Umweltfreundliche Elektroantriebe von Booten und Schiffen, eine Übersicht

Karl-Heinz Hochhaus

 

 

Abbildung 1: Die in Kiel erbaute nur mit Solarkraft fahrende „Turanor Planet Solar“  fährt inzwischen als „Race for Water“ (Foto Dr. Hochhaus)

 

1. Einführung und Rückblick

1838/39 entstand mit dem „Jacobi-Boot“ das erste funktionsfähige Boot mit E-Antrieb (ca. 300 W, Tabelle 1). Der Antrieb und die Stromversorgung wurde vom 1801 in Potsdam geborenen Moritz Hermann Jacobi in Petersburg erbaut, der auch den E-Motor erfand. Als Stromquelle dienten, da es noch keine Generatoren gab, galvanische Zellen aus 320 Plattenpaaren [1].  Rund 50 Jahre später, um 1990  hatte die technische Entwicklung der E-Motoren und Akkus einen hohen Stand erreicht und auf den Flüssen und in den Hafenstädten begannen sich elektrisch angetriebene Boote und Barkassen durchzusetzen. Die Kessel der bisherigen Dampfboote mussten vorher zeitaufwendig angeheizt werden und die frühen Motorboote machten Krach und stanken.

 

Siemens hat im Jahr 1886 auf der Spree in Berlin sein erstes Elektroboot „Elektra“ als Wasser-Taxi erprobt.  Die E-Versorgung erfolgte durch umschaltbare Akkumulatoren mit 160, 80 und 40 Volt, die den Gleichstrommotor speisten. Es fuhr 14 km/h, konnte 25 Passagiere transportieren und sollte das wachsende Problem des Nahverkehrs der Hauptstadt lösen. 25 Jahre später begann mit der von Siemens gelieferten „Akkumulator“ die elektrische Motorschifffahrt auf dem oberbayerischen Königssee, sie wurde auch später beibehalten. Die 12 Meter lange „Akkumulator“ für 38 Personen war aus Mahagoni und ein Bleiakku ermöglichte einen Aktionsradius von rund 100 Kilometern. Ein bekanntes Beispiel für ein Oberleitungsboot war der Schlepper „Teltow“ im Oberwasser der Schleuse Kleinmachnow auf dem Teltowkanal [2]. Diese Technologie wird noch heute bei der Strausseefähre (Abb. 2) angewendet und wird derzeit für den LKW auf der Autobahn A 5 zwischen Darmstadt und Frankfurt erprobt.

 

Die verbesserten Verbrennungsmotoren verdrängten den E-Antrieb mit den schweren Akkus jedoch bald in den Hintergrund und die zeitintensive Strombeladung wurden durch schnelle Tankvorgänge ersetzt. Nur auf dem Königssee blieb man den E-Booten treu und die Betreiber blicken heute gelassen auf den Wiederaufstieg der E-Antriebe.

 

 

 

Tabelle 1: Technische Entwicklung von Booten und Schiffen mit E-Antrieb über den Zeitraum von 180 Jahren

 

2.  Solar- und Akkuschiffe

Es ist dem technischen Fortschritt sowie der Umwelt geschuldet, dass akkugespeiste E-Antriebe seit fast 20 Jahren wieder einen langsamen aber stetigen Wiederaufstieg feiern. Es sind neben den Solarzellen die Lithium-Ionen Akkus, die einen flexibleren Betrieb ermöglichen. Diese Akkus benötigen deutlich weniger Platz und deren Gewicht ist kräftig gesunken. Mit ihrer Erdumrundung demonstrierte die in Kiel 2010 erbaute „Turanor Planet Solar“ (Abb. 1) die Möglichkeiten der kostenlosen emissionsfreien Sonnenenergie. Sie wurde auf dem Hamburger Hafenfest der Öffentlichkeit vorgestellt. Als „Race for Water“ ging sie 2017 erneut auf große Fahrt und weist die Menschheit auf dieermüllung der Meere hin. Sie wurde dafür zusätzlich mit einem Lenkdrachen als Segel von Skysails ausgestattet. Auch Airbus arbeitet inzwischen an als Airseas bezeichneten Lenkdrachen für einen zusätzlichen Schiffsantrieb.

 

BVG Elektro-Fähren mit Solarpaneele haben  in Berlin ab 2014 vier Dieselmotorfähren für den Fußgänger- und Fahrradverkehr ersetzt. „Das ist weltweit einzigartig: elektrisch betriebene Fähren im Verkehr einer Metropole“, sagt Jan Kruse, Chef der Förde Reederei Seetouristik [3]. Das Unternehmen hat den vom Land Berlin ausgeschriebenen Vertrag bekommen und die modernen barrierefreien Katamaranfähren von der Stralsunder Firma Formstaal bauen lassen. Der Lithium-Ionen-Akku wird landseitig geladen, wenn die Stromladungen der Solarzellen auf dem Oberdeck nicht ausreichen (Abb. 3).

 

Die  norwegische Werft Fjellstrand hat gemeinsam mit Siemens die Technologie für die „Ampere“ entwickelt.  Es ist die erste akkuelektrisch angetriebene Autofähre der Welt. Das Elektroschiff wurde im Frühjahr 2015 in Dienst gestellt.  Sie fährt im 20-Minuten-Takt 34 Mal am Tag nördlich von Bergen (Norwegen) über den Fjord und verbindet Lavik und Oppedal. Mit dem norwegischen Strommix fährt sie die sechs Kilometer  fast ohne Kohlendioxidemissionen [4].

 

Abbildung 3: Eine der vier Berliner Solar-Akku-fähren (Foto Dr. Hochhaus)

 

3. Schiffe mit Brennstoffzellen

Seit 2017 ist das kleine Passagierschiff „Innogy“ im Rahmen des Greenfuel Projekt mit Brennstoffzellenantrieb auf dem Baldeneysee bei Essen in Betrieb (Abb. 4). In dem Projekt wurde von der Firma Innogy mit Unterstützung und Technologie der Rostocker Firma Gensoric GmbH  eine Pilotanlage zur elektro-biokatalytischen Methanolsynthese errichtet, die zur strombasierten Methanolherstellung dient [5].   Der dazu notwendige Strom entsteht im Laufwasserkraftwerk Baldeney und das CO2 wird der Umgebungsluft entnommen. Das dabei entstehende flüssige Methanol wird auch als E-Fuel bezeichnet, ist CO2-neutral und  wird als Kraftstoff für das 2017 umgebaute Binnen-Fahrgastschiff "MS Innogy“ verwendet. Auf der Innogy wird in einem Methanol-Reformer unter Freisetzung von Kohlendioxid aus einem Methanol-Wasser-Gemisch reiner Wasserstoff erzeugt und den Brennstoffzellen zugeführt. Reicht die eigene Produktion nicht aus, wird in Island von Carbon Recycling International Inc. (CRI) zugekauft. Seit November 2018 fährt die „Hydroville“ der belgische Schiffsholding Compagnie Maritime Belge (CMB) im Hafen von Rotterdam. Die „Hydroville" hat einen Dual-Fuel-Dieselmotor, der auch Wasserstoff verbrennt, und ist das erste zertifizierte Boot mit diesem Antrieb. Unter dem Namen „Hyseas III“ startete am 1. Juli 2018 ein Projekt zum Bau einer mit Wasserstoffspeichern und Brennstoffzellen ausgestatteten Hochseefähre, die 2021 zwischen den Orkneyinseln fahren soll. Sie wird auf der Werft Ferguson Marine in Glasgow gebaut, die Brennstoffzellen liefert der kanadische Hersteller Ballard Power Systems und der Wasserstoff entsteht aus Strom der Unterwasser-Strömungsturbinen der Orkneyinsel Eday.

 

 

 

Abbildung 4:Die Stromerzeugung der  elektrisch angetriebene Innogy erfolgt durch Brennstoffzellen (Foto Innogy)

 

 

4. Power-to-Gas Technologie

 Als Power-to-Gas wird ein chemischer Prozess bezeichnet, in dem mit elektrischem Strom aus Wasser durch Wasserelektrolyse mit teilweise nach geschalteter Methanisierung ein gasförmiger Brennstoff hergestellt wird. Der Wirkungsgrad der Elektrolyse ist abhängig von dem Verhältnis der eingesetzten Strommenge zur erzeugten Wasserstoffmenge. Sie liegen bei der Niedertemperatur-Elektrolyse (60 – 80 °C) heute je nach Größe der Elektrolyseure bei 60 bis 75%. Für die sich in der Entwicklung befindlichen Solid Oxide Elektrolyse (SOE) bei 700 – 900°C werden Wirkungsgrade von 80 bis 85% erwartet. Wird das CO2 aus der Luft entnommen, handelt es sich um CO2-neutralen Brennstoff.

 

Im Rahmen der Strategieplattform „Power-to-Gas“ wird mit drei Elektrolyseanlagen in Werlte (Ostfriesland) vom Autohersteller Audi seit 2013 mit grünem Strom Wasserstoff produziert. Mit der Nennleistung von 6 MW und rund 2800 t Kohlendioxid aus einer benachbarten Biogasanlage entstehen daraus in der nach geschalteten Anlage zur Methanisierung  rund 1000 t/a synthetisches Erdgas.  

 

 

Abbildung 5: Spezifische CO2-Emissionen von Dieselöl, Biofuel und E-Fuel wie z. B. Methanol (Quelle Carbon Recycling International CRI)

 

 5. Power-to-Liquid Technologie (E-Fuel)

Mit der Power-to-Liquid-Technologie lassen sich in einer weiteren Wandlungsstufe aus dem Wasserstoff unter Zufügung von CO2 auch flüssige weitgehend CO2-neutrale synthetische Kraftstoffe wie Methanol herstellen (s. a. Abb. 5). Eine Pilotanlage wurde z. B. von Carbon Recycling International Inc. (CRI) auf Island errichtet und betrieben. Diese Gesellschaft wurde 2006 gegründet und hat die Anlage ausgebaut. Sie hat jetzt eine Kapazität von 5000 t Methanol pro Jahr [6].  Das Prinzip wurde 2014 beim STG-Nachwuchssprechtag vorgetragen [7].

 

6. Methanol und Ethanol aus Hüttengasen als zukünftiger Kraftstoff für die Schifffahrt

Methanol und Ethanol sind weit verbreitet, da sie vielfach in der chemischen Industrie verwendet werden. Ethanol ist der am häufigsten verwendete Biokraftstoff im landgestützten Transport. Beide haben jedoch eine geringere Energiedichte als Dieselkraftstoff oder Schweröl und benötigen daher mehr Bunkerraum. Sie können jedoch anders als bisherige Schiffsbrennstoffe direkt an der Außenhaut  gebunkert werden. Methanol und Ethanol sind unter atmosphärischen Bedingungen flüssig, LNG dagegen muss bei -162 °C gelagert werden, um im flüssigem Zustand zu bleiben. Methanol und Ethanol lassen sich aus erneuerbaren Energien bzw. Hüttengasen gewinnen und sind als E-Fuel bei der Verbrennung in Dieselmotoren sind die Emissionen im Vergleich zu herkömmlichen Diesel- oder Schwerölen ohne Nachbehandlung gering. Die Stickoxidemissionen und die Partikelemissionen sind ebenfalls niedriger als bei konventionellen Kraftstoffen.

 

Im September 2018 fand bei Thyssenkrupp im Carbon2Chem Technikum in Duisburg eine erste Methanolproduktion aus dem Prozessgas des Hüttenwerks statt. Hier steht eine Pilotanlage, in der Laborergebnisse unter industriellen Praxisbedingungen erprobt werden. Das Bundesforschungsministerium fördert das Großprojekt Carbon2Chem, mit rund 60 Mio. €. Nach eigenen Angaben hat Thyssenkrupp rund 34 Mio. € in das Technikum investiert. [8].  

 

 

Abbildung 6: E-Bedarf von Kreuzfahrtschiffen  über der Vermessung (Grafik Dr. Hochha

 

Ein anderer Weg wird im Projekt „Steelanol“ eingeschlagen, welches im Rahmen vom F+E-Programm Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert wird. Die erste Projektphase startete im Mai 2015 und wird Ende Oktober 2018 beendet. Diese Technologie verwendet als Clostridien bezeichnete anaerobe Bakterien, die sich vorwiegend von Kohlenmonoxid ernähren. ArcelorMittal investiert ab 2018 rund 150 Mio. € in eine neuartige Demonstrationsanlage, mit der das Kohlenmonoxid aus den Hüttengasen zu Bioethanol verarbeitet wird [9]. Damit entstehen rund 80.000 m³ bzw. 63.000 Tonnen Ethanol pro Jahr. Es ist die erste Anlage seiner Art in Europa und die größte Anlage, die bisher weltweit mit dieser Technologie gebaut wurde. Insgesamt 10,2 Millionen Euro wurden im Rahmen von Horizon 2020 beantragt und genehmigt. Etwa 50 kg Bioethanol werden dabei pro Tonne Stahl produziert. Wenn der Demonstrator den Erwartungen entspricht, ist zu erwarten, dass ArcelorMittal diese Anlagen auch in seinen deutschen Hüttenwerken installiert.

 

 

Abbildung 7: Entwicklungen der Meyer Werft zur Reduzierung der Emissionen  von Kruezfahrtschiffen 

(Quelle Untiedt/Meyer Werft)

 

 

7. Kreuzfahrtschiffe, neue Entwicklungen

 

Die Abb. 6 zeigt den E-Bedarf der Antriebe und Schiffshilfsanlagen heutiger Kreuzfahrtschiffe. Zur Vermeidung von schädlichen Emissionen soll die elektrische Energieversorgung bei den Kreuzfahrtschiffen der Meyer Werft zukünftig aus dezentral angeordneten  Brennstoffzellen erfolgen [10]. Deren  Wasserstoffversorgung wird über einen vor geschalteten Reformer aus dem strombasierten CO2-neutralen Kraftstoff E-Methanol realisiert.. Damit wird ein geschlossener CO2-Kreislauf erreicht. Die Verfahren zur Methanolgewinnung werden neudeutsch auch als Power-to-X bezeichnet [11]. Mit dieser Anordnung zur Stromversorgung werden weder Schwefeldioxid, Russpartikel noch  Stickoxide von den zukünftigen Kreuzfahrtschiffen in die Atmosphäre abgegeben (Abb. 7). Das emittierte CO2 dagegen strömt in die Atmosphäre, daraus wurde es bei der Methanol-Hwestellung entnommen und damit wird der CO2-Kreislauf geschlossenen. Mit dieser grünen Wasserstoff-Methanol-Technologie wird einer der Auswege beschritten, mit dem die Menschheit den bisherigen Weg der fossilen Brennstoffe mit dem CO2-Problem verlassen kann.

 

 

Abbildung 8: Ecoship, Entwurf  von Oliver Design (Quelle Peace Boat)

 

 

8. Zusammenfassung

Vor 180 Jahren entstand der erste elektrischen Antrieb für Boote. Mit den heutigen modernen Akkumulatoren und Solarzellen (s. a. Abb. 1) erlebt der elektrischen Antrieb eine Renaissance bei Spezial- und Fährschiffen. Bei den großen modernen Kreuzfahrtschiffen erfolgt der Antrieb elektrisch und die Dieselgeneratoren werden inzwischen bei ersten Schiffen als Übergangslösung mit LNG angetrieben. Im nächsten Schritt kann als E-Fuel Methanol oder Ethanol verwendet werden und der Schiffsbetrieb wird CO2-neutral.

 

Literatur

[1] Dr. Doppelbauer, Martin:  Die Erfindung des Elektromotors 1800-1854 in https://www.eti.kit.edu/1376.php

[2] Hochhaus, K.-H.: Antriebsanlagen, in Leidenschaft Schiffbau, 2000 Koehlers Verlagsgesellschaft

[3]  BVG Elektro-Fähren Solarfähren in Berlin sind weltweit einmalig, in Berliner Zeitung am 31.3.2014

[4] Müller, C. N.: ZeroCat 120, eine 1.000 Kilowattstunden-Akku-Fähre für Norwegen; in Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft, 109. Band 2015

[5] N. N.: Innogy startet weltweit einzigartiges Methanol-Projekt; Innogy Presseerklärung am 9 März 2017

[6] Hochhaus, K.-H.: Klimawandel in der globalen Schifffahrt, Schiff & Hafen Nr. 12 /2018

[7] Jansen,  Daniel: Anforderungen an eine Power-to-Gas-Anlage für den Offshore-Einsatz mit einer Anschlussleistung von 240 MW; STG Jahrbuch 2014

[8] N.N.: https://www.thyssenkrupp.com/de/carbon2chem/

[9] https://ec.europa.eu/inea/en/horizon-2020/projects/h2020-energy/biofuels/steelanol

[10] Untiedt, G.: Alternative Energiesysteme - Ein Beitrag zur maritimen Energiewende, Vortrag am 1. November 2018 im Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, Berlin

[11] Lauber, U.: Klimaziele und Energiewende sind nur mit Power-to-X erreichbar, Schiffs-Ingenieur Journal, Januar/Februar 2019, 65 Jahrgang