Von der Forschung in die Praxis: Innovationen für die Wasserstoffschifffahrt
Heute sind sie noch eine Ausnahme: Schiffe, die mit wasserstoffbasierten klimaneutralen Energieträgern betrieben werden. Für einen besseren Praxiseinsatz der neuen Kraftstoffe will das WIR!-Bündnis CAPTN Energy Forschungslücken schließen. Im vergangenen Jahr startete es mehrere Projekte, die an der gesamten Wertschöpfungskette ansetzen.
Das WIR!-Bündnis CAPTN Energy will erneuerbare Energien in die maritime Anwendung bringen. Die Nutzung von Wasserstoff und wasserstoffbasierten Energieträgern in der Schifffahrt ist ein Forschungsschwerpunkt des Bündnisses aus Schleswig-Holstein. Dabei arbeiten Hochschulforschung und Industrie in der Region zwischen den Meeren entlang des Nord-Ostsee-Kanals gemeinsam an innovativen Lösungen für die Praxis. Die gemeinsamen Projekte reichen von der Gewinnung über die Betankung bis zur Nutzung der neuen Energieträger. Das vom Bundesforschungsministerium geförderte Bündnis will entlang der gesamten Wertschöpfungskette Forschungslücken schließen.
Der Wirkungsgrad und die Wasserstoffgewinnung
Eine große Herausforderung ist die Gewinnung von Wasserstoff. Sie ist heute noch teuer und ineffizient. Denn die konventionelle Elektrolyse, also die Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff, hat einen Wirkungsgrad zwischen 60 und 80 Prozent. Es kann also nur etwa drei Viertel der aufgewendeten Energie in nutzbare Energie umgewandelt werden. Der Rest der aufgewandten Energie geht verloren und bleibt dadurch ungenutzt.
Hier setzt das Projekt „Innovative Materialien und Stromversorgungen für die Wasserstoffelektrolyse“ an. Dafür arbeiten die Beteiligten der HAW Kiel, der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und der ebenfalls in Kiel ansässigen Phi-Stone AG gemeinsam an einer sogenannten Kapillarelektrolyse. Bei dem neuartigen Verfahren wird eine Elektrolysezelle genutzt, die Wasserstoff und Sauerstoff durch eine poröse, wasserdurchlässige Membran erzeugt. Der Vorteil der Kapillarelektrolyse: Sie verspricht einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent.
Dazu drehen die Projektpartner an zwei Stellschrauben, an dem verwendeten Material und an der Steuerung des Verfahrens. Die Phi-Stone AG soll beispielsweise die zu entwickelnden Kapillarmaterialien produzieren und so eine kosteneffiziente Elektrolyse in industriellem Maßstab ermöglichen. Die Steuerung für die Kapillarelektrolyse will das Team hingegen mit Galliumnitrid-Leistungshalbleitern effizienter gestalten. Im Vergleich zu bisherigen Silizium-Halbleitern besitzen sie einen deutlich geringeren Durchlasswiderstand und ermöglichen so eine höhere Stromdichte bei niedrigerer Spannung.
Die Energiedichte und die Betankung
Eine weitere Herausforderung ist die Energiedichte. Bei nachhaltigen Treibstoffen wie Wasserstoff und wasserstoffbasierten Energieträgern wie Methanol oder Ammoniak ist die Energiedichte deutlich geringer als bei fossilen Brennstoffen. Bei gleichem Volumen kann also nur eine geringere Menge an Energie gespeichert werden. Schiffe, die mit solchen Kraftstoffen betrieben werden, müssen deshalb bei gleichem Tankvolumen häufiger tanken. Dieses Problem will CAPTN Energy mit dem Projekt „Konzeptionierung einer Ship2Ship-Bunkerlösung“ lösen. Auch hier profitiert das WIR!-Bündnis von der Kooperation zwischen Forschung und Industrie.
In dem Projekt arbeiten das Institut für Schiffbau und Maritime Technik der HAW Kiel und die Kieler „Gebr. Friedrich Schiffswerft“ gemeinsam an einem modular aufgebauten Tankschiff. Es soll flexibel, sicher, automatisiert und emissionsfrei in verschiedenen Szenarien eingesetzt werden können, zum Beispiel während der Wartezeiten vor Schleusen, in Hafenbereichen oder im küstennahen Bedarf. Das Ziel: Klimaneutrale Schiffe bedarfsgerecht und ortsunabhängig mit nachhaltigen Energieträgern versorgen.
Der Wirkungsgrad und die Wasserstoffnutzung
Bei der Nutzung spielt der Wirkungsgrad ebenfalls eine wichtige Rolle. Im Projekt „Innovative elektrische Energiewandlung für maritime Brennstoffzellensysteme“ arbeitet CAPTN Energy daran, den Wirkungsgrad bei der Nutzung von Wasserstoff und synthetischen Kraftstoffen zu verbessern. Damit die beiden Energieträger für einen Schiffsantrieb genutzt werden können, braucht es eine Brennstoffzelle. Sie wandelt den Wasserstoff oder den synthetischen Kraftstoff wieder in elektrischen Strom um. Je effizienter die Brennstoffzelle dabei arbeitet, desto nachhaltiger ist der Schiffsantrieb.
Die HAW Kiel und das Unternehmen TKMS entwickeln dafür gemeinsam auf Basis des Leistungshalbleiters Galliumnitrid einen hocheffizienten Gleichspannungswandler, der in die Brennstoffzellen integriert wird und die Spannung der Brennstoffzellen an den Antrieb anpasst. Dafür soll ein bereits bestehendes Produkt von TKMS aus dem militärischen Bereich als Plattform genutzt werden, um ein praxistaugliches Teilsystem auch für die zivile Schifffahrt zu verwirklichen.
Vorarbeit für die Anwendung in der Praxis
In diesen und vielen weiteren Forschungsprojekten arbeitet das WIR!-Bündnis CAPTN Energy an Lösungen für gleich mehrere Probleme, die bisher eine Anwendung von Wasserstoff in der Schifffahrt in der Breite verhindern. Wenn die Projektteams erfolgreich sind, könnten sie bei der Nutzung von Wasserstoff und wasserstoffbasierten Energieträgern wie grünem Methanol den Gesamtwirkungsgrad erhöhen und die Kosten senken.