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Brennstoffzellentechnologien und -anwendungen für die Hochseeschifffahrt
in Internationale Schifffahrtsnachrichten , Schifffahrt: Emissionen möglich 28.05.2024
Die Dekarbonisierung der Schifffahrtsindustrie ist eine komplexe Aufgabe. Angesichts dieser Komplexität ist es wichtig, sicherzustellen, dass alle Optionen, die dazu beitragen können, angemessen berücksichtigt und bewertet werden. Während alternative Kraftstoffe für die Schifffahrt ein wichtiger Bereich der Forschung und Entwicklung sind, richtet dieser Bericht den Fokus auf Brennstoffzellen als alternative Kraftstoffumwandlungstechnologie, die für die Schifffahrtsindustrie von potenziellem Interesse sein könnte.
Damit der Beitrag von Brennstoffzellen zur Dekarbonisierung der Schifffahrt Wirklichkeit wird, bedarf es sowohl einer Beschleunigung der technologischen Entwicklung als auch einer stärkeren Bekanntheit dieser Technologie bei den verschiedenen Beteiligten in der maritimen Wertschöpfungskette. Zu diesem Zweck soll dieser Bericht ein unparteiisches Status-Update zu Brennstoffzellentechnologien aus Sicht der maritimen Industrie liefern. Diese Informationen werden Schiffseignern und Charterern dabei helfen, fundierte Entscheidungen zu treffen, wenn sie überlegen, ob Brennstoffzellen als praktikable Option in ihre kurz-, mittel- und langfristigen Strategien aufgenommen werden sollen.
Wir beginnen diesen Bericht mit der Einführung von Brennstoffzellen und der Beschreibung der wichtigsten Technologien, die für Schifffahrtsanwendungen relevant sind (Abschnitte 1-2). Als nächstes analysieren wir das Potenzial für die Integration dieser Technologien in verschiedene Schiffstypen und alternative Schiffskraftstoffe (Abschnitte 3-5). Unsere Analysen umfassen Energiebedarf, Treibhausgasemissionen, Treibstoffkosten, Kapitalausgaben, Gesamtbetriebskosten und die physische Integration der Brennstoffzellentechnologie. Wir untersuchen auch, wie sich eine theoretische Kohlenstoffsteuer auf das Geschäftsmodell für Brennstoffzellen in der Schifffahrt auswirken könnte. Abschließend skizzieren wir einige Schlussfolgerungen und mögliche Ansätze für künftige Forschung (Abschnitt 6). Die Sicherheitsimplikationen von Brennstoffzellen lagen außerhalb des Rahmens dieses spezifischen Projekts.
Was ist eine Brennstoffzelle?
Während Verbrennungsmotoren chemische Energie durch Verbrennung in mechanische Bewegung umwandeln, wandeln Brennstoffzellen chemische Energie durch elektrochemische Reaktionen in Elektrizität um. Während die Konstruktion von Brennstoffzellen mit der von Batterien vergleichbar ist, verwenden erstere einen Fluss von Brennstoff und Sauerstoff, um eine kontinuierliche Stromerzeugung zu gewährleisten, solange dem System Brennstoff zugeführt wird. Eine Brennstoffzelle besteht im Allgemeinen aus zwei Elektroden (Anode und Kathode) und einem Elektrolyten. Wenn dem System Brennstoff und Sauerstoff zugeführt werden, wird durch die chemische Reaktion am Kontakt zwischen Brennstoff und Anode eine Spannung ausgelöst. Dadurch wird Gleichstrom erzeugt, der für verschiedene Anwendungen verwendet werden kann, zusammen mit einem Abfluss von Wärme und Wasser. Es gibt mehrere Brennstoffzellentechnologien oder diese werden derzeit entwickelt, wobei sich jede auf eine andere Kombination von Materialien und Brennstoffen konzentriert. Während einige dieser Technologien in anderen industriellen Anwendungen üblich sind, sind die Anwendungen in der Schifffahrt noch begrenzt. Beispielsweise reichen die Anwendungen von Brennstoffzellen in der Raumfahrtindustrie bis in die 1960er Jahre zurück, als eine Reihe verschiedener Technologien in verschiedenen Programmen eingesetzt wurden. In jüngerer Zeit wurden Brennstoffzellen erfolgreich an Land für Materialtransportanwendungen und zur Notstromerzeugung eingesetzt. Für eine Schiffsbrennstoffzelle hingegen erfolgte die erste Typzulassung erst im Jahr 2022.
Vorteile von Brennstoffzellen
Trotz der großen Vielfalt an Brennstoffzellentechnologien ist ihr gemeinsamer Vorteil die effiziente Umwandlung chemischer Energie in Elektrizität im Vergleich zu Verbrennungsprozessen. Brennstoffzellen können außerdem zu einer Reduzierung bestimmter Emissionen wie Stickoxiden (NOX), Schwefeloxiden (SOX), Distickstoffoxiden (N2O) und Feinstaub führen. Darüber hinaus könnten bestimmte Brennstoffzellentypen ihren Nutzern ermöglichen, mit einer breiten Palette alternativer Kraftstoffe zu arbeiten. Schließlich haben Brennstoffzellensysteme weniger bewegliche Teile als Verbrennungsmotoren, was wahrscheinlich Design und Wartung vereinfachen wird.
Über das Projekt
Das Projekt war eine Zusammenarbeit zwischen dem Mærsk Mc-Kinney Møller Center for Zero Carbon Shipping (MMMCZCS) und unseren strategischen Partnern und Missionsbotschaftern: Stolt Tankers, Mitsubishi Heavy Industries, Tsuneishi Shipbuilding, Siemens Energy, Seaspan Corporation, ABB, American Bureau of Shipping, Royal Caribbean Group, Maersk, NYK Line, TotalEnergies und Alfa Laval. Darüber hinaus danken wir den folgenden Technologielieferanten, die dieses Projekt unterstützt und Input zum Bericht geliefert haben: AFC Energy, Ballard Power Systems, Bloom Energy, Corvus Energy, Elcogen, Freudenberg, PowerCell Group und RIX Industries.
Eine Übersicht über die wichtigsten Erkenntnisse aus diesem Bericht
Angesichts der inhärenten Unterschiede zwischen Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren erscheint es unrealistisch anzunehmen, dass Brennstoffzellen in naher Zukunft mit Verbrennungsmotoren an Bord konkurrieren oder diese sogar vollständig ersetzen werden, selbst wenn Brennstoffzellen einen hohen technologischen Reifegrad erreichen. Dies liegt an den derzeit noch hohen Anschaffungskosten dieser Technologien sowie an den Anpassungen, die bei der Gestaltung des Schiffsmaschinenraums und der Standardbetriebsabläufe für die Besatzung erforderlich wären.
Vielmehr scheint es wahrscheinlicher, dass in absehbarer Zukunft verschiedene Technologien nebeneinander existieren werden. Schiffseigner könnten Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren kombinieren, um die Vorteile beider Systeme zu nutzen. Auf diese Weise könnte die Industrie die Umweltleistung von Brennstoffzellen optimal nutzen, sich gleichzeitig mit Brennstoffzellen vertrauter machen und ihre Investitionen schrittweise erhöhen, wenn die Technologie erschwinglicher wird.
Aus diesem Grund konzentrierte sich unsere Untersuchung auf die Bewertung der Rolle, die Brennstoffzellen als Hilfslast an Bord von Schiffen spielen könnten, und nicht als Antrieb. Wir glauben, dass die Hilfsstromerzeugung einen guten Ausgangspunkt für die schrittweise Einführung von Brennstoffzellentechnologien darstellt, da die maximalen Lasten und die daraus resultierenden Kosten von Generatoren im Vergleich zu Hauptmotoren geringer sind. Hilfsstrom wird traditionell durch Viertaktmotoren erzeugt, die etwas weniger effizient sind als die Zweitaktmotoren, die üblicherweise zum Antrieb eingesetzt werden. Daher könnten Schiffe mit einer Kombination aus Zweitaktmotoren (Antrieb) und Brennstoffzellen (Hilfslast) betrieben werden. Dieser Ansatz könnte Schiffseignern helfen, bei der schrittweisen Einführung von Brennstoffzellen das Beste aus vorhandenen Technologien herauszuholen und so möglicherweise die Emissionen der Schiffe zu senken.
Um die Durchführbarkeit solcher Konfigurationen auf Hochseeschiffen zu beurteilen, haben wir zunächst die Brennstoffzellentechnologien erfasst, die derzeit für maritime Anwendungen entwickelt werden. Dies war dank der engen Zusammenarbeit mit einigen Technologielieferanten möglich, die sich auf diesen Bereich konzentrieren. Die von den Lieferanten bereitgestellten Informationen bestanden aus Leistungsdaten, anfänglichen Kostenschätzungen und groben Installationsrichtlinien, einschließlich Gerätegröße und Schnittstellen zu anderen Schiffssystemen. Nachdem wir von den Lieferanten ausreichende Details zu verschiedenen Brennstoffzellentechnologien eingeholt hatten, wählten wir basierend auf ihrer technologischen Reife und der Detailliertheit der bereitgestellten Daten die Brennstoffzellentechnologien aus, auf die wir uns für diesen Bericht konzentrieren wollten.
Unsere Hauptuntersuchung konzentrierte sich auf eine Desktop-Studie, in der wir das Potenzial der Integration von Brennstoffzellen an Bord von Hochseeschiffen untersuchten. Wir konzentrierten uns auf die Schiffssegmente, die für den größten Teil der Schiffsemissionen verantwortlich sind, d. h. Massengutfrachter, Tanker und Containerschiffe. Innerhalb dieser Segmente verwendeten wir reale Betriebsdaten, die von den Partnerorganisationen des MMMCZCS bereitgestellt wurden, um realistische Betriebsprofile für einen bestimmten Schiffstyp in jedem Segment zu erstellen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen schätzten wir die Auswirkungen von Brennstoffzellen aus mehreren Blickwinkeln ab, um Informationen über ihre potenzielle Umweltleistung sowie die finanziellen und geschäftlichen Auswirkungen zu erfassen. Insbesondere analysierten wir die wahrscheinlichen Auswirkungen der Integration von Brennstoffzellen auf Energieeffizienz, Treibhausgasemissionen, Kraftstoff- und Ausrüstungskosten sowie Schiffsdesign für ausgewählte Kombinationen von Schiffstypen, Kraftstoffen und Brennstoffzellentechnologien von 2025 bis 2040.
Die Ergebnisse dieser Analyse zeigen, dass Brennstoffzellen unter den Annahmen unserer Studie sowohl den Kraftstoffbedarf an Bord als auch die daraus resultierenden Treibhausgasemissionen reduzieren könnten. Darüber hinaus scheinen diese neuen Technologien keine Designänderungen zu erfordern, die den Schiffsbetrieb oder die Kosten über das hinaus beeinträchtigen würden, was bei der Kombination von alternativen Kraftstoffen und Verbrennungsmotoren zu erwarten ist. Unsere Ergebnisse zeigen jedoch auch, dass zusätzlich zu den derzeit für alternative Kraftstoffe prognostizierten hohen Kosten – die ohne eine Kohlenstoffsteuer kaum mit herkömmlichen Kraftstoffen vergleichbar erscheinen – der zusätzliche Kostenaufschlag für Brennstoffzellen ihre Wettbewerbsfähigkeit kurz- und mittelfristig beeinträchtigt. Wenn wir uns auf die langfristigen Prognosen konzentrieren, verbessern sich die finanziellen Aussichten für Brennstoffzellen, bleiben jedoch von einer Kohlenstoffsteuer oder einem ähnlichen Mechanismus abhängig.
Zusammenfassend zeigt unsere Einschätzung, dass Brennstoffzellen eine relevante Rolle bei der Dekarbonisierung der Schifffahrt spielen könnten, wenn bestimmte Randbedingungen erfüllt würden. Die Informationen in diesem Bericht können Interessenvertreter der gesamten Schifffahrtsbranche als Orientierungshilfe nutzen, da sie alle eine wichtige Rolle bei der Einführung dieser Technologie spielen. Unsere Ergebnisse deuten beispielsweise darauf hin, dass Schiffseigner oder -betreiber das Umweltprofil ihrer Anlagen möglicherweise kostengünstig verbessern können, indem sie Brennstoffzellen, wie in unserer Studie beschrieben, schrittweise einführen. Für Technologieanbieter beleuchtet unser Bericht die optimalen kommerziellen Betriebskombinationen von Brennstoffzellentechnologien und alternativen Kraftstoffpfaden. Aus politischer Sicht bietet der Bericht Hinweise darauf, was möglich und erforderlich ist, damit Brennstoffzellen in den kommenden Jahrzehnten zum Übergang der Schifffahrt zu einer CO2-freien Schifffahrt beitragen können. Schließlich nutzt dieser Bericht Erkenntnisse aus Experteninterviews und Analysen, um die Perspektiven der Branche zu klären und das Bewusstsein für die Brennstoffzellentechnologie und ihr Potenzial zur Unterstützung der Dekarbonisierung der Schifffahrt zu schärfen.
Quelle: Mærsk Mc-Kinney Møller Center for Zero Carbon Shipping
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