U-BOOTTECHNOLOGIE DER ZUKUNFT - VOM BEDARF ZUR LÖSUNG

Von Peter Hauschildt
(Peter Hauschild ist Leiter Forschung und Entwicklung. Projekte Deutsche Marine, Konzeptentwurf bei Howaldtswerke-Deutsche Werft GmbH im Konzern ThyssenKrupp Marine Systems )

Heute und zukünftig wird dem U-Boot ein immer breiteres Spektrum an Aufgaben abverlangt, von Maßnahmen gegen Terroristen auf See über U-Jagd und Kampf gegen Schiffe bis zur Unterstützung für Einsätze an Land. Diese Aufgaben finden vorwiegend in den schwierigen Bedingungen der Küstengewässer statt, setzen jedoch heute mitunter weite Anfahrtswege bis zu den Krisenschauplätzen der Welt voraus.

Der Beitrag beschreibt wichtige Aspekte und neue Entwicklungen in der U-Boot-Technologie.

Antrieb – AIP

Nicht-nukleare U-Boote sind aufgrund ihrer ausgezeichneten Manövrierfähigkeiten für Einsätze in Küstengewässern besonders geeignet.Mit einem modernen außenluftunabhängigen Antriebssystem (air-independent propulsion = AIP) kann das U-Boot tief getaucht lange Zeit im Operationsgebiet verweilen. AIP ist der Schlüssel zur faktischen Unentdeckbarkeit: Das U-Boot kann Aufgaben im Bereich der Aufklärung, Überwachung und Erkundung sowie zum Verbringen von Spezialkräften mit einem extrem niedrigen Entdeckungsrisiko ausführen.

ThyssenKrupp Marine Systems (TKMS) bietet heute die einzigen voll ausgereiften AIP-Systeme: Den Stirling-Motor, ein seit 20 Jahren im aktiven Einsatz befindliches AIP-System, und die PEM-Brennstoffzelle (BZ), ein hoch entwickeltes AIP-System, das heute weltweit bei mehreren Marinen im Einsatz ist.

Stirling-Motor (Foto: TKMS)	Brennstoffzelle (Foto: TKMS)

Die Forderung einiger Marinen nach längeren Einsatzzeiten und höherer AIP-Geschwindigkeit führt zu einer Nachfrage nach mehr an Bord mitgeführter AIP-Energie. Beiden genannten Systemen sind in dieser Hinsicht Grenzen gesetzt, dem Stirling- Motor hauptsächlich durch den Sauerstoffbedarf und der Brennstoffzelle (BZ) vorwiegend durch das Gewicht der Wasserstofflagerung in Metallhydridzylindern.

Um diese Begrenzung des BZ-Systems zu überwinden, entwickelt TKMS einen Methanolreformer. Der Methanolreformer erzeugt den Wasserstoff für den Betrieb der Brennstoffzelle an Bord, wodurch die Metallhydridzylinder nicht mehr erforderlich sind. Die an Bord mitgeführten Energiereserven können somit einfach erhöht werden, ohne das U-Boot wesentlich vergrößern zu müssen. Ein weiterer Vorteil liegt in der vereinfachten Logistik, da Methanol flüssig und weltweit zu günstigen Preisen erhältlich ist.

Das zurzeit entwickelte System basiert auf der Dampfreformierung von Methanol, wobei ein wasserstoffreiches Gasgemisch im Reformer erzeugt wird. In einem weiteren Schritt wird der größte Anteil des Wasserstoffs mit einer Membranfiltereinheit aus dem so genannten Reformat ausgefiltert. Die Restgase aus der Membranfiltereinheit enthalten immer noch brennbare Komponenten, die mit reinem Sauerstoff verbrannt werden, um die für die Reformierung benötigte Wärme zu erzeugen.

Das Verfahren findet unter erhöhtem Druck statt, um die Abgasausbringung bei den meisten Tauchtiefen ohne zusätzlichen Kompressor erreichen zu können. Der im Reformer erzeugte Wasserstoff ist von sehr hoher Qualität und eignet sich für die direkte Nutzung in den bewährten Siemens- Brennstoffzellenmodulen.

Demonstrationsanlage eines 240-kW-Methanolreformers (Foto: TKMS)

Bei Howaldtswerke-Deutsche Werft GmbH (HDW) wurde vor einigen Jahren die Demonstrationsanlage eines Methanolreformers aufgestellt. Zurzeit arbeitet HDW an der Endentwicklung aller Komponenten, damit sie für den Einsatz an Bord eines U-Boots geeignet sind – eine große Herausforderung angesichts der Notwendigkeit, eine verfahrenstechnische Anlage in die geschlossene Atmosphäre eines U-Boots zu integrieren. Der Methanolreformer selbst wird hierbei mit diversen Sicherheitsvorkehrungen versehen, um die Besatzung vor schädlichen Gasen und Flüssigkeiten zu schützen.

Mit der Entwicklung des Methanolreformers verbindet HDW die Vorteile von AIP-Brennstoffzellensystemen mit den Vorteilen eines flüssigen Brennstoffs, wodurch dem Kunden eine weitere Alternative im Bereich der AIP-Technologie bei TKMS geboten wird.