Machbarkeitsstudie eines energieautarken Frachtsegelschiffes Systemsimulation, Analyse von Energieflüssen und techno-ökonomische Bewertung

Abstract

Um die Schifffahrt auf den Pfad der Null-Emissionen zu führen sind Adaptionen konventioneller Antriebstechniken, wie des Verbrennungsmotors, möglicherweise nicht ausreichend. Neue Technologiepfade müssen untersucht werden, die auch radikale Veränderungen des Schiffsdesigns in Betracht ziehen. In dieser Studie wird das Potential der Nutzung von moderner Segeltechnologie als Hauptantriebssystem von Schiffen in Kombination mit einer Wasserstoffbasierten Power-to-Gas-to-Power-System (P2G2P) zur Rückgewinnung, Speicherung und Bereitstellung von Energie an Bord untersucht. Für die Speicherung von Wasserstoff wurde ein Metallhydridsystem, als neue Technologieoption in der Schifffahrt mit günstiger volumetrischer Energiedichte gewählt. Die Bewertung der Machbarkeit wurde anhand einer Kombination von Literaturrecherchen, meteorologischen Datenauswertung und Simulation des physischen Verhaltens und der entstehenden Kosten durchgeführt. Zunächst wurden auf zehn Schiffsrouten, vom Starthafen Hamburg aus, die meteorologischen Bedingungen in Bezug auf ein Segelsystem anhand von 42 Jahren Reanalysedaten evaluiert. Die Nordatlantikrouten nach Reykjavik, New York und Churchill zeigten hierbei das größte Potential. In einem weiteren Schritt wurde ein umfassendes Simulationsmodell eines Frachtsegelschiffes erstellt, welche unter Berücksichtigung des Kräftegleichgewichts in verschiedenen Wind- und Wellenbedingungen die mögliche Antriebs- und Rekuperationsleistung bestimmt. Zusätzlich wurde ein Energiesystemmodell des P2G2P-Systems mit Komponenten wie Batterie, Elektrolyseur, Metallhydridtank und Brennstoffzelle an Bord des Schiffes generiert um die entstehenden Energieflüsse und das Potential des Ausgleichs fluktuierender Windbedingungen zu untersuchen. Anhand des Modells des Frachtenseglers wird das Betriebsverhalten auf zehn Routen mit verschiedenen Startdaten über 10 Jahre und unterschiedlichsten herrschenden Windbedingungen simuliert. Um der Sensitivität des Systems gegenüber den Umweltbedingungen Rechnung zu tragen, wurde eine Betriebsstrategie entwickelt, welche die Fahrtgeschwindigkeit an die Windverhältnisse anpasst und die Energienutzung auf einer Überfahrt optimiert. Das Ankunftszeitfenster am Zielort wird dabei eingehalten. In den Simulationsergebnissen konnte bei einer Durchschnitts-geschwindigkeit von 10 kn eine Reduzierung der streckennormierten Nettoschiffsarbeit um 43% - 68% durch die Kombination von Segel, Rekuperator und Betriebsstrategie im Vergleich zu einem regulären Dieselantriebssystem aufgezeigt werden. Untersuchungen des Beitrags des Rekuperators zur Energiebilanz, zeigten das merkliche Effekte erst bei Geschwindigkeiten unter 10 kn eintreten. Für die Routen Hamburg-Casablanca und Hamburg-New York konnten bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 7 kn jeweils 40.5% und 70% der Überfahrten autark mit einem Energieüberschuss durch die Turbine und der Speicherung und Bereitstellung im P2G2P-System erzielt werden. Um den Anteil energieautarker Fahrten zu erhöhen müsste die durchschnittliche Fahrtgeschwindigkeit weiter abgesenkt werden, die Effizienz des Energiesystems erhöht oder die Windausbeute durch Anpassung der Fahrtroute verbessert werden. In der technoökonomischen Analyse, welche für die durchschnittliche Fahrtgeschwindigkeit von 10 kn durchgeführt wurde, zeigte sich ein Anstieg der ‚Total Cost of Ownership‘ (TCO) von 65 % durch die Implementierung von Segeln zusätzlich zu einem konventionellen Antrieb und weiteren 15 % bei Implementierung eines Wasserstoffsystems. Zusammenfassend konnte in dieser Studie gezeigt werden, dass die Ausrüstung von Frachtschiffen mit großen Segeln möglich ist und mit einer enormen Einsparung von Kraftstoff und Emissionen führt. Unter den gesetzten Parametern einer fixen Route und fixen Ankunftszeit bei 10 kn, bzw. 7 kn konnte eine vollständige Autarkie auf den untersuchten Routen nicht dauerhaft erzielt werden, jedoch für eine Vielzahl von Überfahrten. Mit Weiterentwicklung der Technologie zur Steigerung der Energieeffizienz und Reduktion der Kosten bieten WASP und P2G2P-Systeme einen vielversprechenden Pfad für die Erreichung von Netto-nullEmissionen auf Frachtsegelschiffen.