Gerade im professionellen, mobilen und sicherheitskritischen Anwendungsumfeld ist Diesel ein wichtiger Energiespeicher. Egal ob auf der Baustelle, an mobilen Filmsets oder zur Versorgung von Hilfseinsätzen und militärischen Infrastrukturen – elektrischer Strom wird meistens durch Dieselaggregate zur Verfügung gestellt.
Nach dem 2015 in Paris verabschiedeten Klimaabkommen, soll der Treibhausgasausstoß bis 2050 auf netZero verringert werden. Durch die zunehmende Elektrifizierung aller Anwendungen wird der Stromverbrauch bis 2030 steigen. Durch die Hybridisierung dieser Generatoren kann der steigende Verbrauch kosten- und energieeffizient gedeckt werden.
Hybridisierung beschreibt im eigentlichen Sinne eine Mischform aus vorher getrennten Systemen. Das wohl bekannteste Beispiel dürfte für die meisten das Hybridfahrzeug sein. Dabei werden die mit Diesel oder Benzin betriebenen Motoren der Fahrzeuge durch einen Elektromotor und eine Batterie erweitert. Ziel ist es, die Leistung zu boosten, den Verbrennungsmotor zu entlasten und so den Kraftstoffverbrauch zu senken. Durch die Kopplung der beiden Systeme werden einzelne technologische Eigenschaften der einzelnen Lösungen miteinander verknüpft und einzigartige Vorteile für den Benutzer geschaffen.
Gleiches Prinzip lässt sich auch auf Diesel- oder Benzingeneratoren übertragen. Das Aggregat kann mit einem Batteriespeicher mit entsprechender Leistungselektronik gekoppelt werden. Gerade unter der Berücksichtigung von zukünftig weiter steigenden Kraftstoffpreisen (CO2-Steuer) kann ein Aggregat durch das Senken des Verbrauchs länger wirtschaftlich betrieben werden. Besonders in Verbindung zwischen Generator, Speicher und PV-Array lassen sich Vorteile realisieren. Die zusätzlich in den Batterien gespeicherte Sonnenenergie verringert den Bedarf aus fossilen Kraftstoffen und senkt die CO2-Emissionen zusätzlich.
Vorteile der Hybridisierung von Diesel und Benzin Generatoren
Allein die Kombination von Batteriespeichersystemen und Generatoren schafft Vorteile in der Nutzung und finanzieller Art. Im Idealfall können folgende Vorteile realisiert werden:
- Bis zu 100% Kraftstoffeinsparungen.
- Bis zu 90% geringerer Wartungsaufwand am Stromerzeugungsaggregat.
- Bis zu 10-mal längere Lebenszeit des Aggregats.
Jeder Generator besitzt einen spezifischen optimalen Drehzahlbereich, in dem die Stromerzeugung am effizientesten ist. Dieser liegt meistens zwischen 75 und 100 %. Bei einer Überdimensionierung des Aggregates wird die Versorgung proportional zur zu großen Auslegung ineffizienter. Bei hybriden Systemen wird der Verbraucher durch den Generatorstrom versorgt und der Batteriespeicher mit der Überschussleistung geladen. Bei vollem Batteriespeicher kann der Generator abgeschaltet und die Last über die eingespeicherte Kapazität durch die Leistungselektronik versorgt werden. Erst wenn der Batteriespeicher einen bestimmten Ladezustand (State of Charge / SOC) unterschreitet springt der Generator wieder an und versorgt die Anwendung und lädt die Batterie.
Bis zu 90 % geringerer Wartungsaufwand am Generator durch höhere Laufzeiten im optimalen Leistungsbereich und weniger Betriebsstunden. Die Wartungszyklen bei Generatoren richten sich wie bei Autos nach den Betriebsstunden (oder gefahrenen Kilometern). Bei Verringerung der Betriebsstunden in einem bestimmten Zeitraum, verlängern sich dementsprechend die Wartungszyklen.
Insgesamt wird die Lebenserwartung der Generatoren erhöht und so deren Wirtschaftlichkeit auch bei steigenden Kraftstoffpreisen aufrechterhalten oder sogar gesteigert. Ausschlaggebend für die Erhöhung der Lebensdauer des Generators sind Stillstandszeiten und das Kappen von Lastspitzen (Peak Shaving) durch die Leistungselektronik des Batteriespeichersystems. Auch die häufigere und gleichmäßigere Nutzung des spezifischen optimalen Leistungsbereichs des Aggregats verringert die Belastungen und verlängert Lebensdauer und Wirkungsgrad.
Neben der Effizienzsteigerung kann weiterer Kraftstoff durch den Eintrag von erneuerbaren Energien, die zusätzlich den gekoppelten Batteriespeicher laden, gespart werden. Das senkt die Energiekosten, Wartungsaufwand und Emissionen weiter. Untenstehend beschreibt die rote Linie die Ideale Ausprägung aller Eigenschaften einer Energieversorgung im militärischen Umfeld. Mögliche Gesamtpunktzahl sind 110 Punkte. Auswertung und Vergleich in der Tabelle unten.
| Punkte | Prozent | |
| Gesamtpunktzahl | 110 | 100 |
| Dieselversorgung | 50 | 45 |
| Erneuerbare Versorgung | 89 | 81 |
| Hybride Versorgung | 104 | 95 |
Neben der gesteigerten Effizienz des Gesamtsystems und der daraus folgenden Kostenreduktion (OPEX) durch Kraftstoffeinsparungen steigern sich Sicherheit und Resilienz der Versorgung. Durch die Kraftstoffeinsparungen wird der logistische Aufwand der Versorgung verringert. Die Stillstandszeiten erhöhen den Komfort. Insgesamt führt die Reduktion von Kraftstoff und Emissionen zu einer nachhaltigeren Versorgung der Anwendung.
Beim Hybridfahrzeug wird die Leistung von Verbrennungsmotor und Elektromotor gekoppelt und so enorme Beschleunigungswerte erreicht. Durch die Möglichkeit den Leistungsoutput des Aggregats durch das Batteriespeichersystem zu boosten können auch Generatoren kleinerer Leistungsklasse für fordernde Anwendungen berücksichtigt werden. Das Kappen der Lastspitzen und Aufschalten der Leistungselektronik auf die Sinuswelle des Aggregats wird die Belastung im Generator minimiert und seine Lebenszeit verlängert.
Hybridisierung von Dieselgeneratoren durch die Lösungen der AXSOL GmbH
Die Lösungen der AXSOL GmbH sind auf eine möglichst hohe Unabhängigkeit gegenüber der Stromquelle ausgelegt. Alle Batteriespeicher sind durch das Netz, aber auch erneuerbare und konventionelle Erzeuger ladbar. Die Produkte der AXSOL GmbH sind die perfekte Ergänzung für neue und bestehende Generatoren und realisieren ab der ersten Benutzung Vorteile. Durch deren Hybridisierung können unmittelbar Kosten- und Emissionseinsparungen realisiert werden.
Für den speziell für den Einsatz im anspruchsvollen Terrain entwickelten ARVEY B2 gehört die Hybridisierung zu den Grundfunktionen. Der tragbare 2,25 kWh / 2,3 kW Batteriespeicher folgt den höchsten Sicherheitsstandards und kann über ein Ladekabel an kleine Dieselgeneratoren angeschlossen werden. Ein ARVEY B2 kann gleichzeitig durch PV, eine Brennstoffzelle und einen Dieselgenerator geladen werden. Durch die Kombination verschiedener Erzeugerquellen wird die Versorgung zunehmend hybridisiert und der Kraftstoffverbrauch sowie die Emissionen weiter gesenkt.
Es lohnt sich einen Generator mit einem ARVEY E3 oder E5 zu kombinieren und den Speicher zwischen Generator und Verbraucher zu schalten. Dieselgeneratoren bis 5 kW können einfach über das Ladekabel hybridisiert werden. Durch die intelligente By-Pass-Funktion kann vorrangig der Strom des Generators bei idealer Drehzahl für Verbraucher verwendet und überschüssige Energie in der Batterie gespeichert werden. So geht keine Energie verloren und Kosten und Emissionen eingespart. Beispielsweise werden bei einem Verbraucher mit 1000 Watt die Laufzeit des Generators um mehr als 60 % gesenkt und mehrere hundert Euro im Jahr eingespart. Die eingebaute USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung)-Funktion springt ein, wenn der Generator ausfällt und versorgt die Anwendung kontinuierlich weiter mit Strom. Je nach Verbraucher kann der ARVEY E5 die Anwendung Stunden oder Tage bedienen. Handelsübliche USVs erreichen meist nur Minuten.
Der CNHybrid wird mit einem von der AXSOL entwickelten Energiesystem, bestehend aus Batteriespeicher, mobiler Solaranlage und einem kleinen Generator zur Absicherung der Versorgung ausgeliefert. Die elektronischen Komponenten sind dabei im Boden eines Faltcontainers integriert. Der Container-Innenraum steht dabei ohne Einschränkungen für jede Anforderung zur Verfügung. Standardmäßig wird der CHHybrid mit dem faltbaren E-Fill X 2000 ausgeliefert. Das mobile PV-Array lässt sich in weniger als 3 Minuten aufbauen und liefert bis zu 2 kWp. Der Dieselgenerator wird über eine intelligente Start-Stopp Automatik gesteuert. Bei leerer Batterie wird die Anwendung direkt gespeist. Überschussstrom wird zum Laden der Batterie verwendet. Durch den Eintrag von Solarstrom sind die Betriebszeiten des Dieselgenerators minimiert. Insgesamt kann das Energiesystem den Betrieb des Containers 100 % autark gewährleisten. Durch die 300 % resiliente Auslegung des Gesamtsystems wird in jeder Lage genug Strom für Anwendungen im und um den Container bereitgestellt. Bis zu 100 % des Eigenverbrauchs können dabei durch den regenerativen Eintrag gedeckt werden.
4 kWp solar, 6 kW diesel backup
Mit den Energy Container Solutions der AXSOL GmbH können auch große Generatoren ohne Probleme hybridisiert werden. Der Generator wird hierfür als Netzersatz an den Speichercontainer angeschlossen. Angeschlossene Generatoren können automatisch fremdgestartet werden, wenn die Systemsteuerung der ECS den Befehl dazu gibt. Um die Vorteile der konventionellen Energieerzeugung und -bereitstellung mit denen von Batteriespeichersystemen zu verbinden, integriert die AXSOL GmbH übergeordnete intelligente Steuerungselemente in die Elektronik. So können die einzelnen Komponenten zur Energieversorgung vernetzt, bedarfsgerecht optimiert und die Versorgung durch den Anschluss regenerativer Energiequellen nachhaltiger gestaltet werden. Generatoren können unabhängig von Leistung und Alter mit den ECS zu einem Hybridsystem gekoppelt werden und die genannten Vorteile für den Benutzer realisieren.
Hybridisierung im Defense & Security Bereich
Im Zuge der durch das Pariser Klimaabkommen getriebenen Dekarbonisierung der Zivilgesellschaft, müssen auch staatliche Sicherheitsorgane zunehmend Konzepte entwickeln, ihre Aufgaben und Prozesse treibhausgas-neutral durchzuführen. Die hohen Anforderungen an die Stromversorgung bezüglich Sicherheit, Langlebigkeit, hoher Leistung, Unabhängigkeit von klimatischen Bedingungen führen vermehrt zu einer Diversifizierung der Energiebereitstellung. Die aktuelle Energiebereitstellung der Militärs und Behörden mit Sicherheitsauftrag (BOS) basiert zu großen Teilen auf Dieselgeneratoren.
Die Verringerung der CO2-Emissionen der Energieversorgung wird zur obersten Priorität, um die politisch vereinbarten Energiewendeziele zu erreichen. Auch die Streitkräfte weltweit sind an die politischen Entscheidungen von 2015 gebunden. Die Hybridisierung der Energieversorgung durch Batteriespeichern in Kombination mit erneuerbaren Energien senkt die Logistikkosten und Transportrisiken sowie die Betriebskosten im Einsatz. Im Rahmen der Erneuerung der Energieinfrastruktur der NATO-Streitkräfte soll diese so ausgerichtet werden, dass strategische und taktische Vorteile untereinander realisiert werden können. Die Bundeswehr nimmt innerhalb der NATO-Streitkräfte die technologische Vorreiterrolle ein.
Die Umstellung der Energieversorgung in den Militärs wird in zwei Stufen erfolgen:
- Hybridisierung von Dieselgeneratoren mit PV und Batterie
- Erneuerbare Energien als Primärenergiequelle mit Brennstoffzelle und Diesel-Backup (1. und 2. Stufe für 300% Ausfallsicherheit)
Im ersten Schritt können hierfür bestehende und neue Dieselgeneratoren hybridisiert werden. Durch eine Hybridisierung der Energieerzeugung können die Vorteile autarker Energiesysteme und die der Stromerzeugung durch Dieselgeneratoren kombiniert und enorme Vorteile hinsichtlich Effizienz, Komfort, Nachhaltigkeit, Kostenreduktion und Sicherheit erreicht werden. Zusätzlich wird die Integration von erneuerbaren Energiequellen in ein bestehendes System vereinfacht. Sie können simpel nach den steigenden Anforderungen und Restriktionen skaliert und nach und nach über die beschafften Batteriespeicher in das Energiesystem eingebunden werden.
Intelligente Batteriespeicher unterstützen beide Stufen der militärischen Energiewende. Bei völliger Unabhängigkeit von den Erzeugungsquellen können zentrale stationäre Speicher (ECS) während der technologischen Umstellung der Erzeugungsquellen effektiv betrieben werden. Das erhöht nicht nur die Versorgungssicherheit, sondern auch die Zukunftssicherheit der aktuellen Beschaffungsverfahren.
Die Kombination aus ECS und unserer Neuentwicklung für den anspruchsvollen Einsatz – dem ARVEY B2 ermöglicht das Ausbeuten von Synergieeffekten zwischen mobilen und stationären Speichern. Zusammen können Sie als integrierte Systemlösung für die Hybridisierung im militärischen Bereich bedarfsgerecht genutzt werden. So wird Energie in allen Anwendungen nutzbar.
Die mobilen Einheiten des ARVEY B2 können in ein Rack geschoben und mit der zentrale Ladestation (ECS) gekoppelt werden. Dabei können die mobilen Einheiten im Grunde zwei Aufgaben erfüllen:
- Priorisiertes Laden für schnellstmögliche Einsatzfähigkeit
- Kurzfristige Erweiterung der Speicherkapazität der zentralen Ladestation bei Lastspitzen im Verbrauch oder der Erzeugung
Die intelligente Systemsteuerung der ECS entscheidet entlang der historischen Lastkurven, wie die gekoppelten ARVEY B2 genutzt werden. Durch die vollständige Integration wird der ECS zum Datenknoten, an dem die Lastkurven der mobilen und stationären Einheiten aggregiert werden. So können zusätzliche Informationen über die Stromnutzung im Einsatz erhalten werden. Die Granularität der Daten lässt eine Optimierung der Energieinfrastruktur eines Camps oder Einsatzszenarios während des Betriebs zu.
Hybride Einsatzversorgung – Steigende Verbräuche durch Elektrifizierung
Im militärischen Einsatz werden nahezu alle Anwendungen durch Dieselgeneratoren versorgt. Egal ob im mobilen oder stationären Einsatz, Kern der Stromversorgung sind ein oder mehrere zentrale Aggregate. Von diesen wird der Strom durch Verteiler und Kabel an die jeweiligen Verbraucher gebracht. Durch die festgeschriebenen Leistungsklassen werden oft überdimensionierte Stromerzeugungsaggregate für die Abdeckung der Versorgung herangezogen. Dies führt zu Ineffizienzen und vermehrten Emissionen von Wärme und Abgasen. Hinzukommt das hohe Gefahrenpotential bei der logistischen Handhabe der Brennstoffe im Einsatzbereich. Dieses Gefahrenpotential kann durch die Reduktion des Kraftstoffverbrauchs eingedämmt werden. Hybridisierung ergänzt vorhandene und neue Stromerzeugungsaggregate, so wird der Spitzenlastbedarf am Aggregat verringert und die Resilienz der Versorgung erhöht.
Der Verbrauch elektrischen Stroms wird durch die zunehmende Elektrifizierung einzelner Anwendungen, unbemannte Fahrzeuge, zunehmende Rechenleistung und neue Kommunikationsstandards sowie Komfort zukünftig weiter steigen. Durch die Flexibilisierung der Energiebereitstellung durch Batteriespeicher können Angebot und Nachfrage einfacher aneinander angeglichen werden. So werden Ineffizienzen im System reduziert. Batteriespeicher erhöhen die taktische Schlagfertigkeit der Energieversorgung. Gerade im Bereich der First Response und z.B. im Katastrophenschutz haben hybride Systeme enorme Vorteile. Durch die direkte Einsatzfähigkeit ohne Aufbau- und Inbetriebnahmezeiten kann Energie ad-hoc bereitgestellt und abgerufen werden. Dieselgeneratoren brauchen im Feld länger, um in Betrieb genommen zu werden. Nach dem Aufbau dieser kann eine hybride Stromversorgung die genannten Vorteile realisieren.
Auch in der kontinuierlichen Versorgung von Camps und einzelnen kleineren Anwendungen können hybridisierte Dieselgeneratoren herangezogen werden. Durch den dauerhaften Betrieb der Systeme sind die realisierten Vorteile noch stärker. Die Leistung großer zentraler Dieselgeneratoren kann in Batteriespeichern gepuffert und effizienter im ganzen Lager verteilt werden. Gerade durch die zunehmende Elektrifizierung der Fahrzeuge wird eine angepasste Ladeinfrastruktur benötigt. Durch Zentrale Batteriespeicher können auch mehrere Fahrzeuge gleichzeitig über Nacht geladen werden, ohne dass andere Anwendungen ein Versorgungsdefizit erfahren.
Gerade im mobilen Einsatzbereich steigern Batteriespeichereinheiten die Flexibilität in der Versorgung der Anwendungen. In zentralen Pufferspeichern geladen können mobile Einheiten wie der ARVEY B2 im Fahrzeug zum Einsatzort transportiert und vor Ort der gespeicherte Strom sofort genutzt werden. Im hybriden Betrieb mit Dieselgenerator können so temporäre Anwendungen wie Funk oder die komplette Versorgung von mobilen Lagern betrieben werden.
Hybridisierung in Zukunft – Diversifizierung der Stromerzeugung
Zur vollständigen Dekarbonisierung der Energiebereitstellung muss ein Ersatzenergieträger gefunden werden, der Energie bedarfsgerecht, sicher, ohne großen Aufwand und regenerativ zur Verfügung stellt. Zusätzlich muss der Energieträger in Volumen und Skalierung einfach an die Anforderungen des jeweiligen Einsatzzweckes anpassbar sein. Erster Schritt auf dem Weg hin zu einer umweltschonenden Energieversorgung ist das Ausreizen von Effizienzsteigerungspotentialen und der Hybridisierung von bestehenden Dieselgeneratoren. Auch weiterführend werden Energiesysteme zunehmend hybrider, d.h. diverser. Zukünftig wird ein Mix aus stationären, mobilen und ultramobilen Batteriespeichern dafür sorgen, dass die Energie sicher und zuverlässig verteilt und bedarfsgerecht für jede Anwendung zur Verfügung gestellt wird. Geladen werden diese durch Erneuerbare Energien aus Sonne, Wind und Wasser. Zur Absicherung der Versorgung werden zunehmend Brennstoffzellen in das Gesamtsystem integriert. Da jedoch bei jeder Anwendung verschiedene Rahmenbedingungen für die Erzeugung vorherrschen, müssen zunehmend verschiedene Kombinationen von Erzeugern gemeinsam über Batteriespeicher aggregiert werden.
Die AXSOL Energy Container Solutions sind aufgrund ihrer Unabhängigkeit gegenüber der Erzeugerquelle perfekt geeignet, um hybride Energiesysteme und Microgrids aufzubauen. Es können gleichzeitig verschiedene Erzeugerquellen (AC und DC) an die Leistungselektronik angeschlossen werden. Die intelligente Systemsteuerung bündelt die Daten der integrierten Erzeuger und Verbraucher und entscheidet situativ über den Energiefluss im System. Ziel dabei ist eine vorrangige Nutzung der Erneuerbaren Energieerzeuger und eine Minimierung der Versorgungskosten. Die Systemsteuerung optimiert den Energiefluss und sorgt für den idealen Energiemix in der Versorgung.
Batteriespeicher und erneuerbare Energien werden eine zunehmende und bedeutendere Rolle in der Energieversorgung spielen. Batteriespeicher werden zur Datendrehscheibe für die Entscheidungsfindung in Bezug auf Energieverteilung und -nutzung. Intelligente Energiesysteme ermöglichen operative Synergieeffekte zwischen mobiler und stationärer Energieversorgung. Wie zum Beispiel zwischen Elektromobilien und stationären Speichern für die Netzabsicherung und -unterstützung. Insofern kann auch die öffentliche Energieinfrastruktur im laufenden Betrieb optimiert werden.
Die Batteriekapazität der ECS ist modular an die Anwendung anpassbar. Die Gesamtkapazität kann in der maximalen Ausbaustufe in 3 MWh Schritten skaliert werden. Zukünftig können auch andere, z.B. chemische Speicher in das Hybridsystem integriert werden, um die Abhängigkeit der Energieversorgung im Einsatz weiter zu senken. Hierfür kann aus der Überschussproduktion der erneuerbaren Energiequellen durch Elektrolyse Wasserstoff gewonnen werden. Dieser kann im Power-to-X Prinzip für Wärme oder Mobilität verwendet, oder durch Brennstoffzellen rückverstromt werden. Durch die frei anpassbare Plattform der Energy Container Solutions können auch zukünftige Entwicklungen integriert werden. Investitionen im Bereich der Energieinfrastruktur bleiben so auch bei sich stetig ändernden Gegebenheiten zukunftssicher.
