Wir stellen vor: Die Preisträger des Nachhaltigkeitswettbewerb Mobilfunk #greenpower4tower

Wie können Mobilfunkmasten in abgelegenen ländlichen Gebieten völlig autark mit Strom versorgt werden? Und das nachhaltig und CO2-neutral? Um diese Frage zu beantworten, hat das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gemeinsam mit der Mobilfunkinfrastrukturgesellschaft mbH den Nachhaltigkeitswettbewerb Mobilfunk #greenpower4tower ausgelobt. Der Wettbewerb sendet einen wichtigen Impuls für den flächendeckenden Mobilfunkausbau in Deutschland und ist ein wichtiger Baustein der Gigabitstrategie. Denn Ziel ist es, wegweisende, innovative und autarke Energieversorgungssysteme zu identifizieren und für den zukünftigen Einsatz zu erproben. Das sind die Prämierten des Ideenwettbewerbes.

Das „Rundum-Sorglos-Paket“ von Delta Electronics

Preisträger in der Kategorie „Umsetzungsreifes Gesamtkonzept“

Die Idee von Delta Electronics ist ein Rundum-Sorglos-Paket. Es umfasst nicht nur die Hardware, Software und Wartung, sondern auch umfassende End-to-End-Supportdienste.

Alle der in den Wettbewerbsunterlagen gestellten Anforderungen wurden ganzheitlich und quantitativ betrachtet und ein umsetzungsnahes, innovatives Lösungskonzept für energieautarke Tower-Standorte vorgeschlagen.

Und so funktioniert es: Das System kombiniert Solar- und Windenergie, einen Lithium-Ion Speicher und einen Gleichrichter miteinander. Eine zentrale Steuereinheit koordiniert die Energiequellen, das Speichern und den Verbrauch. Das heißt, die erzeugte Energie aus Sonne und Wind wird in den Batterien gespeichert und/oder an die Verbraucher (den Mobilfunkmast) abgegeben. Somit findet das ständige Laden und Entladen der Batterien in Dauerschleife statt. Die so erzeugte Leistung kann den Energiebedarf einer Mobilfunkstation je nach Anlagenkonfiguration mit bis zu 15 Kilowatt und mehr rund um die Uhr versorgen. Um eine hundertprozentige Verfügbarkeit auch bei nicht verfügbarer erneuerbarer Energie gewährleisten zu können, soll eine CO2-neutrale Brennstoffzellenlösung als Backup System fungieren. Das Backup-System kann aber auch mit Wasserstoff oder mit Methanol umgesetzt werden.

Das Besondere an diesem Konzept: Auf dem Markt gibt es bis jetzt nur Teillösungen mit Solar, Wind oder Batterien, die aber immer noch eine Anbindung an das Stromnetz benötigen. Aber: Diese Lösungen sind für die Versorgung von Mobilfunkanlagen schon in Betrieb. Delta Electronics hat diese Teillösungen auch schon mit Partnern umgesetzt und die daraus gewonnenen Erkenntnisse und gesammelten Erfahrungen genutzt, um sie zu einer kompletten Lösung weiterzuentwickeln. Gesteuert wird das System über einen Controller, der alle Teile des Systems intelligent erfasst, überwacht und miteinander verbindet. Eine Visualisierungssoftware mit anpassungsfähigem Dashbord gibt dem Anwender jederzeit in Echtzeit Auskunft über die Energieflüsse und den Betriebszustand der Anlage.

Für die Umsetzung sind die notwendigen technischen Einzelkomponenten bereits in Serienfertigung vorhanden und auf dem Markt verfügbar. Das erlaubt eine zügige Umsetzung und Beschaffung ohne weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeit für die Hardware. Aufgrund des hohen Reifegrads der Lösung kann die COPS für ein Pilotprojekt in 6-8 Monaten einsetzbar sein. Nach erfolgreichem Pilotprojekt, Auswertung und Optimierung könnte der kommerzielle Einsatz innerhalb weiterer 6-8 Monate machbar sein.

Die MuWind-Turbine - Mit mehreren Miniwindkraftanlagen in die Stromautarkie

Ausgezeichnet mit Innvotationspreis

Die Idee von MuWind ist es, kleine umweltfreundliche Windturbinen um den Funkmast herum zu installieren. In unmittelbarer Nähe erzeugen sie die benötigte Energie für den Betrieb der Sendetechnik. Die Miniwindkraftanlagen sollen weder die Funksignale stören noch die nutzbare Antennenfläche beeinträchtigen. Die Gehäuse und Rotorblätter sind aus Bambusfasern gefertigt. In einem „Second Life“ werden die Windturbinen wieder aufgearbeitet und kommen über eine NGO beispielsweise in Afrika zum Einsatz. Für diese besonders vielversprechende, nachhaltige Windturbine erhält MuWind einen Innovationspreis.

Und so funktioniert es: Jede Windturbine hat laut MuWind eine Jahresleistung von 3.000 bis 5.000 Kilowattstunden und ist für die Montage mit gängigen und handelsüblichen Werkzeugen konzipiert. Zwei dieser Miniwindturbinen würden bereits ausreichen, um einen Mobilfunkmast zu betreiben. Wird mehr Energie benötigt, können weitere Turbinen am Funkmast installiert werden. In Kombination mit einer Photovoltaikanlage und einem Batteriespeicher sollen die Turbinen einen Funkmast zu 100 Prozent mit erneuerbaren Energien versorgen können. Für schwierige Standorte, also für Regionen, in denen es zu längeren Phasen ohne Wind kommt, ist ein zusätzliches Notstromaggregat als Backup- System ratsam.

Das Besondere an diesem Konzept: Die MuWind-Turbine zeichnet sich durch eine höhere Stromerzeugung und durch die Integration in bestehende Photovoltaikanlagen aus. Die Miniwindkrafträder werden auf einem kippbaren Mast installiert. Sie verursachen keine Signalstörungen, sind vollständig recycelbar (Bambusfaser-Konstruktion) und kostengünstig in der Wartung.

Ein Prototyp wurde im Januar 2024 im Kreis Heidenheim (Baden-Württemberg) errichtet und wird dort zurzeit getestet. Außerdem läuft gerade der Homologationsprozess für einen 15-Jahre-Betrieb. Es gibt aktuell 20 Kundenprojekte für 2024 in Deutschland, Europa (Frankreich, Spanien, Italien), Afrika (Ghana) und Indien (Telangana). MuWind plant für 2025 die Serienfertigung der Miniwindturbine.

Ein ausgeklügeltes Energiemanagement von PLAN SOLAR für den energieautark betriebenen Funkmast

Ausgezeichnet mit Innvotationspreis

Die Idee von PLAN SOLAR verbindet drei Hauptkomponenten mit einer intelligenten Steuerung: 1. die Energieerzeugung mittels Photovoltaik und Windkraft, 2. einen hocheffizienten und sehr robusten Batteriespeicher und 3. eine Brennstoffzelle. Eine ausgeklügelte auf Künstlicher Intelligenz basierende Steuerung verbindet die einzelnen Elemente, sodass die Betriebskosten geringgehalten werden können. Für dieses datengetriebene Planungs- und Betriebsverfahren für energieautarke Tower-Standorte hat Plan Solar ebenfalls einen Innovationspreis erhalten.

Und so funktioniert es: Durch die Auswertung von Wetterdatensätzen wird standortspezifisch eine Dimensionierung des Systems vorgenommen, sodass es zu einer sehr hohen Deckungsrate durch die erneuerbaren Erzeugungsanlagen (Wind und Sonne) kommt. Kurze Dunkelflauten können durch den Batteriespeicher überbrückt werden. Sollte es zu längeren Phasen mit geringem Ertrag kommen, fängt die Brennstoffzelle die Last auf. Diese Auslegungsmethodik ist absolut technologieneutral. Das bedeutet, dass sowohl die Speicher als auch die Erzeuger in der Auslegung beliebig gegen neue Technologien ausgetauscht werden können. Für die Auslegung wird eine mehrjährige Simulation des Systems durchgeführt, wodurch das System kostenoptimal eingerichtet werden kann, ohne die Versorgungssicherheit zu gefährden. Einfache und robuste Lösungen für Batteriespeicher und Brennstoffzelle bieten hier Direktmethanolbrennstoffzellen (DMBZ) und Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (LiFePO4). LiFePO4-Batterien zeichnen sich durch eine gute Leistungsdichte und eine hohe Zyklenfestigkeit aus. Das heißt, sie haben eine hohe Lebensdauer bevor ihre Kapazität oder Leistung nachlässt. Eine Alternative dazu bieten Natrium-Ionen-Batterien. Sie versprechen deutliche Kostenvorteile, sind aber aktuell noch in einem frühen Entwicklungsstadium.

Das Besondere an diesem Konzept: Vor allem der Ansatz der Auslegung durch eine mehrjährige Systemsimulation ist neu. Dadurch können die Komponenten, die die kontinuierliche Versorgung sicherstellen, für den jeweiligen Funkmast minimal groß ausgelegt werden, um Investitionskosten zu sparen. Ziel der intelligenten Betriebsführung ist es zudem, die Brennstoffkosten zu minimieren bei gleichzeitig möglichst kleiner Batterie und eine theoretische Versorgungssicherheit von 100 Prozent zu gewährleisten. Im Betrieb übernimmt ein Energiemanagementsystem auf Basis einer KI. Sie wird anhand von historischen Betriebsdaten trainiert und ermöglicht eine effiziente Ausnutzung aller zur Verfügung stehenden Ressourcen. Jeder Standort wird individuell berechnet und an die lokalen Gegebenheiten angepasst. So wird ein sicherer Betrieb des Mobilfunkmasten gewährleistet und eine Versorgung aus 100 Prozent erneuerbaren Energien ist machbar.

Die Programmierung des Auslegungstools ist abgeschlossen, was bedeutet, dass erste Berechnungen durchgeführt werden können. Parallel laufen Planungen dafür, das System aus Photovoltaik und Windkraft, einem Batteriespeicher und einer Brennstoffzelle in die Praxis umzusetzen.