Weltweit erste Schiffs-Brennstoffzelle mit Ammoniak in der Entwicklung

© PrototechBergen – Jedes Jahr werden im Seeverkehr rund eine Milliarde Tonnen klimaschädliche Treibhausgase ausgestoßen. Der Einsatz von Brennstoffzellen in Schiffen ist eine zukunftsweisende Alternative. In einem von der EU geförderten Projekt soll erstmals eine leistungsstarke Hochtemperatur-Brennstoffzelle auf Basis von Ammoniak in einem Offshore Schiff installiert werden.

Ein internationales Konsortium, das aus 14 europäischen Unternehmen und Institutionen besteht, entwickelt und erprobt derzeit alternative Brennstoffzellen-Antriebe im Schiffsverkehr. An Stelle von „grünem“ Wasserstoff (H₂) soll „grüner“ Ammoniak (NH₃) eingesetzt werden. Die ersten Meilensteine sind in Sicht, es gibt aber noch einige Hürden und Herausforderungen zu überwinden.

Projekt ShipFC – Neue Schiffs-Brennstoffzelle auf Basis von Ammoniak
Das norwegische Unternehmen Prototech ist ein Spin-Off des Forschungsinstituts Norce (Norwegian Research Center) und wird in dem Projekt ShipFC eine Ammoniak-Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) entwickeln und liefern. Die 2 MW-Ammoniak-Brennstoffzelle soll bis Ende 2023 auf dem Offshore-Schiff Viking Energy von Eidesvik installiert werden. Das so nachgerüstete Schiff kann jährlich bis zu 3.000 Stunden ausschließlich mit sauberem Brennstoff fahren.

In den geplanten Arbeiten sind Entwurf, Entwicklung und Erprobung kompakter hocheffizienter Module enthalten, die auf den maritimen Einsatz zugeschnitten sind. Das Gesamtziel im Rahmen des Projekts ist es zu zeigen, dass emissionsfreie Langstreckenreisen mit hoher Leistung auf größeren Schiffen möglich sind.

Erste Meilensteine Ende 2021 erwartet
Im Projekt ShipFC ist Prototech für die Entwicklung und Lieferung der Brennstoffzellenmodule sowie für die weitere Hochskalierung des Brennstoffzellensystems in Richtung 20 MW verantwortlich. „Wir beginnen u.a. mit Labortests, Modellierungsaktivitäten, Entwurfsaktivitäten, um den Bau von Containermodulen mit einer Gesamtleistung von 2 MW vorzubereiten. Die Module werden dann im Zentrum für nachhaltige Energie in Stord getestet, bevor sie an Bord der Viking Energy installiert werden“, erläutert Tjalve Magnusson Svendsen von Prototech. An dem Projekt ist auch das Fraunhofer Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme (IMM) beteiligt, die Forschenden sind für den Katalysator zuständig. Er sorgt dafür, dass keine klimaschädlichen Abgase entstehen.

Bis Ende des Jahres 2021 werden die ersten Meilensteine erreicht, so Svendsen. Diese umfassen die Anforderungsspezifikationen und die Entwurfsgrundlage für die Brennstoffzellenmodule im MW-Maßstab, einschließlich der Simulationen und Modellierungen, Materialbewertungen und Konzeption der Module für die Vorbereitung auf ein detaillierteres Engineering.

Die SOFC Technologie
Das eingesetzte Brennstoffzellensystem basiert auf der Festoxid-Brennstoffzellentechnologie (SOFC), die bei rund 800 Grad Celsius betrieben wird. Beim Einsatz einer Hochtemperatur-Brennstoffzellen wird die erzeugte Wärme zum Cracken des Ammoniaks für die Freisetzung des Wasserstoffs eingesetzt. Die Technologie wird derzeit in einem von Norwegen finanzierten Projekt (Innovation Norway) im Labormaßstab und in verkleinerten Versionen entwickelt und validiert. In ShipFC wird das System basierend auf den Erfahrungen aus den Tests auf ein 2-MW-System skaliert, das aus 3 Containermodulen besteht.

Vorteile, Herausforderungen und Hürden der Ammoniak-Brennstoffzelle
Die Vorteile der Ammoniak-Brennstoffzelle liegen laut Svendsen darin, dass das Ammoniak wie der Wasserstoff selbst „grün“ hergestellt und einfach gelagert werden kann. Der Umgang ist zudem gut etabliert und eine Tankinfrastruktur an den Häfen relativ einfach aufzubauen. Das Einsatzpotenzial wird vor allem bei großen Schiffstypen gesehen, bei denen das Energiesystem im Vergleich zum Rest des Schiffes ein relativ geringes Gewicht aufweist.

Die größten Herausforderungen liegen u.a. in sicherheitsrelevanten Belangen. So ist Ammoniak toxisch und der starke Geruch selbst in geringen Konzentrationen belastet. Ammoniak ist zudem ätzend und hat ein relativ hohes Gewicht pro Energieeinheit. Andere Herausforderungen hängen hauptsächlich noch mit der bisher mangelnden Betriebserfahrung zusammen.