IMO 2020: Die Zukunft des Wasserstoffs in der Schifffahrt

Von Joseph DiRenzo, PE • 17 Juli 2019

GGZM-Team bei der Water-Go-Round-Kiellegungszeremonie. Im Bild von links nach rechts: Captain Joe Burgard (Mitbegründer); John Motlow, VP Marketing und Strategie; Charlie Walther; Tyler Foster; Rose Dawydiak-Rapagnani; Thomas Escher, Mitbegründer); und Dan Johnson. Fotokredit GGZM.

3D-Rendering des Water-Go-Round. Bildnachweis Incat Crowther

Wasser-Go-Round Keeling Legezeremonie. Fotokredit GGZM

Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie zur Erfüllung zukünftiger IMO-Anforderungen
Angesichts der anhaltenden Bemühungen der Seeverkehrsgemeinschaft, die Schiffsemissionen zu senken, um die IMO MARPOL Annex VI-Vorschriften zu erfüllen und den Schwefelgehalt von Schiffen ab dem 1. Januar 2020 weltweit auf 0,5 Prozent zu begrenzen, erwägen viele Schiffseigner, die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie zu erfüllen sich entwickelnde Emissionsvorschriften. Bis heute wurden Hunderte Millionen Dollar für Forschungsprogramme ausgegeben, um Wasserstoffbrennstoffzellen für den Transport zu nutzen. Mehrere Seemächte, darunter die Europäische Union, die Vereinigten Staaten und Japan, haben Pilotprogramme gestartet, um die Durchführbarkeit von Wasserstoff im Seeverkehr zur Emissionsreduzierung bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Kostenparität mit der traditionellen Antriebstechnik zu bewerten.

Eine führende Stimme auf diesem Gebiet ist Dr., Joseph Pratt, CEO und CTO von Golden Gate Zero Emission Marine (GGZM), einem international anerkannten Experten für maritimen Wasserstoff. Das GGZM ist eines von mehreren Unternehmen, die den Übergang von der Machbarkeitsstudie zum Schiffsbau und -betrieb vollziehen.

Erstes kommerzielles Wasserstoff-Brennstoffzellenschiff in Nordamerika
Nach dem Abschluss der Kiellegungszeremonie für das Water-Go-Round im November letzten Jahres und dem voraussichtlichen Start im September dieses Jahres ist die GGZM auf dem besten Weg, das erste kommerzielle Wasserstoffbrennstoffzellenschiff in Nordamerika zu werden. Der Water-Go-Round ist ein 70-Fuß-Katamaran von Bay Ship & Yacht Co., der bis zu 84 Passagiere in der Bay Area befördern kann.

Laut Dr. Pratt wird das Schiff nach dem Start drei Monate lang in der Bucht von San Francisco fahren, während Sandia National Laboratories, ein nationales Labor auf dem Gebiet der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie, Leistungstests an dem Schiff durchführt und Daten sammelt. Das Schiff wird eine Tankanordnung von bis zu 242 Kilogramm komprimiertem Wasserstoff bei 250 bar (ca. 3600 psi) transportieren, die genug Kraftstoff für bis zu 2 volle Betriebstage liefert. Der Water-Go-Round wird von zwei 300 kW (400 PS) starken Wellenmotoren mit einer 100-Kilowattstunden-Batterie angetrieben, um Geschwindigkeiten von bis zu 22 Knoten zu erreichen.

Ein Teil der anfänglichen Finanzierung für das Water-Go-Round-Projekt stammt von California Climate Investments, einem Emissionsobergrenzen- und Handelsprogramm zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen im US-Bundesstaat Kalifornien.

Dr. Pratt bemerkte, dass der erfolgreiche Start seines Geschäfts und der Aufbau des Water-Go-Round "eine lange Zeit in der Entstehung" waren, die aus Partnerschaften hervorgegangen sei, die er während der Leitung des SF-BREEZE und anderer Studien bei Sandia National entwickelt hatte Labs.

„Der Machbarkeitsbericht hat gezeigt, dass dies möglich ist, aber wir wollten es beweisen. Auf der Unternehmensseite sahen wir eine sehr große Nachfrage nach Wasserstoff-Brennstoffzellenschiffen. “

Sobald das Water-Go-Round-Projekt abgeschlossen ist, wird das GGZM seine Anstrengungen darauf konzentrieren, die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse für die Entwicklung einsatzbereiter Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antriebssysteme zu nutzen, die für den Neubau von Schiffen und für die weltweite Nachrüstung eingesetzt werden können .

Dr. Joseph Pratt, CEO / CTO von GGZM. Fotokredit GGZM „Das Huhn steht an erster Stelle“
Eine der vielzitierten Herausforderungen ist das Dilemma „Huhn und Ei“, wenn eine störende Antriebstechnologie auf den Seeverkehrsmarkt gelangt. Kritiker behaupten, Schiffseigner würden neue Technologien im Schiffsneubau wie Wasserstoffbrennstoffzellen nur ungern einsetzen, bis die Hafeninfrastruktur vorhanden sei. Sie werden auch behaupten, dass sich die Hafeninfrastruktur erst entwickeln wird, wenn eine starke Nachfrage seitens der Schiffseigner besteht, die ein „Henne-Ei-Dilemma“ schaffen.

Für Dr. Pratt lautet die Antwort: „Klar, das Huhn muss an erster Stelle stehen… das Huhn ist der Beweis.“

Dr. Pratt stellt fest, dass die USA jährlich mehr als 10 Millionen Tonnen Wasserstoff produzieren (US DOE). In vielen Industrieländern auf der ganzen Welt gibt es bereits die notwendigen Zutaten für einen raschen Ausbau der maritimen Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie.

Anstatt eine endlose Anzahl von Machbarkeitsstudien zu erstellen, sei es notwendig, „die Boote auf das Wasser zu bringen“, um der internationalen Seeverkehrsgemeinschaft zu beweisen, dass Wasserstofftechnologie wirtschaftlich machbar sein könne.

Dr. Pratt behauptet, der größte Faktor bei der Entscheidung, welche Teile der Welt diese Technologie anwenden werden, sei "ob [Schiffseigner] Wasserstoff bekommen können". Derzeit haben nicht alle Länder der Welt einfachen Zugang zu Wasserstoff. Darüber hinaus wird die Mehrheit der Schiffe flüssigen Wasserstoff aufgrund ihrer erforderlichen Lebensdauer benötigen, da flüssiger Wasserstoff eine erheblich höhere Energiedichte als komprimiertes Wasserstoffgas aufweist. Aufgrund des ausgereiften Netzwerks von Wasserstoffversorgern in Nordamerika geht Dr. Pratt davon aus, dass Nordamerika weiterhin ein starker Markt für diese Art von Meerestechnologie sein wird.
3D-Rendering des Water-Go-Round. Bildnachweis Incat Crowther Woher kommt Wasserstoff?
Eine wichtige Unterscheidung bei der Diskussion des Emissionsminderungspotenzials der Wasserstoffbrennstoffzellentechnologie ist die Art und Weise, in der der Wasserstoff erzeugt wird. Verfahren wie die Dampf-Methan-Reformierung und die partielle Oxidation erzeugen Wasserstoff unter Verwendung von Methan als Ausgangsmaterial, im Allgemeinen aus Erdgas. Nach Angaben des US-Energieministeriums (US Department of Energy, DOE) wird durch Dampfreformierung und partielle Oxidation Wasserstoff erzeugt, indem Hochtemperaturdampf (700 bis 1000 ° C) mit Methan in Gegenwart eines Katalysators kombiniert wird. Ein Bericht des DNV GL mit dem Titel "Bewertung ausgewählter alternativer Kraftstoffe und Technologien" weist darauf hin, dass der auf diese Weise erzeugte Wasserstoff einen CO2-Ausstoß von 90 Gramm pro Megajoule (MJ) aufweist, der über dem von HFO und MGO liegt. Beim Schreiben dieses Artikels wird der größte Teil des weltweiten Wasserstoffs mit diesen Methoden erzeugt.
Eine andere Methode, die Aufmerksamkeit auf sich zieht, ist die Verwendung der Elektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff. Während des Elektrolyseprozesses wird Elektrizität verwendet, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen.

Dies wird durch eine Reihe verschiedener Elektrolyseure erreicht, einschließlich Polymerelektrolytmembran- (PEM), Alkali- und Festoxidelektrolyseure, die sich in Material, Produktionstemperatur und Reaktionsverlauf innerhalb des Prozesses unterscheiden. Die Elektrolyse gilt als „grün“, wenn der Strom, mit dem die Geräte betrieben werden, aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind, Sonne, Atom oder Biogas stammt.
Obwohl sich das Water-Go-Round-Projekt noch nicht mit seinem Wasserstofflieferanten und der damit verbundenen Wasserstoffproduktionsmethode befasst, ist Dr. Pratt der Ansicht, dass die Einführung von 100% erneuerbarem Wasserstoff „schrittweise erfolgen muss“. Um eine breite Akzeptanz zu erlangen, müsse die Lösung „wirtschaftlich sein… marktgetrieben und nicht durch staatliche Finanzierungsinitiativen unterstützt. Derzeit ist erneuerbarer Wasserstoff teurer als herkömmlicher Wasserstoff. “

„Obwohl erneuerbarer Wasserstoff das Ziel ist, bietet er heute keine wirtschaftliche Lösung.“ Die derzeitige Strategie von Dr. Pratt besteht darin, mit dem Schiff und konventionellem Wasserstoff zu beginnen, der wirtschaftlich rentabel sein kann, und dann auf einen höheren Anteil erneuerbarer Energien umzusteigen, da dadurch ein Kostenniveau erreicht wird, das es auch rentabel macht. Wenn wir heute versuchen, beides zu erreichen, kann dies zu einer Verzögerung der Akzeptanz der Technologie im Allgemeinen führen. “

Kann Wasserstoff wirtschaftlich sein?
Bei der Erörterung der wirtschaftlichen Machbarkeit der Wasserstoffbrennstoffzellentechnologie im Rahmen des Water-Go-Round-Projekts stellt Dr. Pratt fest, dass „das Hauptnutzenversprechen für Wasserstoffbrennstoffzellenschiffe in der Gesamtkostenreduzierung für das Schiff besteht. Schiffseigner müssen nie wieder eine komplette "Reakraft" durchführen. Zuerst wechseln Sie von einem mechanischen Motor mit Hunderten von beweglichen Teilen zum Festkörpersystem einer Brennstoffzelle. Zweitens müssen Sie am Ende des Lebens keine Motoren austauschen. Stattdessen müssen separate Brennstoffzellen nur ersetzt werden, wenn sie ihren Lebenszyklus überschritten haben. Insgesamt kann dies zu einer Reduzierung der Wartung und der Ausfallzeit führen, was letztendlich die Gesamtbetriebs- und Wartungskosten des Schiffes reduzieren würde.

Dr. Pratt bemerkte auch, dass ein Nebeneffekt der Umstellung auf ein Wasserstoff-Brennstoffzellensystem darin besteht, dass das Schiff viel leiser ist als vergleichbare Dieselmotoren und keine Verschmutzung an Bord aufweist. Dies eröffnet viele Möglichkeiten, zum Beispiel können Schiffseigner aufgrund des geringeren Lärms und der geringeren Luftverschmutzung nicht traditionelle Charterflüge für Fahrgastschiffe wie „Kooperationssitzungen“ und „Naturausflüge“ übernehmen.

Die Zukunft
Mit dem Water-Go-Round-Projekt, das kurz vor seiner ersten Reise steht, und anderen Projekten wie dem HYSEAS III-Projekt in Großbritannien oder dem HYBRIDskip-Projekt in Norwegen in verschiedenen Phasen der Ausführung ist klar, dass die Wasserstofftechnologie in der Schifffahrt rasch vom Konzept zum fortschreitet Schaffung im globalen Maßstab. Ähnlich wie bei der allgemeinen Akzeptanz von Flüssigerdgas (LNG) als Schiffskraftstoff wird Wasserstoff wahrscheinlich eine ähnliche Verbreitung finden. Dr. Pratt behauptet, dass sich Wasserstoffbrennstoffzellenschiffe zunächst in Gebieten mit strengeren Emissionskontrollen wie dem in Anhang VI des MARPOL-Übereinkommens festgelegten Emissionskontrollbereich zwischen Schiffen mit fester Route wie Fähren, Schleppern und Küstenhändlern ansammeln werden. Da die Wasserstoffproduktion weltweit zunimmt, werden möglicherweise größere Schiffe mit variableren Routen wie Containerschiffe diese Technologie übernehmen. In Anbetracht der Größenvorteile eines Containerschiffs stellt Dr. Pratt fest, dass „ein Containerschiff eine neue Wasserstoffproduktionsanlage rechtfertigen könnte“ in einem Hafen, was darauf hindeutet, dass die weltweite Übernahme dieser Technologie möglicherweise in Sicht ist.

Über den Autor

Joseph DiRenzo ist ein technischer Projektmanager und professioneller Ingenieur mit fast 10 Jahren Erfahrung in der US-Küstenwache. Seine letzte Tour war am Forschungs- und Entwicklungszentrum der Küstenwache in New London, CT, wo er unter anderem eine Machbarkeitsstudie über die Verwendung von Flüssigerdgas (LNG) für die neue Flotte von Inland River Tenders der Küstenwache leitete. Mit einem starken Interesse an erneuerbarer Meerestechnologie erhielt er 2012 ein Fulbright-Stipendium für das Studium der maritimen Erdgastechnologie an der norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Trondheim, Norwegen. Er hat eine Reihe von Artikeln in Fachzeitschriften und Fachzeitschriften zum Einsatz von LNG im maritimen Bereich verfasst. Während seiner Karriere als Küstenwächter diente er auf zwei verschiedenen Schiffen, einschließlich einer Abteilungsleiter-Tour als Operations Officer, und führte eine Vielzahl von Seemissionen an beiden Küsten der Vereinigten Staaten durch.