Wasserstoff auf See: Europa entwickelt Brennstoffzelle für 80.000 Betriebsstunden
Neun Partner wollen eine maritime Brennstoffzelle bauen, die 80.000 h hält. Als wäre das nicht genug, soll sie auch noch einen Rekord brechen.
Große Frachtschiffe lassen sich kaum mit Batterien elektrifizieren. Brennstoffzellen könnten eine Alternative sein.
Foto: Smarterpix/Alex.Stemmer
Reiner Wasserstoff wird nach wie vor als alternativer Treibstoff für alle Arten von Fahrzeugen diskutiert: Pkw und Lkw, Züge, Flugzeuge… und natürlich Schiffe.
Um den maritimen Verkehr war es jüngst etwas stiller geworden, da eher Wasserstoffderivate wie Methanol als Treibstoffalternative gehandelt wurden. Ein Konsortium aus neun Industrie- und Forschungspartnern will nun den reinen Wasserstoff wieder ins Spiel bringen und entwickelt die erste PEM-Brennstoffzelle im zweistelligen Megawatt-Bereich für die Schifffahrt. Die anvisierte Lebensdauer liegt bei mehr als 80.000 Betriebsstunden. Etwas Vergleichbares gibt es in Europa bisher nicht.
Das Kick-off des Projekts fand Mitte Februar im finnischen Espoo statt. Was steckt hinter dem überraschenden Vorhaben, und wie realistisch ist es?
Inhaltsverzeichnis
Warum die Schifffahrt dekarbonisieren muss
Der maritime Verkehr verursacht laut der International Maritime Organization (IMO) knapp 3 % der weltweiten Treibhausgasemissionen – Tendenz steigend. Das ist mehr als der Flugverkehr, dessen Ausstoß laut IEA im Jahr 2023 bei rund 2,5 % lag. Große Schiffe lassen sich genauso wenig mit Batterien elektrifizieren wie Flugzeuge: Die Energiedichte reicht nicht für lange Strecken, und die Ladezeiten sind für den kommerziellen Betrieb zu lang.
Wasserstoff-Brennstoffzellen könnten daher auch in diesem ‚hard-to-abate‘-Sektor eine Alternative sein. Sie erzeugen Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff, stoßen dabei nur Wasser aus und bieten eine hohe Energiedichte im Verhältnis zum Gewicht. Das macht Wasserstoff gerade für die Schifffahrt interessant: Große Mengen lassen sich an Bord mitführen, was lange Fahrten auf See ermöglicht.
Die Idee hinter „MiNaMi“
Hier setzt das Projekt MiNaMi an, kurz für „Million Nautical Mile Fuel Cell System„. Wie der Name schon sagt, soll das System über eine Mio. Seemeilen bei 12,5 Knoten zuverlässig funktionieren.
Die Laufzeit des Projekts beträgt vier Jahre bis Ende 2029. Gefördert wird es über das Clean Hydrogen Joint Undertaking im Rahmen von Horizont 2020. Im EU-Auswahlverfahren setzte es sich nach Angaben der Verantwortlichen gegen sieben weitere Bewerbergruppen durch.
Über 10 MW stapelbare Leistung
Das MiNaMi-System soll nach Angaben aus dem Konsortium eine Leistung von über 10 MW erreichen. Dabei setzen die Partner auf ein modulares Konzept: Einzelne Brennstoffzellen-Stacks lassen sich kombinieren, um die Leistung je nach Bedarf zu skalieren. Niels Junker, Commercial Director bei der Allengra GmbH, einem der neun Projektpartner, fasst das Projekt so zusammen:
Es geht darum zu demonstrieren, dass eine PEM-Brennstoffzelle über eine Million Seemeilen bei 12,5 Knoten effizient betrieben werden kann. Die Lebensdauer von Schiffen ist wesentlich länger als in anderen Anwendungen; das muss das System abbilden können,
Niels Junker, Commercial Director von Allengra.
Foto: Allengra
Die bislang leistungsstärksten Wasserstoff-Brennstoffzellen auf Schiffen liegen bei rund 3 MW. Der schwedische Hersteller PowerCell, selbst einer der MiNaMi-Partner, lieferte ein solches System für eine europäische Superjacht. Auf zwei Containerschiffen der dänischen Reederei Samskip kommen 3,2-MW-Module von Ballard Power Systems als Primärantrieb zum Einsatz.
Der Sprung auf über 10 MW wäre also mehr als eine Verdreifachung des aktuellen Stands.
Das Konsortium: Wer was beiträgt
Koordinator des Projekts ist das Forschungszentrum VTT. Die neun Partner decken mehrere Stationen der Wertschöpfungskette einer Brennstoffzelle ab:
- PowerCell Sweden liefert die Brennstoffzellen-Stacks.
- DFDS, eine der größten europäischen Fährreedereien, bringt den konkreten Anwendungsfall aus dem kommerziellen Schiffsbetrieb ein.
- ABB Marine & Ports übernimmt die Systemintegration.
- Vaisala steuert Umweltsensorik bei.
- Die Forschungsinstitute SINTEF (Norwegen), CERTH (Griechenland) und Fondazione Bruno Kessler (Italien) ergänzen das Konsortium auf wissenschaftlicher Seite.
Deutsches Unternehmen liefert Sensorik
Die Allengra GmbH aus Ravenstein bringt Ultraschall-Durchflusssensorik in das Projekt ein. Ihre Hauptaufgabe besteht in der Lösung eines Problems, das charakteristisch für PEM-Brennstoffzellen ist: In den Mini-Kraftwerken wird nie der gesamte Wasserstoff verbraucht. Ein Teil verlässt das System ungenutzt, vermischt mit Stickstoff und Feuchtigkeit.
An dieser Stelle gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder wird der überschüssige Wasserstoff abgeblasen, was teuer ist und Ressourcen verschwendet. Oder er wird rezirkuliert und erneut der Brennstoffzelle zugeführt. Dafür muss das System aber in Echtzeit wissen, wie viel Wasserstoff noch im Gasgemisch enthalten ist. Genau das messen die Allengra-Sensoren: Sie bestimmen per Ultraschall den Durchfluss und die Gaszusammensetzung gleichzeitig. Damit ermöglichen sie laut Hersteller eine gezielte Rückführung des Wasserstoffs.
„Wenn nach der Brennstoffzelle noch 30 % Wasserstoff im Gemisch übrig sind, muss ich nicht so viel neuen Wasserstoff zuführen“, erklärt Niels Junker von Allengra auf Anfrage von Ingenieur.de. „Das erhöht die Effizienz des Gesamtsystems erheblich. 30 bis 40 % sind durchaus möglich, je nach Aufbau.“
Die Ultraschallsensoren von Allengra messen Durchfluss und Gaszusammensetzung in der Brennstoffzelle gleichzeitig.
Foto: Allengra
Dieser Ansatz kann die Effizienz des Gesamtsystems nach Angaben aus dem Projekt erheblich steigern. Je größer die Brennstoffzelle, desto relevanter wird die Rezirkulation, weil auch die Menge an ungenutztem Wasserstoff wächst. „VTT hat ein Muster unserer Sensorik getestet und war so überzeugt, dass sie uns unbedingt im Projekt haben wollten. Für uns als mittelständisches Unternehmen ist das ein großer Erfolg“, so Junker.
Warum Ultraschall in Wasserstoff so schwierig ist
Die Messung selbst ist nicht trivial. Wasserstoff hat eine sehr geringe Dichte, was die akustischen Signale der Ultraschallwandler abschwächt. Das gilt besonders im niedrigen Druckbereich zwischen 4 und 60 bar, wie er in Brennstoffzellen üblich ist.
Hinzu kommen Anforderungen an die Materialverträglichkeit: Alle Bauteile, die mit Wasserstoff in Kontakt kommen, müssen aus speziell geeignetem Edelstahl gefertigt sein. Feuchtigkeit und Wassertropfen im Gasstrom dürfen die Messung nicht verfälschen.
„Von allen Medien, die wir bisher gemessen haben, ist Wasserstoff das anspruchsvollste“, berichtet Allengra-Experte Junker. „Die Signale sind schwach, die Dichte ist niedrig, und das System muss trotzdem in Echtzeit verlässlich messen, auch bei Feuchtigkeit und Wassertropfen im Gasstrom.“
Wo die Brennstoffzelle noch zum Einsatz kommen könnte
Das MiNaMi-System ist primär für den maritimen Einsatz konzipiert. Die Partner sehen aber auch Anwendungspotenzial im Schienenverkehr, bei der stationären Stromerzeugung und bei schweren Arbeitsmaschinen wie Muldenkippern im Bergbau.
Ein konkretes Testschiff oder eine Route stehen noch nicht fest. Die Beteiligung von DFDS als Fährbetreiber legt aber nahe, dass das System perspektivisch auf europäischen Fährrouten erprobt werden könnte. Ein erster Prototyp wird frühestens gegen Ende der Projektlaufzeit erwartet, also voraussichtlich 2028 oder 2029.
Ob Wasserstoff in der Schifffahrt eine Chance hat, ist noch ähnlich unklar wie im Luft- oder Straßenverkehr. Dieses Projekt dürfte einen Teil dazu beitragen, es herauszufinden.
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