Coriolis_3D-Werftmodell_2

Der Antrieb


Die Coriolis wird dieselelektrisch und batterie- beziehungsweise wasserstoffelektrisch angetrieben. Das Antriebskonzept sieht dafür elektrische Fahrmotoren vor, die den Strom wahlweise aus Generatoren, der Batterie oder Batterie und Brennstoffzelle beziehen können.

Der wasserstoffelektrische Antrieb

An Bord der Coriolis soll anstelle eines herkömmlichen Druck- oder Flüssigwasserstoffspeichers ein Tanksystem eingesetzt werden, dass Metallhydride (MH) zur Speicherung des Wasserstoffs benutzt. Derartige Speicher werden seit den 70er Jahren untersucht und heutzutage großtechnisch z.B. in den U-Booten der U212 und U214 Klasse zur Versorgung ihrer PEM-Brennstoffzellen eingesetzt.

Der Vorteil des Einsatzes von Metallhydriden für die Wasserstoffspeicherung ist, dass mit ihnen eine höhere volumetrische Speicherdichte als mit 700 bar Hochdrucktanks bei einem Beladedruck von unter 100 bar erreichbar ist – über 50 g H2/l Tankvolumen auf Systemebene gegenüber ca. 35 g H2/l - und ähnlich viel wie bei flüssigem Wasserstoff (ca. 60 g H2/l), aber bei Umgebungstemperatur statt bei -253°C. Außerdem wird durch die chemische Bindung des Wasserstoffs eine bei Abriss des Verschlussventils oder Bersten des Druckbehälters des MH-Tanks schlagartige Freisetzung der gesamten im Tank befindlichen Menge Wasserstoff unmöglich gemacht (außer von einer Restmenge von ca. 5 – 10%, die durch die unvermeidliche Porösität des Speichermaterials und nicht durch das MH ausgefüllte Räume im Tankbehälter bedingt ist).

An Bord der Coriolis soll demonstriert werden, dass ein modular gebautes MH-Tanksystem, bestehend aus kaskadierend zu einer Reihe von Tank-Units verschalteten Einzeltankmodulen, in der Lage ist, eine 100 kW – Brennstoffzelle bedarfsgerecht mit Wasserstoff zu versorgen, eine hohe Energieeffizienz durch die Nutzung der Abwärme erreicht wird, das gesamt System sicher an Bord eines Schiffes auf Binnen- und Seegewässern betrieben werden kann und so emissionsfreie Fahrzustände der Coriolis über mehrere Stunden realisiert werden können. Weiterhin soll das aufgebaute Brennstoffzellen-Tanksystem genutzt werden, um einen digitalen Zwilling, d.h. ein Computer basiertes Simulationsmodell für das System mit Messdaten aus dem Realbetrieb zu validieren und zu verbessern.

Der dieselelektrische Antrieb

Zur Unterstützung des wasserstoffelektrischen Antriebs - vor allem auf längeren Strecken - verfügt die Coriolis außerdem über einen dieselektrischen Antrieb. Dieser kann herkömmlich vom Dieselgenerator an Bord betrieben werden oder elektrisch durch den gespeicherten Wasserstoff an Bord.

Die Reinigung der Abgasluft: Emissionsminimierung durch Membrantechnologie

Der Dieselantrieb (dezidierter Hafendiesel) an Bord der Coriolus ist zwar notwendig, stößt aber wie jeder Dieselmotor unter anderem schädliche Stickoxide aus. Gerade im Hafen kann dies ein großes Problem sein, wenn kein entsprechender Landstromanschluss vorhanden ist. Wissenschaftler des Hereon-Instituts für Membranforschung arbeiten daher an einem Membranmodul, das den Ausstoß dieser Schadstoffe minimieren soll. Dabei konzentrieren sie sich nicht auf die Schadstoffe im Abgas, sondern auf die Verbrennungsluft, also die Luft, die im Motor verbrannt wird.

Die Idee ist, ein Membranmodul am Motor anzubringen, das den Sauerstoff aus der Verbrennungsluft abtrennt. Dafür lässt die eingebaute Membran Sauerstoff besser hindurchströmen als Stickstoff. Damit senkt sie den Sauerstoffgehalt in der zurückgehaltenen Verbrennungsluft – in diesem Fall von 21 Volumen-% auf ca. 18 Volumen-%. Das hat zufolge, dass auch die Temperatur der Verbrennungsluft sinkt. Und sinkt diese Temperatur, sinkt auch der Anteil der bei der Verbrennung produzierten Stickoxide. So wird der Stickstoffausstoß um 80% reduziert.

Doch auch der anfangs abgeleitete Gasstrom kann weiterverwendet werden. Da er mehr Sauerstoff enthält als normale Luft, wird nach einer Möglichkeit gesucht, ihn sinnvoll in das Gas- und Energiesystem des Schiffs einzukoppeln.
Weitere Informationen auf der Seite des Instituts für Membranforschung

Hintergrund: Metallhydride

Metallhydride speichern Wasserstoff, indem gasförmiger Wasserstoff bei einem gewissen Ladedruck (max. 60 bar an Bord der Coriolis) in eine Metalllegierung eindringt, dort eine chemische Bindung mit dem Metall eingeht und sich so das MH bildet. Wie jede chemische Reaktion ist die MH-Bildung durch eine gewisse, von der verwendeten Metalllegierung abhängige Reaktionswärme sowie zusätzlich von sowie Temperatur und Beladedruck abhängige Reaktionsgeschwindigkeit gekennzeichnet.

Die bei der MH-Bildung entstehende Wärmeleistung hängt von der Menge Wasserstoff ab, die pro Zeit zur Reaktion gebracht wird. Um eine Überhitzung des MH und daraus folgende Verlangsamung der Hydrierreaktion zu vermeiden, muss das MH entsprechend gekühlt werden beziehungswweise um viel Wasserstoff schnell einspeichern zu können, muss eine entsprechend hohe Kühlleistung vorgehalten werden. Eine typische Kühlleistung für das für die Coriolis geplante Metallhydrid beträgt (Reaktionswärme ca. 30 kJ/(mol H2)) bei Einspeicherung der geplanten 30 kg H2 in einer Stunde ca. 125 kW.

Um den Wasserstoff aus dem Metallhydrid auszuspeichern, muss die dafür notwendige Reaktionswärme wieder in das Metallhydrid eingebracht werden. Dabei hängt der Ausgangsdruck des ausgespeicherten Wasserstoffs vom Metallhydrid und seiner Temperatur ab. Bei einer elektrischen Brennstoffzellenleistung von 100 kW (elektrische Effizienz ca. 50%) muss ein Wärmefluss von ca. 25,0 kW bei einer Temperatur von um die 50°C zugeführt werden. Dieser Zufluss lässt sich leicht über die Kühlflüssigkeit der geplanten PEM-Brennstoffzelle realisieren und vermindert auf diese Weise den externen Kühlbedarf für die Brennstoffzelle.