Berlin, Ursus und Elektra - innovationen mit Brennstoffzellen

 

Karl-Heinz Hochhaus

 

 

Abbildung 1: Auf der 1896 durchgeführten Gewerbeausstellung in Berlin Treptow an der Spree wurde die erste Elektra präsentiert (Quelle Wikipedia, Bluefish)

 

1. Einführung

 

1886 wurden in Berlin Erprobungsfahrten auf der Spree zur Lösung des Nahverkehrsproblems mit einem elektrisch angetriebenen Boot von Siemens & Halske durchgeführt. Das Boot namens Elektra (Abb. 2) wurde mit dem aus Stahlblech bestehende Bootskörper und Propeller von der Schlosswerft in Harburg nach Berlin geliefert. Die technische Ausrüstung, wie die Antriebsanlage und die Akkumulatoren baute die Firma Siemens&Halske ein. Vorgestellt wurde das Elektroboot während der 1896 stattgefundenen Berliner Gewerbeausstellung (Abb. 1)

 

Im Rahmen der Bundesförderung "Wasserstoff und Brennstoffzelle" (NIP) wird das von der Technischen Universität Berlin (TUB), Fachgebiet "Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme" (EBMS) gemeinsam mit der Berliner Hafen- und Lagerhausgesellschaft  beantragte Forschungsprojekt „Elektra II“ Unterstützt. Das Projekt wird vom Bundesverkehrsministerium (BMVI) finanziert und organisatorisch vom Projektträger Jülich (PTJ) und inhaltlich von der Nationalen Organisation für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) betreut. Hintergrund ist die Realisierung, d. h. der Bau und die Erprobung des im Vorprojekt untersuchten Schubschiffes Elektra mit hybrid-elektrischem Antriebsstrang für den nachhaltigen Transport von Projektladung und Schüttgütern. Einer der Kernpunkte ist der umweltfreundliche Betrieb und daher entschied man sich für Akkumulatoren und Wasserstoff für die Stromversorgung des Antriebes und der Hilfsanlagen statt LNG als Brennstoff. Mit Akkumulatoren wurde auch die erste Elektra betrieben. 

 

Die Berliner Hafen- und Lagerhausgesellschaft (BEHALA) ist Betreiber von drei Hafenstandorten im Berliner Stadtgebiet und  führt als Logistikbetreiber eine Vielzahl von Wassertransporten durch. Hierbei werden neben Schüttgütern wie Kohle, Kies und Schrott anspruchsvolle Verschiffungen von Siemens Gasturbinen durchgeführt. Mit einer Nennleistung von 450 Megawatt (M) gehört die SGT5-8000H zu den leistungsstärksten Gasturbinen der Welt. Diese Baureihe  ist inzwischen für die Straßen zu groß und zu schwer, daher wurde in einem früheren Entwicklungsprojekt in Zusammenarbeit mit der TUB der RoRo-Schwergutleicher Ursus entwickelt.

 

 

 

 

 

Abbildung 2: Die erste Elektra wurde 1886 gebaut und 1896 öffentlich ausgestellt  (Wikipedia, Biberbaer)

 

 

Hintergrund ist, dass vor allem in Ballungsräumen wie der Hauptstadtregion Berlin/ Brandenburg Ansätze untersucht werden, um den Ausstoß von Verbrennungsgasen zu reduzieren und somit für diese und folgende Generationen ein gesundes und umweltfreundliches Stadtklima zu gewährleisten. Dies wird vor dem Hintergrund der Ergebnisse des Klimagipfels in Paris auf nationaler Ebene durch die Bundesregierung in Berlin durch den "Aktionsplan Klimaschutz 2020" unterstützt.

 

Auch die Binnenschifffahrt muss sich ebenso wie die anderen Verkehrssektoren diesen Herausforderungen stellen. Neben der Fahrgastschifffahrt spielt vor allem der Gütertransport eine bedeutende Rolle. Durch eine Vielzahl von Flüssen und Kanälen sowie eine günstige Positionierung verschiedener Industriestandorte bietet sich hier die Möglichkeit des kostengünstigen und umweltschonenden Gütertransportes. Hier bestehen erhebliche Reserven, nur manche zum Teil extrem alte Schleusen bilden Engpässe, die unbedingt zu beseitigen sind. 

 

 

 

 

 

Abbildung 3: Berlin Westhafen, Verladung einer Gasturbine in einen Leichter (Foto Dr. Hochhaus)

 

 

 

 

 

2. Transport von Gasturbinen

 

Die heutige Siemens-Fabrik in Berlin besteht seit 1904, war ursprünglich die AEG-Turbinenfabrik die über die Kraftwerksunion von Siemens übernommen wurde. 1972 entstanden die ersten Gasturbinen, anfangs mit einer Leistung von  rund 62 Megawatt (MW). Inzwischen sind es mit  450 MW fast die achtfache Leistung und entspricht etwa der Leistung von 6000 VW Golf mit 75 kW. 

90 % dieser Gasturbinen aus Berlin werden weltweit exportiert (Abb. 5).

 

Für den Export wurden die Gasturbinen von dem Siemens-Gasturbinenwerk in Berlin-Moabit mit Schwerlast-Fahrzeugen über Straßen und Brücken zum Westhafen von Berlin befördert. Hier wurden sie mit dem Behala-Schwerlastkran in Leichter verladen (Abb. 3, 4) und anschließend als Schubverband zum Hamburger (Abb. 6) oder Rotterdamer Hafen transportiert. Hier wurden sie auf ein Schwergutschiff geladen.

 

 Für den Export wurden die Gasturbinen anfangs von dem Siemens-Gasturbinenwerk in Berlin-Moabit mit Schwerlast-Fahrzeugen über Straßen und Brücken zum Westhafen von Berlin befördert. Hier wurden sie mit dem Behala-Schwerlastkran in Leichter verladen (Abb. 3, 4) und anschließend als Schubverband zum Hamburger oder Rotterdamer Hafen transportiert. Hier wurden sie auf ein Schwergutschiff geladen.

 

Die neue Gasturbinen-Baureihe ist für die Brücken zu schwer geworden, daher wurde am nur einige hundert Meter vom Gasturbinenwerk entfernten Charlottenburger Verbindungskanal eine RoRo-Rampe zum Beladen der RoRo-Leichter geplant. Der erste Spatenstich für den Bau der RoRo-Rampe erfolgte am 14. März 2012, eingeweiht wurde sie am 31. Oktober 2012 mit der ersten Verladung einer Gasturbine des Typs SGT5-8000 H auf den neuen Schwergutleichter Ursus.

 

 

    Abbildung 4: Berlin Westhafen, der Schwerlastkran verlädt  eine Gasturbine in die Ursus (Foto Dr. Hochhaus

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 5: Verladung einer Gasturbine über die Berliner RoRo-Rampe in die Ursus (Foto Dr. Hochhaus)

 

 

Abbildung 6: Verladung der Gasturbine in Hamburg auf ein Schwergutschiff(Foto Dr. Hochhaus)

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 7: Behala Logistikchef Klaus Lichtfuß im Maschinenraum der Ursus (Foto Dr. Hochhaus)

 

 

 

3. Schwergutleichter Ursus

 

Die bisher verwendeten Leichter sind sehr robust gebaut und zeichnen sich durch eine hohe Langlebigkeit aus. Daher befinden sich heute auf vielen Einheiten selten Hilfsanlagen zur Stromerzeugung sowie Querstrahlruder oder Ballastwassersysteme zum Absenken bei niedrigen Brücken. Diese Einrichtungen sind derzeitig notwendig, da die Projektladungen schwerer und größer wurden. Daher wurde im Rahmen des Entwicklungsprojektes Ursus von der Behala in Zusammenarbeit mit der TU-Berlin der RoRo-Schwergutleicher Ursus entwickelt und konstruiert. Von der Erlenbacher Schiffswerft wurde der  Schwergutleichter 2012 mit der Werftnummer 1173 gebaut. Das 34,9 Meter lange Mittelteil des Leichters entstand auf der Werft Santierul Naval in Orsova in Rumänien und wurde später auf der Erlenbacher Schiffswerft mit dem dort gebauten Vor- und Achterschiff zusammengefügt. Er wurde am 14. September 2012 an die Behala abgeliefert.

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 8: Die Elektra (Quelle TUB – FG EBMS, BEHALA)

 

 

 

 

4. Schubschiff Elektra

 

 

 

Die Anforderungen an das Schubschiff Elektra (Abb. 8) wurden im Vorprojekt untersucht, das von 01.4.2017 bis 30.9.2019 lief. Sie ergeben sich aus den Behala-Dienstleistungen, die zukünftig möglichst emissionsfrei erbracht werden sollen. Der Einsatz ist regional mit 65 km im Raum Berlin-Brandenburg und überregional zum Überseehafen Hamburg in der Zeit von vier Tagen mit rund 130 km pro Tag geplant. Im regionalen Betrieb können wichtige Industriestandorte bei einer Betriebsdauer von 8 Sunden mit einer Dienstgeschwindigkeit von 8 km/h erreicht werden und bei Schichtende kann die Elektra wieder im Westhafen anlegen. Im überregionale Betrieb zum Gasturbinentransport von Berlin zum nächsten Überseehafen nach Hamburg soll mit einer mittleren Dienstgeschwindigkeit von 8,5 km/h und einer Betriebsdauer bis zu 16 Stunden am Tag gefahren werden. Zum Energie schonenden Betrieb wurde ein Fahrassistenzsystem entwickelt, das auch die Routenplanung und eine Routensimulation beinhaltet. Für die Energieversorgung muss auf dieser Strecke eine Lade- und Bunkerinfrastruktur vorhanden sein. Die Bebunkerung und die vollständige Aufladung aller Akkumulatoren muss in einem Zeitraum von sieben Stunden möglich sein. Daher werden parallel zum Bau und der Erprobung der Elektra begleitende infrastrukturelle Maßnahmen im Bereich der Strom- und Wasserstoffversorgung durchgeführt.

 

Bezüglich der Schubleistung wurde der Transport großer Siemens-Gasturbinen im Schwergutleichter Ursus zu Grunde gelegt. Daraus ergab sich sowohl im regionalen als auch überregionalen Betrieb die maximale Schublast von ca. 1.400 t. Die Hauptabmessungen ergaben sich aus den zu befahrenden Fahrwasserstraßen und Schleusen sowie der zu transportierenden Ladung.

 

 

Abbildung 9: Darstellung der Koppelstelle mit Wirbeln zwischen der Elektra und der Ursus [4]

 

 

 

Abbildung 10: Energiekonzept (Quelle TUB – FG EBMS, BEHALA)

 

 5.1 Beschreibung der Elektra

 

Damit der gesamte Schubverband in alle Schleusen passt, sollte die Gesamtlänge 85 m nicht überschreiten. Die Ursus hat eine Länge von 65 m, daher ergaben sich für das Schubschiff rund 20 m. Die Höhe über der Wasserlinie wird begrenzt durch die Brücken und ergibt bei eingefahrenem Steuerhaus  4,30 m. Die Elektra hat bei einem Tiefgang von 1,25 Meter eine Verdrängung von rund 130 Tonnen. Der Antrieb erfolgt durch zwei elektrisch angetriebene Schottelpropeller mit einer Nennleistung von je 200 kW. Um die Fahrten nach Hamburg durchzuführen, ergibt sich nach den Vorschriften eine  Besatzung von drei Mann, woraus sich die Unterbringung und Raumgrößen und letztlich die Breite von rund 8 m ergaben.

 

 Zur Realisierung eines emissionsfreien Schubschiffes wurden als Energiequellen Akkumulatoren und mit Wasserstoff  betriebene Brennstoffzellen vorgesehen. Es wurden numerische Strömungssimulationen (Abb. 9) durchgeführt, um den Glattwasserwiderstand und daraus die zu installierende Antriebsleistung des Schubschiffes zu ermitteln. Aus den Fahrprofilen und numerischen Strömungssimulationen wurde die benötigte Antriebsleistung ermittelt [4]. Daraus und aus den Fahrprofilen des regionalen und überregionalen Betriebes wurden die notwendigen Energiemengen berechnet, die zur Auslegung der Wasserstoffmenge für die Brennstoffzellen und die Kapazität der Akkumulatoren gebraucht werden. Für den regionalen Betrieb von 65 km Reichweite wurden Propulsions-Akkus mit 2 x 1.250 kWh und für die Bordnetz-Akkus 230 kWh ermittelt. Für den überregionalen Betrieb ergab sich ein Brennstoffzellensystem mit der Nennleistung von 192 kW und eine  Brennstofftankkapazität von 740 kg Wasserstoff, (500 bar Speicherdruck) in 6 Modulen (Abb. 10). Dabei wurden zur Berücksichtigung von Alterungprozessen die Energiequellen etwas überdimensioniert. Da Bleiakkus zu groß und zu schwer geworden wären, wurden Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren gewählt.

 

Als Brennstoffzellensystem sind drei Niedrigtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Zellen vorgesehen. Sie regieren im Vergleich zu Hochtemperaturzellen dynamischer mit dem Nachteil eines geringen Zusatzenergiebedarfs. Die Drucktanks bestehen aus einzelnen Druckgasflachen, welche in einzelnen Module aufgeteilt sind, die an Deck untergebracht sind (Abb. 10).

 

5.2 Bau der Elektra

 

Am 4. November 2019 erfolgte auf der Schiffswerft Hermann Barthel in Derben (Sachsen-Anhalt  (Abb. 11) die Kiellegung der Elektra . Die Fertigstellung durch die Werft ist im 4. Quartal 2020 geplant. An der Planung und Bau sind acht Partner, neben dem Fachgebiet für Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme der TU Berlin, die Behala, die Schiffswerft Hermann Barthel, Ballard Power-Systems (Brennstoffzellen), Anleg (Wasserstofftanks und -regelstrecke), Schiffselektronik Rostock, EST-Floattech (Akkumulatoren) und Imperial Logistics (Reederei) beteiligt. Die gesamten Projektkosten inkl. Entwicklung, Genehmigungsverfahren, Bau und ausführlicher Erprobung werden mit ca. 13 Mio. € veranschlagt. Die Förderung durch das BMVI liegt bei ca. 8 Mio. € [5].

  

 

 

 

 

 

 

Abbildung 11: Kiellegung der Elektra (Quelle TUB – FG EBMS, BEHALA)

 

 

 

 

 

 

5.2 Bau der Elektra

 

Am 4. November 2019 erfolgte auf der Schiffswerft Hermann Barthel in Derben (Sachsen-Anhalt  (Abb. 11) die Kiellegung der Elektra . Die Fertigstellung durch die Werft ist im 4. Quartal 2020 geplant. An der Planung und Bau sind acht Partner, neben dem Fachgebiet für Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme der TU Berlin, die Behala, die Schiffswerft Hermann Barthel, Ballard Power-Systems (Brennstoffzellen), Anleg (Wasserstofftanks und -regelstrecke), Schiffselektronik Rostock, EST-Floattech (Akkumulatoren) und Imperial Logistics (Reederei) beteiligt. Die gesamten Projektkosten inkl. Entwicklung, Genehmigungsverfahren, Bau und ausführlicher Erprobung werden mit ca. 13 Mio. € veranschlagt. Die Förderung durch das BMVI liegt bei ca. 8 Mio. € [5].

  

 

 

Abbildung 12:  Eine Vision, die Elektra mit der Ursus  einlaufend in den Berliner Westhafen(Quelle TUB – FG EBMS, BEHALA)

 

 

 

6. Zusammenfassung

 

Vorstehend werden die bereits bestehende Ursus und die Elektra beschrieben. Anfang November 2019 erfolgte die Kiellegung der Elektra. Der notwendige Strom der Antriebs- und Hilfsanlagen kommt aus Akkumulatoren und drei mit grünem Wasserstoff gespeisten Brennstoffzellen.

 

Während über die Energiewende überall geredet und Forderungen aufgestellt werden, gibt es nur wenige Stellen, an denen auch an konkreten Lösungen gearbeitet wird (Abb. 12). In Berlin, wo von Siemens & Halske vor 134 Jahren mit der Elektra ein Akkuboot für 24 Passagiere auf der Spree erprobt wurde, entstand die Planung und Konstruktion der dritten Elektra. Der Behala Logistikchef  Klaus Lichtfuß hat gemeinsam mit Prof. Holbach von der TU-Berlin das Elektra-Projekt angestoßen, u. a. damit riesige Siemens Gasturbinen emissionsfrei nach Hamburg transportiert werden können.

 

4. Literatur und Quellen

 

[1] Mehrere Autoren: Herausforderungen beim Entwurfsprozess eines hybrid-elektrischen Schubschiffes, STG Vortrag 2016, STG Jahrbuch 2016, S. 202

 

[2] N. N.: Elektromobilität für Schubboote, Deutsche Verkehrszeitung, Verlag DVV Media Group GmbH (http://www.dvvmedia.com/)

 

[3] Pressemitteilung Behala – Projektstart Bau des weltweit ersten emissionsfreien Schubbootes (https://www.behala.de/projektstart-bau-des-weltweit-ersten-emissionsfreien-schubbootes/)

 

[4] Mehrere Autoren: Leistungs- und Energiebedarfsprognose eines batterieelektrischen Schubschiffes, Schiff und Hafen ISSN 0938-1643; Heft 5 2016 S. 12-16

 

[5] Projektwebseite des Fachgebiets EBMS der TU Berlin (https://www.marsys.tu-berlin.de/menue/forschung/elektra_2/)

 

5. Weitere Infos im Film

 

Kurzfilm