Prinzip Brennstoffzelle

Wie funktioniert die Schadstoffreduktion durch Brennstoffzellen?
Brennstoffzellen arbeiten, anders als herkömmliche Motoren, nach dem Prinzip der sogenannten „kalten Verbrennung“, einem elektrochemischen Prozess, der sich durch eine hohe Effizienz auszeichnet und sich ohne mechanische Beanspruchung der Komponenten vollzieht. Brennstoffzellen werden in verschiedenen Systemen ausgelegt, die sich vor allem durch ihre Leistungsklasse, ihre Betriebstemperatur und die eingesetzten Brennstoffe unterscheiden.

Wird als Energieträger Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen eingesetzt, ist ein weitgehend emissionsfreier Betrieb der Brennstoffzellen möglich, bei dem lediglich Wasserdampf emittiert wird. Werden Diesel oder Erdgas als Treibstoffe verwendet, können die Emissionen zum einen wegen der höheren Effizienz der Anlagen gegenüber herkömmlichen Antriebssystemen und zum anderen wegen der günstigeren Emissionsbilanz deutlich reduziert werden.

Brennstoffzellen können dabei sowohl konventionelle Schiffsmotoren als auch die Hilfsaggregate für die Versorgung der Nebenverbraucher ersetzen.
Für welche Schiffe eignet sich die neue Technologie besonders gut?

Brennstoffzellen können je nach Leistungsanforderung auf einer Vielzahl von  Schiffstypen eingesetzt werden. Hochtemperaturbrennstoffzellen mit einer Leistung von künftig bis zu 1 MW empfehlen sich für die Bordenergieversorgung größerer Schiffe wie Kreuzfahrtschiffe und Containerschiffe sowie aus Komfortgründen, wie der geringen Geräuschentwicklung, für Megayachten.

Ein Einsatz als Versorgungssystem für die Hilfsaggregate kann vor allem während der Liegezeiten in Häfen eine deutliche Verbesserung der Luftqualität bewirken. Bei einem Einsatz auf See entlastet der stark verminderte Schadstoffausstoß vor allem die küstennahen Seegebiete.

Über den bereits grundsätzlich besseren Wirkungsgrad hinaus können Hochtemperaturbrennstoffzellen mittels Kraft-Wärme-Kopplung die Effizienz gegenüber heutigen Energieversorgungsystemen noch einmal deutlich verbessern. Gegebenenfalls kann die anfallende Abwärme auch für Kühlzwecke etwa in Klimaanlagen genutzt werden.

Passagierfähren kleinerer Art oder Ausflugsschiffe in der Leistungsklasse von bis zu 300 kW können beispielsweise ihre komplette Antriebsenergie aus Niedertemperaturbrennstoffzellen beziehen. Ein solches Konzept ist dabei die Integration in ein Hybridsystem welches zusätzlich mit Hochleistungsbatterien gepuffert ist. Beispiele sind der in Hamburg eingesetzte Alsterdampfer.

Was sind die Vorteile der Brennstoffzelle?

Effizienz und niedriger Schadstoffausstoß zeichnen den Einsatz von Brennstoffzellen generell aus. Dies entlastet die Umwelt und senkt langfristig die Kosten. Die Bereitstellung von Wärme bzw. Kälte durch Kraft-Wärme-Kopplung ist besonders vorteilhaft für Schiffe, die hier einen hohen Bedarf haben, bspw. Containerschiffe oder Kreuzfahrtschiffe sowie Megayachten. Letztere profitieren zudem vom leisen und vibrationsarmen Betrieb der Brennstoffzellen. Fähren, die von Brennstoffzellen angetrieben werden, fahren zudem komplett emissionsfrei und können so auch in sensiblen Seegebieten, wie dem Wattenmeer, eingesetzt werden.

Wie ist die Nachfrage von Seiten der Werften und Reedereien? Welche Vorteile hätten sie von den Brennstoffzellen?

Brennstoffzellen arbeiten effizient, leise und emissionsarm. Da mehr und mehr Küstenzonen und Hafengebiete strengen Umweltauflagen (SECA, ECA) unterliegen, ist es wichtig, die Entwicklung zukunftsfähiger, umweltfreundlicher Technologien in diesem Bereich voranzutreiben. Die Nutzung von Brennstoffzellen an Bord von Megayachten, Container- und Kreuzfahrtschiffen verspricht zudem langfristig Einsparpotenziale für deren Betrieb.  Ein anderer wichtiger Aspekt, gerade für die Passagierschifffahrt, ist zudem der leise und vibrationsarme Betrieb von Brennstoffzellen.

Leise und darüber hinaus emissionsfreie Fahrten bieten auch Fähren mit Brennstoffzellenantrieb. Sie können in ökologisch sensiblen Seegebieten verkehren und bieten Vermarktungspotenzial für den regionalen Tourismus.

Daher haben sich namhafte deutsche Werften und Reedereien, führende Hersteller von Brennstoffzellen sowie Klassifizierungsgesellschaften im Projekt e4ships zusammengeschlossen, um diese Technologien zu erproben und weiter zu entwickeln. Zwar gibt es schon heute wiederkehrend Nachfragen, die Technologie auch auf weiteren Schiffen wie etwa Megayachten einzusetzen. Eine unmittelbar steigende Nachfrage von Reedereien ist aber erst nach Vorlage der Erkenntnisse aus dem Demonstrationsvorhaben e4ships zu erwarten.  

Wann könnte der Einsatz von Brennstoffzellen Realität auf vielen Schiffen sein?
Die Schiffe, die im Rahmen des Projektes e4ships eingesetzt werden, sind zwar allesamt kommerzielle Schiffe. Es handelt sich aber um Entwicklungsprojekte, wenn auch unter realen Alltagsbedingungen, denn noch ist die Integration dieser Technologie in die Seeschifffahrt ein Novum. Die Erfahrungen aus dem Projekt e4ships werden aber wesentlich dazu beitragen, die notwendigen betrieblichen Erfahrungen zu sammeln und Optimierungspotenziale für eine Serienreife zu erschließen.

Mit einem verstärkten Einsatz von Brennstoffzellen auf Schiffen ist voraussichtlich aber erst ab 2020 zu rechnen.
Welche maximalen Leistungen können zurzeit im Schiffseinsatz erreicht werden? Welche Techniken werden dabei genutzt? Was ist der aktuelle Stand der Technik?

Kleinere Fähren oder Ausflugsschiffe haben einen Leistungsbedarf zwischen 100-300 kW, der derzeit modular von Proton-Exchange-Brennstoffzellen im Niedertemperaturbetrieb abgedeckt werden kann. Die „Alsterwasser“ verfügt beispielsweise über zwei 48 kW-Brennstoffzellen.

Megayachten, Container- und Kreuzfahrtschiffe haben häufig einen Leistungsbedarf im Megawattbereich. Um diesen ganz oder teilweise zu decken, werden Hochtemperatur-Brennstoffzellen (MCFC) mit einer Leistung von bis zu 500 kW eingesetzt. Im Rahmen des Projektes e4ships plant das Konsortium zudem, in naher Zukunft Brennstoffzellen größerer Leistungsklassen (1 MW) einzusetzen. Diese sollen dabei auch dezentral in mehreren Segmenten auf dem Schiff eingesetzt werden.

Durch die begleitende wissenschaftliche Bewertung der ökologischen, technischen und wirtschaftlichen Ergebnisse wird in e4ships sichergestellt, dass bis zum Projektende im Jahre 2014 wichtige Daten für die technische Optimierung und die Marktvorbereitung gewonnen werden.