Seeschifffahrt

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Der Transport von grünem Wasserstoff auf hoher See ist riskant. Für mehr Sicherheit könnte eine neue Technik sorgen, die keine großen Wassertanks benötigt. Dazu wird Methanol zu Wasserstoff und CO2 umgewandelt.

Methanol tanken, Wasserstoff verbrennen


Wenn es um den Ausstoß von Treibhausgasemissionen geht, unterscheiden sich Luftfahrt und Schiffsverkehr kaum: Beide haben einen Anteil an den gesamten CO2-Emissionen der Europäischen Union von jeweils 4 Prozent. Und beide haben sich auf die Fahnen geschrieben, die CO2-Emissionen in den kommenden Jahren deutlich zu senken.

Die internationale Schifffahrt experimentiert dafür viel mit klimaneutralen Treibstoffen. Dazu gehören E-Fuels wie synthetische Kraftstoffe aus Abfällen, aber auch Ammoniak und grünes Methanol. Grüner Wasserstoff hingegen zählt nicht dazu, was damit zusammenhängt, dass es nicht nur wirtschaftliche Bedenken gibt, sondern auch Sicherheitsbedenken, da für den Transport von grünem Wasserstoff auf hoher See große, schwere Spezialbehälter benötigt werden, in denen eine große Menge Wasserstoff unter Druck gespeichert wird.

Mit einer neuen Technologie wollen Forschende des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) diese Risiken umgehen. Die im Rahmen des EU-Projekts „HyMethShip“ entwickelte Technik soll keine großen Wasserstofftanks an Bord benötigen und daher deutlich sicherer sein.

Für das neue Antriebskonzept nutzen die Fraunhofer-Wissenschaftler Methanol als flüssigen Wasserstoffträger. Das Konzept sieht vor, am Hafen Methanol zu tanken. An Bord wird aus dem Methanol durch den gängigen Prozess der Dampfreformierung Wasserstoff für den Schiffsantrieb gewonnen. „Damit schlagen wir zwei Fliegen mit einer Klappe: Der Schiffsantrieb ist nahezu vollkommen emissionsfrei, zugleich benötigt man keine großen und potenziell gefährlichen Wasserstofftanks“, erklärt Benjamin Jäger von der Abteilung Katalyse und Materialsynthese am Fraunhofer IKTS.

Methanol tanken, Wasserstoff verbrennen

Technisches Herzstück des Systems ist der Reaktor. Das Methanol wird den Angaben zufolge zunächst mit Wasser gemischt und durch Wärme verdampft, bevor es in den vorgeheizten Reaktor eingespeist wird. Im Reaktor wird die Methanol-Wasser-Mischung zu Wasserstoff und CO2 umgewandelt.

Bei der Abtrennung des Wasserstoffs kommt eine vom Fraunhofer IKTS entwickelte Keramikmembran zum Einsatz, die mit Kohlenstoff beschichtet ist. Durch die extrem feinen Poren der Membran würden die Wasserstoffmoleküle entweichen, während die größeren Kohlenstoffdioxid-Gas-Moleküle zurückgehalten würden, erklärt das Forscherteam. Der Wasserstoff erreiche dabei eine Reinheit von mehr als 90 Prozent. Der Wasserstoff werde in den Motor geleitet, wo er wie im klassischen Verbrennungsmotor verbrenne und den Motor antreibt. Klimaschädliche Abgase sollen dabei nicht entstehen.

Die am Fraunhofer IKWS entwickelten Keramikmembranen sind im Rahmen des Projekts vergrößert worden, damit sie für die nötige Antriebsleistung von Schiffsmotoren infrage kommen. Die ursprünglich nur 105 Millimeter lange Membran konnten die Forschenden eigenen Angaben zufolge auf eine Länge von 500 Millimeter skalieren. Damit soll eine Motorleistung von bis zu 1 Megawatt erreichbar sein. Mittelfristiges Ziel seien Antriebe mit 20 Megawatt Leistung und mehr möglich.

Auch bei leckendem Tank keine akute Gefahr

Die Technologie hat nach Angaben der Wissenschaftler noch zwei weitere konstruktive Kniffe im Schlepptau. Zum einen werde die Abwärme des Motors genutzt, um den Reaktor zu heizen. Dadurch erhöhe sich die Effizienz des Systems deutlich. Zum anderen werde das zurückbleibende Kohlenstoffdioxid im Nachgang zum Reaktor wieder verflüssigt und in die leeren Methanoltanks geleitet. Ist das Schiff am Hafen angekommen, werde das CO2 in Tanks geleitet und könne für die neuerliche Methanol-Synthese verwendet werden.

„Methanol ist ein idealer Wasserstoffträger für die Schifffahrt“, sagt Fraunhofer-IKTS-Experte Jäger. Die Energiedichte sei doppelt so hoch wie bei verflüssigtem Wasserstoff. Deshalb seien die Methanoltanks an Bord auch nur halb so groß. Außerdem sei es gefahrlos zu transportieren. „Selbst wenn ein Tank leckt, besteht keine akute Umweltgefahr.“

Einer der Partner im EU-Projekt, das Start-up SES-HyDepot, hat den verfahrenstechnischen Grundprozess in einer Small-Scale-Testanlage getestet. Im nächsten Schritt könnte das Verfahren so aufskaliert werden, dass es beispielsweise für Fährbetreiber interessant sein könnte. Die Wissenschaftler sehen die Antriebstechnologie unter anderem für Fähren geeignet, die fest zwischen zwei Häfen verkehren und dort jeweils eine Tankstation für Methanol zur Verfügung haben. Aber auch für Containerschiffe und Kreuzfahrtschiffe sei sie geeignet. Grundsätzlich lasse sich das Prinzip der Wasserstofferzeugung aus Methanol auch für verschiedene Szenarien in der chemischen Industrie verwenden.

Rostocker Forscher haben Methanol-Kreislauf ebenfalls erprobt

So ganz neu ist die Idee allerdings nicht. Ein ähnliches Konzept haben unter anderem auch Forschende am Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) in Rostock verfolgt. Nur soll es nicht zu Wasser, sondern zu Lande zum Einsatz kommen. Im vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Verbundprojekt Metha-Cycle erzeugten sie mithilfe von grünem Strom aus Wasser elektrolytisch Wasserstoff.

Dieser wiederum wird mit CO2 in Methanol umgewandelt. Bei Bedarf wird das Methanol mit einem Ruthenium-Katalysator in Wasserstoff rückverwandelt und kann im Anschluss in einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung genutzt werden, wie es heißt.

Im Ende 2020 ausgelaufenen Forschungsvorhaben Metha-Cycle nutzten die Partner außerdem die Abwärme der Brennstoffzelle, um der Wasserstoff-Rückgewinnung einen Teil der nötigen Reaktionswärme zuzuführen. Das Konzept wurde den Angaben zufolge in einer Testanlage der Friedrich-Alexander-Universität in Erlangen-Nürnberg über eine Laufzeit von insgesamt knapp 500 Stunden erprobt. Die vom Zentrum für Brennstoffzellentechnik in Duisburg entwickelte Brennstoffzelle soll kontinuierlich Strom mit einer Leistung bis zu 39 Watt produziert haben.

Gedacht war das Wasserstoff-Rückumwandlungs-Konzept in erster Linie für Unternehmen und Kommunen. Als Container-Lösung könnte das System beispielsweise auf Bauernhöfen oder in kleineren Betrieben eingesetzt werden, die Photovoltaik- oder Windenergieanlagen auf ihrem Grundstück betreiben, wie es hieß. Größere Anlagen könnten als Langzeitspeicher dienen, mit denen auf Seiten der Netzbetreiber die Differenz zwischen erzeugter Energie und verbrauchter Energie über mehrere Wochen oder Monate hinweg ausgeglichen werden könnte.

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