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Modellierung von Brennstoffzellenhybridsystemen für Schifffahrtsanwendungen

Dipl.-Ing. Gerardo Valadez Huerta

Um steigenden gesetzlichen Umweltschutzauflagen und Komfortwünschen der Kunden gerecht zu werden, arbeitet die Schiffahrtsbranche an zunehmend saubereren und leiseren Antriebs- und Bordstromversorgungssystemen. Neben der Weiterentwicklung der hierfür bislang verwendeten konventionellen Wärmekraftmaschinen kann der Einsatz von Brennstoffzellensystemen ein eleganter Weg sein, diese Anforderungen inhärent zu erfüllen.

Die technologischen Konzepte, die dabei bei solchen Systemen verfolgt werden, unterscheiden sich je nach Betriebsumgebung erheblich: Während sich auf kleineren Passagier- und Ausflugsschiffen die benötigte Antriebsleistung im Bereich zweistelliger Kilowattzahlen bewegt, können hier gesamte Antriebs- und Bordnetzsysteme durch Brennstoffzellensysteme abgedeckt werden. Da in der Regel tägliche Tankvorgänge möglich sind, werden hier zumeist Polymerelektrolytmembran(PEM)-Systeme verwendet, wobei der benötigte Wasserstoff in Reinform an Bord gebunkert wird.

Bei größeren, seegehenden Schiffen übersteigen die benötigten Propulsionsleistungen schnell Werte, die mit momentan verfügbaren Brennstoffzellen abgedeckt werden können. Zudem sind die Rahmenbedingungen ähnlich derer von stationären Anlagen: Raumbedarf und Gewicht spielen eine untergeordnete Rolle, wohingegen Effizienz und Langlebigkeit dominierende Aspekte sind. Die Mitführung großer Mengen an Wasserstoff ist darüber hinaus nicht möglich. Aktuelle Entwicklungsvorhaben zielen daher auf die Versorgung von Bordnetzen, die mit Hochtemperaturbrennstoffzellen (MCFCs, SOFCs) und on-board-Reformierung von  kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen realisiert wird.

Das Institut für Thermodynamik führt in diesem Kontext Systemanalysen verschiedener Brennstoffzellensysteme durch. Dies geschieht im Hinblick auf spezifische Vor- und Nachteile bezüglich beispielsweise Anforderungen an die Brenngasqualität, Lebensdauer, Größe & Gewicht, Temperaturniveau, Dynamikverhalten und Kopplung mit elektrischen Pufferbatterien oder Kosten. Es ergibt sich eine Vielzahl an verschiedenen möglichen Systemlayouts, die es für den speziellen Anwendungsfall zu bewerten gilt.

In diesem Kontext sind von Rechercheaufgaben, Komponenten- bzw. Gesamtsystemmodellierung, Stoffdateneinbindung oder beispielsweise Vergleich von Softwarepaketen vielfältige Aufgaben zu bearbeiten, für die Mithilfe in Form von Bachelor-, Studien- oder Masterarbeiten stets willkommen ist!