STORY Power Generation

Brennstoffzelle & Co.: So wird Energie- und Antriebstechnik grün

Veröffentlicht am 25 Januar 2022 von Lucie Maluck, Bilder von Rolls-Royce Power Systems

Brennstoffzelle sowie Wasserstoff- und Methanolmotoren ebnen den Weg in eine nachhaltige Energieversorgung und Off-Highway-Mobilität.
Friedrichshafen, Germany
Die Frage, ob die Antriebstechnik und die Energieerzeugung grün werden müssen, stellt sich schon gar nicht mehr. Anders sind die Ziele des Pariser Klimaabkommens, nach denen die Erderwärmung auf deutlich unter zwei Grad Celsius – idealerweise 1,5 Grad – zu begrenzen ist, nicht zu erreichen. Einzig das „Wie“ ist noch eine Frage, die weltweit diskutiert wird. Denn sie ist nicht eindeutig zu beantworten. Welche Rolle spielt der Verbrennungsmotor? Welches Potenzial haben Brennstoffzellen? Welche Kraftstoffe sind entscheidend?  

Wer heute eine Fähre, einen Bagger oder ein Stromaggregat antreiben möchte, der setzt oft auf einen Dieselmotor. Doch schon in wenigen Jahren wird die Auswahl größer sein. Dann stehen Betreiber vor der Wahl: Setzen sie auf Batterien oder Brennstoffzellen? Oder doch lieber auf Verbrennungsmotoren, die dann aber nicht mehr mit herkömmlichem, fossilem Diesel betrieben werden, sondern mit regenerativ erzeugten E-Kraftstoffen wie E-Wasserstoff, E-Methanol oder E-Diesel?

„Der Schlüssel zur Transformation der Off-Highway-Mobilität liegt in den Kraftstoffen“, ist Dr. Daniel Chatterjee überzeugt. Er ist Director Technology Strategy & Regulatory Affairs beim Rolls-Royce-Geschäftsbereich Power Systems. Dank moderner Power-to-X-Verfahren , bei denen mit Ökostrom per Elektrolyse Wasserstoff gewonnen wird, der dann zu E-Methan, E-Methanol oder E-Diesel weiterverarbeitet werden kann, werden bald ganz neue Antriebstechnologien zur Verfügung stehen.  

  

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Batterien nur in Nischen

Die Grundlage aller grüner Kraftstoffe ist regenerativ erzeugter Strom. Am scheinbar naheliegendsten wäre es, diesen direkt in Batterien zu speichern und damit Elektromotoren anzutreiben – so wie es in Pkws wohl schon bald Standard sein wird. Doch Schiffe, die weite Strecken zurücklegen oder Muldenkipper, die große Lasten bewegen, würden riesige Batterien brauchen. Um einen 2.000 Kilowatt starken Dieselmotor acht Stunden lang zu betreiben, bräuchte man etwa100 Tonnen Batterien.  

Speichert man Wind- oder Sonnenenergie in einer Batterie, kann man 70 bis 90 Prozent der Energie für den Antrieb nutzen. Wandelt man dagegen den Strom zunächst in einen E-Kraftstoff um, ist nur noch maximal 40 Prozent der ursprünglich erzeugten Energie nutzbar. Der Rest wird benötigt, um mit dem Strom den Kraftstoff herzustellen und zu transportieren. Es wird also bis zu fünf Mal mehr Energie benötigt, um Antrieb zu erzeugen. Doch bei dieser Rechnung fehlt ein wichtiger Parameter: die Energiedichte. Um beispielsweise einen Motor mit 2.000 Kilowatt Leistung acht Stunden zu betreiben, bräuchte man über 100 Tonnen Batterien, aber nur etwa 2 Tonnen Diesel. Die Energiedichte des Diesels ist unschlagbar gut.

Aus Batterien gespeiste Elektroantriebe werden sich im Off-Highway-Geschäft – also bei den größten Fahrzeugen, die abseits der Straße fahren – vielen Anwendungen nicht bedienen können, da sind wir uns sicher“, sagt Dr. Peter Riegger, Vice President des Power Labs von Rolls-Royce Power Systems.  

Vielversprechend sind Brennstoffzellen – sowohl für den Antrieb als auch zur Stromerzeugung, wenn hohe Energiemenge und -dichte gefordert sind. Brennstoffzellensysteme sind genau genommen auch elektrochemische Systeme. Nur wird bei ihnen der Elektromotor nicht mit der Energie aus einer Batterie angetrieben, sondern von Strom aus Brennstoffzellen. In diesen gibt es eine chemische kontrollierte Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Dabei entsteht elektrische Energie, die den Elektromotor antreibt. Emissionen gibt es kaum – nur Wasserdampf. Die Wärmeentwicklung ist gering, weshalb das, was in den Brennstoffzellenstacks passiert, auch „kalte Verbrennung“ genannt wird.

„In wenigen Jahren werden wir Brennstoffzellenlösungen anbieten.“

Dr. Peter Riegger - Vice President PowerLab Rolls-Royce Power Systems

„Brennstoffzellensysteme marktreif machen“

„In wenigen Jahren werden wir Brennstoffzellenlösungen anbieten“, so Riegger. Sie versprechen genau das, was für eine grüne Zukunft notwendig ist: CO2-freie Mobilität und Energieerzeugung. Ein weiterer großer Vorteil von Anlagen mit Brennstoffzellen gegenüber Verbrennungsmotoren: Sie sind skalierbar und können äußerst flexibel eingesetzt werden. Das heißt: Wird mehr Leistung benötigt, werden mehr Brennstoffzellenmodule miteinander kombiniert.

Das geschieht auch im Betrieb: Bisher wird die notwendige Antriebskraft beispielsweise in Schiffen häufig allein von Dieselmotoren erzeugt, deren Leistung sich aus dem maximalen Leistungsbedarf des Schiffes ergibt. Brennstoffzellensysteme, die zudem noch mit Batterien kombiniert werden, bieten neue Möglichkeiten: So können die Schiffe die Energieerzeugung immer an ihre augenblicklichen Leistungsbedarf anpassen und damit Kraftstoff sparen. Ist viel Leistung gefragt, werden alle Brennstoffzellen genutzt. Bei durchschnittlichem Leistungsbedarf können dagegen einige Brennstoffzellen abgeschaltet werden.

  

Antriebssysteme mit Brennstoffzellen und Batterien sind sehr flexibel: Die Energieerzeugung kann immer an ihre augenblicklichen Leistungsbedarf anpasst und damit Kraftstoff gespart werden. Immer dann, wenn keine Maximalkraft oder -geschwindigkeit gefragt ist, wird lediglich die Anzahl an Brennstoffzellen zugeschaltet, die benötigt werden. Ist Maximalleistung erforderlich, werden alle Brennstoffzellen zugeschalten und zudem noch die in Batterien gespeicherte Energie genutzt.

Brennstoffzellen für stationäre Stromversorgung

Doch nicht nur zum Antrieb sind Brennstoffzellen eine Alternative zum Verbrennungsmotor. Auch in Stromaggregaten wird ihre Bedeutung schon bald stark wachsen. Sie können beispielsweise in Rechenzentren oder Krankenhäusern klimafreundlich Notstrom liefern, in Microgrids Dieselaggregate ersetzen oder überall dort dauerhaft grüne Energie liefern, wo kein Stromnetz zur Verfügung steht.

Die Brennstoffzelle soll Teil einer integrierten, kompletten Notstromlösung sein. Zu dieser gehören das Brennstoffzellensysten, ein UPS-System, die Batterien sowie die Wasserstoffinfrastruktur. Der Grundstrombedarf könnte so durch eine Solar- und Windkraftanlage abgedeckt werden. Aus dem Strom könnte zudem per Elektrolyse Wasserstoff herstellen, der vor Ort gespeichert wird und die Brennstoffzelle versorgen könnte. Alternativ ließe sich der Wasserstoffbedarf über ein in Zukunft vorhandenes Versorgungsnetz decken.

Bei der UN-Klimakonferenz COP26 im schottischen Glasgow hat Rolls-Royce Power Systems im Oktober 2021 erstmals sein neues mtu-Brennstoffzellensystem für eine zukünftige CO2-freie Energieversorgung vorgestellt. Die skalierbaren, integrierten Komplettlösungen zur zuverlässigen Stromversorgung im Megawattbereich kommen ab dem Jahr 2025 zum Serieneinsatz.  

Die Basis dafür sind cellcentric-Brennstoffzellen-Module mit einer Netto-Leistung von künftig je ca. 150 Kilowatt – ausreichend, um zehn Einfamilienhäuser oder 50 Waschmaschinen mit Strom zu versorgen. Diese werden intelligent miteinander verknüpft und gesteuert. Der Strombedarf des Kunden bestimmt dann die Anzahl der einzelnen Module und damit die Größe des gesamten Systems.  

Rolls-Royce Power Systems entwickelt auf Basis der cellcentric-Wasserstoff-Brennstoffzellen CO2-freie, klimaneutrale und lediglich Wasserdampf emittierende mtu-Komplettsysteme zur Notstromversorgung von Rechenzentren.

Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor soll kommen

Ohne Zweifel:   Die Brennstoffzelle ist ein riesiges Versprechen auf dem Weg zu einer klimaneutralen Antriebs- und Energiezukunft. Doch sie wird nicht das Ende des Verbrennungsmotors einleiten. „Der Verbrenner hat nicht ausgedient - mit synthetischen Kraftstoffen wie Wasserstoff oder Methanol, die mit Hilfe regenerativer Energiequellen hergestellt werden, wird er auch in Zukunft wichtig sein“, ist sich Riegger sicher. Aktuell entwickeln Ingenieure von Rolls-Royce Power Systems Wasserstoff- und Methanolmotoren.  

Im Rahmen des Vorschungsprojekts MethQuest testen die Ingenieure von Rolls-Royce Power Systems derzeit auf dem Einzylinderprüfstand die Wasserstoffmotor-Technologie. Laufen die bisherigen Versuche weiter so erfolgsversprechend wie bisher, soll noch im Jahr 2022 ein Vollmotor auf dem Prüfstand getestet werden. „Bisher haben wir beim mtu-Wasserstoffmotor vor allem die stationäre Stromversorgung im Blick, sehen aber auch Potenzial im Industrial- oder Bahnbereich“, so Riegger.

Primär für die Schifffahrt arbeiten Ingenieure von Rolls-Royce Power Systems derzeit einen mtu-Methanolmotor. Die Energiedichte von Methanol ist im Vergleich zu anderen nachhaltigen Kraftstoffen hoch und es lässt sich dank seines flüssigen Zustands bei Umgebungstemperaturen einfach lagern und tanken. Vorhandene Infrastruktur wie sie für Benzin und Diesel verwendet wird, kann in vielen Fällen weiter genutzt werden. Ein weiterer Vorzug von Methanol ist, dass es nicht nur nach dem Diesel- und Otto-Prinzip in Verbrennungsmotoren genutzt werden kann, sondern auch in Verbindung mit emissionsfreien Brennstoffzellen: Ein Reformer gewinnt aus Methanol Wasserstoff für den Betrieb der Brennstoffzellen.  

Im Projekt MethQuest untersuchen Ingenieure von Rolls-Royce Power Systems einen innovativen Otto-Großgasmotor mit Wasserstoff als Kraftstoff. Dieser Motor für die Energieversorgung soll die Leistungsdichte eines Erdgasmotors bei geringen Emissionen erreichen.

  

Für CO2-Neutralität: Wasserstoff muss grün sein

Wasserstoff ist ein Energieträger mit Zukunft. Doch um wirklich klimaneutrale Antriebs- und Energietechnik zu ermöglichen, muss er muss regenerativ hergestellt werden. Noch ist dieser sogenannte „grüne Wasserstoff“ schwer zu bekommen und teuer. Doch der Green Deal der Europäischen Union und internationale Wasserstroffstrategien- und programme könnten das bald ändern. Weltweit entstehen derzeit Fabriken zur Serienfertigung, wodurch die Kosten sinken.

Doch Wasserstoff wird nicht der einzige Kraftstoff sein, mit dem die Antriebs -und Energietechnik grün wird. Dieser kann weiterverarbeitet werden beispielsweise zu Methanol – ein Kraftstoff, der speziell in der Schifffahrt Interesse weckt. Er ist leichter zu handhaben als Wasserstoff und für den Transport kann die schon bestehende Infrastruktur genutzt werden. Die Entwickler von Rolls-Royce Power Systems haben daher auch Methanol-Verbrennungsmotoren im Blick. Und nicht nur das: Methanol könnte mittels eines Refomers auch in Wasserstoff rückverwandelt werden, das direkt im Anschluss in einer Brennstoffzelle genutzt wird, um elektrische Energie zu erzeugen.

Energiewende: Nur gemeinsam

„Wir befinden uns gerade in einer spannenden Transformation. Klimaneutrale Mobilität und Stromerzeugung ist möglich und wird kommen. Jetzt heißt es: Zusammenarbeiten. Nur gemeinsam mit unseren Kunden, Partnern und auch Politikern, die die Rahmenbedingungen schaffen, können wir die Energiewende schaffen“, konstatiert Peter Riegger.

  

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