Die Binnen­schifffahrt deckt bereits heute einen erheblichen Anteil des Güter­transport­aufkommens. Sein weiterer Ausbau ist Teil der europäischen Strategie zur Verlagerung des Gütertransports von der Straße auf Schiene und Wasserstraßen.¹ Elektrische Antriebskonzepte stellen wichtige Ansätze für eine klimaneutrale Binnen­schifffahrt dar. Damit einher geht eine erhebliche Verbesserung der Luftqualität. Derzeit besonders im Fokus sind hybride Lösungen mit Wasserstoff und Batterie.

Relevanz dieses Anwendungsfeldes

Die Binnen­schifffahrt stellt ein wichtiges Transportmedium für den Güterverkehr dar. Auf 7.700 km Wasserstraßen in Deutschland wurden 2018 mehr als 197 Mio. t Güter transportiert. Dies entspricht knapp 5 % des gesamten Gütertransports in Deutschland. Über 90 % entfielen dabei auf die Güterabteilungen Erze, Mineralöl­erzeugnisse, fossile Brennstoffe, chemische Erzeugnisse, Erzeugnisse der Land- und Forstwirtschaft, Sekundärrohstoffe, Abfälle und Metall­erzeugnisse.²

Zwar sind die CO2-Emissionen pro Tonnen­kilometer um 75 % geringer als beim LKW-Transport. Allerdings bewegt sich die Belastung durch Luftschadstoffe (Stickoxide und Feinstaub) pro Tonnen­kilometer wegen der verwendeten Kraftstoffe und Motoren­technik in ähnlicher Höhe. Angesichts dessen, dass die Ladekapazität eines durchschnitt­lichen Binnen­schiffes der von über 100 Sattelschleppern entspricht,³ verwundert es nicht, dass die Luftbelastung durch Schiffe vor allem in Städten mit Binnen­häfen zunehmend in den Fokus der öffentlichen Debatte gerückt ist.

Im Zuge der Verschärfung der Europäischen Gesetzgebung zur Reduktion der Umwelt­wirkungen in der Binnen­schifffahrt nimmt der Anteil an Gasantrieben (LNG) im Schiffsneubau zu.⁴ Der Einsatz von Elektro­antrieben steht dagegen noch am Anfang, verspricht jedoch mittelfristig Vorteile hinsichtlich Klima­neutralität und Wirtschaft­lichkeit.

Einsatz von Batterie­speichern

Für den Einsatz von Batterie­speichern in der Antriebs­technik von Binnen­schiffen gibt es zwei verschiedene Grundkonzepte: batterie­elektrische und wasserstoff­basierte Antriebe. Bei batterie­elektrischen Antrieben wird die gesamte Antriebs­energie in Traktions­batterien mitgeführt. Bei wasserstoff­basierten Antrieben wird Wasserstoff mittels eine Brennstoff­zelle in Strom umgewandelt, der dann über eine Batterie für den Elektroantrieb eingesetzt wird.⁵ Neben der Antriebs­energie kann so auf dem Schiff auch die Energie für die Bordelektronik entsprechend bereitgestellt werden. Dies erfolgt dann in der Regel durch den Einsatz eigenständiger Batterien und damit losgelöst von der Traktions­batterie. Auch der Lade- und Löschvorgang im Hafen mit dem entsprechenden Maschinenpark ist bisweilen Gegenstand von Elektrifizierungsmaßnahmen.

Eine Orientierung zu den Einsatz­möglichkeiten von Elektro­mobilität auf dem Wasser bieten die Überlegungen von Holbach.⁵ Das von ihm vorgestellte Wasserstoff­konzept benötigt 3 Brennstoff­zellen mit einer Leistung von je 100 kW sowie eine Batterie­kapazität von 2 x 1.160 kWh für den Antrieb bzw. 2 x 116 kWh für die Bordelektronik.⁵ Zur Überbrückung kurzer Reichweiten (im Bereich von 65 km/Tag) und mittlerer Betriebszeiten (8 Stunden/Tag) empfiehlt er rein batterie­elektrische Antriebe, für mittlere Reichweiten (100-130 km/Tag) und längere Betriebszeiten (16 Stunden/Tag) wasserstoff­basierte Antriebe. Je nach Infrastruktur bietet sich bei letzteren aus ökologischen und ökonomischen Gründen eine Tank-Stopp-Strategie an, die ein wiederholtes Zwischenladen der Batterie zur Reduktion des Brennstoff­zellen­einsatzes nutzt.

Auch im Rahmen von Hybrid-Konzepten mit fossilen Energie­trägern können Batterien zum Einsatz kommen. Hierbei erzeugen Diesel­generatoren Strom für den elektrischen Schiffsmotor. Durch Entkopplung der bei Verbrennungs­motoren üblichen mechanischen Verbindung zwischen dem Schiffsmotor und der Schiffsschraube sowie den Einsatz einer Pufferbatterie kann das Gesamtsystem im Effizienz­optimum betrieben werden. So lassen sich Kraftstoff­verbrauch wie auch Schadstoff­emissionen in erheblichem Maße verringern.⁶

Performance-Anforderungen

Die Binnen­schifffahrt gerät wegen ihrer negativen Umweltwirkungen vermehrt in den Fokus der öffentlichen Diskussion. Daher spielt Umwelt­verträglich­keit auch bei der eingesetzten Batterie­technologie eine zentrale Rolle. Mit Blick auf die durchschnittliche Betriebsdauer der Schiffe kommt darüber hinaus der Investitions­sicherheit in Verbindung mit hohen Sicherheits­anforderungen eine Schlüsselrolle zu. Die verwendeten Batterien sollten mindestens 30 Jahre halten und geringst­mögliche Risiken hinsichtlich Entflammbarkeit und Explosionsgefahr aufweisen.

Die Schnell­ladefähigkeit der Batterie entscheidet darüber, wie viel Strom für die Weiterfahrt während des Lösch- oder Ladevorgangs im Hafen geladen werden kann. Sie ist damit ein wichtiger Faktor für die Routenplanung.