HANSA 06-2019

Schiffstechnik | Ship Technology
© e4ships
und Vibrationsaufkommen. Die derzeit
vielversprechendste Technologie ist Räsänen
zufolge die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
(PEM), deren Einsatz in der Automobilindustrie
einen niedrigeren Preis
pro Energieeinheit gebracht habe, als es
bei der weniger ausgereiften Festoxid-
Brennstoffzelle (SOFC) der Fall sei.
Ein Vorteil der PEM-Brennstoffzelle
ist die wesentlich höhere Leistungsdichte.
Das könnte sich jedoch ändern:
Die SOFC hat das Potenzial für eine Effizienzsteigerung
auf 65-70%; derzeit
beträgt der Wirkungsgrad der Energieumwandlung
von Wasserstoff in Strom
einer »konventionellen« PEM-Zelle 40 bis
45%. PEM ist hochempfindlich gegenüber
Verunreinigungen im Wasserstoff,
wie Schwefel und CO, erfordert ein komplexes
Wassermanagement bei moderater
Lebenserwartung, wenn andere Primärbrennstoffe
als reiner Wasserstoff verwendet
werden. »Dies sind nur zwei der
Gründe, warum große Anstrengungen
unternommen werden, um die Entwicklung
der SOFC-Technologie zu beschleunigen.
Durch den Betrieb bei hohen Temperaturen
(bis zu 800° C) wird erwartet,
dass die SOFC in Zukunft einen Wirkungsgrad
von bis zu 85% einschließlich
der Abwärmenutzung erreichen kann«,
sagt Räsänen. SOFC könne innerhalb der
nächsten zehn Jahre zu einem bedeutenden
Wettbewerber werden.
Mit der SOFC an Bord von Schiffen
wurden bereits einige Erfahrungen
gesammelt, darunter Tests auf dem
Frachter »Forester« im SchiBZ-Projekt.
Räsänen erwartet, dass eine einzelne
SOFC-Einheit in naher Zukunft von heute
50kW auf 120kW skalierbar sein wird,
mit Baugrößen bis zu 10MW, wenn einzelne
Einheiten kombiniert werden.
Betrieb mit Brennstoffzellen
Weitere technische Fragen werden aus betrieblichen
Gründen entschieden. So ist
beispielsweise für die variable Last mit
relativ schneller Start-Stopp-Sequenz die
PEM-Technologie am besten geeignet. Für
stabile Last bei hohem Leistungsbedarf
bietet sich wiederum die SOFC-Technologie
an. Für beide Lösungen wird oft ein
Batteriesystem für Spitzenlasten benötigt,
um die Last für die Brennstoffzellen
stabil zu halten und so die Lebensdauer
zu verlängern. Die höhere Betriebstemperatur
von SOFC-Lösungen gegenüber
ihren PEM-Pendants (800° C vs. 75° C)
führt dazu, dass die Systemkomponenten
teurer und komplexer sind, mit deutlich
längeren An- und Abschaltzyklen sowie
langsameren Lastwechseln.
»Da es mehrere kommerzielle Pilotprojekte
im Bereich von Hunderten von
Kilowatt pro Anlage gibt, ist davon auszugehen,
dass Brennstoffzellen in den
nächsten zehn Jahren auf Schiffen immer
häufiger eingesetzt werden. Der nächste
Schritt sind Installationen im Megawattbereich«,
sagt der Experte. Die Leistungsdichte
werde sich verbessern, während der
Preis pro Kilowatt sinken werde. Beide
Technologien hätten jedoch vorerst relativ
hohe Kosten gemessen am Energieertrag.
Welcher Brennstoff macht’s?
Heute nutzen alle Brennstoffzellentechnologien
Wasserstoff bei der Umwandlung
chemischer in elektrische und thermische
Energie durch Oxidation. Andere
mögliche Primärbrennstoffe sind Erdgas
bzw. LNG, Biogas bzw. LBG, Methanol,
Ethanol und andere Kraftstoffe mit niedrigem
Flammpunkt wie Diesel.
Abstract: Energy returns catch up with battery footprint
Methanol ist leicht zu handhaben, stabil
zwischen -93° C und +65° C und kann
intern sowie extern reformiert werden.
Preislich liegt es über MGO und benötigt
aufgrund des geringen Heizwertes
das zweifache Tankvolumen bei gleicher
Energiemenge. LNG mit der Hauptkomponente
Methan ist der Kohlenwasserstoffkraftstoff
mit dem niedrigsten Kohlenstoffgehalt.
Wegen des Siedepunkts
bei -163° C bei 1 bar benötigt LNG eine
isolierte Lagerung. SOFC-Systementwickler
bevorzugen LNG, das entweder
intern oder extern reformiert werden
kann (bei PEM immer extern). »Da Methanol
heute hauptsächlich aus Erdgas
hergestellt wird, ist der Schritt der Umwandlung
ein zusätzlicher Faktor für die
Bevorzugung der SOFC-Option im marinen
Kontext«, so Räsänen.
Wasserstoff ist mit seinem Siedepunkt
von -253° C bei 1bar, schwer zu speichern
und hat flüssig (LH2) den vierfachen
Platzbedarf von MGO. H2 kann aus
Meerwasser durch Elektrolyse oder aus
reformiertem Erdgas (wie heute der größte
Teil des Wasserstoffs) gewonnen werden,
ist aber im IGF-Code noch nicht als
Kraftstoff definiert. Zudem hält Räsänen
die Speicherung an Bord größerer Schiffe
heute nicht für möglich.
Also PEM oder SOFC? Ein Gewinner
steht jedenfalls schon fest, sagt Räsänen:
»Da sowohl die PEM- als auch die SOFC-
Technologie eine stabile, hohe Last erfordern,
um effizient zu arbeiten werden
Batterien eine wichtige Rolle spielen.« n
Batteries have become accepted as an alternative energy source on board ships. While
energy density and charging technology evolve further, cell prices are nearing raw material
levels. From a price perspective, it does not make much sense to wait any longer
with an investment decision, an expert from Finnish design and engineering company
Foreship says. At the same time, fuel cell technology is maturing towards commercial
applications. Efficiency gains are still possible, and within ten years, the fuel cell
might be in use on quite a number of ships. But even then, batteries will be needed on
board to make the systems work efficiently and last long.
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HANSA International Maritime Journal 06 | 2019
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