Wie fährt das Schiff der Zukunft?

Der Schlepper der Zukunft fährt mit Batterien… oder doch mit Brennstoffzelle… oder mit beidem? Und die Fähre mit Verbrennungsmotoren mit nachhaltigen Kraftstoffen… in Kombination mit Batterien und Elektromotoren… oder auch mit Brennstoffzelle? „Die Frage nach dem Antriebssystem der Zukunft ist komplex“, so Tobias Kohl, Director Application Engineering Marine bei Rolls-Royce. Denn die Möglichkeiten sind vielfältig. War bis vor einigen Jahren ein diesel-mechanisches Antriebssystem der Normalfall und ein diesel-elektrisches Antriebsystem modern, so sind heute bereits viele neue Kombinationen verschiedener Energiequellen, -wandler und -speicher verfügbar oder in der Entwicklung.  

Klar ist nur so viel: Um die Vorgabe der Internationalen Seeschifffahrts-Organisation IMO zu erfüllen, bis zum Jahr 2050 die CO2-Emissionen in der Schifffahrt um 50 Prozent gegenüber dem Jahr 2018 zu reduzieren, braucht es neue Kraftstoffe, und mit ihnen neue Antriebskonzepte. Und diese werden je nach Anwendung unterschiedlich sein.  

Wenn Energiedichte gefragt ist: Methanol als Kraftstoff

Eine wichtige Rolle werden weiterhin Verbrennungsmotoren spielen. Diese werden künftig jedoch oft nicht mehr mit fossilem Diesel betrieben, sondern zunehmend mit nachhaltigen Kraftstoffen wie dem derzeit schon verfügbaren HVO oder in Zukunft mit E-Methanol. „Wir setzen ganz klar auf Methanol als Schiffskraftstoff für die Zukunft und wollen hier als Pionier vorangehen“, bestätigt Denise Kurtulus, Vice President Global Marine bei Rolls-Royce. Die Energiedichte dieses Kraftstoffs ist im Vergleich zu anderen nachhaltigen Kraftstoffen hoch und er lässt sich dank seines flüssigen Zustands bei Umgebungstemperaturen einfach lagern und tanken. Sogar die vorhandene Infrastruktur kann in vielen Fällen weiter genutzt werden. Die Methanol-Tanks können im Schiff flexibel angeordnet werden. Neben der geringeren Komplexität sind die attraktiveren Investitionskosten ein weiterer Vorteil des Methanol-Tanksystems. Rolls-Royce Power Systems entwickelt Methanol-Motoren zunächst auf Basis der mtu-Baureihe 4000 und wird sie ab 2026 auf den Markt bringen.

CO2-frei und äußerst flexibel: Brennstoffzellen-Systeme

Doch Verbrennungsmotoren werden nicht wie bisher die einzigen Energiewandler großer Schiffe werden. Auch Brennstoffzellen werden zum Einsatz kommen. Denn mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen erzeugen keinerlei schädliche Emissionen, weder CO2 noch Stickoxide oder Partikel. Mit grünem Methanol betriebene Brennstoffzellen emittieren durch den benötigten Methanol-Reformer nur geringe Mengen an CO2, jedoch nicht mehr als zuvor im E-Methanol gebunden worden ist und werden damit CO2-neutral betrieben. Wasserstoff als Kraftstoff für Schiffe einzuführen, bringt aufgrund der physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff einige Herausforderungen mit sich, zum Beispiel hinsichtlich der Infrastruktur, der Betankung und der Bunkerung an Bord.  

Weitere Vorteile von Brennstoffzellen sind ihre geringen Geräusch-Emissionen und Vibrationen und ihr sehr hoher Wirkungsgrad (ca. 50 - 60 %). Brennstoffzellensysteme bieten durch die Einführung einer elektrischen Energieübertragung und eines elektrischen Antriebs der Propeller, neue, sehr flexible Möglichkeiten in der Ausgestaltung der Antriebs- oder Energieanlage: Eine variable Anzahl an Batterien und Brennstoffzellen ist möglich, flexibel erweiterbar mit verbrennungsmotorgetriebenen Aggregaten. Auch vollelektrische Antriebe sind denkbar, bei denen die Energie ausschließlich in Batterien gespeichert wird.  Rolls-Royce Power Systems arbeitet bereits an der Entwicklung von Brennstoffzellensystemen für die Schifffahrt und wird ab 2028 eigene mtu-Brennstoffzellensysteme für Hauptantrieb und Bordstromerzeugung auf den Markt bringen.    

Die Zukunft: Hybrid-Systeme mit verschiedenen Komponenten

„All diese einzelnen Komponenten für Antrieb, Energieversorgung und -speicherung – seien es Brennstoffzellen, Batterien oder mit nachhaltigen Kraftstoffen betriebene Verbrennungsmotoren – ermöglichen uns ganz neue Antriebskonzepte“, so Tobias Kohl. So werden die Verbrennungsmotoren zunehmend eingebunden in ein Hybridsystem, bei dem Batterien Elektromotoren speisen und Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen Antriebsenergie liefern und die Batterien laden.  

Ein weiterer Trend: Die Kombination verschiedener Energiesysteme an Bord eines Schiffes. Bisher war es der Standard, dass das Antriebssystem vom Energiesystem für den Bordstrom getrennt war. Doch durch den zunehmenden Einsatz von elektrischen Komponenten an Bord, verschmelzen beide Systeme ineinander. So kann der Strom, den Brennstoffzellen erzeugen, sowohl für die Hotellast an Bord als auch für die Elektromotoren von Haupt- und Hilfsantrieben genutzt werden.  

Anwendung entscheidet über Schiffsarchitektur

Doch wie fährt nun der Schlepper oder die Fähre der Zukunft? Rein elektrisch mit Batterien…oder mit Brennstoffzelle, oder mit Verbrennungsmotoren…oder mit einer Kombination aus allem? „Das kommt auf die Anwendung des Schiffs und die bereitgestellte Infrastruktur an“, erläutert Tobias Kohl. Sicherlich werden Schlepper, die nur im Hafen fahren und dadurch keine großen Reichweite-Anforderungen haben, eher elektrisch betrieben werden können als Schnellfähren, die den ganzen Tag auf längeren Strecken unterwegs sind. „Und fest steht auch: Mit rein batterie-elektrischen Antrieben werden sie nicht über den Ozean kommen“, so Kohl. Dafür müssten die Energiespeicher riesig sein und so viel Platz gibt es an Bord nicht. Fähren in Küstennähe werden auf Verbrennungsmotoren mit nachhaltigen Kraftstoffen wie Methanol setzen, eingebunden in ein elektrisches, mechanisches oder sogar hybrides Antriebssystem und später auch auf Brennstoffzellensysteme.  

Derzeit entwickelt Rolls-Royce eine komplette Lösungsarchitektur, die je nach Kundenbedarf angepasst werden kann. Grundlage sind mtu-Hybrid-Lösungen im Baukastensystem, die je nach Kundenanforderungen bezüglich Leistung und Reichweite variiert werden können, zum Beispiel mit zusätzlichen Batterien. Dieser Baukasten wird so konzipiert, dass Zukunftstechnologien wie Methanol-Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen nachträglich integriert werden können, sobald sie verfügbar sind.    

Automationssystem mtu NautIQ führt komplexe Technologien zusammen

Eins ist allen Antriebsformen gemein: Sie werden deutlich komplexer als bisher. Damit steigt auch die Bedeutung von Automationssystemen, die als eine Art Nervensystem sowohl den Antrieb als auch das komplette Schiff überwachen können. „Mit mtu NautIQ sind wir hier gut aufgestellt und können unseren Kunden zuverlässige, wirtschaftliche und zukunftssichere Kontroll- und Steuerungslösungen von der Brücke bis zum Propeller anbieten“, fasst Tobias Kohl zusammen.    

Er ist zuversichtlich, dass die Schifffahrt ihr großes Ziel, bis zum Jahr 2050 die CO2-Emissionen um 50 Prozent gegenüber dem Jahr 2018 zu reduzieren, erfüllen kann. Dies bestätigt auch Denise Kurtulus: „Ich habe in den vergangenen 12 Monaten mehr Anfragen nach klimafreundlichen Lösungen erhalten als in all meinen Berufsjahren zuvor zusammen. Hersteller und Kunden befassen sich jetzt konkret mit Möglichkeiten, CO2-Emissionen zu senken. Die Dringlichkeit, zu handeln, ist erkannt. Das ist ein gutes, Hoffnung machendes Zeichen“, sagt sie.