Netzstabilisierung mit Metall-Hydridspeichern

Wasserstoff gilt als Schlüssel für die Energiewende. Doch was bisher als Vision gilt, ist bei GRZ-Technologies längst Realität. In der Nähe des Murtensees entwickelt und baut das EPFL-Spin-off modulare Systeme, die mit Steuerungstechnik von Sigmatek erneuerbare Energie sicher speichern und jederzeit gezielt verfügbar machen.

Im Industriegebiet von Avenches, keine drei Minuten von der Autobahn entfernt, befasst sich GRZ mit der Energiespeicherung von morgen. Und diese wirkt auf den ersten Blick fast unscheinbar: ein Container, beladen mit Metallröhren, Elektronik und Sensorik. Doch in seinem Innern ruht Erneuerbare Energie, sicher in Metallhydrid-Stacks gespeichert und zur Rückverstromung bereit, sobald sie gebraucht wird.

Weil diese Metallhydride Einfluss auf die Speicherfähigkeit des Wasserstoffs haben, gilt deren Erforschung ein Grossteil des Aufwands von GRZ. Das Spin-off hat in seinem Materiallabor bereits viele Legierungen untersucht, um ein noch tieferes Verständnis für deren thermodynamische Prozesse zu bekommen.

«Wasserstoff ist sicher, nachhaltig und flexibel einsetzbar», begründet Bernd Maus diesen Aufwand und ergänzt: «Unsere Metallhydridspeicher nehmen den Wasserstoff reversibel auf und können diesen jederzeit wieder freigeben.» Wie das genau geht, darüber hüllt sich der Leiter Elektro-Engineering in Schweigen. Schliesslich ist dies das Know-how für die nachhaltige Energiespeicherung von morgen. Nur so viel verrät er: «Das Material in den Metallhydridspeichern zerfällt beim Aktivieren in eine feinere Struktur und ist dadurch aufnahmefähig für grosse Mengen Wasserstoff.»

Viele Legierungen untersucht auf ihre Einsatzfähigkeit in Wasserstoffspeichern

Die Herausforderung: Jedes Einsatzszenario stellt andere, spezielle Anforderungen an Temperatur, Druck oder Zyklusdauer, um nur einige Punkte zu nennen. Diese Vielzahl an Einflussfaktoren ist denn auch der Grund dafür, dass mittlerweile viele Legierungen auf ihre Einsatzfähigkeit in Wasserstoffspeichern hin untersucht worden sind. Eine der Produktreihen, die in diesem Rahmen entstanden sind, ist die Dash-M-Serie. Bei dieser handelt es sich um ein modulares Speichersystem, das sich für Anwendungen von Privathaushalten bis hin zu industriellen Grossverbrauchern skalieren lässt.

Einen Schritt weiter geht GRZ mit der Dash-C-Serie, die Speicher, Steuerung, Kühlung und Peripherie in einem Container integriert und so in der Lage ist, 675 Kilogramm Wasserstoff sicher zu speichern. Diese Energiedichte, um es zu veranschaulichen, entspricht dem Fassungsvermögen von 67 Tanklastwagen, wie sie etwa Hersteller wie Linde zum Transport des begehrten Gases einsetzen.

Ein zentrales Thema bleibt aber auch hier die Sicherheit. «Wasserstoff ist nicht gefährlicher als andere Energieträger, sofern man die Grundlagen versteht und beachtet», versichert Bernd Maus. GRZ arbeitet dazu beispielsweise mit dauerhaft dichten Verbindungen, um Ex-Zonen weitgehend zu vermeiden.

Damit alle Komponenten zuverlässig miteinander kommunizieren, setzt GRZ auf Steuerungstechnik von Sigmatek. Neben der Flexibilität der Steuerungskomponenten und deren kompakter Bauform sprachen auch die kurzen Lieferzeiten für die Lösungen des Automationsexperten aus dem Salzburger Land. Dazu Bernd Maus: «Wir haben ein begrenztes Platzangebot im Container. Mit Sigmatek hat es gepasst.» Zum Einsatz kommen CPU-Module, Interface-Karten, digitale I/Os und Kommunikationsschnittstellen für Brennstoffzellen, Batterien und Sensoren.

Das modulare S-DIAS Automatisierungssystem, überzeugt dabei mit einer hohen Packungsdichte, Echtzeitfähigkeit und durchgängiger Buskommunikation. Die kompakte Bauweise der Module ermöglicht die Integration auch bei sehr beengten Platzverhältnissen, was für Containerlösungen wie bei GRZ i9deal ist. Der eingesetzte Remote Access Router (RAR) ermöglicht einen sicheren, schnellen Fernzugriff auf Maschinen – und das weltweit, mit integrierter VPN-Technologie, ohne IT-Aufwand und einfacher Plug-and-Play-Installation.

Wo Leistung auf Präzision trifft

Die Steuerung verbindet bei GRZ nicht nur alle Hardwarekomponenten miteinander, sondern steuert ebenso die Energieflüsse präzise. Das ist entscheidend, denn jeder Fehler und jede Verzögerung würden die Energieeffizienz und Sicherheit der Anlage gefährden.

In den Dash-Power-Systemen kommuniziert die Sigmatek-Steuerung mit rund 170 bis 180 I/O-Punkten, regelt Temperaturen, überwacht Drücke, steuert Ventile und verarbeitet Rückmeldungen der Brennstoffzellen und Batteriesysteme. Zwar sind dafür keine Echtzeitzyklen nötig, die Zykluszeiten liegen zwischen 100 und 500 Millisekunden, aber diese Extraleistung nimmt GRZ gerne mit.

Die Entscheidung fiel aber nicht nur deswegen zugunsten von Sigmatek. «Die gute, direkte Betreuung war für uns ein weiteres Argument», sagt Bernd Maus. Gerade während der Entwicklungs- und Integrationsphase war er darum froh, weil die Unterstützung schnell, kompetent und lösungsorientiert erfolgte. Das kennt er so nicht von allen Anbietern, mit denen er zu tun hatte. «Wenn es brannte, genügte ein Anruf und oftmals haben wir noch am gleichen Tag eine Lösung erhalten», lobt Bernd Maus ausdrücklich.

Für ihn ist das ein nicht zu unterschätzender Aspekt: «Wir haben bisher mit Linux-basierten Industrieprozessen und Java gearbeitet. Das war aber für uns keine dauerhafte Lösung.» Zwar war die Einführung des Sigmatek-Tools Lasal für ihn als Techniker mit anderem Steuerungshintergrund ungewohnt, doch die Schulung bei Sigmatek Schweiz half ihm schnell, die Systematik von Lasal zu verstehen.

Das Engineering Tool basiert auf objektorientierter Programmierung (OOP) und unterstützt eine klare, modulare Strukturierung des Projekts. Durch den durchgängigen OOP-Ansatz lassen sich Funktionen, wie Temperaturregelung oder Ventilansteuerung als Klassen abbilden und wiederverwenden. Dies spart Entwicklungszeit, erhöht die Wartbarkeit und reduziert Fehlerquellen. Lasal ermöglicht zudem eine nahtlose Integration von Visualisierung, Diagnostik und Simulation. Das grafisch orientierte Programmdesign unterstützt ein intuitives Engineering. Die Kombination aus IEC-61131-konformen Sprachen, grafischer Objektmodellierung und Diagnosefunktionen sorgt für eine hohe Effizienz sowohl in der Entwicklung als auch im laufenden Betrieb.

Dieser Ansatz hilft vor allem bei der Weiterentwicklung der bestehenden Systeme. Die Lösungen können so wachsen und lassen sich modular erweitern – sei es für mehr Speicher, mehr Ausgangsleistung oder andere Anforderungen. Selbst für zukünftige Anwendungen, wie thermische Kompressoren zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff, sieht Bern Maus Potenzial.

Ein Container und viele Möglichkeiten

Die Einsatzgebiete der Dash-Systeme reichen von industriellen Grossverbrauchern über Gebäude mit PV-Anlagen bis hin zu fernen Standorten ohne Netzanschluss. Ein Beispiel ist ein Edelstahlrohrhersteller. Er nutzt die Lösung zur Spitzenlastkappung. Doch der eigentliche Treiber hinter all dem bleibt die Vision von GRZ. «Wasserstoff kann helfen, die Energiewende Realität werden zu lassen», sagt Bernd Maus und ergänzt: «Die Herausforderung ist nicht mehr die Technik, sondern der Wille, es umzusetzen.»