Nachweis der Realisierbarkeit eines innovativen Antriebskonzeptes für Binnenschiffe in Bezug auf die Gefährdungspotentiale mittels des risikobasierten Entwurfes am Beispiel des Schubbootes ELEKTRA E-Book

Anna Loewe

• Herausgeber: tredition
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 443

Veröffentlichungsjahr: 2020

Beschreibung

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Integration innovativer Energie- und Antriebskonzepte auf Binnenschiffen und deren Prozess bis zur Zulassung auf Grund fehlender Vorschriften. Als Folge der Klimadebatte werden auch in der Schifffahrt der Einsatz, die Eignung sowie die Realisierung neuartiger Energie- und Antriebstechnologien verfolgt und diskutiert. Hierbei handelt es sich neben den rein akkumulatorisch betriebenen Schiffen auch um hybride Systeme mit Brennstoffzellen und alternativen Treibstoffen, wie Methanol und Wasserstoff. Die Arbeit erstellt eine Übersicht der verschiedenen Akkumulator- und Brennstoffzellentypen sowie deren Eignung für den Einsatz auf Schiffen, insbesondere bei Binnenfrachtschiffen. Für die Brennstoffzellensysteme werden verschiedene Brennstoffe auf deren Eignung hinsichtlich Lagerung und Gefährdungspotential erörtert und konventionellen Treibstoffen gegenübergestellt. Zur Beurteilung des Gefährdungspotentials, das von Binnenschiffen mit innovativen Energie- und Antriebssystemen ausgeht, wird eine Gefährdungsanalyse mittels der Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) durchgeführt. Die Ergebnisse der FMEA und die daraus resultierenden Schutzmaßnahmen führen zu einer Reduzierung des Gefährdungsrisikos, wodurch die Zulassung eines Binnenschiffes ohne geltende Vorschriften möglich wird. Die FMEA wird für einen Versuchsträger eines Forschungsprojektes durchgeführt.

Leseprobe

Nachweis der Realisierbarkeit eines innovativen Antriebskonzeptes für Binnenschiffe in Bezug auf die Gefährdungspotentiale mittels des risikobasierten Entwurfes am Beispiel des Schubbootes ELEKTRA

vorgelegt von

Dipl.-Ing. Anna Loewe

an der Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Ingenieurwissenschaften

- Dr.-Ing. -

genehmigte Dissertation

Promotionsausschuss:

Vorsitzender:

Prof. Dr.- Ing. Henning J. Meyer

Gutachter:

Prof. Dr.- Ing. Gerd Holbach

Gutachter:

Prof. Dr.- Ing. Wilfried Hensel

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 07. September 2020

Berlin 2020

Nachweis der Realisierbarkeit eines innovativen Antriebskonzeptes für Binnenschiffe in Bezug auf die Gefährdungspotentiale mittels des risikobasierten Entwurfes am Beispiel des Schubbootes ELEKTRA

Nachweis der Realisierbarkeit eines innovativen Antriebskonzeptes für Binnenschiffe in Bezug auf die Gefährdungspotentiale mittels des risikobasierten Entwurfes am Beispiel des Schubbootes ELEKTRA

Genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Anna Loewe

Berlin 2020

© 2020 Anna Loewe

Umschlaggestaltung: Anna Loewe

Titelbilder: © EBMS-TUB, mit freundlicher Genehmigung des Fachgebietes Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme der Technischen Universität Berlin

Verlag und Druck: tredition GmbH, Halenreie 40-44, 22359 Hamburg

ISBN

Softcover: 978-3-347-15676-0

Hardcover: 978-3-347-15677-7

e-Book: 978-3-347-15678-4

Das Werk, einschließlich seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung ist ohne Zustimmung des Verlages und des Autors unzulässig. Dies gilt insbesondere für die elektronische oder sonstige Vervielfältigung, Übersetzung, Verbreitung und öffentliche Zugänglichmachung.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek:

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Danksagung

Nach einigen Jahren intensiver Arbeit liegt nun meine Dissertation vor. An dieser Stelle möchte ich allen beteiligten Personen meinen Dank aussprechen, die mich in dieser herausfordernden Phase meiner akademischen Laufbahn begleitet und bei der Anfertigung meiner Dissertation unterstützt haben.

Mein Dank gilt zunächst Herrn Prof. Dr.-Ing. Gerd Holbach für die Betreuung dieser Arbeit, die konstruktive Kritik und die Unterstützung bei der Durchführung der gesamten Arbeit. Meine Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin hat mir viele Möglichkeiten eröffnet, mich mit dem Thema vertraut zu machen und fachspezifische Fort- und Weiterbildungen zu besuchen. Im Rahmen der verschiedenen Phasen des vom Bundesministerium für digitale Infrastruktur und Verkehr geförderten und vom Projektträger Jülich koordinierten Forschungsprojektes ELEKTRA hatte ich die Möglichkeit, ein Thema zu bearbeiten, das sehr praxisnah ist. Den Projektpartnern möchte ich für Ihre fachliche Unterstützung, insbesondere bei sehr spezifischen Fragen, danken.

Ich danke Herrn Prof. Dr.-Ing. Wilfried Hensel für die hilfsbereite Betreuung als Zweitgutachter, seine stetige Begleitung meiner Arbeit und seinen konstruktiven Anregungen. Für das Interesse an meiner Arbeit und die Übernahme des Promotionsvorsitzes möchte ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Henning J. Meyer danken.

Außerdem möchte ich allen Kollegen und Lehrbeauftragten der Schiffs- und Meerestechnik, vor allem des Fachgebietes Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme meinen Dank aussprechen, die mich auf meinem Weg mit produktiven Gesprächen, moralischer Unterstützung und unterhaltsamer Arbeitsatmosphäre begleitet haben.

Besonders möchte ich mich bei meiner Familie bedanken, die großes Vertrauen in mich gesetzt und mich auf meinem Weg durch das Studium und die Promotion geduldig ermutigt, unterstützt und begleitet hat.

Weseram, September 2020

Anna Loewe

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Integration innovativer Energie- und Antriebskonzepte auf Binnenschiffen und deren Prozess bis zur Zulassung auf Grund fehlender Vorschriften.

Als Folge der Klimadebatte werden auch in der Schifffahrt der Einsatz, die Eignung sowie die Realisierung neuartiger Energie- und Antriebstechnologien verfolgt und diskutiert. Hierbei handelt es sich neben den rein akkumulatorisch betriebenen Schiffen auch um hybride Systeme mit Brennstoffzellen und alternativen Treibstoffen, wie Methanol und Wasserstoff. Die Arbeit erstellt eine Übersicht der verschiedenen Akkumulator- und Brennstoffzellentypen sowie deren Eignung für den Einsatz auf Schiffen, insbesondere bei Binnenfrachtschiffen. Für die Brennstoffzellensysteme werden verschiedene Brennstoffe auf deren Eignung hinsichtlich Lagerung und Gefährdungspotential erörtert und konventionellen Treibstoffen gegenübergestellt.

Zur Beurteilung des Gefährdungspotentials, das von Binnenschiffen mit innovativen Energie- und Antriebssystemen ausgeht, wird eine Gefährdungsanalyse mittels der Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) durchgeführt. Die Ergebnisse der FMEA und die daraus resultierenden Schutzmaßnahmen führen zu einer Reduzierung des Gefährdungsrisikos, wodurch die Zulassung eines Binnenschiffes ohne geltende Vorschriften möglich wird. Die FMEA wird für einen Versuchsträger eines Forschungsprojektes durchgeführt.

The present dissertation deals with the integration of innovative energy and propulsion concepts on inland waterway vessels and their process up to approval due to missing regulations.

As a consequence of the climate debate, the use, suitability and implementation of novel energy and propulsion technologies are also being pursued and discussed in the shipping industry. In addition to purely accumulator-powered ships, these technologies include hybrid systems with fuel cells and alternative fuels such as methanol and hydrogen. The thesis provides an overview of the different types of accumulators and fuel cells as well as their suitability for the good use on ships, especially inland freight vessels. For the fuel cell systems, different fuels are discussed with regard to their general applicability for storage and potential hazards and compared to conventional fuels.

In order to assess the potential risk posed by inland waterway vessels with innovative energy and propulsion systems, a hazard analysis is carried out with the help of the Failure Mode and Effects Analysis (FMEA). The results of the FMEA and the resulting protective measures lead to a reduction of the hazard potential, which makes it possible to approve an inland waterway vessel without applicable regulations. The FMEA is carried out for an experimental vehicle of a research project.

Inhaltsverzeichnis

Danksagung

Zusammenfassung / Abstract

Symbolverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Das Schubboot ELEKTRA

2.1. Ziele und Anforderungen an den Entwurf des Schubbootes

2.2. Normen, Vorschriften, Richtlinien

2.3. Das Energie- und Antriebskonzept

2.4. Komponenten des Energie- und Antriebssystems

2.4.1. Akkumulatoren

2.4.1.1. Aufbau und Funktion

2.4.1.2. Akkumulatortypen

2.4.1.3. Komponenten eines Lithium-Ionen-Akkumulatorsystems

2.4.1.4. Akkumulatorsystem auf dem Schubboot ELEKTRA

2.4.2. Brennstoffzellen

2.4.2.1. Aufbau und Funktion

2.4.2.2. Brennstoffzellentypen

2.4.2.3. Brennstoffe für Brennstoffzellen

2.4.2.4. Komponenten eines Brennstoffzellensystems

2.4.2.5. Brennstoffzellensystem auf dem Schubboot ELEKTRA

2.4.3. Wasserstoffspeicherung

2.4.3.1. Eigenschaften von Wasserstoff

2.4.3.2. Möglichkeiten der Wasserstoffspeicherung

2.4.3.3. Hauptkomponenten einer Wasserstoffanlagen

2.4.3.4. Wasserstofftanksystem auf dem Schubboot ELEKTRA

2.4.4. Photovoltaikanlage

2.4.4.1. Aufbau und Funktion

2.4.4.2. Komponenten einer PV-Anlage

2.4.4.3. Photovoltaikanlage auf dem Schubboot ELEKTRA

2.5. Elektrokonzept

2.6. Betriebsszenarien

2.7. Betriebsprofile

2.8. Ergebnisse der HAZID-Studie

2.8.1. Brennstoffzellen-, Batterie- und Gleichstrom-Verteilungs-System

2.8.2. Wasserstoffspeicher- und Rohrleitungssystem

3. Sicherheits- und Risikoanalyse

3.1. Einführung und Definitionen

3.2. Deterministische und probabilistische Risikoanalyse

3.3. Gefährdungs- und Risikoanalyse

3.3.1. Gefährdungsanalyse

3.3.2. Risikoanalysemethoden

3.4. Schutzeinrichtungen

3.4.1. Low Demand Mode

3.4.2. High Demand Mode

3.5. Methodik der Fehlermöglichkeiten- und -einflussanalyse

3.6. System-FMEA für das Schubboot ELEKTRA

3.6.1. Betrachtungsumfang

3.6.2. Strukturanalyse

3.6.3. Funktionsanalyse

3.6.4. Fehleranalyse

3.6.5. Maßnahmenanalyse und Risikobewertung

3.6.5.1. Risikobewertung

3.6.5.2. Bedeutung der Schwere der Fehlerfolge B

3.6.5.3. Auftretenswahrscheinlichkeit der Ursache A

3.6.5.4. Entdeckungswahrscheinlichkeit der Ursache E

3.6.5.5. Risikoprioritätszahl RPZ

3.6.5.6. Risikomatrix

3.6.5.7. 3D-Ampelfaktor

3.6.5.8. Risikograph

3.6.5.9. Risiko-Matrix-Rangfolge

3.6.6. Optimierung

3.7. Software

3.8. Statistische Auswertungen

3.8.1. Häufigkeitsauswertung

3.8.2. Häufigkeitsanalyse

3.8.3. Paretoanalyse

3.8.4. Differenzanalyse

4. Gefahrenpotentiale und deren Folgen

4.1. Sicherheitstechnische Kenngrößen für den Brand- und Explosionsschutz

4.1.1. Grundlagen der Brandlehre

4.1.2. Sicherheitstechnische Kenngrößen

4.1.2.1. Sicherheitstechnische Kenngrößen von Gasen

4.1.2.2. Sicherheitstechnische Kenngrößen von Flüssigkeiten .

4.1.2.3. Sicherheitstechnische Kenngrößen von Feststoffen (Stäube)

4.2. Lithium-Ionen-Akkumulatoren

4.2.1. Chemische Gefahren von Lithium-Ionen-Akkumulatoren

4.2.2. Elektrische Gefahren von Lithium-Ionen-Akkumulatoren

4.2.3. Thermische Gefahren von Lithium-Ionen-Akkumulatoren

4.2.4. Mechanische Gefahren von Lithium-Ionen-Akkumulatoren

4.2.5. Sicherheitstechnische Kenngrößen von Akkumulatoren

4.2.6. Gefährdungspotentiale durch verschiedene Betriebszustände

4.2.7. Gefährdungspotentiale durch Witterungseinflüsse

4.2.8. Gefährdungspotentiale durch externe Einflüsse

4.2.9. Gefährdungspotentiale durch menschlichen Einfluss

4.2.10. Weitere Gefahren, die bei einem Brand entstehen können

4.3. Wasserstoffbetriebene Brennstoffzelle

4.3.1. Chemische Gefahren

4.3.2. Elektrische Gefahren

4.3.3. Thermische Gefahren

4.3.4. Gefährdung durch Wasserstoff

4.3.5. Gefährdungspotentiale durch verschiedene Betriebszustände

4.3.6. Gefährdungspotentiale durch Witterungseinflüsse

4.3.7. Gefährdungspotentiale durch externe Einflüsse

4.3.8. Gefährdungspotentiale durch menschlichen Einfluss

4.4. Wasserstoffspeicherung

4.4.1. Chemische Gefahren

4.4.2. Elektrische Gefahren

4.4.3. Thermische Gefahren

4.4.4. Mechanische Gefahren

4.5. Wasserstoff

4.5.1. Wasserstoff im Vergleich mit konventionell eingesetzten Kraftstoffen

4.5.2. Gefährdungspotentiale durch verschiedene Betriebszustände

4.5.3. Gefährdungspotentiale durch Witterungseinflüsse

4.5.4. Gefährdungspotentiale durch externe Einflüsse

4.5.5. Gefährdungspotentiale durch menschlichen Einfluss

4.5.6. Weitere Gefahren durch einen Brand

4.6. Photovoltaikanlage

4.6.1. Gefährdungspotentiale durch Photovoltaik-Anlagen

4.6.2. Gefährdungspotentiale durch Witterungseinflüsse

4.6.3. Gefährdungspotentiale durch externe Einflüsse

4.6.4. Gefährdungspotentiale durch menschlichen Einfluss

5. Maßnahmen zur Reduzierung von Sicherheitsrisiken

5.1. Schutzmaßnahmen

5.1.1. Inhärent sichere Konstruktion

5.1.2. Technische Schutzmaßnahmen

5.1.2.1. Trennende Schutzeinrichtungen

5.1.2.2. Nichttrennende Schutzeinrichtungen

5.1.2.3. Abweisende Schutzeinrichtungen

5.1.3. Organisatorische Schutzmaßnahmen

5.1.4. Persönliche Schutzausrüstung

5.1.5. Benutzerinformation

5.2. Grundlagen des Explosionsschutzes

5.2.1. Primärer Explosionsschutz

5.2.2. Sekundärer Explosionsschutz

5.2.3. Tertiärer Explosionsschutz

5.3. Grundlagen des Brandschutzes

5.3.1. Passiver Brandschutz

5.3.2. Aktiver Brandschutz

5.3.3. Brandschutz bei verschiedenen Brandquellen

5.3.3.1. Lithium-Ionen-Akkumulator

5.3.3.2. Brennstoffzelle

5.3.3.3. Wasserstoff

5.3.3.4. Photovoltaik

5.4. Sicherheits- und Kontrolleinrichtungen

5.5. Betriebsanweisungen und Schutzausrüstung

5.6. Maßnahmen zum Schutz vor Gefährdungen durch Betriebsstoffe an Bord198

6. FMEA - Fehler-Möglichkeiten und Einfluss Analyse

6.1. Aufbau und Annahmen

6.1.1. Exemplarische Durchführung der FMEA anhand des Energiesystems

6.1.1.1. Strukturanalyse

6.1.1.2. Funktionsanalyse

6.1.1.3. Fehleranalyse

6.1.1.4. Maßnahmenanalyse und Risikobewertung

6.1.1.5. Optimierung

6.2. Anfangsrisiko

6.2.1. Akkumulatorsystem

6.2.2. Brennstoffzellensystem

6.2.3. Wasserstoffsystem

6.3. Risikoreduzierung

6.3.1. Akkumulatorsystem

6.3.2. Brennstoffzellensystem

6.3.3. Wasserstoffsystem

6.4. Schlussfolgerungen der FMEA

7. Fazit

Literatur

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

A. Generalplan des Schubbootes ELEKTRA

B. Spezifikationen des Akkumulatorsystems auf dem Schubboot ELEKTRA

C. Bewertungskataloge für die FMEA

D. Stoffeigenschaften und -kennzeichnungen

Abkürzungsverzeichnis

Abkürzung

Bedeutung

A

Anode der Brennstoffzelle

A

Bewertung der Auftretenswahrscheinlichkeit einer Fehlerursache (FMEA)

AA

Abgasauslass am Brennstoffzellengehäuse

ABS

American Bureau of Shipping, Klassifikationsgesellschaft

AC

Wechselstrom (alternating current)

ADN

Accord européen relatif au transport international des marchandises dangereuses par voie de navigation intérieure, Europäische Übereinkommen über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf Binnenwasserstraßen

ADR

Accord européen relatif au transport international des marchandises Dangereuses par Route, Europäische Übereinkommen über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße

AFC

Alkaline Fuel Cell, Alkalische Brennstoffzelle

AFE

Active-Front-End

AGM

Absorbent Glass Mat, saugfähiger Vlies aus Glasfaser

AGW

Arbeitsplatzgrenzwert

AIAG

Automotive Industry Action Group, Organisation der amerikanischen Automobilindustrie

Akku

Akkumulator

Al

Aluminium

ALARP

„As low as practicable“, so gering wie möglich /Methode zur Risikominderung

AOPD

active opotoelectronic protective device, aktive optoelektronische Schutzeinrichtung

ATG

Alster-Touristik GmbH

ATEX

ATmosphères EXplosibles, Explosionsfähige Atmosphären

AV

manuelles Absperrventil

B

Bewertung der Bedeutung/Schwere einer Fehlerfolge (FMEA)

BCU

Battery Control Unit, Batterie-Kontroll-Einheit

BF

Befeuchtereinheit

BG

Berufsgenossenschaft

BGV

Berufsgenossenschaftliche Vorschriften

BinSchStrO

Binnenschifffahrtsstraßenordnung

BinSchUO

Binnenschiffsuntersuchungsordnung

BiPP

Bipolarplatte der Brennstoffzelle

BM

Brandmelder

BMS

Batteriemanagementsystem

BMVI

Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur

BoL

Begin of Life, Lebensdaueranfang

BV

Bureau Veritas (Klassifikationsgesellschaft, Frankreich)

BZ

Brennstoffzelle

C-Rate

Lade- /Entladerate bei Akkumulatoren [Ah/h]

CAN-BUS

Controller Area Network, serielles Bussystem zum Datenaustausch

CC

Constant Current, Konstantstrom

Cd

Cadmium

CE

Conformité Européenne, Europäische Konformität

CEE

Commission on the Rules for the Approval of the Electrical Equipment, Internationale Kommission für die Regelung der Zulassung elektrischer Ausrüstungen

CESNI

Comité Européen pour l’Élaboration de Standards dans le domaine de la Navigation Intérieure, Europäischen Ausschuss für die Ausarbeitung von Standards im Bereich der Binnenschifffahrt

CESNI-PT

CESNI-prescriptions techniques, CESNI-Arbeitsgruppe Technische Vorschriften

CFK

Carbonfaserverstärkter/Kohlefaserverstärkter Kunststoff

CGH2

Compressed Gaseous Hydrogen, Druckwasserstoff

CID

Current Interrupt Device, Sicherung zur Stromunterbrechung bei Batteriezellen

CLP

Classification, Labelling and Packaging (of substances and mixtures), Verordnung über die Einstufung, Kennzeichnung und Verpackung von Stoffen und Gemischen

CNG

Compressed Natural Gas, komprimiertes Erdgas

CO

Kohlenstoffmonoxid

CO2

Kohlenstoffdioxid

Cr

Chrom

CTU

Cargo Transport Unit, Güterbeförderungseinheit

Cu

Kupfer

CV

Constant Voltage, Konstantspannung

DC

Direct Current, Gleichstrom

DEC

Diethylcarbonat

DGQ

Deutsche Gesellschaft für Qualität

DIN

Deutschen Instituts für Normung

DM

Druckminderungsventil

DMC

Dimethylcarbonat

DME

Dimethoxyethan

DMFC

Direct Methanol Fuel Cell, Direkt-Methanol-Brennstoffzelle

DNV

Det Norske Veritas (bis 12.09.2013) (Klassifikationsgesellschaft, Norwegen)

DNV GL

Det Norske Veritas - Germanischer Lloyd (ab 12.09.2013) (Klassifikationsgesellschaft, Norwegen - Deutschland)

DoD

Depth of Discharge, prozentuale Endladungstiefe in Bezug auf die zur Verfügung stehende Nennentladung

E

Bewertung der Entdeckungswahrscheinlichkeit einer Fehlerursache, -art, oder -folge (FMEA)

EA

Ethylacetat

EBMS

Fachgebiet Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme an der Technischen Universität Berlin

EC

Ethylencarbonat

EF

Entfeuchtereinheit

EG

Europäische Gemeinschaft

EL

Entlüftungsleitung

E-Motor

Elektromotor

EMC

Ethylmethylcarbonat

EMS

Energie-Management-System

EMSA

European Maritime Safety Agency, Europäische Agentur für die Sicherheit des Seeverkehrs

EoL

End of Life, Lebensende

ERD

Erdung

ES-TRIN

Standard européen établissant les presricptions techniques des bateaux de navigation intérieure, Europäischer Standard der technischen Vorschriften für Binnenschiffe

ETA

Event Tree Analysis, Ereignisbaumanalyse

EU

Europäische Union

EUCAR

European Council for Automotive Research & Development, Interessensverbände der Automobilhersteller und -zulieferer

EWR

Europäischer Wirtschaftsraum

FCU

Fuel Cell Control Unit, Steuerungseinheit der Brennstoffzelle

Fe

Eisen

FL

Druckgasflasche zur Wasserstoffspeicherung

FMEA

Failure Mode and Effects Analysis, Fehler-Möglichkeiten und Einfluss Analyse

FMECA

Failure Mode and Effect Criticality Analysis, Fehlermöglichkeit-, -einfluss- und Kritikalitätsanalyse

FTA

Fault Tree Analysis, Fehlerbaumanalyse

FS

Flexibler Schlauch

FSA

Formal Safety Assessment, formalisiertes Sicherheitsbewertungsverfahren

FSS-Code

International Code for Fire Safety Systems, Internationale Sicherheitsvorschrift für Brandschutzsysteme als Bestandteil der SOLAS-Konvention der IMO

FVK

Faserverstärkte Kunststoffe

GDL

Gasdiffusionslage

GFK

Glasfaserverstärkter Kunststoff

GHS

Globally Harmonized System of Classification, Labelling and Packaging of Chemicals / global harmonisiertes System zur Einstufung und Kennzeichnung von Chemikalien

GL

Germanischer Lloyd (bis 12.09.2013) (Klassifikationsgesellschaft, Deutschland)

H

Wasserstoff

HAZID

Hazard Identification Study, Gefahrenerkennungsstudie

HSE

Health and Safety Executive, Organisation, die in Großbritannien den Arbeitsschutz regelt

HT-PEMFC

High Temperature - Polymer Electrolyte Fuel Cell, Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle

H2-AA

Wasserstoffsensor am Abgasauslass des Brennstoffzellengehäuses

H2-MR

Wasserstoffsensor im Brennstoffzellengehäuse (Maschinenraum)

H2Rez

Wasserstoff-Rezirkulationseinheit

ICI

Imperial Chemical Industries, ehemaliges britisches Chemieunternehmen

IBC

Intermediate Bulk Container, Großpackmittel

IDLH

Immediately Dangerous to Life or Health, Referenzwert für die Maximalkonzentration eines Stoffes in der Luft

IGC-Code

International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk, Internationale Sicherheitsvorschrift für Bau und Ausrüstung von Schiffen zur Beförderung verflüssigter Gase als Massengut auf Seeschiffen als Bestandteil der SOLAS-Konvention der IMO

IGF-Code

International Code of Safety for Ships Using Gases or Other Low-Flashpoint Fuels, Internationale Sicherheitsvorschrift für die Verwendung von Gasen und anderen Kraftstoffen mit niedrigem Flammpunkt auf Seeschiffen als Bestandteil der SOLAS-Konvention der IMO

IMDG-Code

International Maritime Dangerous Goods Code, Internationale Sicherheitsvorschrift für die Beförderung von gefährlichen Gütern auf Seeschiffen als Bestandteil der SOLAS-Konvention der IMO

IMO

International Maritime Organization, Internationale Seeschifffahrts-Organisation der Vereinten Nationen

IT

Ionentauscher

K

Kathode

KOH

Kaliumhydroxid

KR

Korean Register of Shipping (Klassifikationsgesellschaft, Südkorea)

LA

Luftauslass

LCL

Filterstruktur Induktivität-Kapazität-Induktivität

LE

Lufteinlass

LF

Luftfilter

LH2

Liquefied Hydrogen, Flüssigwasserstoff

LiCoO2

Lithium-Cobaltoxid-Akkumulator

LiFePO4

Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator

LiNiMnCoO2

Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid-Akkumulator

Li-NMC

Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid-Akkumulator

LiPF6

Lithium-Hexafluorophosphat

LiPo

Lithium-Polymer-Akkumulator

LLK

Ladeluftkühler

LNG

Liquefied Natural Gas, verflüssigtes Erdgas

LOHC

Liquid Organic Hydrogen Carrier

LR

Lloyd’s Register (Klassifikationsgesellschaft, Großbritannien)

LSD-NiMH

Low Self-Discharge Nickel-Metallhydrid-Akkumulator

MAK

Maximale Arbeitsplatz-Konzentration

MB

Methylbutyrat

MCFC

Molten Carbonate Fuel Cell, Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle

MEA

Membrane Electrode Assembly, Membran-Elektroden-Anordnung

MEGC

Multiple Element Gas Container, Gascontainer mit mehreren durch ein Sammelrohr miteinander verbundenen Elemente in einem Rahmen

MESG

Maximum Experimental Safe Gap, Grenzspaltweite

MH

Metall-Hydrid

MIC

Minimum Ignition Current, Mindestzündstrom

MR

Maschinenraum

MSC

Maritime Safety Committee, IMO-Ausschuss für Schiffssicherheit

MV

elektronisch gesteuertes Magnetventil

Na

Natrium

NaCl

Natriumchlorid

Na-NiCl2

Natrium-Nickelclorid-Thermalakkumulator

Na-S

Natrium-Schwefel-Thermalakkumulator

Ni

Nickel

NiCd

Nickel-Cadmium-Akkumulator

NiFe

Nickel-Eisen-Akkumulator

NH3

Ammoniak

NiMH

Nickel-Metallhydrid-Akkumulator

Ni(OH)2

Nickelhydroxid

NiO(OH)

Nickeloxidhydroxid

NIP

Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologie (Programm I 2007-2016, Programm II 2016-2026)

NMA

Norwegian Maritime Authority, norwegische Regierungsbehörde

NMEA2000

Standard für serielle Datenvernetzung von elektronischen Geräten auf Seeschiffen der National Marine Electronics Association (US-amerikanische Vereinigung von Elektronikherstellern und -händlern der Schifffahrtsindustrie)

NOX

Stickoxide

NT-PEMFC

Low Temperature Polymer Electrolyte Fuel Cell, Niedertemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle

O

Sauerstoff

ODV

Ortsbewegliche-Druckgeräte-Verordnung

OEG

Obere Explosionsgrenze

PAFC

Phosphoric Acid Fuel Cell, Phosphorsaure Brennstoffzelle

Pb

Blei

PbO2

Bleioxid

PC

Propylencarbonat

PDU

Power Distribution Unit, Strom-Verteilungs-Einheit

PEM

protonenleitende Membran

PEMFC

Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Protonenleitende Polymermembran Brennstoffzellen

PFK

Probability of failure by the component, Versagenswahrscheinlichkeit der Einzelkomponente

PFSys

Probability of failure by the system, Versagenswahrscheinlichkeit vom Gesamtsystem

PFD

Probability of failure on demand, Versagenswahrscheinlichkeit von Low Demand Mode im Anforderungsfall

PFH

Probability of failure per hour, Versagenswahrscheinlichkeit von High Demand Mode pro Stunde

P-K

Pumpe des Kühlsystems

PLC

Programmable Logic Controller, SPS - speicherprogrammierbare Steuerung

PMS

Power-Management-System

PHA

Preliminary Hazard Analysis, vorläufige Sicherheitsanalyse

PSA

Persönliche Schutzausrüstung

PT

Drucktransmitter

PV

Photovoltaik

QRA

Quantified Risk Assessments, Quantitative Risikobewertung

Q

Schalter

RBD

Risk Based Design, Risikobasierter Entwurf

RDU

Remote Data Unit or Remote Diagnostics Unit, Datenlogger und Diagnoseschnittstelle

RheinSchUO

Rheinschiffsuntersuchungsordnung

RID

Règlement concernant le transport international ferroviaire de marchandises Dangereuses, Ordnung für die internationale Eisenbahnbeförderung gefährlicher Güter

RL

Rohrleitung

RMR

Risiko-Matrix-Rangfolge (FMEA)

RPT

Rapid-Phase-Transition, schneller Phasenübergang

RPZ

Risikoprioritätszahl (FMEA)

RV

Rückschlagventil

SAE

Society of Automotive Engineers, Verband der Automobilingenieure

SEI

Solid Electrolyte Interphase, Schutzschicht auf der Anode bei Lithium-Ionen-Akku

SGK

Sauerstoffgrenzkonzentration

Si

Sicherung

SIL

Safety Integrity Level, Sicherheits-Integritätslevel

SiO2

Siliziumoxid

SKD

Schnellkupplung mit freiem Durchgang

SKL

Schnellkupplung, beidseitig absperrend, leckagearme Ausführung

SL

Sammelleitung, Manifold

SoC

State of Charge, prozentualer Ladezustand eines Akkumulators in Bezug auf die verfügbare Nennkapazität

SOFC

Solid Oxide Fuel Cells, Oxidkeramische Brennstoffzelle

SoH

State of Health, Alterungszustand eines Akkumulators / maximal verfügbare Batteriekapazität im Vergleich zum Neuzustand des Akkumultors

SOLAS

International Convention for the Safety of Life at Sea, Internationales Übereinkommen zum Schutz des menschlichen Lebens auf See

SOx

Schwefeloxide

SPE

sensitve protective equipment, sensitive Schutzeinrichtung

SPoF

Single point of failure, einzelner Ausfallpunkt

SPS

speicherprogrammierbare Steuerung

SV

Sicherheitsventil

THF

Tetrahydrofuran

TPED

Transportable Pressure Equipment Directive, Richtlinie für ortsbewegliche Druckgeräte

TPRD

Thermal and Pressure Release Device, thermisches Sicherheitsventil

TS

Steuerung des Tankbündels

TT

Temperaturtransmitter

UEG

Untere Explosionsgrenze

UNO

United Nations Organization, Organisation der Vereinten Nationen

V

Ventilator/Lüfter

VbF

Verordnung über brennbare Flüssigkeiten

VDA

Verband der Automobilindustrie (gemeinsamer Interessenverband der deutschen Automobilhersteller und -zulieferer)

Watchdog

Funktion zur Ausfallerkennung eines digitalen Systems

ZEBRA

Zero Emission Battery Research Activities, Null-Emissionsbatterie-Forschungsaktivitäten

ZEMShips

Forschungsprojekt Zero Emissions Ships

ZKR

Zentralkommission für die Rheinschifffahrt

ZSUK

Zentralstelle Schiffsuntersuchungskommission

1. Einleitung

Die globale Erderwärmung durch den anthropogenen Treibhauseffekt hat in den letzten Jahrzehnten immer mehr an Brisanz gewonnen, da die Treibhausgaskonzentration in der Erdatmosphäre zunimmt. Das bedeutendste Treibhausgas ist Wasserdampf. Dem Wasserdampf folgen Kohlenstoffdioxid CO2, Methan CH4, Ozon O3 und Stickoxide NOx. Das an zweiter Stelle vertretene Kohlenstoffdioxid CO2 entsteht vor allem durch die Nutzung fossiler Energie, dessen Ausstoß seit dem Beginn der Industrialisierung um ca. 40% [1, 2] gestiegen ist. Das Kohlenstoffdioxid trägt mit einem Anteil von 22 % zum Treibhauseffekt bei und verweilt zwischen 5 und 10 Jahren in der Erdatmosphäre [3].

Durch die Einhaltung festgelegter Ziele soll der Klimawandel aufgehalten bzw. verlangsamt werden. Zur Beschränkung der Erderwärmung müssen die Emissionen von Treibhausgasen signifikant reduziert werden. Deutschland hat sich das Ziel gesetzt, seine Treibhausgasemissionen (CO2) bis 2020 um 40% und bis 2050 um 80% bis 95% gegenüber dem Niveau von 1990 zu reduzieren [4, 5]. Um dem Rechnung zu tragen, wird an neuen Lösungen zur Energieversorgung an Bord von Schiffen gearbeitet. Infolgedessen wird in aktuellen Forschungsprojekten ein innovatives Energie- und Antriebskonzept für Binnenschiffe entwickelt und untersucht, wodurch auch die Binnenschifffahrt ihren Teil zum Erreichen dieser Ziele beitragen kann. Dies kann einerseits durch eine verbesserte Effizienz und andererseits durch den Einsatz innovativer Energie- und Antriebskonzepte mit regenerativen Energien erreicht werden. Durch den Einsatz von Akkumulatoren- und Brennstoffzellentechnologien in Verbindung mit neuen Energieträgern, wie Methanol oder Wasserstoff, lassen sich die Emissionen des klimaschädlichen CO2 nach ersten Abschätzungen um bis zu 38 % und die der gesundheitsschädlichen Stickoxide NOx um etwa 95% reduzieren [6]. Bei dem Einsatz reiner erneuerbarer Energien bestehen Reduktionspotentiale von bis zu 100%. Auch die Belastungen durch Feinstaub und Rußpartikel werden durch den verfolgten Ansatz deutlich reduziert.

Die Abbildung 1.1 auf der nächsten Seite zeigt den Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch, am Bruttoendenergieverbrauch und am Energieverbrauch des Verkehrssektors. Der Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch, der im Unterschied zum Bruttoendenergieverbrauch auch die Transport- und Leistungsverluste für Verteilung und Übertragung des Stromes sowie den Eigenverbrauch der Energiewirtschaft für die Erzeugung von Wärme und Strom umfasst, ist von 3,4 % im Jahr 1990 auf 42,1 % im Jahr 2019 angestiegen. Im Verkehrssektor ist der Anteil, der durch die erneuerbaren Energien gestellt wird, mit 5,6% im Jahr 2019 hingegen noch relativ gering und kann durch neue Energie- und Antriebskonzepte deutlich gesteigert werden.

Abbildung 1.1.: Anteil der erneuerbaren Energie am Bruttostrom- und Bruttoendenergieverbrauch sowie am Energieverbrauch im Verkehrssektor, in Anlehnung an [7]

Der Umgang mit Energieträgern, wie Öl, Gas, Kohle, Uran und Strom, ist stets mit Gefahren verbunden, weil es durch unsachgemäße Handhabung zur Freisetzung von Energie und damit zu Sach- und Gesundheitsschäden kommen kann. Dies trifft auch auf den Umgang mit alternativen Energieträgern wie Wasserstoff oder Methanol zu. Bei der Nutzung alternativer Energieträger muss die Sicherheit betrachtet und bewertet werden. Eine Eliminierung jeglicher Gefahr durch entsprechende Maßnahmen kann jedoch nicht erzielt werden. Vielmehr muss untersucht werden, wie gefährlich alternative Kraftstoffe im Vergleich zu den bisher in der Schifffahrt eingesetzten Energieträgern auf Rohölbasis sind, und inwieweit erste Regularien zur Verwendung von Flüssigerdgas (LNG - Liquefied Natural Gas) auf Schiffen auch auf neue Kraftstoffe übertragen werden können. Aus diesen Betrachtungen können die Risiken abgeschätzt und Entscheidungen bzgl. der Durchführung und Akzeptanz beurteilt werden.

Das zu untersuchende Schubboot ELEKTRA ist mit einem neuartigen Energie- und Antriebskonzept konzipiert. Es handelt sich hierbei um einen hybriden Antrieb. Der Vortrieb wird mittels elektrischer Energie erzeugt, welche einerseits durch Akkumulatoren und andererseits durch Brennstoffzellen, die mit Wasserstoff betrieben werden, bereitgestellt wird. Das Schubboot wird regional in Berlin-Brandenburg und überregional bis Hamburg eingesetzt und soll die Binnenwasserstraßen der Zonen 3 und 4 ohne den Rhein befahren können.

In der Binnenschifffahrt wird zwischen selbstfahrenden Motorschiffen und Schubverbänden, welche aus einer Antriebseinheit (Schubboot) und mindestens einer Transporteinheit ohne eigenen Antrieb (Schubleichter) bestehen, unterschieden. Im Gegensatz zu Motorschiffen weisen Schubverbände durch die Aneinanderreihung mehrerer Schubleichter eine höhere Flexibilität auf. Diese bezieht sich sowohl auf die Heterogenität der transportierten Güter als auch auf den Einsatz der Antriebseinheit. Die Schubleichter können entkoppelt und entladen werden, während die Antriebseinheit weitere Aufgaben übernimmt. Mittels der Schubverbände werden gegenüber Motorschiffen größere Kapazitäten erreicht, nicht zuletzt dadurch, dass die Schubleichter eines Verbandes für Schleusenvorgänge entkoppelt und so an die Kammerlänge angepasst werden können. Andererseits haben Schubverbände durch die Zusammenstellung der verschiedenen Einheiten und damit Unterbrechungen der Schiffslinien einen höheren Widerstand als Motorgüterschiffe und fahren dementsprechend langsamer. Das hier untersuchte Schubboot ELEKTRA ist im Wesentlichen für den Einsatz mit dem Schwergutleichter URSUS ausgelegt. Für den Entwurf des Schubbootes wird in Kombination mit dem Schwergutleichter URSUS von einer Schublast von 1.400 t und einer Gesamtlänge des Schubverbandes von 86 m ausgegangen. In Kombination mit weiteren Schubleichtergrößen wird eine maximale Verbandslänge von bis zu 150 m bei einer maximalen Schublast bis 1.500 t angestrebt.

Für den Betrieb eines solchen Schubbootes muss diesem eine Zulassung in der Form eines Schiffsattestes durch die Zentralstelle Schiffsuntersuchungskommission (ZSUK) ausgestellt werden. Die ZSUK stellt Schiffsatteste auf der Grundlage der Binnenschiffsuntersuchungsordnung (BinSchUO) aus, welche der Umsetzung der EU-Richtlinie 2016/1629 zur Festlegung technischer Vorschriften für Binnenschiffe [8] dient. Für das Schubboot mit einem innovativen Energie- und Antriebssystem existieren zum jetzigen Zeitpunkt keine Regeln innerhalb der BinSchUO. Zur Erteilung eines Schiffsattestes durch die ZSUK wäre daher eine Empfehlung durch die Zentralkommission für die Rheinschifffahrt (ZKR) notwendig. Dieses Vorgehen gilt, wenn für ein Fahrzeug eine Ausnahmeregelung beantragt wird. Bei dem Schubboot ELEKTRA werden jedoch mindestens zwei Ausnahmeregelungen benötigt: Einerseits soll das Schubboot eine Ausnahmeregelung bzgl. der erforderlichen Mindestgeschwindigkeit auf dem Rhein erhalten und andererseits eine Regelung, damit an Bord Wasserstoff für die Energiebereitstellung eingesetzt werden kann.

Für eine Zulassung mit den genannten Ausnahmeregelungen wird das Konzept des Schubbootes dem Europäischen Ausschuss für die Ausarbeitung von Standards im Bereich der Binnenschifffahrt - CESNI vorgestellt. Dieser Ausschuss wurde durch einen Beschluss der ZKR im Juni 2015 eingerichtet, um die Entwicklung einheitlicher, moderner und anwendungsfreundlicher Vorschriften zu stärken und eine nachhaltige Entwicklung der Binnenschifffahrt zu fördern. Der Ausschuss setzt sich aus Sachverständigen der EU-Mitgliedsstaaten und der ZKR sowie Vertretern der internationalen Organisationen der Binnenschifffahrt zusammen. Die Arbeitsgruppe Technische Vorschriften des CESNI (CESNI-PT) entwickelt und erlässt technische Standards, die dazu führen, dass das europäische Regelwerk für die Binnenschifffahrt ES-TRIN regelmäßig revidiert wird und somit sowohl das Sicherheitsniveau in der Binnenschifffahrt und als auch technische Neuentwicklungen ständig aktualisiert werden und Eingang in die Vorschriften finden. Weder die ZKR noch der CESNI verfügen über Vorschriften für das innovative Energie- und Antriebskonzept, weshalb ein Nachweis der Äquivalenz des alternativen Systems erbracht werden muss. Die Arbeitsgruppe CESNI-PT berät anhand der vorgelegten Unterlagen über die

Abweichungen und die Gleichwertigkeit für das Schubboot und kann zur Erlangung eines europäischen Schiffsattestes weitere Maßnahmen vorschreiben.

Der Fokus bei dem neuartigen Energie- und Antriebssystem liegt durch die neu eingesetzten Technologien vor allem auf der Sicherheit des Schubbootes. Die Gleichwertigkeit des neuartigen Energie- und Antriebssystems kann mit Hilfe von risikobasierten Studien nachgewiesen werden. Die Klassifikationsgesellschaft Lloyd’s Register (LR) hat dazu das Verfahren des Risikobasierten Entwurfs (RBD - Risk Based Design) aufgegriffen [9]. Der Entwicklungsprozess des risikobasierten Entwurfs für neuartige Technologien unterteilt sich in die folgenden vier Phasen, die in den nächsten Abschnitten beschrieben und deren Sachverhalte in Bezug auf das Schubboot ELEKTRA erläutert werden:

• Phase 1 - Beurteilung des Entwurfs

• Phase 2 - Gefahrenanalyse

• Phase 3 - Überprüfung und weitere Methoden zur Risikobewertung

• Phase 4 - Bewertung des endgültigen Entwurfs

Die erste Phase des RBD beinhaltet die Definition des neuartigen Entwurfes sowie die Identifizierung der Anforderungen und Vorschriften durch den gesetzlichen Rahmen und die Klassifikationsgesellschaften, welche mit dem alternativen Entwurf nicht eingehalten werden oder nicht beurteilbar sind. Für diese identifizierten, nicht eingehaltenen, Anforderungen werden die Sicherheitsziele ermittelt. Diese Phase ist durch die Bereitstellung aller relevanten Dokumente, wie Zeichnungen, Beschreibung des Entwurfes sowie detaillierte Pläne und Layouts der Komponenten und der Gleichstromverteilung durch die Partner des Forschungsprojekts ELEKTRA - Technische Lösungsansätze für die Realisierung eines durch Brennstoffzellen und Akkumulatoren betriebenen Schubbootes abgeschlossen [10].

In der zweiten Phase werden unter Verwendung geeigneter Gefahrenidentifikationstechniken die Gefahren identifiziert, welche durch den neuartigen Entwurf hervorgerufen werden. Im Anschluss werden sowohl die Wahrscheinlichkeiten des Auftretens als auch die Folgen jeder identifizierten Gefährdung ermittelt und mit einem zuvor festgelegten Risikoakzeptanzkriterium abgeglichen. Um die tolerierbaren Risiken zu minimieren, werden Kontroll- und Minderungsmaßnahmen ermittelt und hinsichtlich ihrer Eignung diskutiert. Im Rahmen des Forschungsprojektes ELEKTRA - Technische Lösungsansätze für die Realisierung eines durch Brennstoffzellen und Akkumulatoren betriebenen Schubbootes hat die Klassifikationsgesellschaft Lloyd’s Register (LR) eine erste Studie zur Risikoidentifizierung (HAZID - Hazard Identification Study) erstellt. Für die Identifizierung und Bewertung der Risiken ist ein Workshop mit allen Partnern des Forschungsprojektes, so auch den Herstellern der Energie- und Antriebskomponenten sowie verschiedenen Experten der Klassifikationsgesellschaft durchgeführt worden. Ziel eines HAZID-Workshops ist es, eine Risikobewertung des Entwurfs durchzuführen, um durch die Beseitigung von Gefahren ein sicheres Schiffskonzept zu erreichen. Innerhalb des im Forschungsprojekt durchgeführten Workshops wurden für das Brennstoffzellensystem, die Akkumulatoren und das Gleichstromverteilungssystem 3 hohe, 14 mittlere und 9 geringe Risiken identifiziert und 33 Empfehlungen zur Reduzierung der Risiken ausgesprochen [11]. Für die Wasserstoffspeicherung und das dazugehörige Rohrleitungssystem haben die Teilnehmer des Workshops 3 hohe, 11 mittlere und 8 geringe Risiken ermittelt. Zur Reduzierung der ermittelten Risiken werden 30 Empfehlungen in der Studie notiert [11]. Mit der Vorstellung der Ergebnisse der HAZID-Studie durch Vertreter der Klassifikationsgesellschaft bei der Arbeitsgruppe CESNI-PT in Straßburg für die Erlangung einer Genehmigung zum Betrieb des unkonventionell betriebenen Schubbootes zur Beförderung von Gütern auf europäischen Binnenwasserstraßen sowie deren Erörterung, ist die zweite Phase des risikobasierten Entwicklungsprozesses abgeschlossen.

Im Anschluss an die zweite Phase werden in der dritten Phase weitere vertiefende Techniken zur Gefährdungsbeurteilung herangezogen. Zur Überprüfung der Gefährdungsbeurteilung der zweiten Phase und detaillierteren Darstellungen der Risiken kommen unter anderem Methoden wie die Fehler-Möglichkeiten und Einfluss-Analyse (FMEA - Failure Modes und Effects Analysis) oder die Quantitative Risikobewertung (QRA - Quantified Risk Assessments) zur Anwendung.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Nachweis der Realisierbarkeit eines innovativen Antriebskonzeptes für Binnenschiffe anhand der FMEA-Methode und stellt somit die dritte Phase des RBD zum Nachweis der Gleichwertigkeit der neuartigen Technologien dar.

Die vierte Phase des RBD umfasst die detaillierte Prüfung des endgültigen Entwurfs und zeigt alle potentiellen Gefahren und deren Kontrollinstrumente auf. Im Rahmen des Schubbootes ELEKTRA empfiehlt die Arbeitsgruppe CESNI-PT der ZSUK eine Zulassung des Schubbootes mit Auflagen, die aus den Phasen 2 und 3 resultieren. Für die Zulassung des Schubbootes ELEKTRA ist die Durchführung der Phase 3 nicht zwingend notwendig.

Im Bereich der Schifffahrt gibt es hinsichtlich der Integration von Akkumulatoren und Brennstoffzellen auf See- und Binnenschiffen verschiedene Forschungsaktivitäten.

Im Rahmen des Forschungsprojektes ZEMShips ist ab 2006 ein Schiffsneubau für die Alsterschifffahrt in Hamburg mit einem wasserstoffbetriebenen Niedertemperatur-Brennstoffzellen-System (50 kW) entwickelt und gebaut worden. Es handelt sich um ein Passagierschiff, welches 25,56 m lang, 5,2 m breit ist und einen Tiefgang von etwa 1,20 m aufweist. An Bord führt das Schiff in 12 Wasserstofftanks bei einem Druckniveau von 350 bar eine Menge von 50 kg Wasserstoff mit. Der Ausflugsdampfer Alsterwasser ist im Jahr 2008 in Dienst gestellt und von der Alster-Touristik GmbH (ATG) betrieben worden. Der Betrieb des Schiffes mit Wasserstoff wurde jedoch im Jahr 2013 eingestellt, da die Bunkerstation, die eigens für dieses Schiff errichtet wurde, aus wirtschaftlichen Gründen still gelegt wurde und somit eine Betankung des Schiffes nicht mehr möglich ist. [12]

Das Grachtenboot Nemo-H2 mit einer Verdrängung von etwa 40 t und einer maximalen Passagieranzahl von 86 Personen wird seit 2011 in Amsterdam zu Rundfahrtzwecken mit einer hybriden Brennstoffzellenanlage betrieben. Die elektrische Energie wird mittels zweier Niedertemperatur-Brennstoffzellen mit einer Gesamtleistung von 80 kW erzeugt. In sechs Drucktanks mit einem Speicherdruck von 350 bar werden 24 kg Wasserstoff zur Versorgung der Brennstoffzellen an Bord mitgeführt, welche für eine Fahrtzeit von neun Stunden ausreichend sind. Um Lastschwankungen ausgleichen zu können, werden Akkumulatoren mit einer Kapazität von 50 kWh eingesetzt. [13]

Im Bereich der rein Akkumulator-elektrisch angetriebenen Schiffe gibt es vor allem in Norwegen Aktivitäten zu verzeichnen. Seit 2015 verkehrt die Katamaran-Autofähre Ampere über den Snognefjord. Die rein akkumulatorisch betriebene Fähre transportiert bei einer Fahrtzeit von circa 20 Minuten auf einer Strecke von etwa sechs Kilometern bis zu 120 Fahrzeuge und 350 Passagiere. Die Akkumulatoren weisen eine Kapazität von 390 kWh auf, wobei pro Überfahrt in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen 150 bis 200 kWh benötigt werden. Während der jeweiligen Hafenliegezeit von etwa zehn Minuten werden die Akkumulatoren mittels Landakkumulatoren geladen, da das vorhandene Stromnetz in den Häfen nicht ausreichend ist, um eine Ladeleistung von 1.250 kW bereitzustellen. [14]

Für den Betrieb auf dem Baldeneysee wurde im Jahr 2017 das Ausflugsschiff MS Innogy umgerüstet und seitdem mit zwei Akkumulatoren betrieben. Weiterhin ist zur Reichweitenerhöhung eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, welche mit Methanol betrieben wird und während der Fahrt die Akkumulatoren speist, an Bord installiert. [15]

Aktuell werden innerhalb von verschiedenen Forschungsprojekten sowohl Brennstoffzellen als auch Akkumulatoren in den Antrieb von See- und Binnenschiffen integriert. Im Leuchtturmprojekt e4ships und dem Projektcluster e4ships2 gibt es neben dem Projekt ELEKTRA die Teilprojekte SchiBZ, Pa-X-ell und RiverCell, welche sich mit den Aspekten der Integration von Brennstoffzellen in das Energieversorgungssystem verschiedener Schiffstypen beschäftigen.

Im Projekt SchiBZ sollen hybride Brennstoffzellenanlagen in den Leistungsklassen zwischen 50 und 500 kW auf seegehenden Schiffen als Hauptenergiequelle für die Bordnetzstromversorgung eingesetzt werden. Neben einem Brennstoffzellensystem wird zum Ausgleich der Dynamikunterschiede zwischen dem Verbrauchernetz und dem Brennstoffzellensystem und zur Stabilisierung des Bordnetzes ein Lithium-Ionen-Akkumulator als Energiepuffer zum Einsatz kommen. Schwefelarmer Diesel aus dem Straßenverkehr wird als Kraftstoff für das Brennstoffzellensystem verwendet. Zur praktischen Erprobung im Folgeprojekt SchiBZ wird eine Anlage mit einer Leistung von 100 kW in einem Container auf einem Mehrzweckschiff installiert und innerhalb von 12 Monaten getestet. Mittelfristig soll Erdgas als Treibstoff für das Brennstoffzellensystem zum Einsatz kommen, was unter anderem im Projekt MultiSchiBZ untersucht wird. Weiterhin stehen im Projekt MultiSchiBZ die Weiterentwicklung und Optimierung der Prozesse des Brennstoffzellensystems für den Einsatz in kommerzielle Anwendungen im Fokus. [16, 17]

Das Projekt Pa-X-ell integriert eine Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle auf einem Passagierschiff. Dazu wird auf einem Passagierschiff ein Brennstoffzellensystem mit einer Leistung von 120 kW parallel zur konventionellen Energieversorgung installiert, um die produzierte elektrische Energie in das Bordnetz einzuspeisen. Das Brennstoffzellensystem wird mittels einem Reformer mit Methanol betrieben, wobei mittelfristig Erdgas als Treibstoff eingesetzt werden soll. In dem Folgeprojekt Pa-X-ell2 werden als Bestandteil eines dezentralen Energienetzes sowie eines hybriden Energiesystems für die Anwendung auf Hochsee-Passagierschiffe der Einsatz von Niedrig- und Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen untersucht. Die Systeme werden sowohl an Land als auch an Bord erprobt. [17, 18]

Mit der Integration von mit Methanol betriebenen Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen auf Flusskreuzfahrtschiffen zur Deckung der Hotellast beschäftigt sich das Projekt RiverCell. Derzeit wird dazu eine Testanlage an Land mit einer Leistung von 120 kW in Kombination mit einem Energiespeicher in Form eines Lithium-Akkumulators mit einer Kapazität von etwa 160 kWh errichtet und getestet. Die Untersuchungen der modularen Hybridisierung des Gesamtenergiesystems auf Flusskreuzfahrtschiffen wird in dem Projekt RiverCell2 weitergeführt. [17, 19]

Das Projekt Humphry Marine entwickelt ein hybrides Antriebssystem für den Einsatz in der Sport- und Freizeitschifffahrt. Das System aus wasserstoffbetriebener Niedrigtemperatur-PEM-Brennstoffzelle und Akkumulator wird auf einem Sportboot integriert und der Einsatz demonstriert. Die Brennstoffzelle wird dabei als Range-Extender zur Reichweitenerhöhung eingesetzt. [17]

Die Projekte SchiBZ, SchiBZ2, MultiSchiBZ, Pa-X-ell, Pa-X-ell2 sowie RiverCell und RiverCell2 setzen mittels der Integration eines Reformers Dieselkraftstoff und Methanol als Treibstoff für die Brennstoffzelle ein, während im Projekt ELEKTRA Wasserstoff direkt verwendet wird.

In der Automobilindustrie werden Fahrzeuge mit Akkumulatoren und Brennstoffzellen bereits erfolgreich betrieben. Auch ist die Anwendung der FMEA-Methode in der Automobilbranche Stand der Technik. Jedoch sind die Dimensionen der Komponenten um ein Vielfaches kleiner, weshalb sich mit der Umsetzung der Technologien auf dem Schubboot ELEKTRA neue Herausforderungen auch bzgl. der Risiken und Sicherheit ergeben. Diese werden durch das Vorhandensein beider Technologien als gleichberechtigte Energielieferanten mit einer sehr hohen Spannungsebene noch weiter gesteigert.

Anhand der Ergebnisse verschiedener Forschungsprojekte, wie beispielsweise Fellow-Ships [20], werden durch die Klassifikationsgesellschaft DNV-GL im Bereich der Akkumulatortechnologie bereits Vorschriften für die Installation von Lithium-Ionen-Akkumulatoren auf Schiffen entwickelt und herausgegeben. Weitere Klassifikationsgesellschaften, wie LR, entwickeln aktuell ebenfalls entsprechende Vorschriften.

Aus diesen Gründen liegt der Fokus in dieser Arbeit vor allem auf den Gefährdungspotentialen durch die Brennstoffzelle und deren Peripherie zur Brennstoffversorgung. Mit der vorliegenden Arbeit wird, aufbauend auf der HAZID-Studie von LR, eine Sicherheits- und Risikoanalyse mittels der FMEA-Methode (Failure Mode and Effects Analysis, Fehler-Möglichkeiten und Einfluss Analyse) für das Schubboot ELEKTRA durchgeführt und eine Risikobewertung vorgenommen. Mit der Arbeit wird gezeigt, dass sich die Risiken auf Binnenschiffen mit alternativen Energie- und Antriebstechnologien auf ein akzeptables Niveau minimieren lassen und mit den entsprechend umzusetzenden Maßnahmen zulassungs- und betriebsfähig sind.

Die vorliegende Arbeit umfasst sieben Kapitel, welche in Abbildung 1.2 dargestellt sind.

Abbildung 1.2.: Kapitelübersicht

Die Arbeit untergliedert sich bis zur Erstellung der FMEA für das Schubboot in zwei Stränge (Kapitel 2 gegenüber den Kapiteln 3 - 5). Nachdem im ersten Kapitel die Hintergründe dieser Arbeit dargelegt sind, wird in dem folgenden Kapitel das Schubboot ELEKTRA vorgestellt. Dabei werden zunächst die Anforderungen an den Entwurf des Schubbootes sowie einzuhaltende Vorschriften und Regularien aufgezeigt. Anschließend wird das neuartige Energie- und Antriebskonzept auf dem Schubboot ELEKTRA vorgestellt und auf die einzelnen Komponenten des neuartigen Energie- und Antriebssystems wird detailliert eingegangen. Dabei werden die verschiedenen Komponenten allgemein, hinsichtlich ihrer Funktionsweise und verschiedener Typen, vorgestellt. Die Eignung der möglichen Auswahl zum Einsatz auf dem Schubboot ELEKTRA werden, vor allem aus sicherheitstechnischer Sicht, für jede Komponente diskutiert. Als Abschluss dieser Diskussionen wird jeweils die auf dem Schubboot zu installierende Systemkomponente mit ihren Daten präsentiert. Damit umfasst das zweite Kapitel einerseits die allgemeine Darstellung der Systemkomponenten und führt andererseits zu den Komponenten, die für das Schubboot ausgewählt werden.

Das dritte Kapitel gibt eine allgemeine Einführung und Übersicht in das Thema Sicherheits- und Risikoanalyse. Es werden zunächst Definitionen eingeführt und im Anschluss verschiedene Methoden zur Risikoanalyse und -beurteilung vorgestellt.

Das vierte Kapitel beschäftigt sich mit den möglichen Gefahren, die von neuartigen Komponenten, wie sie auf dem Schubboot eingesetzt werden, ausgehen können. Dazu werden zunächst die sicherheitstechnischen Kenngrößen ermittelt und die Grundlagen des Brand- und Explosionsschutzes vorgestellt. Hierbei wird zwar der Bezug zu dem Schubboot hergestellt, eine eingehende Untersuchung wird jedoch erst im Kapitel sechs vorgenommen.

Das fünfte Kapitel gibt einen Überblick über Maßnahmen, welche zur Reduzierung von Sicherheitsrisiken führen. Weiterhin wird eine Einführung in die Themen Explosions- und Brandschutz gegeben.

Das sechste Kapitel stellt die FMEA für das Schubboot ELEKTRA und im Anschluss die zu ergreifenden Maßnahmen zur Risikoreduzierung auf dem Schubboot vor. Das Kapitel umfasst zunächst die detaillierte Beschreibung der neuartigen Komponenten des Schubbootes und der bereits vorhandenen sicherheitstechnischen Schutzmaßnahmen. Mittels der FMEA werden die Risiken beurteilt und entsprechend des Gefahrenpotentials weitere Schutzmaßnahmen untersucht.

Abschließend werden die durchgeführten Arbeiten zusammengefasst, bewertet und mit einem Fazit abgeschlossen.