Klimaschutz durch umweltfreundlichere Technologien
Die Brennstoffzelle - Chance für unser Klima?
von Tim Meinert
Das Kieler Unternehmen HDW GmbH blickt auf mehr als 30 Jahre Erfahrung mit der Brennstoffzelle zurück und baut sie heute erfolgreich in U-Boote ein. Die Technologie ist deutlich emissionsärmer und damit klimafreundlicher als die Kraftstoffmotoren, die flächendeckend in der Schifffahrt eingesetzt werden. GeoZeit wollte wissen, ob diese Technologie auch eine alternative Antriebsform für die zivile Schifffahrt sein kann, um damit unser Klima und damit unsere Küsten zu schützen.
- Blick auf die Werft "HDW"
Zu jeder Jahreszeit reicht ein Blick auf die Kieler Förde, um sie zu entdecken. Bei Spaziergängen am Nordostseekanal wird man oft von ihnen überholt. Vom Land aus betrachtet, gleiten sie lautlos und beharrlich durch das Wasser. Sie sind majestätisch und eindrucksvoll, wenn sie sich fortbewegen; fast so als ob sie schon immer zu der Natur und dem Meer dazu gehörten. Riesige, schwimmende Kolosse aus Stahl, die Menschen und Fracht sicher und trocken über die Weltmeere bringen. Es sind Schiffe. Über die Meere dieser Erde werden zirka 90 Prozent des gesamten Welthandels abgewickelt. Dafür sorgt eine gigantische Anzahl an Handelsschiffen. Und auf ihren Reisen transportieren sie eine noch größere Menge an Gütern jeder Art. Damit das T-Shirt oder die neuen Schuhe ihren langen Weg von China nach Europa zurücklegen können, benötigen die Schiffe aber vor allem eines: Kraftstoff. Und genau der ist gerade in der Schifffahrt durch enthaltene Schwermetalle sehr dreckig.
Zwar liegt nach der "International Maritime Organization" der Anteil der Schiffsemissionen momentan bei nur 2,7 Prozent des weltweiten Kohlendioxidausstoßes, Schätzungen gehen jedoch von einem Anstieg auf etwa 18 Prozent bis 2050 aus. Zusätzlich geraten Emissionen auch nicht nur bei Fahrt auf See, sondern auch im Hafenbetrieb in die Atmosphäre. Das Schiff wird dort mit Energie versorgt, die durch Kraftstoff nutzende Generatoren produziert wird. "Schiffe im Hafen sind für einen Großteil der städtischen Emissionen verantwortlich", erklärt Diplom-Ingenieur Stefan Krummrich von der Kieler Traditionswerft HDW GmbH. "Dies liege vor allem an ihrem sehr dreckigen Kraftstoff", so Krummrich weiter. Bestrebungen in Form von Forschung und Entwicklung für alternative Antriebssysteme sind deshalb weltweit vorzufinden. Bei dieser Suche setzten die Forscher weltweit in erster Linie auf die Idee der Brennstoffzellentechnologie.
Entdeckt wurde sie schon vor etwa 170 Jahren von dem Physiker Sir William Robert Grove (1811-1896). Er erfand bei seinen Forschungen die erste Brennstoffzelle. Jedoch war der erzeugte Stromfluss zu gering, um sich gegen die Konkurrenz in Form der effektiveren Technologien des Verbrennungsmotors und des Dynamos durchzusetzen. Erst in den 1980er Jahren, als die Brennstoffzelle vermehrt in der Raumfahrt angewandt wurde, startete ihre Renaissance und es begann eine intensive Erforschung.
Vereinfacht und allgemein dargestellt, funktioniert die Brennstoffzelle wie eine große Batterie und wandelt chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Wasserstoff reagiert mit zugeführtem Sauerstoff zu Wasser und dabei wird Energie abgegeben, die dann genutzt werden kann. Die wohl bekannteste und für die Umwelt hoffnungsvollste Eigenschaft ist, dass bei der Brennstoffzelle als Endprodukt nur Wasser entsteht und sie fast geräuschlos arbeitet. Das sind eindeutige Vorteile gegenüber den dreckigen, lärmenden Dieselmotoren. Diese Aspekte rufen vor allem die Bilder von tatsächlich geräuschlos fahrenden, durch ihre Wasseremissionen im Einklang mit der Natur stehenden Schiffe hervor und lassen von einer emissionsärmeren und umweltfreundlicheren Welt träumen.
Eines der weltweit wohl bekanntesten Projekte für Brennstoffzellenantrieb sind die U-Boote der Kieler Werft HDW. Hier wird schon seit Anfang der 1980er Jahre an Brennstoffzellen und Wasserstoff gearbeitet und geforscht. "In Deutschland wurden diese Technologien von HDW und Siemens so entwickelt, dass sie auch auf U-Booten einsetzbar sind", stellt Krummrich, der seit 2002 im Bereich Forschung und Entwicklung der Brennstoffzelle für HDW tätig ist, fest. Mittlerweile sind die U-Boote in der deutschen Marine und derer von bereits 17 weiteren Ländern im Einsatz. HDW leistete bezüglich Komprimierung beziehungsweise Anpassung der Brennstoffzelle und der Wasserstoffspeicherung Pionierarbeit. "Es gab keine Entwicklung aus anderen Bereichen, auf die man hätte aufbauen können. HDW musste sich alles selbst erarbeiten und ist somit eine der ersten Adressen weltweit für diese Technologie", verdeutlicht Krummrich. HDW verfügt damit über ein nicht zu unterschätzendes, technisches Wissen für die Weiterentwicklung der Technologie.
- Ein Fährschiff im Hafenbetrieb
Natürlich ist ein U-Boot kein tonnenschweres Containerschiff. Diese anderen technischen Voraussetzungen stellen Ingenieure wie Stefan Krummrich weltweit vor neue und schwierige Herausforderungen. Ihre Arbeit, ihre Ergebnisse und das damit entstandene technische "Know-How" bieten jedoch Chancen, dass die Nutzung einmal über die Grenzen der U-Boot-Technologie hinaus möglich sein wird. Bestrebungen dafür gibt es schon. So wurde durch HDW bereits vor Jahren die Möglichkeit der Nutzung von Brennstoffzellen auch auf Überwasserschiffen untersucht. "Die erste Anwendung für Brennstoffzellen auf Überwasserschiffen wird die bordeigene Stromerzeugung sein", berichtet Krummrich. Vor allem im Hafenbetrieb ist die Brennstoffzelle eine Alternative, den benötigten Strom klimafreundlich und nahezu ohne Schadstoffemissionen zu erzeugen.
Aber trotz allem gibt es immer noch Probleme bei der Umsetzung als Antriebssystem. "Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ist zwar gegenüber einem herkömmlichen Dieselmotor sehr hoch, aber die Energiedichte von Wasserstoff dagegen gering. Ein Liter flüssiger Wasserstoff hat nur etwa ein Viertel der Energie von herkömmlichem Dieselkraftstoff. Der Wasserstoff als Energieträger für Seeschiffe stößt deshalb schnell an seine Grenzen", stelle Krummrich fest.
Weiterhin sind die Leistungen der heutigen Brennstoffzellen noch zu gering. "Für den Antrieb eines Frachtschiffes der zivilen Schifffahrt sind deutlich höhere Leistungen als auf einem U-Boot notwendig. Mit den Brennstoffzellen von heute ist der Antrieb eines Schiffes deshalb noch nicht möglich", erklärt Krummrich weiter. Als Chance gilt jedoch die Technologie der Reformierung. Hierbei wird Wasserstoff aus Alkoholen oder Kohlenwasserstoffen an Bord produziert, und dann in der Brennstoffzelle umgesetzt. Es entfällt die raumaufwendige Speicherung von reinem Wasserstoff. Als Endprodukte entsteht neben Wasser auch CO2, jedoch aufgrund des höheren Wirkungsgrades weniger als bei herkömmlichen Energieerzeugungssystemen. Es entstehen keinerlei Schadstoffe wie Stick- oder Schwefeloxide.
Mit den heute verfügbaren, für die Schifffahrt größentechnisch, geeigneten Brennstoffzellen liegt der elektrische Wirkungsgrad eines Reformer-Brennstoffzellen-Systems auf vergleichbarem Niveau mit einem modernen Dieselgenerator, dem die Schifffahrt seit Jahrzehnten vertraut. Daher werden in ersten Anwendungen der Brennstoffzelle in der Seeschifffahrt nicht der Wirkungsgrad, sondern andere Aspekte wie höherer Komfort durch vibrationsfreie und leise Stromerzeugung, sowie der Wegfall von Schadstoffemissionen im Fokus des Anwenders stehen. "Die Schiffe werden in 20 Jahren zwar immer noch genauso angetrieben wie heute, die Brennstoffzelle wird sich aber trotzdem in verschiedenen Nieschenbereichen wie der Binnenschifffahrt durchsetzen", prophezeit Krummrich. Dort werde, anders als bei der Seeschifffahrt, weniger Antriebskraft benötigt und sie sei eine Chance, um auch in ökologisch sensiblen Gebieten fahren zu können.
Die Riesen der Meere, die nicht nur durch ihren Anblick, sondern auch durch ihre Klimafreundlichkeit beeindrucken, werden demnach wohl erst einmal nicht die Meere dieser Erde durchkreuzen. Trotz all dem ist diese Vision ein mögliches Ziel auf dem langen, beschwerlichen Weg hin zu einer klimafreundlichen Zukunft und eine Möglichkeit zum Schutz des Klimas, der Küste und der Meere dieser Welt.
