München, 08. September 2022. Mit dem „Type Approval“ durch die internationale Klassifikationsgesellschaft RINA ist Freudenberg ein bedeutender Meilenstein in der Entwicklung nachhaltiger Technologien im maritimen Bereich gelungen. Das Methanol-betriebene Brennstoffzellensystem macht es möglich, Hochseeschifffahrt klimaneutral und gleichzeitig effizient und sicher zu betreiben.
Die Herausforderung, kommerziell betriebene Schiffe im Hochseeeinsatz auf CO2-neutrale Antriebe umzustellen, ist groß. Ein wichtiges Kriterium ist die Reichweitenanforderung der einzelnen Schiffstypen. Diese muss bei Kreuzfahrtschiffen, Tankern und Containerschiffen möglichst groß sein, um die langen Routen über die Weltmeere ohne Zwischenstopp zurücklegen zu können. Routenflexibilität und Reichweiten von mehr als 5.000 nautischen Meilen sind Basisanforderungen der maritimen Hochseeflotte. Rein batterieelektrische Lösungen kommen aufgrund ihres hohen Gewichts und Raumbedarfes für diese Hochseeanwendungen oftmals nicht in Frage. Auch Wasserstoff als direkter Energiespeicher scheidet für diese Schiffstypen aus, da er durch seine geringe volumetrische Energiedichte in riesigen Wasserstofftanks in kryogenem oder hoch verpresstem Zustand gespeichert werden müsste. Dies stellt keine nachhaltige Option für die maritime Industrie dar. Gleichwohl verfügen Brennstoffzellen aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und des geringen Wartungsbedarfs über enorme Vorteile. Daher bietet es sich an, regenerativ erzeugten Wasserstoff chemisch zu binden, um eine deutlich höhere Energiedichte zu erreichen. So wird die Brennstoffzelle für die Hochseeschifffahrt wirtschaftlich und praktikabel nutzbar. Selbstverständlich kann das Brennstoffzellensystem flexibel mit den maritimen Batteriesystemen von Freudenberg e-Power Systems zu besonders effizienten Hybridlösungen kombiniert werden.
Der Einsatz von klimaneutral hergestelltem Methanol stellt vor diesem Hintergrund einen Wendepunkt auf dem Weg zur maritimen Nachhaltigkeit und der Erreichung der IMO Emissionsreduktionsziele dar. Methanol ist ein einfacher Alkohol, der unter normalen Umgebungsbedingungen flüssig ist und rund die dreifache volumetrische Energiedichte von verflüssigtem Wasserstoff besitzt. Als wichtiger Grundstoff der chemischen Industrie zeichnet sich klimaneutrales Methanol durch erprobte Herstellverfahren sowie eine gute Verfügbarkeit aus.
Kombination aus Reformer und Hochleistungsbrennstoffzelle
Freudenberg e-Power Systems hat einen innovativen Ansatz entwickelt, um Methanol für den Schiffantrieb zu nutzen. Dieser kombiniert hocheffiziente Kraftstoffreformierungstechnologie mit einer langlebigen PEM-Brennstoffzelle in einer modularen, skalierbaren Systemeinheit. Es erzeugt per Dampfreformierung Wasserstoff, der dann in der Brennstoffzelle mit Sauerstoff aus der Luft reagiert und dabei sowohl die für den Antrieb als auch für das Bordnetz notwendige elektrische Energie produziert. Die für den Reformer benötigte Wärme kann direkt aus der Abwärme der Brennstoffzellen gewonnen werden. Brennstoffzellenstapel, Reformer und Steuerungselektronik sowie alle Komponenten zur Medienführung befinden sich dabei in einer vorgefertigten, modularen Einheit. Diese Containment-Bauweise erlaubt eine einfache Installation an Bord.
Das Sicherheitskonzept dieser innovativen Systemarchitektur erhielt nun das Type Approval der Klassifikationsgesellschaft RINA. Damit sind die Sicherheit des Systems und dessen Konformität zu maritimen Standards und Regularien bestätigt. „Mit unserer umfangreichen Erfahrung in den Bereichen Brennstoffzellensysteme und Wasserstofferzeugung durch Reformierung von Methanol in Verbindung mit der bewährten Industriekompetenz von Freudenberg realisieren wir innovative Energie- und Antriebslösungen für die maritime Industrie. Damit leisten wir einen relevanten Beitrag, um dieses wichtige Segment zu dekarbonisieren“, erläutert Dr. Manfred Stefener, Managing Director bei Freudenberg Fuel Cell e-Power Systems und federführend verantwortlich für die Sicherheitsarchitektur. „Das Erreichen des Type Approval ist ein wichtiger Meilenstein für die maritime Industrie. Hiermit sind die Grundlagen erarbeitet, um Brennstoffzellensysteme auch im Megawatt-Maßstab auf Kreuzfahrtschiffen und der internationalen Hochseeflotte einzusetzen. Die Schiffsantriebe der Zukunft werden dank der Brennstoffzellentechnologie sicher und hocheffizient sein“.
Freudenberg e-Power Systems ist überzeugt: Die besten Heavy-Duty-Lösungen beginnen bereits auf Zellebene. Die spezielle Materialkonfiguration der Bi-Polar-Platten (BPP) und der Membran-Elektroden-Einheit sowie die tiefe Wertschöpfung, beispielsweise durch eine eigene Katalysatorproduktion, sorgen für höchste Effizienz und Langlebigkeit. Anders als bei üblichen Brennstoffzellensystemen, die Ihren Ursprung im PKW-Bereich haben, ist die Designstrategie der Freudenberg Hochleistungs-Stacks darauf ausgerichtet, einen hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitiger hoher Lebensdauer zu erreichen.
Darüber hinaus bietet das Methanol-betriebene Brennstoffzellensystem von Freudenberg noch weitere Vorteile, da es – im Gegensatz zu Antrieben mit Verbrennungstechnologie – keine schädlichen Stickoxide ausstößt.
Standardisiertes Systemdesign für alle Schiffstypen
Bereits im Rahmen des Forschungsprojekts „Pa-X-ell 2“ wurde das Sicherheitskonzept von Freudenberg in einer frühen Phase auf maritime Konformität geprüft. Hierfür erhielt es das „Approval in Principle“ der Klassifikationsgesellschaft DNV GL. Neben dem Fokus des Sicherheitskonzepts wurden die Themen Modularisierung und Standardisierung betrachtet, um die Aspekte einer Großindustrialisierung von Beginn an zu berücksichtigen. So sollen in Zukunft Systemeinheiten mit einer jeweiligen Nennleistung von 500 kW zu Gesamtleistungen im zweistelligen Megawatt-Bereich kombiniert werden. Zum namhaften Projektkonsortium mit dem Fokus auf die Passagierschifffahrt gehören neben Freudenberg die Partner Carnival Maritime (AIDA Cruises), Meyer Werft sowie die Lürssen Werft, besecke, DLR, EPEA und die Klassifikationsgesellschaft DNV GL.
Dass die konsequente Designstrategie mit den Prioritäten Lebenszeit und Effizienz auch für weitere Segmente geeignet ist, zeigt das im Jahr 2021 gestartete Forschungsprojekt „HyFleet“. Gemeinsam mit den Projektpartnern ZF Friedrichshafen und FlixBus will Freudenberg die herkömmlichen Dieselantriebe der Fernbusse ersetzen. Erste Testergebnisse zeigen, dass eine Lebensdauer von mindestens 35.000 Stunden zu erreichen ist. Dies entspricht einer Gesamtlebensdauer eines Lkw von 1,2 Mio. km.
Die hohe Bedeutung, die das „Type Approval“ durch RINA für das weltweit erste Methanol-betriebene Brennstoffzellensystem für die Entwicklung nachhaltiger Technologien im maritimen Bereich hat, wurde durch die offizielle Zertifikatsübergabe im Rahmen der maritimen Leitmesse SMM in Hamburg unterstrichen.
Freudenberg e-Power Systems ist einer der weltweit führenden Anbieter emissionsneutraler Energiesysteme für Schwerlastanwendungen. Mit seiner Erfahrung und Kompetenz in Batterie- sowie Brennstoffzellentechnologie bietet das Unternehmen passgenaue, insbesondere auch kombinierte Lösungen für eine nachhaltige und wirtschaftliche E-Mobilität. Mit mehr als 700 Mitarbeitern betreut Freudenberg e-Power Systems seine Kunden von der Anwendungsentwicklung bis hin zu Fertigung, Inbetriebnahme und Service.
Das Unternehmen gehört zur weltweit tätigen Freudenberg-Gruppe, die mit den Geschäftsfeldern Dichtungs- und Schwingungstechnik, Vliesstoffe und Filtration, Haushaltsprodukte sowie Spezialitäten im Geschäftsjahr 2021 einen Umsatz von mehr als 10 Milliarden Euro erwirtschaftete und in etwa 60 Ländern zirka 50.000 Mitarbeiter beschäftigte. Weitere Informationen unter www.freudenberg.com.
Converting commercially operated ships on the high seas to CO2-neutral drive systems is a huge challenge. One important factor is the range requirement of the individual ship types. This must be as large as possible for cruise ships, tankers and container ships in order to be able to cover the long routes across the world’s oceans without stopping. Route flexibility and ranges of more than 5,000 nautical miles are basic requirements of the world’s maritime fleet. Purely battery-electric solutions are often out of the question for these deep-sea applications due to their high weight and space requirements. Hydrogen as a direct energy storage medium is also ruled out for these ship types, as its low volumetric energy density would require it to be stored in huge hydrogen tanks in a cryogenic or highly compressed state. This is not a sustainable option for the maritime industry. Nevertheless, fuel cells have tremendous advantages due to their high efficiency and low maintenance requirements. Therefore, it makes sense to chemically bind regeneratively produced hydrogen to achieve a significantly higher energy density. This will make fuel cells economically and practically viable for ocean-going shipping. The fuel cell system can of course be flexibly combined with Freudenberg e-Power Systems’ maritime battery systems to create particularly efficient hybrid solutions.
In this context, the use of climate-neutral methanol represents a turning point on the road to maritime sustainability and the achievement of IMO emission reduction targets. Methanol is a simple alcohol that is liquid under normal ambient conditions and has around three times the volumetric energy density of liquefied hydrogen. As an important raw material for the chemical industry, climate-neutral methanol is characterized by proven manufacturing processes as well as good availability.
Combination of reformer and high-performance fuel cell
Freudenberg e-Power Systems has developed an innovative approach to using methanol for marine applications. This combines highly efficient fuel reforming technology with a long-life PEM fuel cell in a modular, scalable system unit. It generates hydrogen via steam reforming, which then reacts with oxygen from the air in the fuel cell to produce the electrical energy needed for both propulsion and the ship’s electrical system. The heat required for the reformer can be obtained directly from the waste heat of the fuel cells. Fuel cell stack, reformer and control electronics as well as all components for media supply are located in a prefabricated, modular unit. This containment design facilitates easy installation on board.
The safety concept of this innovative system architecture has now received Type Approval from the classification society RINA. This confirms the safety of the system and its conformity with maritime standards and regulations. “With our extensive experience in fuel cell systems and hydrogen production by reforming methanol, combined with Freudenberg’s proven industrial expertise, we are realizing innovative energy and power solutions for the maritime industry. In this way, we are making an important contribution to decarbonizing this important segment,” explained Dr. Manfred Stefener, Managing Director of Freudenberg Fuel Cell e-Power Systems and responsible for the safety architecture. “Achieving Type Approval represents an important milestone for the maritime industry. This lays the foundations for fuel cell systems to be used on a megawatt scale on cruise ships and the international ocean fleet. The marine energy systems of the future will be safe and highly efficient thanks to fuel cell technology.”
Freudenberg e-Power Systems is convinced that the best heavy-duty solutions start at the cell level. The special material configuration of the bipolar plates (BPP) and the membrane electrode unit as well as deep value creation, for example through in-house catalyst production, ensure maximum efficiency and durability. Unlike conventional fuel cell systems, which have their origins in the passenger car sector, the design strategy of Freudenberg’s high-performance stacks is geared to achieving high efficiency combined with a long service life.
In addition, Freudenberg’s methanol-powered fuel cell system offers further advantages since – unlike drives with combustion technology – it does not emit any harmful nitrogen oxides.
Standardized system design for all ship types
Freudenberg’s safety concept was already tested for maritime conformity in an early phase of the “Pa-X-ell 2” research project. For this purpose, it received “Approval in Principle” from the classification society DNV GL. In addition to the focus on the safety concept, the topics of modularization and standardization were considered in order to take account of the aspects of large-scale industrialization from the very beginning. In the future, system units with a respective nominal output of 500 kW are to be combined into total capacities in the double-digit megawatt range. In addition to Freudenberg, the renowned project consortium focusing on passenger shipping includes the partners Carnival Maritime (AIDA Cruises), Meyer Werft as well as Lürssen Werft, besecke, DLR, EPEA and the classification society DNV GL.
The “HyFleet” research project launched in 2021 shows that the consistent design strategy with lifetime and efficiency as priorities is also well suited for other segments. Together with its project partners ZF Friedrichshafen and FlixBus, Freudenberg is working to replace conventional diesel drives in long-distance buses. Initial test results show that a service life of at least 35,000 hours can be achieved. This corresponds to a total service life of 1.2 million km for a truck.
The importance of the Type Approval issued by RINA for the world’s first methanol-powered fuel cell system for the development of sustainable technologies in the maritime sector was confirmed by the official handover of the relevant RINA certificate at the leading maritime trade fair SMM in Hamburg, Germany.
Freudenberg e-Power Systems is one of the world's leading suppliers of emission-neutral energy systems for heavy-duty applications. With its experience and expertise in battery and fuel cell technology, the company offers tailor-made solutions, in particular combined systems, for sustainable and economical e-mobility. With over 700 employees, Freudenberg e-Power Systems supports its customers from application development through to production, commissioning and service.
The company is part of the global Freudenberg Group, which has four business areas: Seals and Vibration Control Technology, Nonwovens and Filtration, Household Products as well as Specialties and Others. In 2021 the Group generated sales of more than 10 billion euros and employed more than 50,000 associates in around 60 countries. More information is available at www.freudenberg.com.