NAUTILUS - Reduzierung von Schiffsemissionen
Auf dem Weg zur Reduzierung von Schiffsemissionen mit einem innovativen Energiesystem
- Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt gemeinsam mit Partnern aus 9 europäischen Ländern ein innovatives, klimafreundliches Bord-Energieversorgungssystem für Langstrecken-Passagierschiffe, um sowohl die Kohlenstoff- als auch die Nicht-Kohlenstoff-Emissionen zu reduzieren. NAUTILUS ist die Abkürzung für das Nautical Integrated Hybrid Energy System for Long-haul Cruise Ships.
- Das neuartige Energiesystem basiert auf Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs), die mit Batterien gekoppelt sind und je nach den verschiedenen Schiffstypen, die in dem Projekt berücksichtigt werden (von 1000 bis 5000+ Passagieren), 5 bis 60 MW an voller Schiffsleistung liefern können. Zu diesem Zweck wird im Rahmen des Projekts ein digitaler Demonstrator in Originalgröße entwickelt, der durch einen kleineren, einsatzbereiten Felddemonstrator validiert wird.
- Das Hauptmerkmal des NAUTLUS-Aggregats ist sein hoher Wirkungsgrad von fast 85% netto bei Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung sowie seine Brennstoffflexibilität, da es den Betrieb des Energiesystems mit LNG und einer Reihe von nachhaltigen zukünftigen Brennstoffen ermöglicht.
- Die wichtigsten Vorteile des NAUTILUS-Energiesystems sind die Verringerung der Emissionen, mindestens 50 % weniger Kohlendioxid und mehr als 80 % weniger Nicht-CO2-Emissionen, und die Einhaltung der IMO-Emissionsziele für 2030, was sich positiv auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt auswirkt.
Innovativer Ansatz für den emissionsfreien Seeverkehr
Im Rahmen der Strategien zur Reduzierung der Emissionen im Seeverkehr durchläuft der Schifffahrtssektor derzeit einen bedeutenden technologischen Wandel. Traditionelle Dieselgeneratoren, die mit Schweröl betrieben werden, werden zunehmend durch Hybridsysteme ersetzt. Diese Spitzentechnologien werden zunehmend in die Antriebssysteme von Schiffen integriert, nicht nur um die Emissionen zu minimieren, sondern auch um die Wirtschaftlichkeit des Schiffsbetriebs zu verbessern.
Die innovative technologische Lösung, die im Rahmen des NAUTILUS-Projekts vorgeschlagen und entwickelt wurde, basiert auf der Kombination von Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs) und einem Batteriespeichersystem, das aus einem herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkupack besteht. Dieses integrierte System, das als Genset bezeichnet wird, ist so konzipiert und getestet, dass es den gesamten Energiebedarf des Schiffes während des Betriebs, des Manövrierens und der Unterbringung von Hotellasten, die etwa 15-20 Prozent des Energiebedarfs eines Kreuzfahrtschiffes ausmachen, decken kann. Weder die SOFC noch das Batteriespeichersystem können den gesamten Energiebedarf eines Kreuzfahrtschiffes allein decken, weshalb beide im Antriebssystem gekoppelt werden. Der gesamte Energiebedarf eines Kreuzfahrtschiffes wird auf die verfügbaren Energiequellen aufgeteilt. Die Verteilung der elektrischen Energie an das Aggregat erfordert eine intelligente Steuerung und Verwaltung. Die Energieverwaltungseinheit, die in das Stromnetz des Schiffes integriert werden kann, wird ebenfalls vom NAUTILUS-Projektkonsortium entwickelt.
Das NAUTILUS-Projekt entwickelt ein Prozessdesign und einen digitalen Demonstrator des Energiesystems an Bord, einen physischen Proof of Concept (PoC: 30 kWe SOFC + Batterie) und einen modularisierten Funktionsdemonstrator (60 kWe SOFC + Batterie). Sowohl das digitale Design als auch der physische Demonstrator werden anhand der Sicherheitsvorschriften für die Schifffahrt bewertet. Die Emissionen des Genset-Demonstrators werden charakterisiert, um die Machbarkeit des Gesamtziels zu demonstrieren, die Emissionsziele der IMO-Richtlinie für 2030 zu erreichen.
Um die Emissionsziele der Internationalen Seeschifffahrtsorganisation (IMO) über das Jahr 2030 hinaus zu erreichen, ist das System so konzipiert, dass es an verschiedene Kraftstoffoptionen angepasst werden kann. Zunächst wird das Projekt die Reformierung des LNG-Kraftstoffs für die Nutzung durch die SOFC-Brennstoffzelle beinhalten. "Die Umstellung von Dieselmotoren auf Gasmotoren ist bereits im Gange", erklärt Syed Asif Ansar vom DLR-Institut für Technische Thermodynamik, der Koordinator des NAUTILUS-Konsortiums. "Unser unmittelbares Ziel bei NAUTILUS ist es, über die Emissionsziele der IMO für 2030 hinauszugehen, indem wir die Energieeffizienz an Bord von Schiffen mit Hilfe von Brennstoffzellen und batteriegestützten Stromversorgungssystemen erhöhen. Danach wollen wir die Synergien mit den synthetischen nachhaltigen Kraftstoffen nutzen, um den Übergang zu einer Netto-Null-Emission zu vollenden."
Angenommene Projektvereinbarungen als Reaktion auf sich ändernde Bedingungen.
Um effektiv auf die sich schnell ändernden Geschäftsstrategien und Marktanforderungen reagieren zu können, hat das Konsortium vor kurzem ein Arrangement für den Demonstrator eingeführt, der diese Gelegenheit unterstützt. In diesem Arrangement wird das Brennstoffzellensystem von SolydEra als Paketlösung bereitgestellt, die integrierte Hilfssysteme (Balance of Plant, BoP) sowie die Steuerung und Verrohrung des Systems umfasst. MAN Energy Solutions ist als Batterieintegrator für die Lieferung eines Batteriecontainers verantwortlich, der mit einem Echtzeit-PC, einer elektrischen Steuerung und einem Sicherheitsschutzsystem ausgestattet ist. Im Rahmen der überarbeiteten Projektinfrastruktur beaufsichtigt das DLR die gesamte Systemintegration des Batteriecontainers und des SOFC-Systems. Der physische Test des Demonstrators in den Räumlichkeiten des DLR in Stuttgart ist für den Sommer 2024 geplant.
Die Einführung dieses neuen Systems bietet zahlreiche Vorteile. Erstens vereinfacht es den Implementierungsprozess und reduziert die Komplexität, indem es mehrere Lieferanten konsolidiert und letztlich Zeit spart. Die nahtlose Koordination zwischen allen Komponenten des Brennstoffzellensystems wird durch integrierte Balance of Plant (BoP), Steuerungs- und Rohrleitungssysteme gewährleistet, die von SolydEra geliefert werden. Der kohärente Betrieb aller Komponenten sorgt für eine größere Interoperabilität des gesamten Antriebssystems. Darüber hinaus sorgt die Lieferung des umfassenden Batteriecontainers von MAN Energy Solutions, der mit einem Echtzeit-PC, einer elektrischen Steuerung und einem Sicherheitsschutzsystem ausgestattet ist, für eine effiziente Integration der Batterien. Diese Änderung des Ansatzes zeigt die Anpassungsfähigkeit des Projektteams an die neuen Technologielösungen und gewährleistet den erfolgreichen Abschluss des NAUTILUS-Projekts.
Höhepunkte des NAUTILUS-Projekts
Für das virtuelle Prozessdesignkonzept des On-Board-Energiesystems
- Die Systemsimulation ergab hervorragende elektrische Wirkungsgrade von >60% unter den gegebenen Betriebsbedingungen.
- Fertigstellung von Aggregatmodellen, Entwicklung von instationären Large Stack Module (LSM) und Batteriemodellen, Tests mit experimentellen Daten, die während des Proof-of-Concept gewonnen wurden, mit guter Übereinstimmung und Verwendung für die Vorhersage der Proof-of-Concept Experimente.
- Identifizierung der anwendbaren Vorschriften, der IMO-Sicherheitsvorschriften und der Integrationsanforderungen für verschiedene Kreuzfahrtschiffskonstruktionen.
- Veröffentlichung des ersten skalierbaren Multi-MW-SOFC-Konzeptentwurfs, der für eine hohe Leistungsdichte im Vergleich zu aktuellen kommerziellen Systemen optimiert ist.
- Erfolgreiche Prüfung der ersten Version von Aggregatmodellen auf technische Machbarkeit mit Interessengruppen.
Für den physikalischen Konzeptnachweis und den Genset-Demonstrator:
- Montage, Lieferung und experimentelle Charakterisierung eines Large Stack Module (LSM) mit 30 kWe SOFC zur Validierung eines instationären Modells, Lieferung und Test einer Li-Ionen-Batterie zur Validierung des im Energiemanagementsystem verwendeten Modells.
- Durchführung von LSM/Batterie-Kopplungsexperimenten im Rahmen des Konzeptnachweises mit den durch die Energiemanagementeinheit bereitgestellten Kontrollstrategien.
- Durchführung einer vorläufigen Emissionsanalyse, Initialisierung der Emissionscharakterisierung und Auswertung der vorläufigen Ergebnisse zur Vorbereitung von Emissionsmessungen am Demonstrator.
- Realisierung eines einheitlichen Steuerungsalgorithmus für die Steuerung des Hybridprüfstands in Form einer Energiemanagementeinheit, die in eine spezielle Hardwareumgebung eingebettet ist.
- Definition und Durchführung von SOFC-Modultests auf einem Neigungsprüfstand, der statische und dynamische Neigungen widerspiegelt und wichtige Erkenntnisse und Empfehlungen über die Auswirkungen der Neigung auf den Betrieb von SOFCs liefert.
- Herstellung, Qualifizierung und Einbau der SOFC-Komponentenstapel in das System für den Demonstrator. Die Bereitstellung einer Liste von Spezifikationen, technischen Zeichnungen und des Layouts für den SOFC-Schrank zur Integration in den Demonstrator wurde abgeschlossen. Die Spezifikation und Beschaffung eines Batteriecontainers von einem Unterauftragnehmer für den Demonstrator sind in Arbeit.
Über NAUTILUS
Dieses Projekt wurde von der Europäischen Union im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 unter der Fördervereinbarung Nr. 861647 gefördert. Das Projekt begann im Jahr 2020 mit einem Betrag von 7,9 Millionen Euro über 54 Monate als Teil des Programms Horizont 2020. Das DLR koordiniert das Projekt gemeinsam mit 15 führenden Reedereien, Kreuzfahrtunternehmen, Werften, Schifffahrtsbehörden und Forschungsinstituten:
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Chantiers de l'Atlantique, Carnival Maritime GmbH, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne , GRANT Garant, Lloyd's Register, MAN Energy Solutions, Meyer Werft Papenburg, Rijksuniversiteit Groningen, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, SolydEra S.p.A. Italien, Delft University of Technology, Lund University, VTT Technical Research Centre of Finland, SolydEra SA Schweiz.