebensdauer und eine dz. noch teure Entsorgung nach sich ziehen.
  Für militärische Anwendungen wie bspw. in Unterkünften und Feldlagern mit und ohne Infrastruktur, in Fahrzeugen und als Kampfausrüstung am Soldaten sind stark unterschiedliche Lastprofile zu berücksichtigen, die ihrerseits spezifische Anforderungen an die elektrische Energieversorgung stellen. So kann für ein Feldlager ein Aggregat wertvolle Dienste leisten, am Fahrzeug die bekannte Blei-Säure-Batterie und am Mann mit der Vielzahl an Kleinverbrauchern wie Kommunikations- (Funkgeräte), Navigations- (GPS, elektronische Landkarte) und Kampfunterstützungsgeräten (Nachtsichtgerät, Laservisier) sind kleine leistungsfähige Energiequellen unersetzlich. Alle Geräte müssen jedoch einen permanenten Betrieb, vorzugsweise ohne Unterbrechungen, gewährleisten können.
  Für den Planer und in weiterer Folge für die gesamte Logistik (Erst- und Folgeversorgung) sind daher die Charakteristika der einzelnen Verbraucher wie auch ihre taktische Verwendung unabdingbare Planungsgrößen, wenn es um die richtige Wahl der Energieerzeuger und Energiequellen geht.
  Im dritten und abschließenden Teil der Artikelserie sollen Energiebilanzbetrachtungen für Feldlager und Fahrzeuge gegeben werden wie auch ein Ausblick auf Pro und Kontra von Elektrofahrzeugen. 

DER SOLDAT-Ausgabe Nr. 4/2012 vom 22. Februar

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