Fördervorhaben e4ships: Brennstoffzellen für die Schifffahrt

Der von der Seeschifffahrt verursachte CO2-Ausstoß muss bis spätestens 2050 drastisch reduziert werden, die Suche nach alternativen Antriebsarten ist in vollem Gange. Ganz vorne dabei in Forschung, Entwicklung und Erprobung praktischer Anwendungsmöglichkeiten: e4ships! Das von der Bundesregierung geförderte Gemeinschaftsprojekt deutscher Werften, Reedereien, Brennstoffzellenhersteller und Klassifikationsgesellschaften forscht zu dem Einsatz von Wasserstoff als umweltfreundlichem Energieträger auf Schiffen. (01.11.2022)

Die Klimaziele der International Maritime Organisation (IMO) sehen vor, dass die durch die Seeschifffahrt verursachten CO2-Emissionen bis zum Jahr 2050 mindestens um die Hälfte gesenkt werden im Vergleich zu 2008. Die Umrüstung auf LNG, Flüssigerdgas, ist für viele Reeder mittelfristig ein praktikabler und sehr sinnvoller Weg zur Reduktion von Emissionen, trotz der aktuell sehr hohen Preise für LNG. Langfristig muss das Ziel jedoch sein, komplett ohne fossile Energieträger auszukommen.

Als eines der vielversprechendsten Zukunftsmodelle für klimaneutrale Mobilität gilt die Brennstoffzelle. Bei dieser Technologie gibt es keinen Verbrennungsmotor mehr, sondern Brennstoffzellen wandeln chemische Reaktionsenergie durch Oxidation (= "kalte Verbrennung") in elektrische Energie um. Der in der Brennstoffzelle erzeugte Strom treibt dann einen Elektromotor an.

Im Rahmen des Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) entwickelt und erprobt das Forschungsvorhaben e4ships alternative Versorgungssysteme auf Grundlage der oben beschriebenen "kalten Verbrennung".

Brennstoffzellen-Prüfstand im OWI-Labor : Copyright OWI Aachen

Wie arbeitet eine Brennstoffzelle?
Die Brennstoffzellentechnologie basiert auf der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff. In der Regel ist es folgendermaßen, jetzt kommt ein bisschen Chemie ins Spiel:
Die H+-Ionen des Wasserstoff-Atoms wandern durch eine Membran zu den Sauerstoff-Atomen, um sich zu binden. Auf der Wasserstoffseite bleibt die negative Ladung des H-Atoms übrig und wird als Strom abgeleitet.
In den Grundzügen würde das Prinzip bereits vor fast 200 Jahren erfunden, theoretisch und im Kleinen funktioniert es prima. Aus verschiedenen Gründen ist die Brennstoffzellentechnologie bisher jedoch nicht in größerem Umfang praxistauglich. Dies zu ändern, das ist das große Ziel des Forschungsvorhabens e4ships.  

Was ist die Herausforderung?
Der Energieträger "Wasserstoff" lässt sich schwierig lagern oder transportieren. Denn reiner Wasserstoff kommt in der Natur nicht vor, das Wasserstoff-Atom ist immer an andere chemische Elemente gebunden. Man kann Wasserstoff beispielsweise in Ammoniak oder anderen synthetischen Kohlenwasserstoff-Verbindungen (LOHC) gebunden transportieren und dann direkt vor der Verwendung auf dem Schiff durch einen Wasserstoff-Reformer trennen. Oder man kann Wasserstoff durch großen Druck bei extremen Minusgraden verflüssigen. Beides kostet viel Energie verursacht zusätzliche CO2-Emissionen, wenn der Strom nicht aus erneuerbaren Energiequellen stammt – wenn es sich beim Ergebnis also um sogenannten "grauen Wasserstoff" handelt, welcher aus fossilen Energieträger wie Erdgas gewonnen wird. Was gebraucht wird und was bisher nicht in nennenswertem Umfang erzeugt werden kann, ist "grüner Wasserstoff" aus erneuerbarer Energie wie Wind- und Solarstrom oder Wasserkraft.

Was hat e4ships bisher erreicht?
In vier Leuchtturmvorhaben forscht e4ships derzeit an Land und auf See an der praktischen Anwendung von Brennstoffzellen. Dabei liegt der Fokus sowohl auf dem umweltfreundlichen Antrieb als auch dem Betrieb von Schiffen – etwa dem Energiebedarf der technischen Anlagen, Küchen und Kabinen. Beim Projekt ELEKTRA etwa wird die komplette Energieversorgung durch Batterien auf einer kommerziellen Binnenfähre erprobt. Beim Projekt PA-X-ELL2 geht es um die Weiterentwicklung der Brennstoffzellentechnologie für Hochsee-Passagierschiffe.

Neben der Entwicklung praktischer Einsatzmöglichkeiten von Brennstoffzellen auf Schiffen treibt das Forschungsvorhaben auch die Gestaltung regulatorischer Rahmenbedingungen voran. So hat e4ships maßgeblich dazu beigetragen, dass die IMO im Mai dieses Jahres die "Interim Guidelines for the Safety of Ships using Fuel Cell Power Installations" verabschiedet hat. Diese Richtlinie ergänzt den IGF-Code und behandelt erstmals den Einsatz von Brennstoffzellen-Installationen in der internationalen Handelsschifffahrt. Ein Meilenstein! Denn das Regelwerk gibt Rechtssicherheit, wenn Firmen in die neue Technik investieren wollen.

Möchten Sie mehr über das Forschungsvorhaben e4ships wissen? Details zu den Projekten und zu den Regularien hierfür finden Sie in der e4ships-Broschüre SMM 2022.