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Prof. Dr. Holbach Prof Gerd Holbach © Kerstin Zillmer
Forschung

Neue Energiekonzepte an Bord

Prof. Dr. Holbach von der Technischen Universität Berlin spricht mit float über innovative Energie-Konzepte auf dem Wasser.

von
Kerstin Zillmer
in
9 Minuten

Vor einem halben Jahr haben wir auf float das Projekt Elektra vorgestellt, ein hybrides Kanal-Schubboot, das mit einer Kombination aus Brennstoffzellen, Akkumulatoren und einem elektrischen Antrieb läuft. Die technologische Weltpremiere geht im Oktober in Bau. Entwickelt wurde das Boot an der Technischen Universität Berlin unter Leitung von Professor Gerd Holbach am Fachgebiet „Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme“. float traf den Professor und Dr.-Ing., einer der führenden Forscher auf dem Gebiet nachhaltiger maritimer Antriebssysteme, zum Gespräch.

Ein Konzept auch für Fähren und Freizeitboote

Angetrieben wird das Schubboot Elektra ausschließlich durch Energie aus Brennstoffzellen und Akkumulatoren. Dieses vollelektrische, hybride Energiekonzept ist seiner Art und Anwendung nach bisher einzigartig. Und es ist durchaus übertragbar auf Behördenboote, die Fahrgast- und auch die Freizeitschifffahrt.

Wenn das Schubboot Ende 2020 ins Wasser geht, wird es zunächst in Berlin – und ab 2022 auch zwischen Berlin und Hamburg – in die Erprobung gehen. Ab 2025 soll das Schiff im kommerziellen Betrieb zwischen Berlin und Hamburg pendeln. Unter anderem wird die Elektra Gasturbinen für Siemens transportieren. Das Besondere: Elektra fährt ab dem ersten Erprobungstag in Berlin komplett emissionsfrei. Spätestens ab 2025 soll sie auch global emissionsfrei fahren.

Elektra
Elektra ist ein Hybridsystem aus Akkus mit einer Brennstoffzelle © TU Berlin

Bei der Elektra wird die Brennstoffzellen-Technologie für die Basis-Energieversorgung des Antriebsstrangs und für das Bordnetz genutzt. Bei Spitzenlasten wird zusätzliche Energie durch die Akkumulatoren bereitgestellt. Der Wasserstoff, der die Brennstoffzelle versorgt, wird dabei mittels Elektrolyse aus grünem Strom erzeugt, der aus Windkraft stammt. Das ist die zurzeit sauberste und emissionsärmste Energieversorgung, die wir kennen und nutzen können.

Beginnt ein neues Zeitalter emissionsarmer Bootsfahrt?

Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, haben wir Professor Gerd Holbach an der Technischen Universität Berlin getroffen und uns mit ihm über alternative Energiesysteme und ihre praktische Umsetzbarkeit gesprochen.

float: Herr Holbach, welche Energiekonzepte sind heute interessant? In welche Richtung geht die Forschung?

Prof. Gerd Holbach: Da gibt es nicht nur einen Weg, sondern verschiedene, die alle ihre Berechtigung haben. Ein erster Schritt wird sein, den Diesel sauberer zu machen. Es wäre naiv, ihn jetzt sofort abzuschreiben. Nicht dass ich am Diesel hänge, aber so schnell umzurüsten ist illusorisch. Viele der neuen Techniken sind für den Markt noch nicht einsatzfähig verfügbar oder nicht bezahlbar. Für den Freizeitschiffer muss das Energie- und Antriebssystem bezahlbar bleiben. Und für Binnenschiffer in der Personen- und Frachtschifffahrt sowieso.

AIDAnova
Die AIDAnova fährt mit LNG © AIDA

Als Alternative haben wir Liquefied Natural Gas, kurz LNG, also Flüssig-Erdgas. Es ist gerade in der Fracht- und Kreuzschifffahrt sehr angesagt. In der Freizeitschifffahrt sehe ich es überhaupt nicht. Denn die Peripherie, die man braucht, um LNG zu betreiben – mit Tanklastzügen und Sicherheitsmaßnahmen –, ist viel zu groß. Und die Mengen, die in der Freizeitschifffahrt benötigt werden, sind viel zu gering, um diesen Aufwand zu rechtfertigen. LNG ist auch nicht die sauberste Lösung.

Vor kurzem hat eine Forschungsgruppe der Universität Karlsruhe eine Studie zum Methanschlupf veröffentlicht. So nennt man das Gas, das in die Umwelt entweicht – bei unvollständiger Verbrennung, bei der Förderung und beim Transport von Erdgas. Messungen ergaben, dass sich die Methan-Konzentration auf der Zugspitze wegen dieses Methanschlupfs drastisch erhöht hat. Methan gilt als Klimakiller.

Er wirkt 21- bis 84-mal stärker als Kohlendioxyd. Nicht nur die Anwendung ist ein Problem, sondern vor allem der Transport und die Förderung von Erdgas als Basisprodukt von LNG. Für die Großschifffahrt ist LNG aktuell wohl die einzige Alternative zu Schweröl.

HySeas III
Die Roald Amundsen fährt ab diesem Frühjahr hybrid © Hurtigruten

Die Elektra läuft mit einem Hybrid-System. Was verstehen wir eigentlich genau darunter?

Energetische Hybrid-Systeme bestehen immer aus mehreren Energiequellen, die man zusammenschaltet, um damit etwas zu bewegen oder einen Vortrieb zu erzeugen. Der Elektromotor spielt dabei inzwischen eine zentrale Rolle und ist auch für die Zukunft gesetzt.

Die Energiequellen für den Elektromotor sind also vielfältig?

Man kann ein Akku-System mit Photovoltaik unterstützt arbeiten lassen. Ebenso kann man ein Akku-System verwenden, das man für größere Kapazitäten mit einer Brennstoffzelle kombiniert. Geht es am Tag 20 Mal über den Teich, reicht vielleicht ein Akku-System, das nachts mit – hoffentlich grünem – Strom aus der Steckdose geladen wird.

Elektra
Elektra ist ein Hybridsystem aus Akkus und einer Brennstoffzelle © Technische Universität Berlin

Ein Schubschiff wie die Elektra braucht für eine Fahrt nach Hamburg größere Energiemengen an Bord. Sie benötigt also ein Hybrid-System aus Akkumulatoren mit einer Brennstoffzelle. Und nicht ein hybrides System aus Akku und Solartechnik, denn das stellt nicht genug Energie für den benötigten Schub bereit.

Es gibt nicht die eine Lösung für alle. Abhängig vom Anwendungszweck und den Fahrprofilen müssen wir die entsprechende Lösung ableiten. Immer unter der Vorgabe: Lokal emissionsfrei, global emissionsarm und perspektivisch auch emissionsfrei. Umsetzen müssen wir die neuen Technologien schrittweise, und dafür brauchen wir Beispiele.

Wir verheben uns, wenn wir alle Probleme auf einmal lösen wollen, auch wenn die Zeit drängt. Die Zeit, die wir leider seit Jahrzehnten bewusst oder unbewusst verschlafen haben, können wir nicht so einfach aufholen, so wünschenswert es auch wäre.

Lässt sich das Energiesystem der Elektra auch auf andere Anwendungsbereiche übertragen? Wie sieht es mit der Fahrgastschifffahrt aus?

Elektra ist de facto ein Energiesystem für vielfältige Anwendungen. Wir sind gerade dabei, das Konzept etwas variiert auf ein mehr als 100 Jahre altes Passagierschiff zu übertragen. Wir können daran aufzeigen, dass man alte, erhaltenswerte Tonnage umrüsten kann. Auch hier wird das System aus Akku und Brennstoffzelle bestehen. Aber die Spezifikation ist eine andere: Das Schiff wird nur im regionalen Betrieb eingesetzt und kehrt abends zurück in den Hafen, wo es Energie aufnehmen kann.

Wo liegen bisher die Herausforderungen bei der Umsetzung?

Wir müssen die Speicherung von Wasserstoff verbessern. Bisher haben wir noch eine sehr geringe Energiedichte im Vergleich zu anderen Energieträgern – wie Diesel zum Beispiel. Wir müssen also daran arbeiten, dass wir den Wasserstoff besser speichern können. Die Lösung können höhere Drücke sein, aber auch Flüssigwasserstoff, der andere Herausforderungen mit sich bringt. Höherer Druck bedeutet auch immer mehr Sicherheitstechnik.

Verflüssigung von Gas ist verfahrenstechnisch eine Kombination aus Druck und Kälte. Verflüssigter Wasserstoff wird über die Kälteabgabe an die Umwelt nach einer gewissen Zeit wieder gasförmig. Es entsteht das sogenannte Boil-Off-Gas. Das muss entweder energetisch sehr aufwendig rückverflüssigt werden oder ist an die Umwelt abzugeben. Diesen „Boil Off“ gilt es, durch verbesserte und neuartige Tanksysteme zeitlich zu verzögern – wie durch besser isolierte Tanks – und zu minimieren.

Eine andere Speicherart, die vielversprechend klingt, ist die LOHC-Technologie, also Liquid Organic Hydrogen Carrier. Hierbei wird Wasserstoff in eine Flüssigkeit eingelagert. Von einer Praxisanwendung für die Kleinschifffahrt sind wir hier noch weit entfernt, auch wenn das Thema immer konkreter wird.

Woran das System im Endeffekt scheitern könnte, ist die Verfügbarkeit von Wasserstoff zu vernünftigen Preisen. Ich spreche nicht von Wasserstoff aus der Chemiefabrik, sondern von Wasserstoff, der über Elektrolyse mit Strom aus Windkraft oder Sonnenenergie hergestellt wird. Bei uns natürlich Windkraft, was ja in der Region Berlin-Brandenburg nahe liegt.

Wie steht es mit der Wirtschaftlichkeit?

Der nächste Punkt ist der Preis. Damit der realistisch ist, muss die überschüssige Windenergie, die nicht ins Netz eingespeist wird, zu angemessenen Preisen zur Verfügung gestellt werden. Dafür wäre notwendig, dass die Politik den überschüssigen Strom, aus dem wir Wasserstoff erzeugen, nicht unnötig mit Abgaben belegt. Denn dann wird der Wasserstoff aus Windenergie so teuer, dass er gegenüber chemischem Wasserstoff oder Diesel nicht mehr wettbewerbsfähig ist. Windstrom ist aber der sauberste Strom und damit auch der sauberste Wasserstoff.

Ist die Verwendbarkeit von Wasserstoff nur eine Frage des Preises oder auch eine Frage der Verfügbarkeit?

Sicher ist es auch eine Frage der Quantität. Die Elektrolyseure, die den Strom in Wasserstoff umwandeln, laufen ja gerade erst an. Im Moment ist die Nachfrage noch höher als das Angebot.

Brauchen wir mehr Subventionen?

Nein! Wir müssen nur die zusätzlichen und unnötigen Abgaben und Umlagen für diesen Anwendungszweck beseitigen. Durch die aktuellen Fördermodelle muss der Strom aus Windenergie erst ins Netz eingespeist werden, weil die Verträge dies so vorgeben. Das heißt: Potentielle Wasserstoff-Elektrolyseure wie beispielsweise Windparkbetreiber müssen ihren selbst erzeugten, überschüssigen Strom zu Marktpreisen zurückkaufen. Und dann erst können sie Wasserstoff daraus machen.

Vereinfacht gesagt: Wenn Du eine Förderung bekommst, musst Du alles einspeisen – und dann darfst Du es zurückkaufen. Meine Sorge ist, dass wir so keine vernünftigen, wettbewerbsfähigen Preise in Deutschland erzielen werden und eine weitere Chance zur Energiewende verpassen. Und so, wirtschaftlich gesehen, dies anderen Ländern überlassen.

Frauscher 600 Riviera HP
Frauscher startete vor einigen Jahren einen Test mit der 600 Riviera HP © Frauscher

Funktioniert auch in der Freizeitschifffahrt die Kombination aus Brennstoffzelle und Elektromotor?

Definitiv ja! Es gibt auch bereits Projekte und erste Umsetzungen. Interessant an der Geschichte ist, dass eine Brennstoffzelle im Verhältnis zu Akkus viel günstiger ist. Teuer ist bisher die Wasserstoffspeicherung. Und genau hier sind deutlich mehr Fortschritte denkbar als bei der Akku-Speicherung. Das heißt: Eine rein elektrisch-hybride Lösung aus Brennstoffzelle und Akku kann heute schon günstiger sein als eine reine Akku-Lösung.

Womit wir beim Konzept der Elektra sind…

Richtig. Aber der Elektra-Ansatz muss richtig adaptiert und auf den Anwendungsbereich ausgelegt sein. Was will der Sportschiffer mit dem Boot machen? Will er tagsüber fahren und kehrt dann nach Hause zurück? Oder will er Wasserwandern, und die nächste Stromzapfstelle oder Wasserstofftankstelle ist sieben Tage entfernt? Dann braucht er ein System, das auf diese Entfernung ausgelegt ist. All diese Lösungen werden aber im Moment nicht günstiger als der Diesel sein. Weder bei den Investitionskosten noch bei den Betriebskosten.

Greenline Neo
Greenline Neo: rein elektrisch mit Torqeedo Deep Blue © Greenline

Wohin, glauben Sie, wird die Entwicklung bei elektrischer Mobilität auf dem Wasser gehen?

Ich glaube, bei den Investitionskosten wird es sich weitestgehend über die Stückzahlen regeln. Die richtige Brennstoffzelle hat den Vorteil, dass sie quasi wartungsfrei 15.000 Betriebsstunden und mehr hergibt. Man muss eben eine ehrliche Rechnung machen und auch addieren, was das Energiesystem über einen Zeitraum von fünf oder zehn Jahren kostet – mit Anschaffung, Verbrauch, Unterhalt und Wartung.

Die richtige Brennstoffzelle ist übrigens nach 15.000 Betriebsstunden noch nicht kaputt. Wir können sie refitten. Die Teile der Brennstoffzelle, die verschleißen, lassen sich – anders als beim Akku – günstig ersetzen. Dafür muss nicht das gesamte System erneuert werden. Ein deutlicher Vorteil.

Der Preis für den Wasserstoff ist für den Freizeitschiffer nicht so relevant wie für einen Berufsschiffer, weil deutlich kleinere Mengen verbraucht werden. Man kann sicher eher ein paar Euro mehr pro Tag  für Spritkosten ausgeben und hat dafür ein emissionsarmes respektive emissionsfreies System.

Die Stückzahlen bei der Herstellung von Brennstoffzellen gehen jetzt deutlich hoch. Außerdem wird die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Zellen größer. Vor zwei, drei Jahren musste man vier Zellen zusammenschalten, um 100 kW zu erzeugen. Heute können wir eine erprobte Brennstoffzelle mit 100 kW und größer schon am Markt bekommen.

Was kostet diese Zelle?

Die Frage ist nach den Kosten ist natürlich verständlich. Aber leider ist sie nicht ganz so einfach zu beantworten, da wir nicht nur den reinen Kaufpreis berücksichtigen müssen. Ein direkter Vergleich mit dem Akku ist aufwendiger: Ein Akku ein Energiespeicher, während die Brennstoffzelle ein reiner Energiewandler ist. Das bedeutet: Auf Seiten der Brennstoffzelle ist auch die Wasserstoffspeicherung zu berücksichtigen.

Die ehrlichste Antwort ist, dass das Energiesystem aus Brennstoffzelle, Akku und Tank gegenüber dem Verbrennungsmotor aktuell etwa drei- bis viermal so teuer ist – was extrem abhängig vom Anwendungsfall ist. Mit wachsenden Stückzahlen wird sich dieses Delta aber reduzieren. Was die Betriebskosten angeht, werden bereits in wenigen Jahren keine wesentlichen Unterschiede mehr festzustellen sein. Und die Kosten werden sich zu Gunsten der Brennstoffzelle entwickeln.

Wenn ich den Akku ersetzen kann, der ja der größte Umweltverschmutzer im System ist, klingt das sehr vielversprechend.

Richtig. Wir bewegen uns dabei schon auf ehrlich hohem Niveau, wohl wissend um die Schwierigkeiten. In fünf Jahren wird das Verhältnis von Akku zu Brennstoffzelle schon ganz anders aussehen.

Dazu ist der Lebenszyklus von Akkus nicht sehr hoch, abgesehen vom Recycling. Richtig?

Die Recyclingquote von Blei-Batterien ist mit rund 99,9 % sehr hoch. So gesehen ist das, auch wenn es merkwürdig klingen mag, der beste Akku-Typ, den wir haben – abgesehen natürlich von der Giftigkeit von Blei. Bei Lithium stecken wir beim Recycling noch in den Kinderschuhen. Letztlich ist die Frage nach dem Akku auch immer eine Ressourcen-Frage.

Wie sieht die Ökobilanz für die Elektra aus?

Wir haben eine sehr aufwendige Ökobilanz gemacht. Wir wissen deshalb sehr genau, was bei Produktion, Betrieb und Entsorgung die wirklichen Umweltbelaster sind. Der Akku steht trotzt vieler Vorteile dabei ganz oben auf der Liste.

Sie haben mit der Elektra wichtige Erfahrungen bezüglich Förderung und rechtlicher Umsetzung gemacht. Wie lautet Ihre Quintessenz?

Der Aufwand, um ein neues Projekt wie die Elektra formal auf den Weg zu bringen, ist enorm hoch. Allein die Frage der Gesetzgebung, der Zulassung und der Finanzierung sind Kapitel für sich. Wir haben fast zwei Jahre gebraucht, um den richtigen Weg zu finden.

Als wir vor gut drei Jahren mit unserer Elektra begonnen haben, waren wir thematisch ziemlich alleine unterwegs. Mittlerweile sehen wir viele Versuche der Nachahmung. Wenn wir nicht aufpassen, werden wir von Ost und West überholt, was die Indienststellung angeht. Wir haben jahrelang gearbeitet – und die Nachbarn sehen zu, machen und handeln.

Elektra
Positive Entwicklung als Konsortium © Technische Universität Berlin

Ist das Projekt Elektra ein gutes Beispiel für die Zusammenarbeit mit Industrie und Bund?

Absolut! Die Eigenbeteiligung der Industrie, in diesem Fall der Berliner Hafen und Lagerhausgesellschaft BEHALA, war ein echter Glücksfall. Mit der Förderung durch den Bund und der Technischen Universität Berlin als Uni konnten wir zeigen, welches Potential abseits der großen Namen in solch einem Konsortium steckt.

Welche Bedeutung hat die Elektra für nachhaltige Energiekonzepte?

Die Elektra zeigt, was möglich ist. Sie wird, nicht nur als Schubboot, sondern insbesondere als Vorbild für elektrische Energiekonzepte für viele maritime Bereiche beweisen, dass eine Energiewende durchaus möglich ist. Wenn wir nur ausreichend hybrid denken.

Herr Professor Holbach, wir bedanken uns für das hochinteressante Gespräch – und sind gespannt auf die Elektra.

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