Ole Schuldt, Fachhochschule Kiel
Der internationale Seeverkehr gilt als Verursacher von fast drei Prozent der globalen Treibhausgas-Emissionen. Da Klimaneutralität in der Gesellschaft an immer größer werdender Relevanz gewinnt, steigt der Druck, Veränderungen und Lösungen zu finden. International existieren diesbezüglich kaum Vorschriften, während in Europa mit dem Fit-for-55-Package die Richtung klar vorgegeben ist. Ziel ist es, die europäischen Treibhausgas-Emissionen bis 2030 um 55 % im Vergleich zu 1990 zu senken und im Jahr 2050 klimaneutral zu agieren. Bedingt durch diese zunehmend strenger werdenden Restriktionen zur Reduktion von Emissionen rücken vermehrt klimaneutrale Technologien für den Schiffsantrieb in den Fokus.
Als eine dieser emissionsarmen Technologien ist eine Energieversorgung mittels Akkumulator und Brennstoffzelle zu nennen, wobei die Brennstoffzelle durch klimaneutrale Kraftstoffe wie Methanol, Ammoniak oder Wasserstoff betrieben wird. Für die Auslegung sind numerische Berechnungsmethoden nötig. Im Rahmen der Arbeit wurde eine solche Berechnungsmethode für den frühen Schiffsentwurf entwickelt, mit der für eine gewählte Brennstoffzelle ein Akkumulator ausgelegt werden kann. Mit wenigen Eingangsparametern sind kostenrelevante Größen wie der Kraftstoffverbrauch der Brennstoffzelle und die Ladezyklen des Akkumulators zu berechnen. Die numerische Berechnungsmethode ist mit einer PEM-Brennstoffzelle umgesetzt, wodurch bei einem Kraftstoff abweichend von Wasserstoff die Vorleistungskette und Wirkungsgrade zu beachten sind.
Die Arbeitsgrundlage bildet ein Lastprofil, welches einen Routenabschnitt und somit das Betriebsprofils des Schiffes repräsentiert. Dieses Lastprofil setzt sich zusammen aus den Umweltlasten, den Wirkungsgraden der Propulsionskonfiguration und dem Energiebedarf des Bordnetzes. Die Umweltlasten sind in den Glattwasserwiderstand und die Zusatzwiderstände durch Wind, Seegang und Flachwasser untergliedert. Dieser Gesamtwiderstand wird mittels der Propulsionskonfiguration und den zugehörigen Wirkungsgraden in eine Leistung überführt, welcher die durch das Bordnetz erforderliche weitere Leistung hinzugefügt wird. Das entstandene Lastprofil ist eine Zeitreihe, in welcher jeder Sekunde eine erforderliche Leistung zugeordnet ist. Die für das Lastprofil bedeutsamen Komponenten (Brennstoffzelle, Akkumulator, elektronische Wandler, Fahrmotor und sonstige Verbraucher) werden in dieser Arbeit betrachtet und erläutert. Die davon für die numerische Berechnungsmethode verwendeten Systemkomponenten (Brennstoffzelle, Akkumulator und elektronische Wandler) werden durch komponentenspezifische Eingaben wie beispielsweise der Leistung und den Betriebsbereich definiert.
Die in dieser Bachelorarbeit entwickelte numerische Berechnungsmethode entscheidet regelbasiert, wie die erforderliche Leistung vom Energiesystem bereitzustellen ist. Dies geschieht unter Einbeziehung des Ladezustandes des Akkumulators, dem Betriebspunkt der Brennstoffzelle im vorigen Zeitschritt und der möglichen Leistungssteigerung der Brennstoffzelle pro Sekunde. Es existieren zwei Möglichkeiten zur Steuerung der Lastverteilung: Die Brennstoffzelle wird mit der maximalen Effizienz betrieben und der Akkumulator gleicht die Lastschwankungen aus oder die Brennstoffzelle stellt innerhalb gesetzter Grenzen möglichst viel der Leistung bereit, während der Akkumulator lediglich Leistung ergänzt.
Die Ergebnisse der numerischen Berechnung beinhalten unter anderem den Kraftstoffverbrauch, die Ladezyklen und die Lastverteilung auf Akkumulator und Brennstoffzelle. Beispielhaft wird die entwickelte Methode zur Auslegung des Energiekonzeptes auf einem exemplarischen Routenabschnitt angewendet. Der Routenabschnitt liegt im Arkonabecken der Ostsee und ist Teil einer Route von der nördlichen Ostsee ins Mittelmeer. Die wirtschaftlichen und technischen Aspekte verschiedener Konfigurationen werden verglichen. Das Resultat ist eine Konfiguration, die das beste Gesamtkonzept darstellt. Die Auslegung des Akkumulators bildet den gesamten Prozess von dem Lastprofil zu einer Brennstoffzellenleistung, der Kapazität des Akkumulators und der Lastverteilung auf diese Komponenten ab.