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Wenn Alkohol zum Antriebsmittel wird

24.08.2018

Nachhaltigkeit und Zukunftstechnologie im selben Boot. Auf der Solgenia erforscht die HTWG den Energieträger Methanol.

Es braucht nur Wasser, Luft und Sonne. Was nach der Formel eines gelungenen Sommers am Bodensee klingt, ist für Richard Leiner, Professor für Elektronik an der Hochschule Konstanz HTWG, die Quintessenz eines umweltfreundlichen Bootsantriebes. An der Hochschule Konstanz wird dieser gerade am Solarboot Solgenia erprobt. Nahezu geräuschlos gleitet das knapp neun Meter lange Forschungsschiff durch das Wasser des Seerheins. Die Fahrt geht an diesem strahlend schönen Sommertag nach Bregenz. Ziel der dreitägigen Reise quer über den Bodensee ist es, das Langzeit-Verhalten der Komponenten Brennstoffzelle, Photovoltaik und Batterie zu prüfen. Dazu werden über 90 Parameter ausgewertet. Es ist die erste ernstliche Belastungsprobe für die Solgenia, seit sie Ende Juni auf den Betrieb mit Methanol umgerüstet wurde.

Laboringenieur Dr. Alexander Kirjuchin von der Fakultät Elektro- und Informationstechnik ist an diesem Tag selbstverständlich mit an Bord, denn er hat das Forschungsprojekt „Hybridboot Solgenia“ von Anfang an begleitet. Er ist gespannt, ob sich die durch erste kurze Probefahrten gewonnenen und auf dem Papier errechneten Daten bei einer längeren Ausfahrt vergleichbar darstellen. Routiniert checkt er während der Fahrt im Halbstundentakt die Messdaten, die übersichtlich auf das Interface des Laptops im Cockpit gespielt und per Mobilfunk alle 30 Sekunden an die HTWG gesendet werden. „Alles bestens“, sagt er und blickt aus dem geöffneten Fenster, an dem gemächlich Münsterlingen vorbeizieht. „Wir fahren gerade mit etwas mehr als vier Knoten, das sind knapp acht Stundenkilometer. 20 Prozent der Leistung kommen im Augenblick von den Solarzellen, der Rest aus der Brennstoffzelle.“

Warum die Solgenia von Wasserstoff- auf Methanolantrieb umgerüstet wurde

Das Hybridboot Solgenia ist eine Weiterentwicklung des nur mit Sonnenenergie fahrenden Solarboots Korona. Durch den zusätzlichen Einbau der Brennstoffzelle hat die Solgenia ein Backup-System an Bord und ist somit nicht ausschließlich auf die Sonnenenergie angewiesen. In der Automobilindustrie würde man das Range-Extender nennen. Dadurch ist es ohne weiteres möglich, wie an diesem Tag innerhalb von sechs Stunden von Konstanz nach Bregenz zu fahren. Ein 20-Liter-Kanister des flüssigen Methanols reicht dabei für rund 100 Kilometer Strecke. Als die Solgenia 2007 in Betrieb genommen wurde, lief sie aber zunächst auf der Basis von Wasserstoff, der auf dem Campus der HTWG mittels Elektrolyse aus Wasser erzeugt und bei hohem Druck gespeichert wurde. Da sich die Handhabung, bedingt durch die Sicherheitsvorschriften, als unpraktisch erwies und die jährliche Sicherheitsüberprüfung des Bootes sehr teuer war, entschied man sich die Solgenia auf Methanol umzurüsten. Die Anregung dazu entstand aus dem Austausch mit dem International Solar Energy Research Center Konstanz.

„Die Wassertiefe beträgt hier 28 Meter“, meldet Kirjuchin mit dem Blick auf das Sonar und fügt verschmitzt hinzu: „Machen wir jetzt schon eine Badepause oder warten wir noch?“ Die Crew der Solgenia, die an diesem Dienstagvormittag außer dem Ingenieur noch aus Thomas Strobel besteht, an der HTWG für das Gebäudemanagement zuständig, sowie der Autorin des Textes, einigt sich darauf, ohne Stopp bis Romanshorn zu fahren und an diesem heißen Tag erst mal den Fahrtwind zu genießen, der durch die Kommandobrücke zieht. Strobel, passionierter Segler und aufgrund seines nautischen Könnens mit an Bord, deutet auf ein Segelschiff am Horizont. „Das ist die Xpresso, das Segelschiff der HTWG, heute ist Prüfungstag für das Bodenseeschifferpatent.“ Über 10.000 Freizeitboote mit Motor sind für den Bodensee zugelassen, darunter einige mit einem 400 PS-starken Motor. Ein Unding, findet Strobel, der die Solgenia inzwischen geschickt übers Wasser lenkt. Denn die maximal zugelassene Höchstgeschwindigkeit auf dem Bodensee beträgt lediglich 40 km/h.

Warum Bayern Vorbild werden sollte

Sofort ist eine lebhafte Diskussion darüber im Gange, ob die Politik nicht stärker regulierend eingreifen müsste und dafür den umweltfreundlichen Elektroantrieb fördern. Es gibt viele Argumente, die dafür sprechen, angefangen bei der Tatsache, dass der Bodensee ein Trinkwasserspeicher ist. Zumal die Erfahrung zeigt, dass Elektroboote vor allem dort eingesetzt werden, wo Verbrennungsmotoren verboten sind. Dass es geht, wenn der politische Wille vorhanden ist, zeigt das Beispiel Bayern: Auf den meisten großen bayerischen Seen wie Chiemsee oder Starnberger See ist das Befahren mit Dieselmotoren bereits heute stark eingeschränkt. Verschmutzungen des Bodensees mit Diesel, wie Anfang Juli beim Betanken eines Passagierschiffes in Wallhausen geschehen, ließen sich dadurch ebenfalls vermeiden. So leistet die Hochschule Konstanz mit ihrem Hybridboot-Projekt nicht nur technisch, sondern auch beim Thema Nachhaltigkeit Pionierarbeit. Denn die Kernfrage des Forschungsvorhabens ist, ob Hybridantrieb für Freizeit und Berufsschifffahrt, zum Beispiel für Fähren, sinnvoll und machbar ist.  

Batterie und Brennstoffzelle der Solgenia sind in einem weißen, unscheinbaren, etwa zwei Quadratmeter großen Kasten an Deck untergebracht. In der Brennstoffzelle läuft eine Art umgedrehte Elektrolyse ab, bei der die chemisch gebundene Energie des Brennstoffs direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Luft, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, dient als Oxidationsmittel, Endprodukt der chemischen Reaktion sind Kohlendioxid und Wasser. Das Wasser kann dabei direkt in den Bodensee abfließen. Die Handhabung des Brennstoffes Methanol ist mit der von Benzin oder Diesel vergleichbar. „Rauchen sollte man nach Möglichkeit nicht auf dem Schiff“, erklärt Ingenieur Kirjuchin. „Hautkontakt mit der Flüssigkeit vermeiden. Und auch die Dämpfe nicht einatmen. Ein normaler, umsichtiger Umgang eben, wie mit Benzin. Ansonsten müssen im Grund keine weiteren Sicherheitsvorkehrungen beachtet werden.“

Warum die HTWG auf Zukunftstechnologien setzt

Moment – eine umweltfreundliche Technologie, bei der CO2 entsteht? Wurde die Forschung auf der Solgenia nicht auch im Hinblick auf das drängender werdende Problem der Energieversorgung und des zunehmenden CO2-Ausstoßes initiiert? „Bei der Herstellung des Methanols wird die Menge an Kohlenstoffdioxid gebraucht, die später dann in die Atmosphäre abgegeben wird“, erklärt Richard Leiner. „Dieser Antrieb ist also CO2-neutral.“

Die Antriebstechnologie ist mit der des E-Diesel vergleichbar. Doch im Unterschied zur E-Mobilität bei PKWs fristet der Elektroantrieb für Bootsmotoren noch immer ein Nischendasein. Experten schätzen, dass weniger als fünf Prozent der Boote auf deutschen Gewässern mit Elektromotor unterwegs sind. Auf dem Bodensee sind es gerade einmal 3,3 Prozent. Der Grund dafür liegt vor allem darin, dass Batterie und Brennstoffzelle immer noch vergleichsweise teuer sind. „Aber wir denken fünf bis zehn Jahre voraus, wir machen hier ja Forschung“, sagt Leiner und betont, dass sich die Batterietechnologie rasant fortentwickelt. So ist ein Freizeitboot wie die Solgenia durchaus konkurrenzfähig mit Booten ähnlicher Größe. Aber auch für die Anwendung in größerem Rahmen gibt es bereits Beispiele: Etwa das mit Methanol angetriebene Fahrgastschiff  „MS Innogy“ auf dem Baldeneysee bei Essen, das 2017 den Betrieb aufgenommen hat. Aber klar: Wer mit einem 100-PS Außenbordmotor über den Bodensee düsen möchte, wird auch weiterhin auf Diesel setzen.

Warum studieren an der Hochschule Konstanz am schönsten ist

Die Solgenia steuert derweil im Zick-Zack auf Romanshorn zu. Es ist gar nicht so einfach den Kurs zu halten, wenn man zum ersten Mal am Steuer steht. Währenddessen erzählt Alexander Kirjuchin mir von den Plänen, den Methanol-Kreislauf zu vervollständigen. Mittels eines Reformers soll sich zukünftig auch die Umwandlung von Wasserstoff zu Methanol auf dem Hochschulcampus abspielen. Bislang wird über Photovoltaikanlagen auf dem A-Gebäude der Hochschule lediglich der Wasserstoff erzeugt. Dieses Projekt soll in der Maschinenbau-Fakultät angesiedelt werden. Denn Interdisziplinarität wird beim Solarschiff-Projekt großgeschrieben: Hier können sowohl Studierende der Fakultäten Maschinenbauer wie auch der Elektro- und Informationstechnik ihr Fachwissen beweisen. „Uns ist es wichtig, den Studierenden eine sinnvolle, anwendungsorientierte Aufgabe zu geben. Das geht mit der Arbeit an unseren Solar-Forschungsschiffen ganz hervorragend“, sagt Kirjuchin.

Richard Leiner, der allein 26 Abschlussarbeiten an der Solgenia betreut hat, ergänzt: „Wenn etwas nicht geht, sind die Studierenden gezwungen, solange weiterzuarbeiten bis es funktioniert. Schließlich wollen wir mit dem Boot fahren. Das ist kein theoretisches Arbeiten für die Schublade.“ Dank der Lage der HTWG am Seerhein ist dieses Arbeiten möglich – ein Alleinstellungsmerkmal in der Hochschullandschaft. Und für die Studierenden hat es den schönen Nebeneffekt, dass eine Forschungsarbeit auf dem Wasser wesentlich angenehmer ist als im Labor.

Auch meine Zeit auf der Solgenia vergeht wie im Flug und als das Boot nach zweieinhalb Stunden den Hafen von Romanshorn ansteuert, bin ich fast ein wenig traurig, dass ich Mannschaft und Solarboot hier verlassen muss. Als ich auf dem Anleger stehe, staune ich erneut über die zügige und auffallend leise Fahrt des kleinen, weiß-blauen Bootes und schaue ihm nach, bis es am Horizont in Richtung Bregenz verschwunden ist.

Technische Daten der Solgenia:

Länge 8,5 Meter
Breite 2,5 Meter
Tiefgang 0,5 Meter
Verdrängung 2,5 m3
Methanoltank 20 Liter
Brennstoffzellen 5 kW
PV-Generator 720 Wp
Batteriekapazität (80%) 230 Ah
Systemspannung 48 V
Passagierkapazität 6 Personen