Etappenziel im Projekt OH22KuesSe erreicht

Bi-Fuel Wasserstoffinjektion in klassische Dieselmotoren als Option zur Nutzung von Grünem Wasserstoff in der Seefahrt.

Am Bereich Seefahrt, Anlagentechnik und Logistik am Standort Warnemünde wurde im Herbst 2024 ein wesentliches Teilziel im Forschungsprojekt „Nutzung von Offshore-H2 in der küstennahen Seefahrt“ – kurz mit OH22KuesSe bezeichnet – erreicht. In einem zu Forschungszwecken mit Steuerungs- und Messtechnik-Komponenten erweiterten, konventionell arbeitenden Einzylinder-Dieselmotor wurden bei laufendem Betrieb fossile Brennstoffanteil durch Wasserstoff ersetzt. Damit wurde der Beweis angetreten, dass auch herkömmliche Dieselmotoren, wie sie auf dem Meer fahren, mit einem separaten, autark wirkenden, abschaltbaren H2 Injektionssystem nachgerüstet und werden können.

Die Gasversorgungsanlage erlaubt eine Wasserstoffbereitstellung bis 200 bar zur Versorgung von Experimenten. Als Innerdgas zum Spülen wird Stickstoff verwendet. (c) Kerstin Baldauf / Hochschule Wismar

Die Reduktion von CO2 konnte deutlich nachgewiesen und optimale Arbeitspunkte für dieses Verfahren bestimmt werden. Das mit rund 450.000 Euro geförderte Projekt läuft noch rund ein halbes Jahr, bis März 2025. Es ist in das H2Mare-Leitprojekt der Bundesregierung eingebettet, in dem die Produktion von Wasserstoff direkt auf See (offshore) untersucht wird. Projektziel dieses Leitprojektes ist die Wasserstofferzeugung direkt im Windpark auf See, verbunden mit der direkten Nutzung des Wasserstoffs im maritimen Raum.

Optimismus trotz Widerspruchs

„Wir befinden uns auf sehr gutem Weg eines spannenden Projektes, um den Wasserstoff als wirkungsgradgünstigen Energieträger an Bord zu bringen“, so der Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Axel Rafoth. „Potentiell günstige Einsatzfälle einer direkten Wasserstoffnutzung auf existierenden Schiffen zu finden und so den Offshore Wasserstoff zu nutzen und damit auch die Entwicklung einer Betankungsinfrastruktur zu fördern, ist das erklärte Ziel des Einzelvorhabens“, so der Professor weiter. „Auf lange Sicht wird wegen der besseren Wirkungsgrade die Brennstoffzelle das Rennen machen.“ Der Fachmann widerspricht der allgemeinen Darstellung, dass Wasserstoff in der Schifffahrt generell nicht nutzbar wäre. Derzeit fahren rund 90.000 konventionelle Schiffe auf den Meeren und müssen Forderungen des Energy Efficiency for Existing Ships Index (EEXI) erfüllen. Der (EEXI) ist eine von der der Internationalen Maritime Organisation (IMO) eingeführte Maßnahme zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen von Schiffen, die sich auf das technische Design eines Schiffes bezieht. Aus heutiger Sicht scheinen einige Routen und Schiffe durchaus geeignet für den Einsatz von Wasserstoff. Diese zu finden wurde in einer ersten Projektphase der Bestand der seefahrenden Schiffe aufgenommen und klassifiziert. Für die am besten geeignete Klasse wird im nächsten Schritt ein Versorgungskonzept (land- und schiffsseitig) erstellt. Dabei werden auch die durch Klassifikationsgesellschaften definierten, sich aktuell entwickelnden und im Schiffsbetrieb zu beachtenden Regeln identifiziert.

Prof. Rafoth sieht das größte Problem für die Nutzung von grünen Energieträgern, im letztlich geringen Preis der bekanntermaßen begrenzt vorhandenen fossilen Brennstoffe, bei denen er eine zeitliche Verfügbarkeit von maximal 100 bis 200 Jahren erwartet. Deren Preis liegt aktuell im Schnitt mit 2 bis 4 Cent/KWh bei ca. 30 bis 50 Prozent des Preises für erneuerbare Energien mit 4 bis 8 Cent/kWh. Prof. Rafoths Ansicht nach würde eine CO2 Abgabe von 45Euro/t, die einem Aufpreis von rund 0,8 Cent/kWh entsprechen würde, kaum eine Änderung bewirken, weshalb er weitere Initiativen der Politik erwartet.

Labortest in Warnemünde

Den Versuchen mit einem 1NVD18 Einzylinder-Dieselmotor mit 12,5kW gingen verschiedene Motoranpassungen voraus. So musste der Motor zunächst mit einem Anlasser und einer elektronischen Drehzahlregelung ausgestattet werden, um Arbeitspunkte häufig und genau anfahren zu können. Die Versuchsanlage musste den Motor steuern und Sicherheitssignale verarbeiten. Es musste eine Gasversorgungsanlage mit allen Sicherheitseinrichtungen installiert werden, die es erlaubt, ein Einspritzventil einzeln und im Motor eingebaut mit Hochdruck Wasserstoff (bis 200 bar) zu versorgen. Im April 2024 fand ein erster Vorversuch statt, bei dem Wasserstoff in den Ansaugkanal während verschiedener Arbeitspunkte eingedüst wurde. In dessen Ergebnis war eine Reduktion des Dieselverbrauches und des CO2 Ausstoßes zu verzeichnen. Zugleich wurden jedoch steilere Druckverläufe während der Verbrennung beobachtet.

Letztere wären für alte Maschinen möglicherweise gefährlich. Ziel war es deshalb den Wasserstoff während der Verbrennung dosiert mit Hochdruck in den Brennraum zu bringen. Für diese aktuellen Versuche musste der Motor um einen vermessenen Hochdruck Injektor mit allen Zusatzkomponenten erweitert werden. Es zeigte sich wiederum eine CO2-Reduktion, bedingt durch das autarke Wirken der Einspritzpumpe, die drehzahlregelnd die Injektion von Diesel reduzierte, sobald Wasserstoff in den Brennraum kam. „An der nunmehr vollständigen Versuchsanlage werden weiterhin Untersuchungen von Regelungs- und Brennverfahren sowie deren Einfluss auf die Brennverläufe und die Abgaszusammensetzung erfolgen“, blickt Prof. Dr. Axel Rafoth optimistisch auf die letzten Monate der drei Forschungsprojektjahre.

Der Bereich Seefahrt Anlagentechnik und Logistik mit seiner umfangreichen Forschungs und Ausbildungsausstattung, zu dem nicht nur ein hochmodernes Maritimes Simulationszentrum mit nautischen und technischen Simulatoren, sondern ebenso ein Maschinen- und Anlagenlabor gehört, folgt auf technischem Gebiet auch mit diesem Projekt das Ziel, einen Beitrag zur Emissionsminderung in der Schifffahrt zu leisten. Die Unterstützung von nautischen Manövern mit dem gleichen Ziel wird von Professor Rafoths Kollegen bearbeitet.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr.-Ing. Axel Rafoth
Telefon: 0381 498-96 98 45 22
E-Mail: axel.rafoth@hs-wismar.de

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