Schifffahrt: Damit es im blauen Ozean grüner wird

„Die moderne Schifffahrt ist bei den CO₂-Emissionen mit dem Flugverkehr gleich auf – bei anderen Schadstoff-Emissionen liegt sie sogar weit höher, wie zum Beispiel beim Schwefeldioxid“, erklärt Andreas Wimmer. Er baute den Forschungsbereich Großmotoren am Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik auf und leitet das COMET-K1-Kompetenzzentrum LEC (Large Engines Competence Center), an dem die TU Graz mehrheitlich beteiligt ist. Seine Aussage macht nachdenklich. Zumal der globale Warentransport Jahr für Jahr zunimmt.

„Über 80 Prozent der weltweiten Warentransporte erfolgt mit Schiffen“, erklärt Wimmer, warum die Forschung in diesem Bereich so wichtig ist. „Gleichzeitig fehlen in internationalen Gewässern derzeit noch strenge Richtlinien, was die Schadstoff-Emissionen betrifft.“ Nicht nur Güter werden in hoher Zahl über die Ozeane verschifft – auch der maritime Tourismus boomt. „Kreuzfahrtschiffe als schwimmende Hotels müssen ihren Betrieb auch aufrechterhalten, wenn sie in einem Hafen vor Anker liegen. Deshalb laufen die Motoren weiter, auch wenn das Schiff nicht fährt.“

Über 80 Prozent der weltweiten Warentransporte erfolgt mit Schiffen.

Wasserstoff statt Schweröl

Herkömmliche Hochseeschiffe fahren heute mit Verbrennungskraftmotoren, die Schweröl als Kraftstoff nutzen und verbrennen. Im EU-Horizon2020-Projekt HyMethShip wollen Wimmer und sein Team bis 2022 ein neues System entwickeln und seine Nutzbarkeit demonstrieren. „Wir bauen einen Verbrennungsmotor so um, dass er mit Wasserstoff betrieben werden kann“, erklärt Wimmer. „Der Wasserstoff wird direkt am Schiff aus Methanol gewonnen, das an Land mit grün erzeugtem Wasserstoff hergestellt wurde. Das vor der Verbrennung abgeschiedene CO₂ wird gespeichert, wieder an Land gebracht und für die Produktion von neuem Methanol genutzt. Das System ermöglicht uns einen praktisch schadstofffreien Betrieb des Schiffs.“

Besonderes Augenmerk legt das Team auf eine rasche Umsetzbarkeit und die wirtschaftliche Machbarkeit. „Es nutzt der Umwelt gar nichts, wenn die neue Technologie erst noch jahrzehntelang entwickelt werden muss oder finanziell utopisch ist.“ Deshalb gehören zum internationalen Projektteam nicht nur Forschende, sondern auch Schiffbauunternehmen und Institutionen, die die derzeitige Gesetzgebung und die strengen Sicherheitsbestimmungen in der Schifffahrt mit Bezug auf den neuen Antrieb berücksichtigen. In der aktuellen Phase des Projekts geht es an das Proof-of-Concept: Dafür baut das Team im gerade eröffneten Vollmotorenprüfstand am Campus Inffeldgasse eine Demonstrationsanlage.

Wind als Antrieb der Zukunft

Die Windkraft wird bereits seit Jahrhunderten als emissionsfreier Antrieb von Schiffen genutzt – und steht heute auch in der Frachtschifffahrt vor einem Revival, wie Siegfried Vössner, Leiter des Instituts für Maschinenbau und Betriebsinformatik der TU Graz, erzählt: „Frachtschiffe setzen bereits heute auf hoher See oft zusätzlich große Segel, um die Passatwinde auszunutzen. Dieser zusätzliche Antrieb spart Treibstoff und damit bares Geld.“

Auch an der TU Graz widmet man sich in der Forschung neben dem Wasserstoff dem Wind als Antriebskraft. Vössner gründete 2013 gemeinsam mit seinen Kollegen Christof Sommitsch, Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik, und Franz Wotawa, Institut für Softwaretechnologie, die fakultätsübergreifende Initiative „High Performance Sailing“. Schritt für Schritt wollte man so maritime Anwendungen der Windkraft optimieren und dazu modernste Ingenieurwissenschaften, Hochleistungswerkstoffe und Datenanalyse nutzen. „Wir konnten unser Konzept in den vergangenen Jahren auch erfolgreich in der Praxis testen – beispielsweise bei großen nationalen und internationalen Segelregatten, bei denen wir sogar den Vize-Staatsmeistertitel in der Off-Shore-Klasse erreichen konnten“, erzählt Vössner stolz.

So wurden unter anderem spezielle Sensoren entwickelt, die – in den Segeln montiert – die aktuellen Daten zu Wind und Fahrt liefern. In einem übersichtlichen Interface und kombiniert mit Wetterdaten, Verkehrsaufkommen und Strömungen dienen diese Daten zur Routen- und Geschwindigkeitsoptimierung und als wichtige Entscheidungshilfe für Navigierende. Das Konzept stieß auf großes Interesse in der Branche – allen voran bei Hochleistungssegler Peter Steinkogler. Der Landes-, Staats und Europameister arbeitet an einem Bootskonzept, mit dem er alle Geschwindigkeitsweltrekorde brechen will: dem Hydrofoil Segelboot V_REX.

Beim „Foilen“ heben mehrere Tragflächen (Foils) das Boot bei hohen Geschwindigkeiten aus dem Wasser und lassen es über der Oberfläche schweben. Durch den deutlich reduzierten Wasserwiderstand sind höhere Fahrtgeschwindigkeiten möglich.

In mehreren Bachelor- und Masterarbeiten unterstützen die Forschenden der TU Graz den Segler nun in seinem Vorhaben: So wurde unter anderem das Material und die Konstruktion der Foils untersucht, die Segelfläche und die Routen optimiert und ein maßstabgetreues Modell des Segelboots im Windkanal der TU Graz getestet. „Das Konzept funktioniert sehr gut und wir hoffen, dass es bald real umgesetzt wird“, so Vössner.

Aus der Initiative ging in weiterer Folge das „High Performance Sailing-Team“ hervor: ein Studierendenteam der TU Graz, in dem bis heute segelsportbegeisterte Studierende an ihrem Segelboot und der Segeltechnik gemeinsam mit verschiedenen Instituten forschen und erfolgreich an internationalen Studierendenregatten teilnehmen.

Umweltschonende Antriebstechnologien

Um Leistungssteigerung geht es Vössner und Wimmer dabei durchaus – allerdings erst in zweiter Linie. Im Fokus steht für beide der Umweltgedanke. „Wir Maschinenbauerinnen und -bauer gehören zu den wenigen, die mit ihren Technologien direkt das Klima entweder schädigen oder schützen können“, erklärt Vössner, der nicht nur Institutsleiter, sondern auch Vizedekan der Fakultät für Maschinenbau und Wirtschaftswissenschaften ist. „Ich möchte auch an der Fakultät Alternativen zum Automobil eröffnen und damit zusätzlich andere Mobilitätskonzepte in den Fokus rücken. Das ist auch zunehmend unseren Studierenden wichtig.“ Natürlich sei man als Forschungseinrichtung im Binnenland nicht auf den Schiffsbau selbst spezialisiert, aber: „Wir haben an unseren unterschiedlichen Instituten sehr viel Fachwissen und Engagement für nachhaltige Systeme, das sich ohne Weiteres auf den maritimen Bereich übertragen lässt. Autonome Fahrzeuge und High-Tech gibt es nicht nur auf der Straße“, lacht Vössner. „Derzeit haben wir unser Potenzial noch bei Weitem nicht ausgeschöpft - aber das wollen wir ändern.“

Diese Forschungsprojekte sind in den Fields of Expertise „Mobility & Production“ und „Sustainable Systems“ verankert, zwei der fünf strategischen Schwerpunktfelder der TU Graz.
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