Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) beteiligt sich an der Entwicklung der weltweit ersten wasserstoffbetriebenen Hochseefähre mit Brennstoffzelle für den Personen- und Fahrzeugtransport. Ziel des von der Europäischen Union geförderten Forschungsprojektes "HySeas III" ist es, den Pendelverkehr zwischen den schottischen Inseln Orkney und Shapinsay ab dem Jahr 2021 mit einem neuartigen, ausschließlich mit Energie aus erneuerbaren Quellen betriebenen Schiffstyp zu realisieren. Das DLR-Institut für Vernetzte Energiesysteme beteiligt sich am Gesamtprojekt mit umfangreichen ökonomischen und ökologischen Analysen sowie mit der Ermittlung des Marktpotenzials im europäischen Raum.
Elektrischer Antrieb statt Dieselmotor
Unter Leitung der in Port Glasgow ansässigen Ferguson-Werft wird die Fähre auf eine Kapazität von rund 120 Passagieren und 18 Fahrzeugen ausgelegt. Mit 35 Meter Länge, zehn Meter Breite und zwei Meter Tiefgang wird sie das derzeit eingesetzte dieselbetriebene Schiff ersetzen. Die technologische Besonderheit der neuen Fähre liegt im elektrischen Antrieb: Dafür werden Brennstoffzellen installiert, die an Bord Wasserstoff in elektrische Energie umwandeln. Für die Schiffbauer stellt das durchaus eine Herausforderung dar, weil der schwere Schiffsmotor und auch der Schornstein entfallen. Entsprechend muss die Ausgewichtung der Fähre völlig neu konzipiert werden. Im Laufe des Projektes berechnen die Wissenschaftler und Ingenieure Position und Größe - und damit Leistung - der Energiespeicher und legen im Anschluss das endgültige Design der Fähre fest.
Wasserstoff aus überschüssigen erneuerbaren Energien
Keine Zweifel gibt es dagegen über die Herkunft des Treibstoffs: Bereits seit rund fünf Jahren erzielen die Orkney-Inseln vor der Nordküste Schottlands durch Wind-, Wellen- und Gezeitenkraftwerke einen Überschuss an erneuerbaren Energien. Aufgrund begrenzter Netzkapazitäten zum Festland entschloss man sich, die Überschüsse direkt vor Ort in Wasserstoff umzuwandeln. Parallel wurde mit der Errichtung einer Wasserstoff-Infrastruktur begonnen, so dass die Fähre mit einem mobilen Trailer betankt werden kann. "Mit HySeas III können wir also nicht nur eine Weltneuheit im Schiffsbau realisieren, sondern auch eine einzigartige Treibstoffversorgung auf Basis lokaler erneuerbarer Energien", erklärt Projektkoordinator Dr. Martin Smith von der schottischen University of St. Andrews.
Wirtschaftlichkeit auf dem Prüfstand
Ob das neue Schiffskonzept auch wirtschaftliche und ökologische Vorteile im Vergleich zu anderen innovativen Antriebskonzepten und der erforderlichen Infrastruktur bringt, untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DLR-Instituts für Vernetzte Energiesysteme. "Wir nehmen eine detaillierte Analyse der Kostenstrukturen vor, beginnend bei der voraussichtlichen Entwicklung der Rohstoffpreise über laufende Betriebs- und Wartungskosten bis hin zu den Kosten für die spätere fachgerechte Entsorgung", erklärt Dr. Thomas Vogt, Abteilungsleiter Energiesystemanalyse. "Diese Aufstellung nehmen wir auch für vergleichbare Konzepte vor, zum Beispiel für Fähren mit Diesel-, Hybrid- oder reinem Elektroantrieb. Wichtig ist auch die Betrachtung der erforderlichen, teils netzgebundenen Infrastruktur. Erst im direkten Vergleich dieser Daten lassen sich Rückschlüsse auf die tatsächliche Wirtschaftlichkeit des Konzepts ziehen."
Ökologische Analyse vom Rohstoffabbau bis zur Entsorgung
Wie umweltfreundlich die Wasserstoff-Fähre im Vergleich zur Konkurrenz ist, soll zudem eine ökologische Analyse zeigen. Zwar werden bei der Wasserstoffherstellung und während des Fährenbetriebs keine direkten Schadstoffe und Emissionen freigesetzt, allerdings könnten zahlreiche weitere Faktoren die Bilanz trüben, wie Dr. Vogt verdeutlicht: "So werden für den Herstellungsprozess möglicherweise Rohstoffe mit geringer Verfügbarkeit benötigt. Abbau, Transport und Verarbeitung sind zum Teil energieintensiv und können die CO2-Bilanz erheblich beeinflussen, sofern hierfür keine Erneuerbaren Energien eingesetzt werden. Auch die Entsorgung kann zu Umweltbelastungen führen."
Blaupause für weitere Fährverbindungen angestrebt
Langfristig könnte HySeas III die Blaupause für weitere Fährverbindungen in ganz Europa liefern. Das Potenzial dafür will das Institut für Vernetzte Energiesysteme in einer Marktanalyse ermitteln. Wesentliche Faktoren dafür sind die Streckenlänge, die Aufnahmekapazität für Personen und Fahrzeuge, die Akzeptanz bei Betreibern und Bevölkerung sowie die Möglichkeit zur Bereitstellung von Wasserstoff mittels Erneuerbarer Energien in der Region. "Unsere Analyse soll zeigen, inwiefern die Umsetzung eines wasserstoffbetriebenen Fährbetriebs nicht nur vor den Orkney-Inseln, sondern auch auf weiteren Strecken in Europa möglich und sinnvoll ist", fasst Dr. Vogt die Projektziele zusammen.
Acht Projektpartner aus sechs Ländern
Die wissenschaftlichen Grundlagen für HySeas III wurden bereits in den Vorgänger-Projekten HySeas I und II gelegt: Bei HySeas I wurden zunächst die technischen, ökonomischen und sozio-ökonomischen Aspekte von zukünftigen wasserstoffbetriebenen Fähren in sehr allgemeiner Form untersucht. HySeas II setzte den Schwerpunkt zum einen auf die Entwicklung des Designs entsprechender Fähren, zum anderen auf die detaillierte Planung der erforderlichen Infrastruktur an Land. Die eigentliche Umsetzung des Fährkonzepts erfolgt nun in HySeas III. Projektpartner im auf 42 Monate angelegten dritten Teil sind neben dem DLR und der Ferguson-Werft die University of St. Andrews, das Orkney Island Council (beide Schottland), Ballard Power Systems (Dänemark), Kongsberg Maritime (Norwegen), Interferry (Belgien) und McPhy (Frankreich).
Bild und Text: DLR Institut für Vernetzte Energiesysteme