Brennstoffzellen: Die Industrie prüft Optionen im Wettlauf um Null Emissionen

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Domenic Carlucci, ABS-Manager für Maschinen-, Elektro- und Steuerungstechnik

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Ein maritimes Konsortium, darunter ABS und Sandia National Laboratories, hat kürzlich die Leistungsfähigkeit einer Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fähre unter Beweis gestellt, die für den Einsatz in der umweltsensiblen Region San Francisco Bay konzipiert wurde.

Das Mandat der IMO, den Schwefelgehalt in Schiffskraftstoff zu Beginn des nächsten Jahres zu begrenzen, mag die größte regulatorische Änderung in der Schifffahrt seit der Notwendigkeit von Doppelhüllen sein, aber die Herausforderung wird im Vergleich zu ihren künftigen Zielen zur Verringerung der Treibhausgase nachlassen ( GHG).

Vor einem Jahr (April 2018) stimmte die IMO einer vorläufigen Strategie zu, mit der die CO2-Emissionen bis 2030 um 40% und die Treibhausgasemissionen der Schifffahrt bis 2050 um 50% gesenkt werden sollen. Unterstützung und informieren Sie dieses Ziel, die obligatorische Erhebung von Emissionsdaten von Schiffen begann im Januar. Die endgültige Strategie der IMO wird 2023 vorgestellt. In der Zwischenzeit verpflichtet sie sich, ihre vierte GHG-Studie zu veröffentlichen und die Ergebnisse aus drei Jahren, in denen Daten zu den Emissionen der Industrie gesammelt wurden, zu analysieren und zu berichten.

Die verbindlichen globalen Ziele zur Verringerung der Emissionen aus der Schifffahrt sind die ehrgeizigsten, die es je gegeben hat: Sie werden Maßnahmen erfordern, die Verbesserungen beim Schiffsdesign kombinieren. die Schaffung neuer Kraftstoffe und alternativer Antriebsformen; betriebliche Änderungen; und die Anwendung der digitalen Technologie. Da diese Ziele nicht ohne die Entwicklung neuer Technologien erreicht werden können, müssen Industrie und Regierungen die Ressourcen erweitern, die sie für Forschung und Entwicklung zur Verfügung stellen.

Eine Technologie mit Potenzial
Ein vielversprechender Bereich für die Energieerzeugung an Bord von Schiffen sind Brennstoffzellen. Brennstoffzellen werden derzeit in einer Vielzahl von Landanwendungen eingesetzt, beispielsweise zur Energieversorgung in abgelegenen Gebieten sowie für Industrie-, Wohn- und Geschäftsgebäude. Insbesondere Energie aus Wasserstoff-Brennstoffzellen wird bereits in Landtransportfahrzeugen wie Stadtbussen, Zügen und Lastkraftwagen sowie bei Industrieanlagen wie Gabelstaplern eingesetzt.

Während vor kurzem U-Boote mit Hybridantriebsaggregaten mit Wasserstoff-Brennstoffzellen gebaut wurden, beschränkte sich der Einsatz in der kommerziellen Schifffahrt weitgehend auf Hilfszwecke: Brennstoffzellen können Bordwärme und -strom bereitstellen - einschließlich Hotelstrom, wie er zum Beispiel benötigt wird Kreuzfahrtschiffe - und "kaltes Bügeln" - eine alternative Energiequelle an Land, mit der Schiffe ihre Motoren abstellen können, während sie sich im Dock befinden, wodurch ihre Emissionen verringert werden.

Darüber hinaus wurde im maritimen Sektor viel Forschung und Prototyping durchgeführt, um Anwendungen auf kleinen Passagierfähren und anderen Kurzstreckenseeschiffen zu untersuchen. In Zusammenarbeit mit den Sandia National Laboratories hat ABS kürzlich die Machbarkeit von Hochgeschwindigkeitsfähren mit Wasserstoffantrieb für die San Francisco Bay bestätigt. Unabhängig davon hat Norwegen Ende letzten Jahres die Finanzierung für den Bau einer wasserstoffbetriebenen Hochgeschwindigkeitsfähre und eines Kurzstreckenfrachters bereitgestellt.

Potenzial und Herausforderungen
Die Technologie der Wasserstoffbrennstoffzellen bietet im industriellen Maßstab das Potenzial, eine zuverlässige, weitreichende Energieversorgung zu bieten, wobei im Vergleich zu den neuen batteriebetriebenen Optionen ein relativ schnelles Auftanken möglich ist. Wasserstoff selbst hat eine höhere Energiedichte als Batterien, wodurch Brennstoffzellensysteme möglicherweise für Betreiber praktikabler werden, die traditionelle Bunkerantriebseinheiten ersetzen oder ergänzen möchten.

Die Beschaffung von Wasserstoff kann jedoch energieintensiv sein. Ohne den Einsatz von regenerativ erzeugtem Wasserstoff ist die Auswirkung von Methan oder ähnlichen Verfahren auf Wasserstoff aus Treibhausgas vernachlässigbar. Die Einführung von Wasserstoff als Kraftstoff für die Tiefsee ist auch vor der Berücksichtigung von Sicherheitsfaktoren nicht ohne Probleme.

Es ist wichtig, die Energiedichte verschiedener Energiequellen - einschließlich Brennstoffzellen - zu vergleichen, um besser zu verstehen, wie sie reifen müssen, bevor sie für die weltweite Schifffahrt geeignet sind, in der die Beförderung von Fracht im Mittelpunkt steht. Im Allgemeinen erfordern Brennstoffzellensysteme weniger Wartung (möglicherweise niedrigere Wartungskosten) und lange Lebensdauer. Sie erzeugen auch weniger Lärm als die heutigen Schwerölkraftwerke, was zu einer komfortableren Arbeitsumgebung für die Besatzung und weniger Störungen für das umgebende Meeresleben beiträgt.

Die Eignung von Brennstoffzellensystemen für Hybridantriebslösungen - gepaart mit Diesel - hat eine lange Erfolgsgeschichte. Für proaktive Besitzer, die in den Jahren 2030 und 2050 nach einem Weg zur Einhaltung der IMO-Emissionen suchen, könnten Wasserstoffbrennstoffzellensysteme möglicherweise am wichtigsten sein. Ihr einziges Nebenprodukt bei der Energieerzeugung ist Wasser. Eine weitere wichtige Herausforderung wird für die Schifffahrtsindustrie sein, ein Wasserstoffverteilungssystem zu entwickeln, das in der Lage ist, die für ein globales Netzwerk großer Schiffe benötigten erheblichen Mengen herzustellen und zu verteilen.

Die Raffinerien passen ihre Produktionsprozesse an, um der steigenden Nachfrage Rechnung zu tragen, da alternative Brennstoffe an Beliebtheit gewinnen. Die Versorgungsnetze müssen jedoch reifen, bevor sich die Schifffahrtsindustrie zuversichtlich genug fühlen wird, um Stromversorgungssysteme, die Brennstoffzellen verwenden, weit verbreitet zu haben. Brennstoffzellen sind als Energieerzeugungstechnologie vergleichsweise ausgereift. Die Reeder möchten die Technologie vielleicht als etwas mehr als einen „zukünftigen Kraftstoff“ betrachten und stattdessen ihre derzeitigen Vorteile für die Schiffsindustrie erkennen, da sie die CO2-Emissionen ihrer Flotten reduzieren und auf eine nachhaltigere Zukunft hinsteuern.

Wie funktionieren Brennstoffzellensysteme?
Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung, die die chemische Energie eines Brennstoffs über eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffs mit Sauerstoff oder anderen Oxidationsmitteln in Elektrizität umwandelt. Sie unterscheiden sich von Batterien darin, dass Brennstoffzellen eine kontinuierliche Brennstoff- und Sauerstoffquelle (normalerweise aus der Luft) benötigen, um die chemische Reaktion aufrechtzuerhalten, während die Verfügbarkeit von Energie aus einer Batterie durch die Menge der gespeicherten Energie festgelegt wird. Brennstoffzellen können kontinuierlich Strom erzeugen, solange ihnen Brennstoff und Sauerstoff zugeführt werden.

Es gibt viele Arten von Ausführungen für Brennstoffzellen. Die meisten bestehen aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten, durch die sich positiv geladene Wasserstoffionen (bekannt als Protonen) von der Anode zur Kathodenseite der Brennstoffzelle bewegen können.

Sicherheit und aufkommende Vorschriften
Derzeit gibt es keine IMO-Vorschriften, die vorgeschriebene Anforderungen für Brennstoffzelleninstallationen enthalten. Sie sind in der Entwicklung. Diese Entwicklungen werden als Erweiterung der Kraftstoffanforderungen mit niedrigem Flammpunkt überprüft. Sicherheitsaspekte in Bezug auf gasförmige Brennstoffe wie Wasserstoff, Methan und andere "leichtere als Luft" -Kraftstoffe oder Propan (das schwerer als Luft ist) erfordern besondere Vorkehrungen für die Belüftung, um die Bildung explosionsgefährdeter Bereiche zu verhindern .

Bei vielen Brennstoffzellen wird die Wasserstoffversorgung außerhalb des Wasserstoffs vor der Einführung in die Brennstoffzelle von außen in Wasserstoff und andere Nebenprodukte umgewandelt. Daher muss der Wasserstoffanteil des Kraftstoffsystems - vom Reformer bis zur Brennstoffzelle - sorgfältige Überlegungen und Merkmale berücksichtigt werden.
Sicherheits- und Betriebsüberprüfungen von Brennstoffzelleninstallationen für See- und Offshore-Anlagen stützen sich in erster Linie auf risikobasierte Studien in Kombination mit IMO-Schiffsvorschriften, IACS-Anforderungen, den anwendbaren Industriestandards und Regeln oder Leitlinien, die auf der jeweiligen Auslegung und Konfiguration des Brennstoffzellensystems basieren .

Der Internationale Sicherheitscode für Schiffe, die Gase oder andere Brennstoffe mit niedrigem Flammpunkt verwenden, wird als IGF-Code bezeichnet und wird derzeit überarbeitet, um die Anforderungen an Brennstoffzellensysteme zu erfüllen. Es wird von der Industrie erwartet, dass dies die gegenwärtigen Sicherheitsherausforderungen unterstützt.
Um eine sicherere und nachhaltigere Praxis zu unterstützen und zu fördern, da die Industrie zunehmend Brennstoffzellensysteme einsetzt, wird ABS in Kürze einen Leitfaden für Brennstoffzellen über Schiffsanwendungen für die Technologie veröffentlichen, einschließlich Antrieb und andere Hilfsanwendungen. Es bietet einen strukturierten Ansatz für die Anwendung von Brennstoffzellensystemen in einem Format, das flexibel genug ist, um andere gasförmige Brennstoffe und alle zukünftigen technologischen Verbesserungen einzubeziehen.

Schiffseigner stehen vor herausfordernden Umweltentscheidungen, da strengere Vorschriften den Kurs ihrer Branche in eine nachhaltigere Zukunft verschieben: Bis zu diesem Jahresende eine Schwefelobergrenze von 0,5% für Kraftstoff; Verringerung der CO2-Emissionen von Schiffen bis 2030 um mindestens 40%; eine Verringerung der Treibhausgasemissionen um 50% bis 2050; und möglicherweise noch ehrgeizigere Ziele, die von regionalen und nationalen Regierungen festgelegt werden.

Es könnte an der Zeit sein, darüber nachzudenken, welche Rolle Brennstoffzellen bei der Bereitstellung einer Lösung spielen könnten.

Herr Carlucci ist derzeit der ABS-Manager für Maschinen-, Elektro- und Steuerungstechnik. Seit seinem Wechsel zu ABS im Jahr 2008 hatte Carlucci mehrere leitende Funktionen in den Bereichen Asset Integrity Management, Lebenszyklusrisiko und -zuverlässigkeit, Design- und Planüberprüfung sowie Produkt- und Serviceentwicklung inne. Carlucci verfügt über langjährige Erfahrung in der Marine- und Offshore-Industrie. Das Know-how von Carlucci umfasst: Hybrid-Power-Anwendungen, Betrieb und Wartung von Schiffssystemen, Systemdesign, Risiko- und Zuverlässigkeitsanalyse (FMEA, RCM) und Zustands- / Leistungsüberwachung. Er diente in der US Navy als Nuclear ausgebildeter Surface Warfare Officer. Herr Carlucci erhielt seinen Bachelor of Science in Maschinenbau von der Duke University und einen Master in Business Administration von der University of Houston.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Druckausgabe des MarineNews- Magazins vom März 2019.