Dieser Artikel stellt das Hybrid-Arbeitsboot-Projekt „K-Challenge K3-H2“ vor und beleuchtet, wie die tauchgekühlte Batterietechnologie von Wattalps die Entwicklung eines kompakten, leistungsstarken Energiespeichersystems für anspruchsvolle maritime Anwendungen ermöglichte.
Kontext
Das Projekt „K-Challenge K3-H2“ wurde ins Leben gerufen, um ein wasserstoffbetriebenes Arbeitsboot zu demonstrieren, das die Dekarbonisierung des Seeverkehrs vorantreiben kann.
Das Projekt wurde von der Region Bretagne gefördert und vom K-Challenge Lab in Zusammenarbeit mit einem Konsortium aus Partnern aus den Bereichen Schifffahrt und Wasserstofftechnologie – darunter Kinell, Weenav, Argo Anleg, Chantier Naval Delavergne Loire und Hopium – geleitet. Das Ergebnis ist ein 7-Tonnen-Hybrid-Arbeitsboot der nächsten Generation, das Brennstoffzellen- und Batterietechnologien kombiniert.
Das Schiff, das für anspruchsvolle gewerbliche Einsätze einschließlich der Personenbeförderung konzipiert wurde, benötigte eine ultrakompakte Batterie, die aus nur 60 kWh Energie eine Leistung von 180 kW liefern und gleichzeitig die Anforderungen der Schiffszertifizierung von Bureau Veritas erfüllen konnte.
Die Herausforderung: 180 kW aus einer kompakten 60-kWh-Batterie zu liefern
Das Projektteam benötigte ein Batteriesystem, das folgende Anforderungen erfüllen konnte:
- 60 kWh Energiekapazität
- 180 kW Spitzenleistung (3C)
- 150 kW Dauerleistung (2,5C)
- Schiffsbau-Typgenehmigung durch Bureau Veritas
- Gewicht der Batterie unter 1 Tonne
Die Herausforderung lag nicht in der Energiekapazität, da das Einsatzprofil des Schiffes lediglich 60 kWh Energie erforderte.
Die eigentliche Herausforderung bestand darin, aus einer kompakten 60-kWh-Batterie eine Leistung von 180 kW zu erzielen, ohne dabei die Temperaturgrenzwerte zu überschreiten, die sich negativ auf die Leistung, Sicherheit und Lebensdauer der Batterie auswirken.
Wenn Batteriezellen über längere Zeiträume bei Temperaturen über 35 °C betrieben werden, beschleunigt sich der Alterungsprozess. Bei Temperaturen über 40 °C hat dies erhebliche Auswirkungen auf die Lebensdauer der Zellen. In Hochleistungsanwendungen wie dieser wird das Wärmemanagement daher zu einem entscheidenden Konstruktionsfaktor.
Das Projektteam stand nun vor folgender Frage: Wie kann eine 60-kWh-Batterie sicher 180 kW liefern, ohne zu überhitzen?
Warum herkömmliche Kühltechnologien nicht ausgereicht haben
Herkömmliche Technologien für Schiffsbatterien hatten Schwierigkeiten, den Strombedarf zu decken und gleichzeitig sichere und gleichmäßige Temperaturen aufrechtzuerhalten, ohne dabei die Größe und das Gewicht der Batterien drastisch zu erhöhen.
Luftkühlung
Die Luftkühlung bietet nur eine begrenzte Wärmeübertragungskapazität, was zu erheblichen Temperaturgradienten innerhalb des Akkupakets führt.
Zu den wichtigsten Einschränkungen zählen:
- Bis zu 30 °C Temperaturunterschied zwischen den Zellen
- Großer Platzbedarf für die Installation
- Zusätzliche Anforderungen an die Luftaufbereitung zur Vermeidung von Kontaminationen
- Geringerer thermischer Wirkungsgrad
Um die erforderliche Leistung zu erreichen, hätte eine luftgekühlte Lösung eine Batteriekapazität von 180 kWh erfordert, was den tatsächlichen Energiebedarf des Schiffes verdreifacht hätte.
Wasserkühlung
Die Wasserkühlung verbessert die thermische Leistung, führt jedoch zu einer höheren Komplexität des Systems.
Zu den Einschränkungen gehören:
- Bis zu 14 °C Temperaturunterschied zwischen den Zellen
- Zusätzliches Gewicht und Volumen durch Kühlplatten
- Notwendigkeit der Schaffung wirksamer elektrischer Isolationsbarrieren zwischen stromführenden Bauteilen und Wasser
- Leckagerisiken, die spezielle Überwachungssysteme erfordern
- Zusätzliche Kühlanlagen, einschließlich Kältemaschinen
Selbst mit Wasserkühlung müsste die Batterie noch auf 150 kWh überdimensioniert werden, um die erforderliche Leistung sicher liefern zu können.
Die WATTALPS-Lösung
WATTALPS hat die Herausforderung des Wärmemanagements mit seiner Immersionskühlung gemeistert.
Immersionskühlung ermöglicht ein unvergleichliches Wärmemanagement
Bei der WATTALPS-Technologie werden die Batteriezellen direkt in eine dielektrische Kühlflüssigkeit eingetaucht, wodurch eine hocheffiziente Wärmeübertragung und eine gleichmäßige Temperaturverteilung im gesamten Batteriepack gewährleistet werden.
Die patentierte Technologie bietet:
- Nur 2 °C Temperaturunterschied über die Batterie hinweg
- Gleichmäßige Zelltemperaturen im Hochleistungsbetrieb
- Verbesserte Akkulaufzeit
- Erhöhte Sicherheit durch effizientes Wärmemanagement und Gasableitung
- Vereinfachte Kühlarchitektur
Im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen ist kein spezieller Kühler für die Batterie erforderlich, und die Kühlung kann mithilfe von Meerwasser als Kältequelle über einen einfachen Plattenwärmetauscher erfolgen.
Die Immersionsflüssigkeit wirkt zudem als thermischer Puffer, der Leistungsspitzen absorbiert und Temperaturschwankungen ausgleicht. Dadurch kann das Kühlsystem auf die durchschnittlichen thermischen Lasten statt auf Spitzenlasten ausgelegt werden, was die Komplexität des Systems und den Energieverbrauch weiter senkt.
Erreichen einer Entladerate von 3C in einem kompakten 60-kWh-Akku
Dank eines hervorragenden Wärmemanagements gelang es WATTALPS, die erforderliche Leistung von 180 kW bei der ursprünglichen Energiezielvorgabe von 60 kWh zu erzielen.
Während herkömmliche Technologien eine erhebliche Überdimensionierung erforderten, Immersionskühlung eine Dimensionierung der Batterie entsprechend dem tatsächlichen Energiebedarf des Schiffes.
Vergleich der Batteriegrößen:
| Kühltechnik | Batterieenergie | Akku-Leistung | Gewicht der Batterie | Erforderliche Kühlleistung |
| Luftkühlung | 180 kWh | 180 kW | 2.176 kg | 6 000 W |
| Wasserkühlung | 150 kWh | 180 kW | 1 246 kg | 8 000 W |
| WATTALPS Immersionskühlung | 60 kWh | 180 kW | 560 kg | 1 000 W |
Dieser Vergleich verdeutlicht ein zentrales Ergebnis des Projekts: WATTALPS war die einzige Lösung, die in der Lage war, die erforderliche Leistung aus einer 60-kWh-Batterie zu liefern.
Ergebnisse: ein leichteres, einfacheres und energieeffizienteres Schiff
Die Vorteile gingen weit über die Akkuleistung hinaus.
Durch den Verzicht auf überdimensionierte Batterien konnte die WATTALPS-Lösung das Batteriegewicht drastisch reduzieren:
- 74 % leichter als die luftgekühlte Variante
- 55 % leichter als die wassergekühlte Variante
Die vereinfachte Architektur des Wärmemanagements ermöglichte außerdem:
- Kein Batterie-Kühler
- Einfachere Integration in das Schiff
- Geringerer Platzbedarf
- Geringerer Stromverbrauch der Hilfsstromversorgung
- Vereinfachte Gesamtkonstruktion des Behälters
Die Auswirkungen auf den Schiffsbetrieb waren ebenso erheblich.
Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen bietet die optimierte Batteriearchitektur folgende Vorteile:
- 13 % bis 25 % geringerer Energieverbrauch
- Jährliche Kraftstoffeinsparungen von 6.800 € bis 13.000 €
- Das entspricht einer Ersparnis von 113 bis 216 € pro installierter kWh pro Jahr. Die Gesamtkosten für die WATTALPS-Batterie amortisieren sich bereits lange vor Ablauf ihrer Lebensdauer durch die im Vergleich zu anderen Batterien erzielten Kraftstoffeinsparungen.
Schlussfolgerung
Bei diesem innovativen Hybrid-Arbeitsboot bestand die Herausforderung darin, aus einer kompakten Batterie eine hohe Leistung zu gewinnen, ohne dabei Abstriche bei Sicherheit, Lebensdauer oder Effizienz zu machen.
Herkömmliche Kühltechnologien konnten den Leistungsbedarf von 180 kW nur durch eine Überdimensionierung der Batterie auf 150–180 kWh decken, was zu einem erheblichen Anstieg des Gewichts, der Komplexität und der Betriebskosten führte.
Durch die Aufrechterhaltung eines Temperaturunterschieds von lediglich 2 °C im gesamten Batteriepaket Immersionskühlung dem Projektteam, das ursprüngliche Ziel von 60 kWh zu erreichen und gleichzeitig den gesamten Leistungsbedarf von 180 kW zu decken.
Das Ergebnis ist ein leichteres, effizienteres Gefäß mit vereinfachter Integration, geringeren Betriebskosten und einer Gefäßarchitektur, die mit herkömmlichen Kühltechnologien nicht realisierbar gewesen wäre.
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