Mit alternativen Antriebssystemen unterwegs auf dem Wasser: Was gibt es Neues?
Noch führt hierzulande die Elektromobilität als alternatives Antriebssystem im Vergleich zu Verbrennungsmotoren ein Schattendasein – an Land und auf dem Wasser. Denn die derzeit verfügbaren Batterien begrenzen die Reichweiten und benötigen deutlich längere Ladezeiten als ein herkömmlicher Tankvorgang mit Kraftstoffen. Für größere Reichweiten und kürzere Ladezeiten sind statt Batterien mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen im Gespräch, die die Elektromotoren ins Laufen bringen. Japanische Autoproduzenten haben bereits drei Wasserstoff-Pkw im Programm.
Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Stromerzeuger, Gase werden oxidiert und direkt in hochwertige Energie umgewandelt. Der erste praktische Einsatz einer Brennstoffzelle erfolgte 1963 bei der Gemini-Mission der amerikanischen Raumfahrt. Aufgrund des gestiegenen Umweltbewusstseins wurde die Erforschung dieser emissionsfreien und umweltschonenden Energiegewinnung jetzt wieder intensiviert. In großtechnischen Anlagen wird bislang die Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff eingesetzt: Elektrischer Strom spaltet Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. In der Brennstoffzelle läuft diese atomare Reaktion rückwärts ab. Wasserstoff kommt mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft in Verbindung. Jetzt wird die im Wasserstoff gespeicherte Energie in Elektrizität umgewandelt, die den Elektromotor antreibt. Als einziges Abgas entsteht pures Wasser. Statt zeitaufwendigem Nachladen der Batterien für den E-Motor an einer Steckdose ist für das Wiederauftanken der Brennstoffzelle eine Kartusche im Handumdrehen gewechselt oder in vier Minuten nachgefüllt.
Die aktuelle Generation der Brennstoffzelle nutzt Platin in der Katalysatorenschicht. Das Edelmetall regt die chemische Reaktion an. Platin ist teuer, darum forscht man nach Alternativen. Hinzu kommt der Energieaufwand bei der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse. Während von 100 Kilowattstunden Strom rund 70 Prozent in einem batterieelektrischen Auto genutzt werden können, sind es im Brennstoffzellen-Auto, je nach Untersuchung, lediglich 20 bis 25 Prozent. Für das Lagern und den Transport wird der gasförmige Wasserstoff unter Druck gesetzt.
In Berlin startete die erste deutsche Yacht mit einem Brennstoffzellen-Generator (Range-Extender) zu Erkundungsfahrten. Das von Georg Wesolowski, Moritz Weißenborn und Malte Grapentin, Absolventen der TU Berlin, gegründete Berliner Startup Humphry Marine brachte Mitte März in Berlin-Köpenick den Prototypen des ersten deutschen Brennstoffzellen Range-Extenders in einem 23 Fuß langen Katamaran aufs Wasser. Angetrieben wird er von zwei je 3 kW starken chinesischen Golden Motors Elektromotoren, die per Wasserstoff über eine Brennstoffzelle mit 500 W Leistung und Lithium Ionen Batterien mit der nötigen Energie versorgt werden. Derzeit werden die unterschiedlichen Wirkungsgrade erforscht – beim Antrieb mit Brennstoffzelle, bei reinem Akkubetrieb und zum Vergleich mit einem Verbrennungsmotor. Auch ist beabsichtigt, in diesem Jahr noch ein Motorboot mit 30 kW starker Brennstoffzelle auszurüsten. Die Gespräche dafür mit einer Werft und Projektpartnern stehen kurz vor dem Abschluss. Im kommenden Jahr ist die Weiterentwicklung des 30 kW Range-Extenders bis zur Serienreife geplant, neben weiteren kommerziellen Projekten.
Im April 2017 ist im französischen Saint Malo die Energy Observer zu einer sechsjährigen Langzeit-Testfahrt ausgelaufen, sie soll insgesamt 101 Häfen in 50 Ländern anlaufen und in diesem Sommer auch in Deutschland festmachen. Der Wasserstoffproduzent Air Liquide (Düsseldorf) ist einer der Sponsoren des Projektes. Der 30,5 m lange und 12,8 m breite, 1983 als Rennkat in Kanada gebaute und für das Projekt in Energy Observer umgetaufte Brennstoffzellen-Kat soll Zeichen setzen für die künftige Entwicklung von autarken Schiffen, die dank Energiekopplung mit Wasserstoff und erneuerbaren Energien ohne Treibhausgas oder Feinstaubemissionen unterwegs sein werden. Das Energiesystem für die beiden, je 41 kW starken Elektromotoren des 28 t schweren schwimmenden Labors umfasst die drei erneuerbaren Energiequellen Sonne, Wind und Wasserkraft, die in Lithium Ionen Batterien gespeichert werden. Der Wasserstoff für die Brennstoffzelle mit 22 kW Leistung wird direkt an Bord per Elektrolyse aus dem zuvor entsalzten Meerwasser erzeugt, die dafür notwendige elektrische Energie wird über Solarzellen mit einer Fläche von rund 130 m² aus Sonnen- und Tageslicht sowie aus zwei um eine vertikale Achse rotierenden Windkraftanlagen gewonnen. Als Höchstgeschwindigkeit wurden bislang 10 kn erzielt. Victorian Erussard, ehemaliger Offshoreboot-Rennfahrer und Handelsmarineoffizier, Gründer und Captain des Projektes: „Energien und Speichersysteme ergänzen sich. Und wir müssen lernen, wie sie zusammenarbeiten: Es gibt keine eindeutige Lösung für den Klimawandel, aber viele Möglichkeiten.“
Vor gut zehn Jahren stellte die österreichische Frauscher Werft ihr 6 m langes Sportboot vom Typ Riviera mit Brennstoffzellen für dessen 4 kw starken Kräutler-Elektromotor vor. Fronius hatte die Brennstoffzelle beigesteuert, Bitter die 28 kg schweren Hochdruckkartuschen aus mit Karbonfaserlaminat umwickelten Aluminium für ein Tankvolumen von 26 l (bei einem Fülldruck von 350 bar waren das 9,1 m³ Inhalt), die von Air Products mit Wasserstoff befüllt worden waren. Bei Frauschers Riviera 600 mit Brennstoffzelle lagerte der Wasserstoff in 28 kg schweren Kartuschen. Die bestehen aus mit Karbonfaserlaminat umwickeltem Aluminium. Das Zusammenspiel funktionierte gut, die Riviera 600 lief bis zu 5 kn, hatte bei 4 kn Marschfahrt eine Reichweite von 80 km. Leider war die fortschrittliche Frauscher Werft seinerzeit zu fortschrittlich und legte die Produktion von Booten mit Brennstoffzellen ad acta. Für Wasserstoff gab es damals noch kein vernünftiges Vertriebsnetz und demzufolge auch keine Nachfrage für Brennstoffzellenboote.
Für die Berufsschifffahrt gibt es derzeit Ansätze zum Einsatz von Brennstoffzellen. Wobei Projekte der auf den Bau von Kreuzfahrtschiffen spezialisierten Meyer Werft in Papenburg oder des mit Akkumulatoren betriebenen Schubbootes Elektra im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie von der Berliner Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) mit gut 1,5 Millionen Euro finanziell unterstützt werden. Die NOW ist damit beauftragt, das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur BMVI bei der Weiterentwicklung der Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie und bei konkreten Fördermaßnahmen zu deren Umsetzung zu begleiten. Für das Projekt Elektra, in dem sich die TU Berlin, die Berliner Hafen- und Lagerhausgesellschaft, Schiffselektronik Rostock sowie die Reederei Imperial Shipping Services mit der Machbarkeit alternativer emissionsarmer Energieversorgungssysteme auf Binnenschiffen und deren wirtschaftlichem Einsatz befassen, wurde ein vollelektrisches sowie hybrides Antriebskonzept, bestehend aus Brennstoffzellen und Akkumulatoren, auf einem Binnenschiff konzipiert und das dynamische Zusammenwirken der Energiequellen im Hinblick auf die maximale Reichweite des Kanalbinnenschubboots erforscht und optimiert. Innerhalb des Projektes werden ferner Konzepte von Maßnahmen zum infrastrukturellen Aufbau für die Ladung der Akkumulatoren mit Landstrom und zur Versorgung der Brennstoffzellen mit Wasserstoff erarbeitet. Weiterhin wird ein Energiemanagementsystem entwickelt, das es ermöglicht, die limitierte, an Bord vorhandene Energie optimal zu nutzen und somit die Wirtschaftlichkeit und damit die Konkurrenzfähigkeit gegenüber konventionell angetriebenen Schiffen zu stärken.
Der Kölner Dieselmotorenhersteller Deutz wählt einen anderen Weg bei seinem Konzept für CO2-freie Mobilität mit Wasserstoffantrieben – ohne Brennstoffzellen. Zusammen mit dem Unterschleißheimer Startup Keyou entwickelte man den Prototypen eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors und damit eine Alternative zur Brennstoffzellentechnologie. Dazu Keyou: „Bei einem emissionsfreien Wasserstoffmotor wird der ursprüngliche Dieselverbrennungsprozess in einen aufgeladenen, mageren, fremdgezündeten Wasserstoffverbrennungsprozess umgewandelt. Mittels Wasserstoff als Kraftstoff können Motoren bis zu einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 5 effizient arbeiten. Keyou betreibt den Motor über ein Luft-Kraftstoff-Kennfeld, das immer größer als 2 ist. In Verbindung mit einer innovativen, ausgeklügelten Abgasrückführung (AGR) wird die NOx-Bildung verhindert.“ Der erste Deutz-Keyou mit 7,8 l Hubraum und etwa 200 kW Leistung sollte im April 2019 auf der bauma in München zu sehen sein. Aktuell sind konkrete Pilotprojekte mit Fahrzeugherstellern sowie Endanwendern in der Planung, und die Vorstellung erster Prototypfahrzeuge ist in der ersten Jahreshälfte 2020 zu erwarten. Die Serienreife wird für 2021/22 angestrebt.
Und damit zum Wasserstoff-Vertrieb: Hierzulande soll das Wasserstoff-Tankstellennetz bis Ende des Jahres auf 100 anwachsen. Derzeit gibt es in ganz Europa gerade einmal rund 130 Tankstellen, davon die Hälfte in Deutschland. Zum Vergleich: Das Wassertankstellennetz mit Diesel für Verbrennungsmotoren ist in Deutschland kaum breiter aufgestellt, für Benzin sogar noch geringer, so dass ein Nachladen der Tanks per Kanister oft die einzige Möglichkeit ist. Mit Wasserstoff in Kartuschen, wie sie bei Frauscher vor zehn Jahren zum Einsatz kamen, oder Zylindern, wie sie beispielsweise Air Liquide im Programm hat, ließen sich Vertriebsprobleme lösen. Denkbare Vertriebspartner könnten Marinas oder Bootsausrüster sein.
Es kann aber noch Jahre dauern, bis die Brennstoffzelle in Booten salonfähig ist. Eines der größten Probleme ist die sichere Lagerung des Wasserstoffes unter hohem Druck von 700 bar. Zum Vergleich: Die Pressluftflaschen der Sporttaucher haben je nach Bauart einen Fülldruck von 200 oder 300 bar. Zudem arbeitet die Batterie-Industrie an leistungsstärkeren Akkus. Dazu Dr. Christoph Ballin, Hersteller von Torqeedo Elektrobootsmotoren: „In den letzten vier Jahren erhöhten sich die Leistungen von Lithium Batterien bei gleichem äußeren Volumen um gut 30 Prozent. Wir gehen davon aus, dass es in naher Zukunft weitere Leistungssteigerungen geben wird.“ Für seine Elektromotoren bietet er lithiumbasierte Batterien, die entsprechend IP 67 wasserdicht sind, mit einzelnen verschweißten Sicherheitszellen von renommierten Markenherstellern bestückt und mit einem Batteriemanagement-System mit redundanten Sicherheitsfunktionen ausgestattet sind, so wie in der Automobilindustrie, der Luftfahrt und der Medizintechnik vorgeschrieben.
