Konzeption, Planung und Realisierung eines vollelektrischen Binnenschiffes 01.06.2016, 11:18 Uhr

Elektromobilität auf deutschen Binnengewässern

Die Bundesrepublik Deutschland will zum Vorbild und zur Leitfigur für Elektromobilität werden, indem der Verkehrsraum energieeffizienter, klima- und umweltverträglicher gestaltet wird. Dieses erfordert eine Entwicklung von Antriebs- und Energieversorgungssystemen für alle Verkehrsträger. Gerade die Elektrifizierung in der Binnenschifffahrt kann zu einer beträchtlichen Reduktion der Emission bei diesem Verkehrsträger führen, da gegenwärtige Antriebsanlagen die kommenden Umweltauflagen nicht erfüllen werden. Die Idee eines elektrisch angetriebenen Propellers existiert schon seit Ende des 19. Jahrhunderts, jedoch war die Skepsis gegenüber dieser Technologie zu Unrecht sehr groß, und die rasante Verbreitung des Verbrennungsmotors stand dieser Technologie entgegen. Die Akkumulator- und Brennstoffzellen-Technik gelten heute als vielversprechende Möglichkeiten.

CAD-Entwurf des hybriden und vollelektrischen Schubschiffes „Elektra“.
Bild: TU Berlin

CAD-Entwurf des hybriden und vollelektrischen Schubschiffes „Elektra“. Bild: TU Berlin

Im Rahmen des Demonstrationsprojekts „Elektra“ geht das Fachgebiet Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme (EBMS) der Technischen Universität Berlin in Zusammenarbeit mit der Berliner Hafen- und Lagerhausgesellschaft mbH (BeHaLa) dem Leitgedanken der E-Mobilität in der Binnenschifffahrt nach. Am Fachgebiet EBMS ist der Entwurf eines E-Schiffes entstanden, bei dem die Antriebs- und Energieversorgung durch Akkumulatoren (Akku) grundlegend abdeckt und mit einer Brennstoffzelle als Range Extender (Reichweitenverlängerer) noch erweitert wird. Hierbei beweisen die Konzepte aus Akku und Brennstoffzelle nicht nur die technische Machbarkeit oder ökologischen Vorteile, sondern auch ihre wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit. Das energieeffiziente hybrid/vollelektrische Schubschiff wird unter dem Namen Elektra gebaut und im Berliner Westhafen beheimatet sein. Gründe des Projekts sind, das Leitbild der Elektromobilität für Deutschland – auch auf dem Wasser – zu unterstützen sowie auch bei der tatsächlichen Einhaltung des Kyoto-Protokolls mitzuwirken. Nach internen Hochrechnungen kann die Luftverunreinigung im Bereich der Binnenschifffahrt in der Region Berlin um rund 40 % gesenkt werden.

Das Projekt Elektra ist ein maritimes Teilprojekt, das innerhalb des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) im Leuchtturmprojekt e4ships angesiedelt ist. Es startete am 1. Juli 2015, und bis Ende 2016 soll dabei die Konzeptionierung und Planung zur Realisierung eines vollelektrischen Binnenschiffes abgeschlossen werden. Anschließend folgt Anfang 2017 der Bau des E-Binnenschiffes. Die kommerzielle Indienststellung ist nach derzeitigem Planungsstand für Ende 2019 im Berliner Westhafen vorgesehen.

Aufstellung und Betrieb

Das Konzept der zu entwerfenden Elektra soll bestehende dieselbetriebene Schubschiffe ersetzen. Die Elektra selbst soll vor allem den Schwergutleichter „Ursus“ mit unterschiedlichen Arten von Projekt­ladungen schieben. Zu den wichtigsten Projektladungen des Ursus zählen Siemens-Turbinen, die vom Produktionsstandort Moabit zum Westhafen oder nach Hamburg befördert werden. Aber auch Schrott, Kohle, Kies und Stückgüter von bis zu 1 200 t im regionalen Wirtschaftsgüterverkehr gehören zum Tagesgeschäft der BeHaLa.

Die erste Hürde der vollelektrischen Elektra bestand in der genauen und realen Auslegung des zukünftigen Betriebszyklus. Hierfür wurden umfassende Betriebsmessfahrten und Energieanalysen mit Betriebszeiten auf verwandte Schubschiffe gleicher Größe durchgeführt. Die gemessenen Daten, wie Geschwindigkeit, Dieselverbrauch und Motordrehzahl, wurden zusammen mit den Analysen in eine CFD-Simulation eingepflegt. Hierdurch lassen sich Prognosen über Energie und Leistung bei einem gegebenen Rumpf treffen und außerdem Angaben zu Gewicht und Raumbedarf von Akkus, Brennstoffzelle und H2-Versorgung machen. Im Vordergrund steht das Wechselspiel zwischen dem Wasserwiderstand des Rumpfes und der Integration der Akkus. Die Rümpfe durchliefen die CFD-Simulation mehrmals, bis der letzte Rumpf in der Iterationsschleife ein Optimum zwischen Hydrodynamik und Platzbedarf vorwies. Allerdings wird der iterative Entwurfsprozess maßgeblich vom Raumbedarf der Akkus eingegrenzt. BeHaLa und EBMS einigten sich bei regionalen Fahrten auf batterie-elektrischen und überregionalen Fahrten auf hybrid-elektrischen Betrieb.

Regionale Fahrten

Die Elektra legt vom Westhafen aus Strecken von etwa 70 km im Raum Berlin/Brandenburg innerhalb eines Arbeitstages bei Geschwindigkeiten von 8 bis 10 km/h im batterie-elektrischen Betrieb zurück. Für die Propulsions-, Bordnetz- und Not-­Akkus werden Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LFP) mit knapp 3 MWh benötigt. Die Akkus befinden sich im Rumpf des Schiffes als modularer Aufbau in einem Stahlrahmen und besitzen ein Gewicht von etwa 40 t. Die Binnenschiffsuntersuchungsordnung (BinSchUO) schreibt die Redundanz sowie die Trennung der Versorgung vor. Für einen redundanten Betrieb werden die zwei E-Motoren mit je 200 kW von zwei elektrisch getrennten Akku-Bänken versorgt. Die Propulsions-Akkus sind für einen Arbeitstag bei einer Betriebsspannung von 600 V DC ausgelegt. Die Spannungsversorgung für die Klein- und Großverbraucher stellt der Bordnetz-Akku bei 230 V AC und 24 V DC für 16 Stunden bereit (Bild 1).

Bild 1 Quellen- und Senken-Topologie mit den zugehörigen Spannungsebenen. Bild: TU Berlin

Bild 1 Quellen- und Senken-Topologie mit den zugehörigen Spannungsebenen. Bild: TU Berlin

Im Falle eines Notbetriebs soll der Not-Akku 30 Minuten lang die erforderliche Versorgung, zum Beispiel Funk und Lichter, bereitstellen. Weiterhin wird eine Photovoltaik (PV)-Anlage installiert, die hauptsächlich den Not-Akku beim Unterschreiten eines Spannungsniveaus im vollgeladenen Zustand hält.

Überregionale Fahrten

Aufgrund des begrenzten Raums im Rumpf verfügt die Elektra nur über eine geringe Reichweite. Für den Fall einer überregionalen Fahrt kommt deshalb eine etwa 200-kW-Niedertemperatur-PEM-Brennstoff­zelle als Range Extender zum Einsatz. Dadurch verdoppeln sich die realisierbare Strecke sowie die Betriebszeit auf ungefähr 140 km beziehungsweise 16 Stunden. Für schnelle Lastsprünge oder kurzzeitige Beschleunigungsvorgänge kommt der Akku für die damit verbundene Spitzenlast zum Einsatz. Die Brennstoffzelle stellt die Grundlastversorgung zur Verfügung. Mit diesem aus dem Automotivbereich bekannten Konzept, kann auch schonend Energie von der Brennstoffzelle in den Akku eingespeist und bei einer abrupten Geschwindigkeits-Drosselung oder einem Bremsvorgang zurückgewonnen werden. Dank der Koexistenz von Akku und Brennstoffzelle kann dieser hybrid-elektrische Antrieb für überregionale Fahrten nach Magdeburg, Stettin oder sogar nach Hamburg eingesetzt werden.

Bunker und Ladeinfrastruktur

Für die Strecke Berlin–Hamburg liegt der Wasserstoffbedarf bei etwa 13 MWh. Für die üblicherweise eingesetzten Druckspeichertanks (GH2) bei 500 bar ergibt sich eine Menge von rund 400 kg. Angesichts des Platzbedarfs stellt der chemische Wasserstoffspeicher LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carriers) unter Umständen eine attraktive und ernst zu nehmende Alternative zu den GH2 dar. Die ölartige Trägerflüssigkeit setzt H2 bei einer Temperatur von etwa 300 °C frei (Dehydrierung). Um auf diese Temperatur zu kommen, wird ein Teil des frei werdenden H2 zum Heizen für die Dehydrierung verwendet. Die überregionale Strecke Berlin–Hamburg kann so mit drei Anlegestopps innerhalb von vier Tagen zurückgelegt werden.

Um die rund 400 km lange Strecke ökonomisch fahren zu können, findet hier eine Kombination aus den Betriebsformen batterie-elektrisch und hybrid-elektrisch statt (Bild 2).

Bild 2 Lade- und Tankstoppstrategie für die Strecke Berlin – Hamburg. Bild: TU Berlin

Bild 2 Lade- und Tankstoppstrategie für die Strecke Berlin – Hamburg. Bild: TU Berlin

In den Metropolen Berlin und Hamburg könnte eine wasserseitige Erweiterung der wassernahen Wasserstofftankstellen zum Bunkern genutzt werden. Nach der Hälfte der Wegstrecke ist eine Zwischenbetankung mit Wasserstoff an einem Liegeplatz erforderlich. Bei dieser Zwischenbetankung sind semimobile H2-Tankspeicher geplant. Die Tankspeicher lassen sich vorerst von einem H2-Trailer befüllen, von dort bunkert die Elektra dann den Wasserstoff an Bord. Mit dem LOHC-Konzept könnte dieser H2-Bunkerstopp entfallen, da die erforderliche Gesamtmenge im Berliner Westhafen aufgenommen wird. Bei der Ladeversorgung werden verschiedene hafenseitige Konzepte ausgearbeitet. Während des Liegebetriebes sollen dabei die Akkus vollständig und innerhalb von sieben Stunden schonend geladen werden.

Von Georgios Mitropoulos, Prof. Dr. Gerd Holbach, Marcus Fiedler, Robert Kutz und Klaus-G. Lichtfuß

Georgios Mitropoulos, Prof. Dr. Gerd Holbach, Marcus Fiedler, Robert Kutz, FG Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme, Technische Universität Berlin

Klaus-G. Lichtfuß, Berliner Hafen- und Lagerhausgesellschaft mbH

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