Umweltschutz 05.03.2021, 08:00 Uhr

Brennstoffzelle liefert Strom für Elektroschiff

Als Treibstoff für die Brennstoffzelle ist Ammoniak vorgesehen, das emissionsfrei hergestellt wird. Ein Spaltreaktor an Bord verwandelt es in Wasserstoff und Stickstoff, ein Katalysator knackt eventuell entstehende Schadgase.

Die Viking Energy der Reederei Eidesvik ist das weltweit erste Schiff, das mit einer Brennstoffzelle auf Ammoniak-Basis ausgerüstet wird. Bild: Eidesvik

Die Viking Energy der Reederei Eidesvik ist das weltweit erste Schiff, das mit einer Brennstoffzelle auf Ammoniak-Basis ausgerüstet wird. Bild: Eidesvik

In der zweiten Jahreshälfte 2023 wird das Versorgungsschiff „Viking Energy“ der norwegischen Reederei Eidesvik mit einem neuen Antrieb in See stechen. Es wird dann rein elektrisch angetrieben. Den benötigten Strom liefert ein Brennstoffzellensystem, das das Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM in Mainz mit 13 europäischen Partnern entwickelt. Für das Projekt „ShipFC“ hat die Europäische Union 10 Mio. bereitgestellt.

Das System besteht aus drei Komponenten. Die erste ist ein Reaktor, in dem der Treibstoff Ammoniak in Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) zerlegt wird, allerdings nicht vollständig. Das Gasgemisch enthält 75 % Wasserstoff. Der Rest setzt sich aus Stickstoff und einer kleinen Restmenge Ammoniak zusammen. Dieser Mix wird in die Hochtemperatur-Brennstoffzelle geleitet.

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Brennstoffzelle mit „Kat“

Katalysator-Teststand: Hier lassen sich alle Funktionen und die Leistung der Abgasreinigung eines Katalysators testen. Insgesamt verfügt das Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM über neun Teststände. Bild: Fraunhofer IMM

In der Zelle verschmelzen Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft bei einer Temperatur von mehr als 600 °C. Dabei entsteht Wasser und es wird Strom erzeugt. Der zunächst harmlose Stickstoff verwandelt sich wegen der hohen Temperaturen in der Zelle teilweise in Stickoxide, die die Atmosphäre belasten würden. Damit das nicht geschieht, strömen sie in einen Katalysator, der ähnlich aufgebaut ist wie ein Kat in Dieselfahrzeugen, allerdings um ein Vielfaches größer ist. Hier werden die Schadstoffe in Stickstoff und Sauerstoff aufgespalten. Außerdem fällt Wasser an, weil ein Teil des Wasserstoffs in der Zelle nicht umgesetzt wird.

Das Prinzip: Ammoniak wird im Spaltreaktor zu Stickstoff und Wasserstoff gespalten. Letzterer verbrennt in der Brennstoffzelle, dabei wird Strom erzeugt. Der Katalysator sorgt dafür, dass keine schädlichen Stickoxide entstehen. Übrig bleiben nur Wasser und Stickstoff. Bild: Fraunhofer IMM

Grünes Ammoniak mit Strom aus Wasserkraft

Das Ammoniak liefert mit Yara International einer der größten Hersteller dieser Chemikalie. Da der gesamte Strom, der dazu benötigt wird, am norwegischen Standort aus der Wasserkraft stammt, werden keine Emissionen freigesetzt. Die Brennstoffzelle wird also mit grünem Ammoniak und damit umweltneutral versorgt. Ein Prototyp des Katalysators soll Ende dieses Jahres fertiggestellt werden, ein Jahr später der Kat in Originalgröße.

Ganz schön kompliziert und aufwendig, werden Skeptiker sagen. Doch die Entscheidung für Ammoniak, ein im 100-Mio.-t-Maßstab hergestelltes Gas, das unter anderem für die Düngemittelproduktion genutzt wird, hat einen triftigen Grund. Während Wasserstoff bei einer Temperatur von minus – 253 °C oder in 700-bar-Drucktanks gelagert werden muss, ist Ammoniak bei einem Druck von 9 bar und einer Temperatur von 20 °C flüssig. „Das macht den Transport deutlich einfacher“, sagt Professor Gunther Kolb, Bereichsleiter Energie sowie stellvertretender IMM-Institutsleiter.

Ammoniak überholt Batterien

Außerdem ist die Energiedichte attraktiv. Sie kommt zwar nicht an Diesel oder Schweröl heran, liegt aber weit über der von Batterien und Wasserstoff in reiner Form. Die Brennstoffzelle, die der norwegische Spezialist Prototech entwickelt, wird mit einer Leistung von 2 MW eine der größten der Welt sein. Derzeit sind 100-kW-Zellen die Rekordhalter.

Prototech ist auch an einem zweiten Projekt beteiligt, das Brennstoffzellen aufs Schiff bringen soll. Dafür entwickeln die Norweger eine 1,2-MW-Zelle und eine On-Board-Wasserstofffabrik, die sowohl Ammoniak als auch Erdgas verarbeiten kann. Damit soll ein Chemikalientanker der norwegischen Reederei Odfjell ausgestattet werden. Sie wird allerdings nicht genug Strom für einen 100-prozentigen elektrischen Betrieb liefern.

Schiffe emittieren mehr CO2 als Deutschland

Laut Bundesumweltamt in Dessau war der Seeverkehr 2019 für 2,2 % der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Das ist mehr als der Gesamtausstoß von Deutschland, der bei 810 Mio. t lag. Das entspricht einem Anteil von 1,93 %. Dazu kommen Stickoxide, Schwefelverbindungen und Ruß in großen Mengen.

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Von Wolfgang Kempkens