Technologie

Methanol als Treibstoff für Schiffe

05.07.2022 - Neuer Reaktor wandelt Methanol in Wasserstoff um.

Nach Angaben der europäischen Umweltagentur sind maritime Transporte für gut drei Prozent der gesamten CO2-Emissionen der Euro­päischen Union verant­wortlich. Allein 2019 waren es mehr als 144 Millionen Tonnen CO2. Das klingt nicht nach besonders viel. Doch durch den starken Anstieg des Handels­volumens gehört der Schiffsverkehr seit vielen Jahren zu den am schnellsten wachsenden Quellen von Treibhaus­gasemissionen. Schiffsbauer und -betreiber weltweit sind daher auf der Suche nach umwelt­freundlichen Alternativen zu den klassischen Schiffsmotoren, die mit Schweröl oder Diesel arbeiten. Dabei gerät auch grüner Wasserstoff als saubere Energie­quelle immer mehr in den Fokus. Allerdings bringt das Mitführen großer, schwerer Spezial­behälter auf hoher See, die den Wasserstoff unter Druck speichern, immer auch ein gewisses Risiko mit sich.

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS haben nun gemeinsam mit Partnern eine Technologie entwickelt, die Wasserstoff als emissions­freies Antriebs­konzept nutzt und gleichzeitig sehr sicher ist. Das von der EU geförderte Projekt „HyMethShip“ verwendet Methanol als flüssigen Wasserstoff­träger. Das Konzept sieht vor, am Hafen Methanol zu tanken. An Bord wird aus dem Methanol durch Dampfreformierung Wasserstoff für den Schiffsantrieb gewonnen. „Damit schlagen wir zwei Fliegen mit einer Klappe: Der Schiffsantrieb ist nahezu vollkommen emissionsfrei, zugleich benötigt man keine großen und potenziell gefährlichen Wasserstoff­tanks“, erklärt Benjamin Jäger von der Abteilung Katalyse und Material­synthese.

Technisches Herzstück des Systems ist der Reaktor. Dabei wird das Methanol zunächst mit Wasser gemischt, durch Wärme verdampft und in den vorge­heizten Reaktor eingespeist. Dort wird die Methanol-Wasser-Mischung zu Wasserstoff und CO2 umgesetzt. Dazu haben die Forschenden eine mit Kohlenstoff beschichtete Keramikmembran entwickelt. Durch die extrem feinen Poren der Membran entweichen die Wasserstoff­moleküle, während die größeren Kohlenstoffdioxid-Gas-Moleküle zurückgehalten werden. Der Wasserstoff erreicht dabei eine Reinheit von mehr als neunzig Prozent. Er wird nun in den Motor geleitet, wo er wie im klassischen Verbrennungs­motor verbrennt und den Motor antreibt. Klima­schädliche Abgase entstehen dabei nicht.

Das im Projekt genutzte Prozess­konzept setzt noch zwei weitere konstruktive Kniffe ein, um das System zu optimieren. Zum einen wird die Abwärme des Motors genutzt, um den Reaktor zu heizen, womit sich die Effizienz des Systems deutlich erhöht. Zum anderen wird das zurück­bleibende Kohlenstoff­dioxid im Nachgang zum Reaktor wieder verflüssigt und in die leeren Methanoltanks geleitet. Ist das Schiff am Hafen angekommen, wird das COin Tanks geleitet und kann für die neuerliche Methanol-Synthese verwendet werden. „Methanol ist ein idealer Wasserstoffträger für die Schiff­fahrt. Die Energie­dichte ist doppelt so hoch wie bei verflüssigtem Wasserstoff, deshalb sind die Methanol­tanks an Bord auch nur halb so groß. Außerdem ist es gefahrlos zu trans­portieren. Selbst wenn ein Tank leckt, besteht keine akute Umweltgefahr“, sagt Jäger.

Eine technische Heraus­forderung bei der Entwicklung bestand darin, die Keramikmembranen so zu vergrößern, dass sie auch für die nötige Antriebsleistung von Schiffsmotoren infrage kommen. Den Forschenden ist es dabei gelungen, die ursprünglich nur 105 Millimeter lange Membran auf eine Länge von 500 Millimeter zu skalieren. Damit ist bereits eine Motorleistung von bis zu einem Megawatt erreichbar. Angestrebt werden mittel­fristig Antriebe mit zwanzig Megawatt Leistung und mehr. Ideal wäre die emissionsfreie Antriebs­technologie beispiels­weise für Fähren, die fest zwischen zwei Häfen verkehren und dort jeweils eine Tankstation für Methanol zur Verfügung haben. Die Technologie wäre in Zukunft aber auch für Container­schiffe und Kreuzfahrt­schiffe interessant. Eine grüne Kreuzfahrt ohne Treibhaus­gasemissionen und ohne große Schornsteine, die den Ruß aus der Schweröl­verbrennung in die Luft blasen, würde Kreuzfahrten auch für umwelt­bewusste Passagiere attraktiv machen.

Bei dem EU-Projekt „HyMethShip“ arbeitete das Fraunhofer IKTS mit mehreren Partnern zusammen. Die Gesamt­koordination des Projekts übernahm das Large Engines Competence Center (LEC) im öster­reichischen Graz. Das Startup SES-HyDepot in Innsbruck betrieb die Small-Scale-Testanlage zur Validierung des verfahrens­technischen Grundprozesses. Christian Mair, CEO von SES-HyDepot, ist optimistisch: „Der Testbetrieb hat gezeigt, dass die Wasserstoff­bereitstellung auf Methanol-Basis realisierbar ist und auch für Schiffe und ihre hohen Leistungs­anforderungen mittelfristig eine Perspektive darstellt.“

Die Politik hat im Rahmen der Energiewende und des europäischen Green Deal begonnen, den Druck auf die Branche zu erhöhen. So forderte das EU-Parlament 2020, die Schifffahrts­unternehmen auf, ihre Emissionen deutlich zu reduzieren. Das Projekt HyMethShip mit seinem emissions­freien Wasserstoff­antrieb könnte hierzu einen wichtigen Beitrag leisten. Zudem sind Anwendungen in anderen Branchen möglich. Das Prinzip der Wasserstoff­erzeugung aus Methanol lässt sich auch für verschiedenste Szenarien in der chemischen Industrie verwenden.

FhG / JOL

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