Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung eine klimafreundliche Energieversorgung für Schiffe. Basis ist ein hocheffizientes Brennstoffzellen-System. Dieses soll Strom und Wärme an Bord produzieren. Das Besondere an den Zellen ist, dass sie mit vielen unterschiedlichen Treibstoffen funktionieren. Um die Technologie zu erproben, entsteht im EU-Forschungsprojekt Nautilus (Nautisches integriertes Hybrid-Energiesystem für Langstrecken-Kreuzfahrtschiffe) unter Leitung des DLR-Instituts für Technische Thermodynamik ein schiffstauglicher Demonstrator.

Der weltweite Schiffsverkehr trägt erheblich zum Ausstoß von Treibhausgasen bei. Hinzu kommen Schwefeldioxide, Stickoxide sowie Rußpartikel. Die International Maritime Organization (IMO) hat daher die Grenzwerte für Schiffsemissionen gesenkt. Im Vergleich zum Jahr 2008 soll der Grenzwert für den Ausstoß von Kohledioxid ab 2030 um 40 % sinken, ab dem Jahr 2050 um 70 %.

Kreuzfahrtschiffe sind davon besonders betroffen. Im Vergleich zu Frachtschiffen liegen sie während Zwischenstopps mit Landgängen länger in einem Hafen. Dadurch belasten sie das Umfeld zusätzlich mit Ruß und Abgasen. Zudem gelten in Häfen oft strengere Emissionsvorschriften als auf See.

Schiffsdiesel – Gasmotor – Brennstoffzelle

Die neuartigen Brennstoffzellen funktionieren mit Wasserstoff, Erdgas, Methanol oder Synthetik-Treibstoffen. Dadurch lassen sich vorhandene Energiesysteme auch schrittweise umrüsten. Zunächst werden Schweröl-Schiffsdiesel durch Gasmotoren ausgetauscht. So entstehen nahezu keine Rußpartikel mehr. Während einer Übergangszeit sind dann das neue Brennstoffzellen-System und herkömmliche Schiffsaggregate mit Gasmotor gleichzeitig in Betrieb. Das Brennstoffzellen-System kann denselben Treibstoff nutzen wie die Gasmotoren. Dadurch lassen sich zahlreiche Komponenten der vorhandenen Energiesysteme weiterverwenden. In vielen Fällen ist dies kostengünstiger und technisch einfacher umzusetzen.

Das Brennstoffzellenkonzept lässt ich auch auf Frachtschiffe sowie stationäre Industriebereiche übertragen. Somit ist das NAUTILUS-Projekt ein weiterer Schritt hin zu einem emissionsfreien Schiffsverkehr.

Weniger Ruß und CO₂

Der Nautilus-Demonstrator soll eine elektrische Leistung von 90 KW besitzen. Im Vergleich zu herkömmlichen Schiffsgeneratoren soll der Demonstrator rund 50 % weniger Kohlendioxid und bis zu 99 % weniger Ruß ausstoßen. Zusätzlich zu den Brennstoffzellen werden Batterien eingesetzt, um Lastspitzen abzupuffern. Das DLR-Institut für Technische Thermodynamik entwickelt hierfür neue Konzepte, die Stromkreise miteinander zu koppeln. Das Ziel ist, das System so energie- und raumeffizient wie möglich zu gestalten. Mit den brennstoffflexiblen Hochleistungszellen können elektrische Wirkungsgrade von 65 % erreicht werden. Die dabei entstehende Abwärme wird an anderer Stelle wieder gezielt in das Energiesystem eingespeist. So lassen sich über 85 % der eingesetzten Energie nutzen.

Realer und digitaler Testbetrieb

Die Forscherinnen und Forscher wollen den Nautilus-Demonstrator unter realistischen Bedingungen erproben. Dazu simulieren sie Fahrten, Manöver, Lastwechsel sowie den „Hotel-Betrieb“ eines Kreuzfahrtschiffs. Dabei  wird das Generatorsystem wie bei einer realen Integration auf einem Schiff validieren. Dies umfasst die vollständige Prozesskette, vom Kraftstofftank bis zum Stromverbraucher. Dadurch kann das Versorgungssystem auch mit Blick auf die maritime Sicherheit, künftige Regularien und die zu erwartende Lebensdauer bewertet werden.

Hierfür erstellt das Nautilus-Team einen „digitalen Zwilling“ des Generatorsystems. Mit diesem Rechenmodell sollen vollintegrierte Schiffsenergiesysteme mit Leistungen zwischen 5 und 60 MW simuliert werden. Dies entspricht dem Leistungsbedarf von Schiffen mit 1.000 bis 5.000 Passagieren. Mit derartigen Computersimulationen lassen sich auch bereits eingebaute Systeme bewerten und effizienter gestalten.

Nach den ersten Probeläufen des Demonstrators ist der nächste Schritt schon geplant: In einer zweiten Projektphase werden die DLR-Institute für Technische Thermodynamik und das DLR-Institut für Maritime Energiesysteme gemeinsam das Nautilus-System im realen Umfeld testen.

(Quelle: DLR/2021)