Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle erzeugt Strom aus einer chemischen Reaktion, ohne dass etwas verbrennt. Im häufigsten Fall reagiert Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasser; die frei werdende Energie fließt als Gleichstrom ab. Anders als eine Batterie speichert die Zelle die Energie nicht selbst: Sie liefert so lange Strom, wie Brennstoff nachkommt.

Bekannt ist die Technik aus Heizungen, Autos und Wohnmobilen. In der Netzwerk- und Telekommunikationstechnik hat sie eine eigene Nische: als leise, abgasfreie Notstromversorgung an Orten, an denen ein Dieselaggregat stört oder eine Batterie nicht lange genug reicht.

Wie sie funktioniert

Eine Zelle besteht aus zwei Elektroden, getrennt durch einen Elektrolyten. An der einen Seite wird Wasserstoff zugeführt und in Protonen und Elektronen zerlegt. Die Protonen wandern durch den Elektrolyten, die Elektronen müssen den Umweg über den äußeren Stromkreis nehmen, und das ist der nutzbare Strom. Auf der anderen Seite verbinden sich Protonen, Elektronen und Sauerstoff zu Wasser.

2 H2 + O2 → 2 H2O

Eine einzelne Zelle liefert unter Last nur etwa 0,6 bis 0,7 Volt. Für brauchbare Spannungen werden viele Zellen zu einem Stapel, dem Stack, in Reihe geschaltet. Ein Wechselrichter macht bei Bedarf Wechselstrom daraus.

Bauarten

Der elektrische Wirkungsgrad liegt je nach Bauart bei rund 40 bis 60 Prozent, bei kleinen Leistungen oft über dem eines Dieselaggregats ähnlicher Größe. Die Abwärme lässt sich nutzen, bei kleinen Notstromanlagen ist sie aber Nebensache.

Notstrom an Funkstandorten

Basisstationen von Mobilfunk und Behördenfunk brauchen wenige Kilowatt, sollen aber bei einem Stromausfall lange weiterlaufen. Eine Batterie allein reicht dafür meist nur Stunden, ein Dieselaggregat ist laut, wartungsintensiv und auf Dächern oder in Wohngebieten oft nicht erlaubt. Die Brennstoffzelle füllt diese Lücke.

• BOS-Digitalfunk Baden-Württemberg: Seit 2015 sichern Wasserstoff-Brennstoffzellen (PEM) mit 2 bis 4 kW an 36 Funkstandorten den Betrieb für mindestens 72 Stunden. Das Land hob hervor, dass sie außer Wasser keine Abgase erzeugen; 36 Dieselaggregate hätten in dieser Zeit rund 7.200 Liter Kraftstoff gebraucht.
• Alarmierung im Landkreis Meißen: Eine Methanol-Brennstoffzelle lädt die Batterie eines digitalen Alarmumsetzers nach und verlängert die Laufzeit von rund 46 Stunden auf mindestens sieben Tage.
• Mobilfunk: Die Telekom hat 2022 Brennstoffzellen an Mobilfunkstandorten erprobt, mit Wasserstoff als Notstrom und mit Ammoniak als autarke Versorgung.

Die Größenordnung lässt sich überschlagen: Ein Standort mit 4 kW braucht für 72 Stunden 288 kWh Strom. Ein Kilogramm Wasserstoff enthält rund 33 kWh; bei 50 Prozent Wirkungsgrad sind das gut 17 kg Wasserstoff, gespeichert in Druckflaschen. Der Brennstoff muss nachgeliefert werden, was eine eigene Logistik verlangt.

Im Rechenzentrum

Rechenzentren sichern sich bisher fast immer mit Dieselaggregaten ab, der Netzersatzanlage. Brennstoffzellen gelten als Ersatz ohne Diesel und ohne Abgase vor Ort, sind dort aber noch nicht über Tests hinaus:

• Microsoft ließ 2020 eine Reihe Server 48 Stunden mit einer 250-kW-Brennstoffzelle laufen und testete 2022 eine Anlage mit 3 MW in zwei Containern. Ziel ist, Diesel als Notstrom bis 2030 abzulösen; ein Produktiveinsatz war damit nicht verbunden.
• Nicht verwechseln: Für ein Rechenzentrum in Eindhoven wurde 2022 ein Notstrom mit Wasserstoff angekündigt, aber in Gasmotoren, nicht in Brennstoffzellen.

Die Hürden sind im großen Maßstab dieselben wie am Funkmast, nur größer: Ein Rechenzentrum mit 20 MW bräuchte für einen Tag Notbetrieb rund 30 Tonnen Wasserstoff, gelagert auf dem Gelände. Weil eine PEM-Zelle einige Sekunden bis Minuten zum Hochfahren braucht, überbrückt wie beim Diesel die USV die ersten Momente.