Die »Elektra« gilt als das weltweit erste emissionsfreie Schubboot. An die Sicherheit an Bord gibt es aufgrund der eingebauten Technologie, bestehend aus Batterien und Brennstoffzellen, besondere Anforderungen

Um die Klimaziele Deutschlands zu erreichen, treten inzwischen nicht nur Kraftfahrzeuge, sondern auch die Binnenschifffahrt in den politischen und öffentlichen Fokus.

Das Fachgebiet für Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme der TU Berlin verfolgt seit 2016 die Idee eines im Betrieb klimaneutralen Binnenschubbootes. Die Einheit bekommt den Namen »Elektra« und wird auf der Schiffswerft Hermann Barthel gefertigt. Die Kiellegung des von der Berliner Lagerhausgesellschaft (BEHALA) in Auftrag gegebenen Neubaus erfolgte Anfang November 2019. Das Boot wird nur Wasserdampf und erwärmte Luft ausstoßen.

Die »Elektra« wird von zwei 200 kW-Elektromotoren und Ruderpropellern des Typs SRP 100 (mit Düse) von Schottel angetrieben. Die Antriebsenergie kommt aus unabhängigen Akku­strängen, die jeweils eine Kapazität von 1.160 kWh haben. Für das Bordnetzes sind 232 kWh vorgesehen. Neben den Akkus von EST-Floattech aus den Niederlanden, mit denen regional der rein elektrische Betrieb erforscht wird, gibt es drei 100 KW NT-PEM-Brennstoffzellen von Ballard Power Systems und Photovoltaikmodule an Bord. Auslegungskriterium war ein optimaler Wirkungsgrad bei Dienstgeschwindigkeit. Der Wasserstoff wird in sechs austauschbaren Tanks bei einem Druck von 500 bar gespeichert, die das Unternehmen Anleg hergestellt hat.

»Wir wollen Erfahrung sammeln und ermitteln, inwieweit das Konzept auf anderen Binnenschiffstypen angewendet werden kann«

Martina Becker, Projektleiterin bei HGK Shipping

Da die »Elektra«, an dessen Entwicklung auch Imperial Logistics mitwirkte – die inzwischen nach der Übernahme durch die Hafen- und Güterverkehr Köln AG unter dem Namen HGK Shipping firmiert – das weltweit erste H2-betriebene Kanalschubboot ist, gibt es für die Energieanlage noch keine gültigen Vorschriften in der BinSchUO. Um ein Schiffsattest erlangen zu können, wurde ein Umweg über den europäischen Ausschuss für Binnenschifffahrt (CESNI) gewählt. Viele Sicherheitsaspekte müssen beachtet werden.

Erfahrung gibt es beim Zusammenspiel von Wasserstoff und Batterien in der Binnenschifffahrt bisher kaum. Das ist auch einer der Beweggründe, weshalb die HGK Shipping bei der Entwicklung des innovativen Schubbootes mitgewirkt hat.

»Wir wollen Erfahrung sammeln und ermitteln, inwieweit das Konzept auf anderen Binnenschiffstypen angewendet werden kann«, sagt Martina Becker, die bei HGK Shipping das Projekt leitet. Deshalb sei es von großer Bedeutung, schon bei der Konzeption gewissermaßen mit im Boot zu sein und Informationen zu erhalten und auszutauschen sowie Kontakte zu Experten zu knüpfen, die bereits mit der neuartigen Technologie vertraut seien. »Da unsere Mitarbeiter das Schiff nach der Fertigstellung betreiben, ist es uns wichtig, ein Feedback über das Verhalten des Schubbootes im laufenden Betrieb zu erhalten und das Personal umfangreich im Umgang mit den neuen Technologien zu schulen«, so Becker weiter. Ferner soll geprüft werden, inwiefern es Unterschiede beim Einsatz und Betrieb sowie im Fahrverhalten von konventionellen und innovativen Antriebssystemen gibt. Bewertungskriterien seien Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit, Schadstoff- und Lärmemissionen sowie Marktfähigkeit, auch die Bewertung des Langzeitbetriebs falle hier ins Gewicht, so Becker.

»Für uns ist die aktive Teilnahme an diesem Pilotprojekt von hoher Bedeutung, da wir die Realisierung eines Hybridantriebs über eine mit Wasserstoff gespeiste Brennstoffzelle in Verbindung mit einer innovativen Akkumulatorentechnologie als wegweisend erachten«, sagt Steffen Bauer, CEO HGK Shipping. Erklärtes Ziel sei es, Grundsteine für eine innovative und nachhaltige Binnenschifffahrt zu legen und einen Beitrag dazu an vorderster Front zu leisten.

Allgemeine Sicherheitstechnik

Mit dem Schiffsantrieb wird ein bereits landseitig hundertfach bewährtes sicherheitstechnisch rechtskonformes Prinzip umgesetzt. Wasserstoff für sich ist zunächst nicht entzündlich, solange er in technisch dichten Systemen gehandhabt wird und nicht mit Luft in Kontakt kommt. Nur innerhalb bestimmter Gemisch-Konzentrationen (4 bis 79 Mol. %) ist es möglich, eine Zündung zu bewirken.

Bei der Umsetzung der gesetzlich geregelten sogenannten »integrierten Explosionssicherheit« wird konsequent auf eine Gefährdungsminimierung gesetzt, weil bei einem H2-Brennstoffzellensystem die Verwendung von Wasserstoff zur Gefährdungsvermeidung durch Austausch mit einem anderen Energieträger nicht möglich ist.

Für derartige Systeme greift das Produktsicherheitsgesetz mit entsprechenden sicherheitstechnischen Vorgaben auf hohem einheitlichen Schutzniveau, weil es noch keine Vorschriften in der BinSchUO gibt.

Das »Geheimnis« liegt hier in der konsequenten Vermeidung der Freisetzung gefährlicher Wasserstoffmengen. Erreicht wird das durch eine im Normalbetrieb und bei bestimmungsgemäßer Verwendung auf Dauer technisch dicht ausgelegte Konstruktion, so dass die Sicherheit für den Antrieb durch die sich im »grünen Bereich« (1) bewegenden Primärschutzmaßnahmen gewährleistet wird.

Rechtlich abgedeckt wird ein solcher Antrieb durch eine Vielzahl von Gesetzen, Verordnungen sowie technischen Regeln. Eine gezielt eingesetzte und sichere Wasserstofffreisetzung im Brandfall sorgt dafür, dass die systembedingten Hochdruckstrukturen (etwa der Druckgasbehälterbündel) gezielt automatisch entlastet werden. Diese Druckentlastung setzt dann zwar durchaus potenziell gefährliche Wasserstoffmengen frei, wird sich aber oberhalb der Ausblaseleitungen durch die große energiefreisetzende Druckdifferenz von weit mehr als 30 bar an der Grenzschicht automatisch entzünden, so dass hierdurch eine explosionsartig verlaufende Verbrennung nicht zu erwarten ist. Innerhalb weniger Minuten wird dabei die gesamte Speichermenge sicher abgebaut. Eine physikalische Explosion der Behälter (durch Bersten) wird dadurch sicher vermieden.

Zur Erhaltung der Funktionsfähigkeit der Brennstoffzellen, ist eine »Spülung« der vorhandenen PE-Membran (»Purge«) erforderlich. Die dabei im Innern des Systems freigesetzte Wasserstoffmenge wird gezielt in einen weit überdimensionierten Abluftstrom des Systems eingeleitet, so dass in jedem Fall die Bildung gefährlicher Atmosphäre, durch die übergroße Verdünnung, sicher vermieden wird. Damit entstehen hier ebenfalls keine explosionsgefährdeten Bereiche. Gefährlich sind explosionsfähige Gemische immer dann, wenn Schutzmaßnahmen erforderlich werden, wenn diese in der Nähe des Menschen zur Explosion gebracht werden.

Sicherheit beim Antrieb

Nach dem Produktsicherheitsgesetz (ProdSG) besteht das System im Wesentlichen aus Druckgeräten, die in Deutschland als Bestandteil einer hier vorliegenden Energieanlage als Eigenanlage im Sinne von § 3 Nr.‘n 15. und 13. Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) sind. Bei diesen Energieanlagen gilt für deren druckführende Komponenten, dass diese Druckgeräte anders als ansonsten üblich, keine »überwachungsbedürftige Anlage« im Sinne von § 2 Nr. 30 lit. b), c), d) darstellen (vgl. § 3 Nr. 30 Satz 2 ProdSG). Es handelt sich also, vergleichbar mit etwa durch Verbrennungskraftmaschinen angetriebene Schiffe, zwar um prüfpflichtige Arbeitsmittel, die jedoch hier nicht dem Abschnitt III, §§ 15… 17 Betriebsicherheitsverordnung (BetrSichV) unterliegen. Bei Komponenten, die für den Einsatz in explosionsfähiger Atmosphäre geeignet sind, bleiben auf jeden Fall überwachungsbedürftige Anlagen (§ 2 Nr. 30 lit. f) ProdSG). Es wird konform zum EU-Recht als Niederspannungssystem im Sinne der 1. ProdSV auf dem Markt bereitgestellt. Ebenso besteht die weitere elektromagnetische Verträglichkeit.

Die H2-Antriebssysteme müssen zur Aufrechterhaltung der bestimmungsgemäßen Verwendung und mithin der Betriebssicherheit vor ihrer erstmaligen Inbetriebnahme, nach prüfpflichtigen Änderungen und regelmäßig wiederkehrend als »einfache« Arbeitsmittel geprüft werden. Dafür ist der Betreiber verantwortlich.

Umsetzung des Wasserstoffsystems

Für das H2-System der »Elektra« wurden verschiedene Technologien verglichen. Darunter die Speicherung von H2 in Methanol, in einem Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC), als auch flüssiger und gasförmiger Wasserstoff.

Da Methanol wassergefährdend und giftig ist, schied dieser Energieträger aus. Außerdem wird beim Betrieb CO2 freigesetzt, womit der Betrieb des Schubbootes nicht mehr klimaneutral wäre.

LOHC ist eine Technologie, bei der Wasserstoff in Öl gespeichert wird. Für die Freisetzung des Wasserstoffs ist derzeit eine Anlage in der Größenordnung eines 20‘-Containers und ein hoher Wärmezufluss nötig. Weder der Platz noch die Wärme sind auf dem Schubboot vorhanden.

Die Nachfrage nach flüssigem Wasserstoff wird europaweit von nur drei Anbietern gedeckt. Dementsprechend ist die Verfügbarkeit schlecht. Aufgrund des niedrigen Siedepunktes von -252,9 °C muss sämtliche Peripherie, wie die Leitungen, speziell isoliert sein, was sehr komplex ist. Die tiefen Temperaturen erfordern auch spezielle Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz von Mensch und Maschine. Auch die hohen Energieverluste beim Verflüssigen sprechen gegen dessen Verwendung.

Verdichteter gasförmiger Wasserstoff hingegen hat eine einfache Peripherie, ist gut verfügbar und seine sichere Handhabung ist vergleichsweise einfach. Üblich sind derzeit die Druckstufen 350 bar und 700 bar; 350 bar meist für Nutzfahrzeuge, wie Busse oder Bahnen, 700 bar im Pkw-Bereich. Auf der »Elektra« werden 500 bar verwendet, da diese Druckstufe einen guten Kompromiss zwischen dem Tanksystemgewicht, seiner Speicherkapazität und den Investitionskosten darstellt.

Um die hohen Investitionskosten einer H2-Tankstelle zu umgehen, greift der Entwickler auf austauschbare H2-Tanks zurück. Mehrere Druckgasflaschen sind zu einem wieder befüllbaren Flaschenbündel zusammengefasst. Diese können nicht nur auf Booten eingesetzt werden, sondern auch die H2-Versorgung von verschiedenen mobilen beziehungsweise stationär betriebenen Anwendungen realisieren.

Ein großes Netz aus »Pfandbündeln« ist bereits jetzt die Lösung für eine etablierte Wasserstofflogistik. Sie sind auf dem Boot mit Führungsschienen und aufgeschweißten Konen an Deck aus dem Containerbetrieb gegen Verrutschen und Kippen gesichert.

Damit die Sicherheitsauflagen erfüllt werden, ist eine spezielle Gasregelstrecke installiert. Die Druckflaschen haben jeweils ein thermisches Überdruckventil, welches im Brandfall den Wasserstoff an einer sicheren Stelle am Boot kanalisiert abbläst, bevor der Druck in den Flaschen zu hoch wird, beziehungsweise die Struktur des Behälters durch das Feuer geschwächt wird. Das Abblasen wird von Wasserstoffdetektoren erkannt, die in der Steuerung des gesamten Systems eine Notfallsequenz starten.

Außerdem haben die Bündel jeweils ein Hand- und ein Magnetventil. Sämtliche Magnetventile sind »normally closed«, also im Ruhezustand geschlossen. In die Schnellkupplung zur auf dem Schiff befindlichen Gasregelstrecke ist ein Rückschlagventil integriert, so dass vom Schiff kein Wasserstoff in die Bündel strömen kann.

Die Gasregelstrecke besteht im Wesentlichen aus einer kleinen von der Firma Anleg entwickelten Gas-handling-unit (GHU) mit den sicherheitsrelevanten Komponenten und den vor der Brennstoffzelle befindlichen Hauptabsperrventilen.

Füllstände und Leckagen der Leitungen werden über Zustandsmessungen von Temperatur- und Drucksensoren ermittelt. Letzteres fällt im Regelfall nicht an, da das gesamte System als dauerhaft technisch dicht ausgeführt ist. Die Gasregelstrecke ist auf der »Elektra« einfach redundant installiert, um im Schadensfall weiterfahren zu können.

Fazit

Im Kraftfahrzeugbereich sind Brennstoffzellenantriebe, etwa durch Toyotas »Mirai«, langjährig bewährt im sicheren Betrieb. Sie stellen in Fahrzeugen und auf Schiffen kein größeres Risiko dar, als die klassischen Verbrennungskraftmaschinen. Ganz im Gegenteil:

• Wasserstoff bewirkt keinerlei Wassergefährdungen.

• H2-Brennstoffzellen emittieren keine schädlichen Pyrolyseprodukte (Abgase).

• H2-Brennstoffzellen erzeugen weder Lärm noch Vibrationen.

Es handelt sich um eine zukunftsweisende, umweltfreundliche Antriebsart, die auch – im Gegensatz zu reinen Elektoantrieben – über hinreichende Reichweiten verfügt und deren »Tankstellennetz« derzeit sukzessive erweitert wird.

Gegen Ende dieses Jahres ist auf der Bauwert Hermann Barthel der Stapellauf der »Elektra« geplant. Probefahrten und die Überführung des Schiffes seien nach jetzigem Stand im Frühjahr 2021 vorgesehen, heißt es vonseiten der Projektbeteiligten.

Mario Kräft, unter anderem Sachverständiger für Explosionsschutz, Jan Andreas, Geschäftsführer Anleg, Peter Segieth, TU Berlin