Durch den starken Anstieg des Handelsvolumens gehört der Schiffsverkehr zu den am schnellsten wachsenden Quellen von Treibhausgasemissionen. Schiffsbauer sind daher auf der Suche nach umweltfreundlichen Alternativen zu den klassischen Schiffsmotoren. Dabei gerät auch grüner Wasserstoff als saubere Energiequelle immer mehr in den Fokus. Allerdings bringt das Mitführen großer Spezialbehälter auf hoher See, die Wasserstoff unter Druck speichern, auch ein Risiko mit sich. Wasserstoff aus Methanol könnte daher eine Alternative sein.

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS haben 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 gewinnt man aus dem Methanol durch Dampfreformierung Wasserstoff für den Schiffsantrieb.

Methanol tanken, Wasserstoff verbrennen

Technisches Herzstück des Systems ist der Reaktor. Darin mischt man das Methanol zunächst mit Wasser, verdampft das Gemisch durch Wärme und speist es in den vorgeheizten Reaktor ein. Dort setzt sich die Methanol-Wasser-Mischung zu Wasserstoff und CO₂ um. Bei der Abtrennung des Wasserstoffs und dem Reaktorengineering kann das Fraunhofer IKTS seine langjährige Erfahrung in der Membranverfahrenstechnik einsetzen. Die Fraunhofer-Forschenden haben eine mit Kohlenstoff beschichtete Keramikmembran entwickelt. Durch die extrem feinen Poren der Membran entweichen die Wasserstoffmoleküle, während die größeren Kohlenstoffdioxid-Moleküle zurückbleiben. Der Wasserstoff erreicht dabei eine Reinheit von mehr als 90 Prozent. In den Motor eingeleitet verbrennt er wie im klassischen Verbrennungsmotor und treibt den Motor an. 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 CO₂ in 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 Benjamin Jäger von der Abteilung Katalyse und Materialsynthese am Fraunhofer IKTS.

Motorleistung bis zu 1 MW erreichbar

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 1 MW erreichbar. Mittelfristig will man Antriebe mit 20 MW Leistung und mehr erreichen.

Ideal wäre die emissionsfreie Antriebstechnologie beispielsweise für Fähren, die fest zwischen zwei Häfen verkehren. Dort stünde dann jeweils eine Tankstation für Methanol. 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. Zudem sind Anwendungen in anderen Branchen möglich. Das Prinzip der Wasserstoff-Erzeugung aus Methanol lässt sich auch für verschiedenste Szenarien in der chemischen Industrie verwenden.

4.7.2022 | Quelle: Fraunhofer IKTS | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH