Erneuerbare Energien (Promotion) Brennstoffzellen auf Schiffen – Zukunft grün!?

Die Kombination der verschiedenen Ansätze kann die CO₂-Emissionen der Branche noch erheblich reduzieren. Die Brennstoffzelle ist also eine Technologie, neben anderen, welche für die Schifffahrt an Relevanz gewinnen wird um die Netto-Null-Zielsetzung zu erreichen.

Der heutige Einsatz von Brennstoffzellen als Antrieb auf Schiffen beschränkt sich vorwiegend noch auf Pilotprojekte zum Beispiel in der Binnenschifffahrt. Inzwischen gibt es aber auch erste Hersteller von Luxusyachten mit Brennstoffzellenantrieb. Dort kommen PEM (Protonen-Austausch-Membran) Brennstoffzellen mit einer Gesamtleistung bis knapp 1 MW zum Einsatz. Die Forschung und Entwicklung treibhausgasneutraler Technologien wird zum Beispiel befördert durch die Mannheimer Erklärung 2018 der Mitgliedsstaaten der Zentralkommission für die Rheinschifffahrt, welche sich darauf verständigt hat bis 2050 Treibhausgase und andere Schadstoffe weitgehend zu eliminieren.

Eine Frage der Technologie

Es gibt verschiedene Brennstoffzellentechnologien, welche neben Wasserstoff auch Erdgas oder Methanol als Brennstoff verwenden können. Wasserstoff ist heute aber der am häufigsten verwendete Brennstoff aufgrund seiner hohen Energiedichte und der sauberen Verbrennung ohne Ausstoß von CO₂ oder anderen Treibhausgasen. Die PEM-Brennstoffzellentechnologie hat sich für mobile Anwendungen etabliert, auch wenn jede Brennstoffzellentechnologie Ihre spezifischen Vor- und Nachteile besitzt.

Für die Seeschifffahrt, bei welcher üblicherweise längere Strecken und größere Schiffe eingesetzt werden, kommt auch die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) zum Einsatz. Mit dem Forschungsprojekt HELENUS erprobt das Institut für Maritime Energiesysteme des DLR eine TRL-7 500 kW SOFC auf einem Kreuzfahrtschiff der MSC World Europa-Klasse um sowohl Strom als auch Wärme zu erzeugen, was zu einer Einsparung des konventionellen Kraftstoffs führt.

Eine wiederkehrende Frage ist die nach der Herkunft des Wasserstoffs. Für einen gänzlich klimaneutralen Betrieb bedarf es grünen Wasserstoff. Also Wasserstoff, welcher aus erneuerbaren Energien hergestellt wurde. Der Großteil heutigen Wasserstoffs ist noch nicht klimaneutral hergestellt. Hier wird schnell deutlich, dass die Transformation unserer Energiewirtschaft an zahlreichen Stellen ineinandergreifen muss und es eine ganzheitliche Modellierung braucht. Eine weitere diskutierte Frage ist die ideale Transportform von Wasserstoff. Beispielsweise kann er gebunden als Methanol sehr effizient transportiert werden. Vor Verwendung in der Brennstoffzelle bedarf es dann der Rückumwandlung von Methanol zu Wasserstoff (kurz M₂H₂ genannt). Dieser Prozess kann klimaneutral stattfinden, sofern das Methanol mithilfe erneuerbarer Energien hergestellt wurde.

Mess- und Regeltechnik für die Brennstoffzelle

Die für die Brennstoffzelle und an diese angegliederte erforderliche Mess- und Regeltechnik ist heute bereits vorhanden und ausgereift. Die Brennstoffzellentechnologie selbst kann als ausgereift betrachtet werden, auch wenn durch weitere Forschungs- und Entwicklungsinitiativen noch Verbesserungen und Technologieschritte zu erwarten sind. Abbildung 3 zeigt vereinfacht das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle. Wasserstoff reagiert mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu Wasser. Durch diese chemische Reaktion entsteht eine elektrische Spannung in der Brennstoffzelle, welche als Strom genutzt werden kann. Ein Kühlkreislauf führt die durch die chemische Reaktion entstehende Wärme ab.

Produkte von Jumo können bei der Überwachung, Steuerung und Auswertung der Ein- und Ausgangsgrößen unterstützen. Typische Messgrößen welche für die Brennstoffzelle und in deren Peripherie benötigt werden sind Druck, Temperatur und Füllstand. Viele Produkte von Jumo sind speziell für den maritimen Einsatz zertifiziert. Beispielsweise kann der Druckmessumformer Jumo MIDAS S07 MA für die Drucküberwachung des Wasserstoffkreislaufs dienen.

Als System und Lösungsanbieter ist Jumo mit Produkten, Dienstleistungen, Systemen und Lösungen auf nahezu allen Ebenen der Automatisierungspyramide zu finden.

Die Segel sind gesetzt

Weltweit ist die Schifffahrt für etwa 3 bis 4 Prozent der vom Menschen verursachten CO₂ Äquivalente verantwortlich. Zugleich ist der CO₂-Ausstoß je transportierter Tonne deutlich geringer verglichen mit dem Straßen- und Luftverkehr. Nur die Schiene erreicht hier eine noch bessere Bilanz. Die internationale Seeschifffahrts-Organisation (IMO) hat mehrere Maßnahmen ergriffen um den CO₂-Ausstoß bis 2030 um 40 Prozent und bis 2050 um 70 Prozent gegenüber 2008 zu senken.

In der internationalen Schifffahrt steckt erhebliches Potenzial um ein klimafreundlicheres Wirtschaften zu ermöglichen. Geht man davon aus, dass Bahn und Schiff wegen Ihrer guten CO₂-Bilanz im Vergleich zur Straße und dem Flugverkehr stärker wachsen werden, wird der Einspareffekt nochmals höher ins Gewicht fallen. Die Brennstoffzellentechnologie wird Ihren Platz zwischen rein batterieelektrischen Antrieben und synthetischen Treibstoffen finden. Der Anwendungsfall zählt. Dann wird auch die Zukunft grün!