Seit Jahrhunderten wird der Seeweg für den Transport von Gütern genutzt. Der globale Handel wäre ohne die Schifffahrt gar nicht möglich, denn rund 90% der Güter weltweit werden per Schiff transportiert. Der Transportsektor trägt mit einem Anteil von derzeit ca. 20% wesentlich zu den globalen CO2-Emissionen bei. Die Emissionen, die beim Transport entstehen, beeinflussen zudem auch den Carbon Footprint eines Produkts.
Grüne Logistik und insbesondere grüne Mobilität spielen eine entscheidende Rolle im Kampf gegen den Klimawandel und für die Herstellung und den Vertrieb nachhaltiger Produkte. Dies betrifft alle Verkehrsträger gleichermaßen, auch wenn die Schifffahrt als die umweltfreundlichste Form des Gütertransports gilt. Die Dekarbonisierung wird daher nicht nur auf der Straße und in der Luft, sondern auch auf dem Wasser vorangetrieben. Bis oder um 2050 sollen die Treibhausgasemissionen der internationalen Schifffahrt bereits Netto-Null erreichen. Dieses ambitionierte Ziel hat sich die Internationale Seeschifffahrtsorganisation (IMO) in ihrer überarbeiteten Klimaschutzstrategie gesetzt.
Alternative Antriebe für Schiffe: Die Zukunft ist elektrisch
Derzeit wird auf hoher See vor allem Schweröl als Treibstoff verwendet. Wie bei allen anderen Verkehrsträgern spielen alternative Antriebs- und Energiesysteme eine zentrale Rolle auf dem Weg zum klimafreundlichen Schiff. Der Trend hin zur Elektromobilität macht daher auch vor der Schifffahrt nicht halt.
Die Herausforderungen bei der Elektrifizierung des Antriebs sind für alle Formen der Elektromobilität vergleichbar. Insbesondere der effiziente Betrieb der Batteriezellen, u. a. definiert durch Leistungsindikatoren wie Lebensdauer und Zyklenbeständigkeit, erfordert effektive und zuverlässige Lösungen. Das gilt sowohl für die Aufrechterhaltung einer konstanten und gleichmäßigen Temperaturverteilung als auch für die Sicherheit der Batterie, die z. B. durch die Folgen eines Kurzschlusses oder bei mechanischer Beschädigung einer Zelle gefährdet sein kann.
Sichere Batterien für Elektroantriebe: Wärmemanagement als Schlüssel
Ein optimales Thermomanagement-System spielt eine entscheidende Rolle, um die Batterie vor Überhitzung zu schützen und die Wärme sicher von kritischen, temperaturempfindlichen Komponenten abzuleiten. Schiffs- und Autobatterien für den Elektroantrieb unterscheiden sich in ihren Abmessungen erheblich. Schiffsbatterien benötigen deutlich mehr Speicherkapazität – im Idealfall mehrere MWh. Um so viel Energie bereitstellen zu können, werden Batterieeinheiten aus einzelnen Modulen zu großen Containerlösungen zusammengefügt.
Neben der Kühlung der Batteriezellen im Normalbetrieb und während des Ladevorgangs müssen Lösungen für den Fall eines Thermal Runaways, also des thermischen Durchgehens einer Zelle, zur Verfügung stehen: Auch für diesen Fall muss das Wärmemanagement der Batterie ausgelegt sein, um einen effizienten und sicheren Betrieb der Batteriecontainer zu gewährleisten.
Die Übertragung der sehr schnell entstehenden thermischen Energie auf andere Zellen soll verhindert oder zumindest verlangsamt werden. Dazu werden Heatspreader-Materialien benötigt, die die plötzlich entstehende Wärme effektiv ableiten können und selbst hohen Temperaturen standhalten. Genau hier kommen SIGRATHERM flexible Graphitfolien von SGL Carbon ins Spiel.
Beste Wärmeableitung mit SIGRATHERM
Hochwärmeleitende und hochtemperaturbeständige SIGRATHERM-Graphitfolien stellen eine optimale Lösung für eine gleichmäßige Temperaturverteilung sowie die Ableitung thermischer Energie dar, sofern ein Thermal Runaway einsetzt:
- Exzellente thermische und elektrische Leitfähigkeit von mehreren 100 W/mK in der Ebene
- Ausgezeichnete Hitze-, Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit
- Geringes Gewicht
- Hervorragende Anpassungsfähigkeit durch hohe Kompressibilität und Flexibilität
- Leichte Verarbeitbarkeit
- Hergestellt in Deutschland und den USA
- 100% Naturgraphit – ohne Bindemittel und Additive
- Niedrige Energiekosten in der Herstellung, da kein Graphitieren erforderlich
- Hoher Nachhaltigkeitsaspekt: Material kann zu Pulver aufbereitet und wiederverwendet werden
- Große Variantenvielfalt: unterschiedliche Dicken, Dichten, Formate
(z. B. Stanzlinge, Platten, Material auf Rolle) - Zusätzliche Klebebeschichtung ein- oder beidseitig möglich
Sichere Elektrofähren: SIGRATHERM in der Praxis
In einer Elektrofähre werden Batteriemodule mit leistungsstarken Nickel-Mangan-Kobalt (NMC)-Pouch-Zellen mit einer Gesamtleistung von etwa 1 MWh mit einer Wärmemanagementlösung, die SIGRATHERM verwendet, ausgestattet.
Die Zellen sind für extreme Leistungsanforderungen ausgelegt und für den Dauerbetrieb in Schiffsantriebsbatterien entwickelt worden. Durch die hohen Lade- und Entladeraten und den Dauerbetrieb sind sie einer konstanten Belastung ausgesetzt, die zu einer erheblichen Wärmeentwicklung führen kann.
Die Energieströme, die während des Lagevorgangs genutzt werden, sind enorm. Dieser dauert trotz der großen Kapazität der Module nur wenige Minuten. Steigt die Temperatur dabei oder auch beim Entladen auf über 150°C - also weit über die normale Betriebstemperatur der Zellen - an, besteht die Gefahr eines Thermal Runaways und im schlimmsten Fall sogar eines Batteriebrands.
Herzstück des Thermomanagements
Die Zelleinheit ist so konzipiert, dass der Heatspreader, die SIGRATHERM Graphitfolie, als die zentrale Komponente für die Wärmeabführung fungieren kann. Aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit in der Ebene von mehreren 100 W/mK kann sie die Wärme gleichmäßig verteilen und ableiten.
SIGRATHERM Graphitfolie ist flexibel, ihre Dichte kann an die mechanischen Anforderungen in der Zelle angepasst werden. Sie ist mit einer ein- oder beidseitigen Klebebeschichtung erhältlich, die eine stabile Positionierung in der Zelle auch bei mechanischen Belastungen wie Vibrationen oder den natürlichen Bewegungen der Zelle durch Lade- und Entladevorgänge erlaubt.
Modular und leistungsstark: Aufbau der Zelleinheit
Die von der SIGRATHERM Graphitfolie aufgenommene und übertragene Wärme wird von der Kühlflüssigkeit in Edelstahlrohren aufgenommen und abgeführt. Die durchschnittliche Systemtemperatur beträgt ca. 25 °C, wobei das Kühlsystem in der Kundenanwendung für größere Energiemengen ausgelegt ist.
Das beschriebene Zellträgersystem wird in einem einzelnen Batteriemodul 24-fach verbaut. Dieser modulare Aufbau ermöglicht eine flexible Erweiterung des Systems, wodurch in diesem Anwendungsfall eine Gesamtleistung von etwa 1 MWh erreicht wird.
Schematischer Aufbau einer Zelleinheit:
1 Aluminium-Zellträger (mit Edelstahlrohr für Flüssigkühlung), 2 Isolationsfolie, 3 Pouchzelle, 4 SIGRATHERM Graphit-Heatspreader, 5 Schaumstoffplatte
Bildquelle: ©Kerafol
Quellen
Wie die Containerschifffahrt nachhaltiger wird, Deutsche Bank
Verteilung der CO2-Emissionen weltweit nach Sektor 2022, Statista