oeko-trimaran

Mit Wasserstoff Energie speichern:
Der Öko-Trimaran ist eine Brücke ins Wasserstoff-Zeitalter!

1. Produktion von Wasserstoffgas
Wie in den Kapiteln " Windenergie", "Sonne2" und "Wellenenergie" näher erläutert, wird mit diesen Energiequellen an Bord des Schiffes elektrischer Gleichstrom produziert. Dieser zerlegt Wasser mittels eines Elektrolyseurs in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff (der Sauerstoff wird vorerst nicht benötigt). Nach den Produktinformationen der schweizer Fa. AccaGen werden Wirkungsgrade >0,85 erreicht, d.h. mit einer bestimmten Strommenge - z. B. 100 kWh - kann man Wasserstoffgas mit einem Brennwert von mindestens 85 kWh erzeugen. Der Elektrolyseur muss so dimensioniert werden, dass er die Leistungsspitzen der

Energieproduktion verkraften kann. Diese treten auf, wenn das Schiff unterwegs ist und auch die Nacht ausnahmsweise nicht im Hafen verbringt, sondern an der Küste oder im offenen Meer (Treibanker) ankert. Findet dies dann auch noch in einer energetisch optimalen Gegend statt ("best case", siehe Kapitel "Szenarien"), ergibt sich ein Leistungswert von 17,91 kW. Das ist ein Mittelwert; für Leistungsspitzen nehmen wir das dreifache an und kommen so auf eine Maximalbelastung des Elektrolyseurs von 54 kW.

2. Wasserstoffgas speichern

Von den verschiedenen Möglichkeiten zur Waserstoffspeicherung habe ich mich für die Druckspeicherung entschieden; die höchste Energiedicht würde man zwar mit Flüssigwasserstoff erreichen. Das Verfahren ist allerdings kompliziert und es gibt Speicherverluste , weil ständig eine geringe Menge verdampfter Wasserstoff aus dem Speichergefäß entweichen muss. Unter den anderen Speicherverfahren wird man eine Auswahl treffen, wenn das Schiff tatsächlich gebaut wird; vorerst bleiben wir bei der Druckspeicherung, weil dieses Verfahren bewährt ist und sich die erforderlichen

Berechnungen leicht durchführen lassen.

Der Wasserstoff verläßt den Elektrolyseur bereits mit einem Druck von bis zu 200 bar; er wird mit einem speziellen Wasserstoff-Kompressor weiter auf 700 bar verdichtet und in Druckbehältern gespeichert. Während der Kompression kühlt sich der Wasserstoff ab¹; diese Kälte kann zur Klimatisierung des Schiffes verwendet werden. Wird keine Kühlung benötigt, wird die Kälte mit Hilfe eines Sterling-Motors energetisch genutzt (siehe unten). Den Gesamt-Wirkungsgrad der Wasserstoff-Komprimierung nehmen wir mit 0,6 an, wenn die dabei auftretenden Temperaturdifferenzen auch noch einmal energetisch umgesetzt werden (siehe unten Abschn. 4). Von den ursprünglich gelieferten 100 kWh verlassen also den Elektrolyseur noch 85 kWh, und davon kommen 85 mal 0,6 = 51 kWh im Speicher an.

Der begrenzende Faktor für die Speicherkapazität mit komprimiertem
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¹ Die meisten anderen Gase erwärmen sich beim Verdichten; Wasserstoff stellt eine Ausnahme dar (Joule-Thomson-Effekt)

Wasserstoff auf dem Öko-Trimaran ist das Volumen. Geht man davon aus, dass die Hälfte des Volumens der Schwimmer für die Wasserstoff-Druckbehälter (Netto-Speicher) zur Verfügung steht, kommt man auf insgesamt 38 m³. Bei 700 bar finden darin 2,39 t Wasserstoff Platz. Dies entspricht einem Energieinhalt von 79,63 MWh (Energiedichte von Wasserstoff = 33,3 MWh/t).

Die folgende Tabelle zeigt in der 1. Zeile die während der Liegezeiten in den verschiedenen Szenarien produzierte Menge an Wasserstoff in Tonnen (t). Die 2. Zeile enthält die davon speicherbare Menge und die 3. Zeile die Energie der jeweiligen gespeicherten Wasserstoffmenge.

Im südlichen Szenario wird der gesamte während der Liegezeiten produzierte Wasserstoff gespeichert. Im nördlichen Szenario und im "best case" kann nur ein kleiner Teil des produzierten Wasserstoffs gespeichert werden; der Rest könnte z.B. verkauft werden, oder die Energiewandler müssen zeitweise außer Betrieb genommen werden. In der "worst case"-Spalte sieht man

negative Werte. Die kommen dadurch zustande, dass während der angenommenen Liegezeiten - insbesondere wenn Besatzung an Bord ist - mehr Energie als Bordstrom und zum Kochen verbraucht als prodziert wird. Die produzierte Energie reicht also nicht ganz aus, um den Bedarf an Bord zu decken. Die Bilanz wäre jedoch ausgeglichen, wenn anstelle der für alle Szenarien angenommenen 33,8 kWh pro Tag nur 20,5 kWh/Tag verbraucht würden.
3. Wasserstoffgas nutzen
Sobald im Schiff mehr Energie benötigt wird, als es aktuell produziert - also vor allem während der Reise - wird Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle geleitet, welche das Gas wieder in el. Strom umwandelt. An der Weiterentwicklung dieser Geräte wird z. Zt. überall intensiv gearbeitet; als Wirkungsgrade werden derzeit (2010) Werte bis zu 0,60 angegeben (Wikipedia). Da auf einem Schiff wie dem Öko-Trimaran Energie-Wandlung, -Speicherung und -Verbrauch örtlich und z.T. auch zeitlich eng beieinander liegen, gibt es einige Möglichkeiten der Effizienzsteigerung

(nächster Abschnitt), die es gerechtfertigt erscheinen lassen, einen Wirkungsgrad der Brennstoffzellen von 0,60 anzunehmen. Greifen wir noch einmal das 100-kW-Beispiel auf: 51 kW waren im Speicher angekommen, entnehmen können wir ihm schließlich 0,60 x 51 kW = 31 kW. Lesen Sie auf der Seite "Motorleistung", welche Energiemenge schließlich aus den Speichern für den Betrieb des Schiffes zur Verfügung steht.
4. Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung
Die bisher ins Kalkül gezogenen Wirkungsgrade bezogen sich auf die elektrische Energie. Während Der Energieumwandlung fallen jedoch auch andere Energieformen an, nämlich Druck- und Temperaturdifferenzen, die ebenfalls genutzt werden können und so die Effizienz des Gesamt-Energiesystems erhöhen.

Temperaturdifferenzen: Wärme entsteht bei der Entnahme von Wasserstoffgas unter Druckreduktion aus den Druckbehältern, bei der Kompression von Luft im Wellenkraftwerk, im Stromgenerator der Windkraftanlage und in

den Solarzellen durch Sonneneinstrahlung und dem el. Widerstand der Zellen. Bei letzteren ist diese Wärmeentwicklung sehr nachteilig, weil sie die Stromausbeute verringert. Es ist deshalb an eine aktive Kühlung zu denken, welche die Wärme gezielt abführt.

Kälte entsteht bei der Kompression von Wasserstoffgas und bei der Entspannung der Druckluft im Wellenkraftwerk. Außerdem ist Kälte - relativ zu den oben genannten Wärmegraden - selbst in tropischen Meeren in tieferen Schichten immer vorhanden. Während des Ankerns kann ein "Rüssel" in die Tiefe abgesenkt werden, um das Kaltwasser zu erreichen.¹Beides - Wärme oder Kälte - können zur Klimatisierung des Öko-Trimarans verwendet werden und reduzieren so die Hauptverbraucher an Bordenergie. Außerdem bietet sich hier der
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)¹ Auf diese Energiequelle hat der berühmte Physiker Nikola Tesla bereits im Jahr 1931 hingewiesen (http://www.tfcbooks.com/tesla/1931-12-00.htm).

Betrieb eines Sterling-Motors an, der mit Temperaturdifferenzen arbeitet und mittels eines Generators zusätzlich el. Strom erzeugt.Druckdifferenzen: Sie ergeben sich vor allem bei der Entspannung des Wasserstoffgases, wenn es den Druckbehältern entnommen wird. Mit diesem Druck-Gefälle kann man Gas-Expansionsmotoren antreiben, die mit einem angeschlossenem Generator el. Strom erzeugen.

Alle diese Möglichkeiten zusammen rechtfertigen den günstigen Wirkungsgrad von 0,60, den wir für die Wasserstoff-Speicherung eingesetzt haben.

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