Hamburg. Wer an die Dekarbonisierung der Schifffahrt denkt, hat meist den Antrieb von Schiffen im Blick. Doch auch im Hafen benötigen Passagierschiffe große Mengen an Energie. Klimaanlagen, Beleuchtung, Küchen, Wäschereien oder Aufzugsanlagen bleiben in Betrieb, während das Schiff an der Kaimauer liegt. Auch die Versorgung dieser sogenannten Hotellast verursacht bislang Emissionen und stellt die maritime Branche vor die Frage, wie eine klimafreundlichere Energieversorgung im Hafenbetrieb aussehen kann. Das Forschungsprojekt H2MASS untersucht, wie sich diese Energieversorgung künftig mit Wasserstoff und innovativen Speichersystemen emissionsärmer gestalten lässt.
Zum Auftakt des Projekts trafen sich die Projektpartner zu einem ersten Kick-off-Workshop. Gemeinsam arbeiten die Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg (HSU/UniBw H), das Helmholtz-Zentrum Hereon und die MEYER WERFT an einem integrierten Wasserstoffenergiesystem für große Passagierschiffe. Als assoziierter Partner bringt zudem die Carnival Maritime GmbH ihre Expertise aus dem Schiffsbetrieb ein.
Wasserstoff als Energieträger
Ziel von H2MASS ist es, die Bordstromversorgung von Passagierschiffen künftig auf erneuerbare Energien umzustellen und damit Emissionen wie CO2 und Rußpartikel insbesondere in urbanen Häfen zu reduzieren.
Dafür setzen die Forschenden auf Wasserstoff als Energieträger. In einer Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff und erzeugt dabei elektrische Energie. Diese kann sowohl für den Antrieb als auch für das Bordstromnetz genutzt werden.
Damit rückt aber eine entscheidende Frage in den Fokus: Wie lässt sich Wasserstoff in ausreichender Menge, sicher und platzsparend an Bord eines Schiffes speichern?
Wasserstoff speichern wie ein Schwamm
Eine mögliche Antwort liefern sogenannte Metallhydridspeicher. In einem Metallgitter können Wasserstoffatome sehr dicht in den Zwischengitterplätzen eingelagert werden. Bei Bedarf lassen sie sich wieder freisetzen. Vereinfacht gesagt funktioniert das Material ähnlich wie ein Schwamm: Es nimmt Wasserstoff auf, speichert ihn und gibt ihn wieder ab.
Heute wird Wasserstoff meist entweder komprimiert bei einem Druck von bis zu 700 bar oder verflüssigt bei Temperaturen von rund minus 253 Grad Celsius gespeichert. Beide Verfahren erfordern hohe Energiemengen und aufwendige Tanksysteme.
Metallhydridspeicher arbeiten dagegen unter deutlich moderateren Bedingungen. Bereits bei Temperaturen von unter 100 Grad Celsius und von weniger als 50 bar Druck kann Wasserstoff gespeichert werden. Damit eignen sich diese Speicher besonders gut für die Kopplung mit Brennstoffzellen und Elektrolyseuren, die in vergleichbaren Temperatur- und Druckbereichen arbeiten.
Warum Metallhydridspeicher für Schiffe Vorteile bieten können
Für maritime Anwendungen bieten Metallhydridspeicher gleich mehrere Vorteile. Die Technik ermöglicht eine kompakte und sichere Speicherung großer Wasserstoffmengen, zwei Eigenschaften, die auf Schiffen von besonderer Bedeutung sind.
Interessant ist dabei auch ein Aspekt, der in anderen Anwendungen eher als Nachteil gilt: das Gewicht. Während schwere Speichersysteme in anderen Anwendungen häufig unerwünscht sind, kann ein höheres Gewicht auf Schiffen sogar zur Stabilität beitragen, sofern die Speicher an geeigneter Stelle im Rumpf installiert werden.
Forschung und Industrie arbeiten Hand in Hand
Das Projekt baut auf einer langjährigen Zusammenarbeit zwischen der HSU/UniBw H und dem Helmholtz-Zentrum Hereon auf. Insbesondere die Professur für Werkstofftechnik sowie die Professur für Angewandte Werkstofftechnik arbeiten seit vielen Jahren eng mit den Forschenden in Geesthacht zusammen. Durch die gemeinsame Berufung von Prof. Dr. Thomas Klassen, Vizepräsident für Forschung und Prof. Dr.–Ing. Julian Jepsen können die Stärken beider Einrichtungen miteinander verbunden werden.
Mit der MEYER WERFT kommt im Projekt nun zusätzlich umfangreiche schiffbauliche Expertise hinzu. Diese Verbindung von materialwissenschaftlicher Forschung, Simulation und praktischem Schiffbau ist eine wichtige Voraussetzung, um die Technologie aus dem Labor in reale Anwendungen zu überführen.
Simulationen liefern Einblicke ins Innere des Speichers
Die HSU/UniBw H bringt vor allem Expertise in der Simulation des Verhaltens von Wasserstoffspeichern an Bord eines Schiffes ein. Mithilfe eines digitalen Zwillings untersuchen die Forschenden, wie sich unterschiedliche Materialkombinationen, Tankkonfigurationen und Betriebszustände auf das Speichersystem auswirken.
Dadurch können Vorhersagen getroffen werden, ohne jede mögliche Konfiguration aufwendig bauen und testen zu müssen. Das spart Zeit und Ressourcen. Gleichzeitig ermöglichen die Simulationen ein tieferes Verständnis der Vorgänge im Inneren der Speicher, die experimentell nur eingeschränkt beobachtet werden können.
„Wenn wir im Laufe des Projekts einen Demonstrator entwickeln und betreiben können, der die Vorteile von Metallhydridspeichern unter realistischen Bedingungen sichtbar macht, wäre das ein wichtiger Schritt für den Einsatz dieser Technologie an Bord von Passagierschiffen. Unser Ziel ist es, zu zeigen, dass Wasserstoffspeicher auf Metallhydridbasis eine praktikable Lösung für maritime Energiesysteme sein können“, sagt Prof. Dr. Julian Jepsen.
Eine Blaupause für die Schifffahrt von morgen
Die Entwicklung des Speichers allein ist nicht das zentrale Ziel von H2MASS. Entscheidend wird sein, wie sich das System in die komplexen Energiestrukturen moderner Passagierschiffe integrieren lässt. Die eigentliche Herausforderung besteht darin, einen Metallhydridspeicher sowohl technisch als auch räumlich in das bestehende Energiesystem an Bord einzubinden.
Gelingt diese Systemintegration, könnte das Projekt den Weg für eine neue Generation maritimer Energiesysteme ebnen. H2MASS konzentriert sich zunächst auf die Versorgung großer Passagierschiffe im Hafenbetrieb. Langfristig reichen die Perspektiven jedoch weiter: Die Forschenden wollen eine Blaupause für zukünftige Schiffsgenerationen entwickeln, die auch auf andere maritime Anwendungen übertragbar ist. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten damit einen wesentlichen Beitrag zur Energie- und Mobilitätswende im maritimen Sektor leisten.