Rolls-Royce hat einen schnelllaufenden Schiffsmotor entwickelt, der mit einem sauberen Kraftstoff betrieben wird. Ein Test verlief laut Hersteller erfolgreich.

Die Maschine läuft ausschließlich mit Methanol. Es ist der erste schnelllaufende, reine Methanolmotor. Er basiert auf der Baureihe 4000 der Rolls-Royce-Tochter MTU Friedrichshafen, die normalerweise mit Diesel betrieben wird, der aber durch Drop-In-Kraftstoffe wie hydriertes Pflanzenöl (HVO) oder synthetische Kraftstoffe ersetzt werden kann.

„Das ist eine echte Weltneuheit“, sagte Jörg Stratmann, Chef von Rolls-Royce Power Systems AG. „Bislang gibt es keinen anderen schnelllaufenden Motor dieser Leistungsklasse, der rein mit Methanol betrieben wird. „Ein Schnellläufer erreicht auch Drehzahlen mehr als 2000 Umdrehungen in der Minute.

2 Megawatt Leistung

Die mit Methanol betriebene Version hat eine Leistung von 2 Megawatt. Damit ist sie nicht leistungsfähig genug für die großen Containerfrachter. Die Baureihe 4000 wird etwa in Fregatten, Schleppern, Binnenschiffen oder in großen Yachten verbaut.

Da Methanol kein Drop-In-Kraftstoff ist, musste der Motor dafür umgebaut werden. Unter anderem haben die Ingenieure ein neues Einspritzsystem entwickelt, da das Methanol nicht wie Diesel selbst zündet. Auch andere Funktionen wie die Gemischbildung und die Aufladung mussten angepasst werden.

Das galt nicht nur für den Motor selbst: Auch der Prüfstand in Friedrichshafen musste für den Methanolantrieb modifiziert werden. „Die ersten Tests zeigen: Der Motor läuft stabil – jetzt geht es um die Feinabstimmung“, sagte Johannes Kech, der die Entwicklung der Leiter der Methanolmotor geleitet hat.

Tests in Friedrichshafen

Das Antriebssystem ist seit 2023 im Rahmen des Projekts meOHmare entwickelt worden. Beteiligt sind neben Rolls-Royce nach das Stuttgarter Maschinenbauunternehmen Woodward L’Orange und das gemeinnützige Wissenschaftlich-Technisches Zentrum (WTZ) für Motoren- und Maschinenforschung Roßlau in Dessau. Der Motor wurde auf dem Prüfstand in Friedrichshafen getestet.

Das Konzept sieht vor, den Motor mit grünem Methanol zu betreiben, also mit Methanol, das aus Wasserstoff hergestellt wird, der mit Strom aus erneuerbaren Quellen erzeugt worden ist, und abgeschiedenem oder atmosphärischem Kohlendioxid. Dann ist der Kraftstoff klimaneutral. Als Übergangslösung arbeitet Rolls-Royce zudem an einem Dual-Fuel-Motor, der mit Methanol und mit Diesel betrieben werden kann. Die sei „eine Brückentechnologie, solange grünes Methanol noch nicht flächendeckend verfügbar ist.“

Etwa 90 Prozent des Welthandels werden auf dem Seeweg abgewickelt. Der Schiffsverkehr macht knapp 3 Prozent der Kohlendioxidemissionen aus, 13 Prozent der Schwefel- sowie etwa 30 Prozent der Stickoxidemissionen. Hinzu kommen Rußpartikel und Feinstaub. Bis 2050 müssen Schiffe klimaneutral sein.

(wpl)

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Die zerkleinerte Getränkedose verschwindet in einer Wolke aus Dampf und unsichtbarem Wasserstoffgas. „Ich kann diese Reaktion einfach fortsetzen, indem ich mehr Wasser hinzufüge“, erläutert Peter Godart und spritzt etwas davon in den dampfenden Laborbecher. „Das ist Wasser mit Raumtemperatur, und es kocht sofort. Auf dem Herd würde das langsamer gehen.“ Godart ist Gründer und CEO von Found Energy, einem Start-up aus Boston, das sich zum Ziel gesetzt hat, Energie aus Aluminiumabfällen zu nutzen, um industrielle Prozesse ohne Öl und Gas zu betreiben. Seit 2022 arbeitet das Unternehmen daran, Methoden zu entwickeln, den in dem Metall gebundenen Brennwert in kleinem Maßstab freizusetzen – und das schnell. Inzwischen hat Found Energy auch eine viel größere Version seines Systems in Betrieb genommen, die laut Godart der größte jemals gebaute Aluminium-Wasser-Reaktor ist.

Anfang nächsten Jahres wird ein solcher Reaktor verwendet, um eine Werkzeugfabrik im Südosten der USA mit Wärme und Wasserstoff zu versorgen, wobei die Aluminiumabfälle der Fabrik selbst als Energieträger verwendet werden. (Das Unternehmen wollte bis zur offiziellen Bekanntgabe des Projekts nicht genannt werden.) Wenn alles wie geplant funktioniert, könnte diese Technologie, die noch einen Katalysator braucht, um die in Aluminiummetall gespeicherte Kraft freizusetzen, einen wachsenden Anteil von Aluminiumschrott in einen CO₂-freien Brennstoff umwandeln. Die vom Reaktor erzeugte hohe Wärme könnte zudem wertvoll sein, um die erheblichen Treibhausgasemissionen zu reduzieren, die bei industriellen Prozessen wie der Zementherstellung und der Metallveredelung entstehen – und die nur schwer direkt mit grünem Strom betrieben werden können.

Aluminium als Energieträger im Fokus

„Wir haben diesen Energieträger erfunden, der Segen und Fluch zugleich ist“, sagt Godart, umgeben von den Rohren und Kabeln des Versuchsreaktors. „Das ist eine riesige Chance für uns, aber es bedeutet auch, dass wir alle Systeme um den Reaktor herum entwickeln müssen. Wir definieren neu, was ein solcher Generator überhaupt ist.“ Ingenieure haben aufgrund seiner überlegenen Energiedichte schon lange ein Auge auf Aluminium als Energieträger geworfen. Nach der Raffination und Verhüttung aus Erz enthält Aluminiummetall mehr als doppelt so viel Energie wie Dieselkraftstoff pro Volumen und fast achtmal so viel wie Wasserstoffgas. Wenn es mit dem Sauerstoff in Wasser oder Luft reagiert, bildet es Aluminiumoxide. Bei dieser Reaktion werden Wärme und Wasserstoffgas freigesetzt, die für die Erzeugung von CO₂-freier Energie genutzt werden können. Das Problem mit Aluminium als Brennstoff – und der Grund, warum Getränkedosen nicht spontan in Flammen aufgehen – ist, dass sich, sobald das Metall zu reagieren beginnt, eine Oxidschicht auf seiner Oberfläche bildet. Der Rest des Materials wird daran gehindert, zu reagieren. Es ist wie ein Feuer, das sich selbst löscht, wenn Asche entsteht. „Die Menschen haben es schon oft versucht und diese Idee wieder verworfen“, sagt Godart.

Einige Beobachter glauben, dass die Verwendung von Aluminium als Energieträger nach wie vor ein aussichtsloses Unterfangen ist. „Die potenzielle Verwendung von Aluminium taucht alle paar Jahre auf und hat selbst dann keine Aussicht auf Erfolg, wenn Aluminiumschrott als Brennstoffquelle verwendet wird“, glaubt Geoff Scamans, Metallurg an der Brunel University in London, der in den 80er Jahren ein Jahrzehnt lang an der Verwendung von Aluminium als Fahrzeugtreibstoff gearbeitet hat. Er meint, dass die Aluminium-Wasser-Reaktion nicht effizient genug ist, um Aluminium als Energieträger sinnvoll einzusetzen, wenn man bedenkt, wie viel Leistung zunächst für die Raffination und Verhüttung von Aluminium aus Erz benötigt wird: „Eine verrückte Idee bleibt immer eine verrückte Idee.“

Dem richtigen Katalysator auf der Spur

Godart glaubt jedoch, dass er und sein Unternehmen einen Weg gefunden haben, damit der Prozess funktioniert. „Der eigentliche Durchbruch war, Katalyse auf eine andere Art und Weise zu betrachten“ sagt er: Anstatt zu versuchen, die Reaktion zu beschleunigen, indem Wasser und Aluminium auf einem Katalysatormaterial zusammengebracht werden, haben „wir es umgedreht“ und „ein Material gefunden, das wir tatsächlich in Aluminium auflösen konnten“, sagt der Firmenchef. Der flüssige Metallkatalysator, der das Herzstück des Ansatzes von Found Energy bildet, „durchdringt die Mikrostruktur“ des Aluminiums. Wenn das Aluminium mit Wasser reagiert, zwingt der Katalysator das Metall zum Aufschäumen, wodurch mehr zuvor nicht reagierendes Aluminium dem Wasser ausgesetzt wird.

Die Zusammensetzung des Katalysators ist Geschäftsgeheimnis, aber Godart sagt, es handele sich um ein „flüssiges Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, das kein Quecksilber ist“. In seiner Dissertation konzentrierte sich der Unternehmer selbst auf die Verwendung einer flüssigen Mischung aus Gallium und Indium als Katalysator, und er sagt, dass das Prinzip hinter dem aktuellen Material dasselbe ist.

Bei einem Besuch Anfang Oktober demonstrierte Godart die zentrale Reaktion im Found-Energy-Forschungslabor, das nach einer Seed-Investment-Runde für das Unternehmen in Höhe von zwölf Millionen US-Dollar im letzten Jahr in Boston startete. Es nimmt nun den größten Teil von zwei Etagen eines Industriegebäudes im Bostoner Stadtteil Charlestown ein. Um zu vermeiden, dass die Reaktion durch die Feuchtigkeit an seinen Fingern ausgelöst wird, legte Godart mit einer Zange ein mit dem geheimen Katalysator behandeltes Aluminiumpellet in einen Becher und fügte dann Wasser hinzu. Sofort begann das Metall, mit Wasserstoff zu sprudeln. Dann verdampfte das Wasser und hinterließ eine schäumende graue Masse aus Aluminiumhydroxid.

Der Weg zum Gründer

„Eines der Hindernisse für den Durchbruch dieser Technologie war, dass [die Aluminium-Wasser-Reaktion] einfach zu träge war“, sagt Godart. „Aber wie Sie hier sehen können, erzeugen wir Dampf. Wir haben gerade einen Boiler gebaut.“ Der Firmengründer war Wissenschaftler bei der Nasa, als er erstmals über neue Wege nachdachte, um die im Aluminium gespeicherte Energie freizusetzen. Er arbeitete an der Konstruktion von Aluminiumrobotern, die sich selbst als Treibstoff verbrauchen sollten, wenn sie auf dem eisigen Mond Europa des Jupiter unterwegs waren. Diese Arbeit wurde jedoch abgebrochen, als der US-Kongress die Mittel für die Mission kürzte.

„Ich hatte eine kleine Krise, in der ich mir dachte, ich muss etwas gegen den Klimawandel und die Probleme auf der Erde unternehmen“, sagt Godart. „Und ich dachte mir: Diese Technologie wäre sogar noch besser für Anwendungen auf der Erde geeignet.“ Nach Abschluss seiner Dissertation über Aluminium als Energieträger am MIT gründete er 2022 in seinem Haus in Cambridge das Unternehmen Found Energy. Bis zu diesem Jahr arbeitete das Start-up in kleinem Maßstab, optimierte den Katalysator und testete verschiedene Bedingungen in einem kleinen 10-Kilowatt-Reaktor, um die Reaktion zu beschleunigen und mehr Wärme und Wasserstoff freizusetzen. Im Januar begann das Unternehmen dann mit der Konstruktion eines zehnmal größeren Generators, der genug Leistung für industrielle Prozesse außerhalb des Labors liefern soll.

Wie der Aluminiumreaktor funktioniert

Dieses größere System nimmt den größten Teil des Labors im zweiten Stock in Boston ein. Der Reaktorbehälter ähnelt einem auf die Seite gedrehten Wasserboiler, mit Rohrleitungen und Kabeln, die an Überwachungsgeräte angeschlossen waren, die fast so viel Platz einnehmen wie der Generator selbst. An einem Ende befindet sich ein Rohr zum Einleiten von Wasser und ein Kolben, um Aluminium-Brennstoffpellets mit variabler Geschwindigkeit in den Reaktor zu befördern. Am anderen Ende transportierten Auslassrohre die Reaktionsprodukte ab: Dampf, Wasserstoffgas, Aluminiumhydroxid und den zurückgewonnenen Katalysator. Godart sagt, dass bei der Reaktion kein Katalysator verloren geht, sodass er wiederverwendet werden kann, um mehr Energie herzustellen.

Das Unternehmen nahm das System im Juli zum ersten Mal in Betrieb, um mit Tests zu beginnen. Im September gelang es, den Generator auf die angestrebte Leistung von 100 Kilowatt hochzufahren – etwa so viel, wie ein Dieselmotor in einem kleinen Pickup liefern kann. Anfang 2026 soll die 100-Kilowatt-Anlage installiert werden, um die erwähnte Werkzeugfertigungsanlage mit Wärme und Wasserstoff zu versorgen. Dieses Pilotprojekt soll als Proof of Concept dienen, um die Finanzierung für einen 1-Megawatt-Reaktor zu sichern, der zehnmal größer wäre.

Extrem hohe Temperaturen

Im ersten Pilotprojekt wird das System zur Erzeugung von heißem Dampf und Wasserstoff eingesetzt. Die im Reaktor freigesetzte Energie könnte jedoch laut Godart auf vielfältige Weise und in einem breiten Temperaturbereich genutzt werden. Der heiße Dampf könnte eine Turbine antreiben, um Strom zu erzeugen, oder der Wasserstoff könnte in einer Brennstoffzelle Strom erzeugen. Durch die Verbrennung des Wasserstoffs im Dampf kann der Motor Dampf mit einer Temperatur von bis zu 1.300 Grad Celsius erzeugen, der zur effizienteren Stromerzeugung oder zur Veredelung von Chemikalien genutzt werden könnte. Die Verbrennung des Wasserstoffs allein könnte Temperaturen von 2.400 Grad Celsius erzeugen, die heiß genug sind, um Stahl herzustellen.

„Aluminiumrecycler kommen zu uns und bitten, ihre schwer wiederzuverwendenden Aluminiumabfälle zu übernehmen.“

Godart sagt, dass er und seine Kollegen hoffen, dass das System irgendwann viele verschiedene industrielle Prozesse direkt betreiben wird, aber das erste Ziel sind die Aluminiumveredelung und das Aluminiumrecycling selbst, da sie bereits mit Altmetall und Aluminiumoxid-Lieferketten in Verbindung steht. „Aluminiumrecycler kommen zu uns und bitten, ihre schwer wiederzuverwendenden Aluminiumabfälle zu übernehmen und sie in saubere Wärme umzuwandeln, mit der sie anderes Aluminium wieder einschmelzen können“, sagt er. Die Bitten seien inständig.

Aluminium im Dauerprozess?

Unter Berufung auf Geheimhaltungsvereinbarungen will Godart keine der Unternehmen nennen, die ihr nicht recycelbares Aluminium anbieten, was seiner Meinung nach so etwas wie ein „schmutziges Geheimnis“ für eine Branche ist, die eigentlich alles recyceln sollte, was sie einsammelt. Schätzungen des Branchenverbands International Aluminium Institute deuten jedoch darauf hin, dass weltweit derzeit etwas mehr als drei Millionen Tonnen Aluminium, die zum Recycling gebracht werden, nicht recycelt werden; weitere neun Millionen Tonnen werden gar nicht erst gebracht oder zusammen mit anderen Abfällen verbrannt. Zusammen macht das etwas weniger als ein Drittel der geschätzten 43 Millionen Tonnen Aluminiumschrott aus, die derzeit jedes Jahr recycelt werden.

Selbst wenn all dieser ungenutzte Schrott als Brennstoff zurückgewonnen würde, würde er nur einen Bruchteil des gesamten industriellen Wärmebedarfs decken, ganz zu schweigen vom gesamten industriellen Energiebedarf. Der Plan von Found Energy sieht jedoch nicht vor, sich durch den verfügbaren Schrott einschränken zu lassen. Laut Godart besteht Hoffnung, das aus dem Reaktor austretende Aluminiumhydroxid „aufzuladen“, indem es mit sauberem Strom wieder in Aluminiummetall umgewandelt und erneut zur Reaktion gebracht wird. Nach Schätzungen des Unternehmens könnte dieser „geschlossene Kreislauf“ den gesamten weltweiten Bedarf an industrieller Wärme decken, indem insgesamt rund 300 Millionen Tonnen Aluminium – etwa vier Prozent der reichlich vorhandenen Aluminiumreserven der Erde – verwendet und wiederverwendet werden.

Grüne Energie für die Wiederaufladung

Allerdings würde dieser Prozess viel Energie erfordern. „Wenn man das tut, ist [Aluminium als Energieträger] eher eine Energiespeichertechnologie als eine Energieversorgungstechnologie“, sagt Jeffrey Rissman, der sich bei Energy Innovation, einem Think Tank in Kalifornien, mit der CO₂-Neutralität in der Industrie befasst. Wie bei anderen Formen der Energiespeicherung, beispielsweise Thermalbatterien oder grünem Wasserstoff, könnte dies dennoch sinnvoll sein, wenn der Energieträger mit kostengünstigem, sauberem Strom wieder regeneriert werden kann. Angesichts des Wettbewerbs um saubere Energie für alles – von KI-Rechenzentren bis zu Wärmepumpen – wird dies jedoch immer schwieriger werden.

Trotz dieser Hindernisse ist Godart zuversichtlich, dass sein Unternehmen einen Weg finden wird, damit es funktioniert. Die bestehende Anlage könnte bereits mehr Leistung aus Aluminium herausholen als erwartet. „Wir glauben tatsächlich, dass damit wahrscheinlich ein halbes Megawatt erreicht werden kann“, sagt er. „Wir haben den Reaktor noch nicht voll ausgereizt.“

Dieser Beitrag ist zuerst auf t3n.de erschienen.

(jle)