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Wagos SPS PFC 200 ist die zentrale Steuereinheit des „Blue Hamster“. Programmierer Christian Wilken hat sie innerhalb eines halben Jahres mit weiteren Komponenten aus Minden zu einer ausgeklügelten Steuerung zusammengefügt und konfiguriert

Solarstrom für den Winter hamstern

Bild 1. Der Gründer und Geschäftsführer von Mossau Energy, Günter Mossau, hat Mitte der 1990er-Jahre die Photovoltaik nach Ostfriesland gebracht

Bild 2. Kraft aus dem Wasserstofftank: Firmen mit einem Stromverbrauch von bis zu 100.000 Kilowattstunden im Jahr ermöglicht der „Blue Hamster“ die komplette Versorgung mit sauberem Solarstrom

Bild 3. Ausgezeichnete Entwicklung: Für seinen „Blue Hamster“ erhielt Mossau Energy 2013 den „Bundespreis für hervorragende innovatorische Leistungen für das Handwerk

Bild 4. Mittels eines Elektrolyseurs wandelt der „Blue Hamster“ Strom aus einer Photovoltaikanlage in Wasserstoff um. Eine Brennstoffzelle kehrt diesen Vorgang bei Bedarf wieder um. Gesteuert werden die komplexen Prozesse von Wago-I/O-Systemen der 750er-Serie

Ein innovatives Speicherkraftwerk der Auricher Firma Mossau Energy lagert Strom aus Photovoltaikanlagen in Form von Wasserstoff ein. Mit dem einzigartigen System können kleinere Unternehmen ihren CO2-Fußabdruck auf Null reduzieren und sich sogar völlig autark mit grüner Energie versorgen. Im Innern des Systems gibt eine IO-Steuerung der 750er-Serie von Wago den Takt vor.

„Dem Klischee nach lassen es die Menschen hoch oben im Nordwesten Deutschlands etwas gemächlicher angehen. Doch bei Mossau Energy, einem Spezialisten für Photovoltaikanlagen mit Sitz im ostfriesischen Aurich, bekommt dieses Klischee Risse (Bild 1). „Wir waren immer schon Pioniere“, sagt Diplom-Ingenieur Helmut Janßen. 19 Mitarbeiter hat das Unternehmen, dennoch leisten sich die Auricher den Luxus einer eigenen Abteilung für Forschung und Entwicklung. Und die sorgt für immensen Vortrieb. „Wir haben mit unserem „Blue Hamster“ das erste marktreife System entwickelt, das regenerativen Strom langfristig speichern kann“, schließt Entwicklungschef H. Janßen an.

Sonnenenergie im Winter nutzen
Vielleicht liegt es am Weitblick, den die Ostfriesen genießen können. Wo lediglich Deiche den Blick aufs Meer verstellen, scheinen Ideen für neue Energietechnik jedenfalls besonders gut zu gedeihen. Firmengründer Günter Mossau brachte Mitte der 1990er-Jahre die Photovoltaik nach Ostfriesland. Damals sei das belächelt worden, berichtet H. Janßen. Schließlich ist die Region nicht eben für ein Übermaß an Sonnenschein bekannt, eher schon für ihren Wind. Der aber ist für Photovoltaikanlagen fast genauso wichtig. Denn je besser es gelingt, die temperatursensiblen Kollektoren zu kühlen, desto höher ist die Stromausbeute. „Mossau-Dächer erkennen Sie schon von Weitem“, ergänzt H. Janßen. Während andere Photovoltaikfirmen jeden Zentimeter Platz auf dem Dach für die Kollektoren ausnutzen, lassen die Mossau-Experten zwischen den einzelnen Modulen etwas Platz. Durch die Ritzen kann der ostfriesische Wind hindurchpfeifen und die Module kühlen. Rund 10 % mehr Strom holen die „Mossau-Dächer“ dadurch gegenüber vergleichbaren Installationen aus der Sonne heraus. Den detailversessenen G. Mossau aber ärgerte es, dass das Mehr an Effizienz immer wieder nutzlos verpuffte. Denn Technologien, die den selbst produzierten Sonnenstrom speicherten, steckten bis dato höchstens in den Kinderschuhen. In Spitzenzeiten erzeugen die Photovoltaik- und Windkraftparks in Deutschland schon heute mehr Strom, als verbraucht werden kann. Speicher aber, um die Massen an Strom aufzunehmen und für die Stromflaute vorzuhalten, gibt es kaum. Sobald die Sonne verschwindet und der Wind abflaut, müssen darum konventionelle Kraftwerke übernehmen. Auf dem Weg zu einer sauberen und von fossilen Ressourcen unabhängigen Energieversorgung ist das Speichern von Strom aus volatilen Quellen, wie Wind und Sonne, ein Kernproblem. „Unsere Idee war, das Speicherproblem für Hausbesitzer und kleine Unternehmen zu lösen“, so H. Janßen. „Unser System sollte während des Sommers den Stromanteil aus einer Photovoltaikanlage, der nicht unmittelbar verbraucht wird, einlagern, und ihn im sonnenarmen Winter wieder zur Verfügung stellen.“

Innovationspreis der Bundesregierung
Um das zu erreichen, setzte man bei Mossau Energy auf ein Verfahren, das auch geeignet ist, große Mengen an Wind- oder Sonnenstrom langfristig zu speichern: die Elektrolyse. Mithilfe von Strom wird dabei Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Der Sauerstoff wird in die Luft abgegeben, der Wasserstoff landet in einem Tank. Power-to-Gas nennen Experten dieses Verfahren. Im Winter wird die Elektrolyse mittels Brennstoffzelle umgekehrt. Wasserstoff und Sauerstoff werden zusammengeführt und reagieren miteinander – Strom fließt und als Abfallprodukt entsteht Wasser (Bild 2). Elektrolyseure und Brennstoffzellen sind keineswegs neu. Sie aber zu einem markttauglichen Produkt zu formen, das regenerativen Strom ganzjährig verfügbar macht, ist ein Novum. Drei Jahre benötigten die Auricher, bevor sie Anfang 2013 einen ersten Prototypen präsentieren konnten. Prompt erhielt Mossau Energy für die Entwicklung ihres „Blue Hamster“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie den „Bundespreis für hervorragende innovatorische Leistungen für das Handwerk“ (Bild 3). Ein Jahr später war aus dem Prototypen ein kompakteres, marktreifes System geworden. Von außen ist kaum zu erkennen, dass in dem mannshohen blauen Stahlschrank ein innovatives Kleinspeicherkraftwerk untergebracht ist. „Das System speichert den Sonnenstrom nach unterschiedlichen Prioritäten“, erklärt H. Janßen. Zunächst wird der aktuelle Verbrauch bedient. Wird mehr produziert als verbraucht wird, füllt der „Blue Hamster“ einen Kurzzeit-Puffer, bestehend aus Lithium-Ionen-Akkus. Mit ihnen lassen sich ein bis zwei sonnenfreie Tage überbrücken. Sind die Akkus komplett geladen, wandelt der „Blue Hamster“ den weiteren Stromüberschuss in Wasserstoff um. Was auf diese Weise in den sonnenreichen Monaten an Strom eingelagert wird, macht eine Brennstoffzelle im Winter wieder nutzbar. So lässt sich ausreichend grüner Strom für die gesamte kalte Jahreszeit „hamstern“.

Gehirn aus Minden
Das Funktionsprinzip des „Blue Hamster“ mag einfach klingen, doch ist es freilich eine komplexe Angelegenheit. Zu jeder Zeit muss das System wissen, wie viel Sonnenstrom produziert wird, wie viel der Energie direkt verbraucht oder ins öffentliche Netz eingespeist wird, wie der Ladezustand der Akkus ist oder der Füllstand des Wasserstofftanks. Zusätzlich müssen die chemischen Prozesse im Elektrolyseur und in der Brennstoffzelle permanent überwacht werden. Kurzum: Der „Blue Hamster“ benötigt ein „Gehirn“. „Wir hatten zunächst an die Steuerung eines anderen Herstellers gedacht. Wir haben uns dann aber für Produkte von Wago entschieden, weil sie den Anforderungen gewachsen sind“, berichtet H. Janßen. Die zentrale Steuereinheit des „Blue Hamster“ ist der SPS-Controller PFC 200 (750-8202). Über Wago-Module wie eine 3-Phasen-Leistungsmessklemme (750- 494), eine 2-Kanal-Analog-Eingangsklemme (750-461), eine 4-Kanal-Analog- Ausgangsklemme (750-559) sowie eine 4-Kanal-Analog-Eingangsklemme (750- 455) werden die unterschiedlichen Ströme und Daten erfasst und gesteuert (Bild 4). Alle Daten werden zudem auf einer SD-Card festgehalten, der Steckplatz für die Speicherkarte ist integraler Bestandteil des SPS-Controllers. Brennstoffzelle und Elektrolyseur sind über CAN-Bus angebunden. Zusätzliche Daten werden bei Mossau über die RS-232-Schnittstelle ausgelesen. In die Tür des Stahlschranks ist ein Touchscreen von Wago eingelassen, über den sich aktuelle Anlageninformationen abrufen lassen. „Es hat etwa sechs Monate gedauert, um das gesamte System einzurichten“, berichtet Christian Wilken, der die Programmierung des „Blue Hamster“ übernahm. Obwohl C. Wilken noch nie mit der Programmierumgebung Codesys gearbeitet hatte, reichte ihm eine zweitägige Einführung, um den „Blue Hamster“ einrichten zu können. „Wenn es im weiteren Verlauf eine Frage gab, konnte ich sie umgehend mit einem Ansprechpartner bei Wago klären“, berichtet C. Wilken.

Erste Referenzprojekte verwirklicht
Einen Verbrauch zwischen 25.000 kWh/a und 50.000 kWh/a kann ein einzelner „Blue Hamster“ abdecken. Bei höheren Verbräuchen lassen sich die Systeme duplizieren. Seit einer Weile versorgt sich Mossau Energy selbst mit einem seiner Systeme. Eine weitere Installation befindet sich bei der Firma Klar Folien in Dernbach im Westerwald. Um den „Blue Hamster“ weiter zu verbreiten, wird derzeit an einem weltweiten Vermarktungssystem gefeilt. Wegen der recht teuren Bestandteile – dem Elektrolyseur und der Brennstoffzellen, die noch nicht in Serie gefertigt werden, sowie dem Wasserstoff-Tank – ist der innovative „Blue Hamster“ ein recht kostspieliger Geselle. Dennoch kann schon jetzt eine Zielgruppe profitieren: „Kleinere Firmen können ihren CO2-Ausstoß auf Null herunterfahren, sich mit dem System von einem Stromversorger völlig unabhängig machen, ein Imageproblem lösen oder eine gewisse Nachhaltigkeit unter Beweis stellen“, so H. Janßen. Ideen aus Ostfriesland machen es möglich. (hz)

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Autor:
Heiko Tautor ist Global Key Manager Energy bei der Wago Kontakttechnik GmbH & Co. KG in Minden.

heiko.tautor@wago.com