Ausprobiert: Energie/Strom aus der Brennstoffzelle auf einer Yacht

Die Brennstoffzelle liefert umweltfreundliche Energie auf einer Yacht

Solarmodule, Batterieladegeräte, Lichtmaschinen, Wind-, Hydro- und Dieselgeneratoren sind bekannte Energielieferanten, wenn es um die Ladung der Batterien an Bord einer Yacht geht. Seit einigen Jahren gibt es daneben aber auch Brennstoffzellen, die sich bei Wohnmobilisten bereits zunehmender Beliebtheit erfreuen. In der Segelbranche hingegen fristen sie immer noch ein Schattendasein. Grund genug, sich die Technik einmal näher anzusehen.

Der Hersteller EFOY hat mit dem Modell Pro 2800 eine Variante der Brennstoffzelle im Programm, die einen maximalen Ladestrom von 10 Ampere bei einer Spannung von 12 Volt liefert und damit durchaus auch für Yachteigner interessant ist. EFOY hat seinen Firmensitz bei München, produziert in Deutschland und ist ein Spezialist für Brennstoffzellen. Seit der Gründung wurden rund 60.000 Einheiten verkauft.

Das hat uns neugierig gemacht. Daher haben wir uns eine Brennstoffzelle von EFOY besorgt, mit an Bord genommen und ausprobiert, wie sie funktioniert. Uns hat dabei auch interessiert, ob die Brennstoffzelle auf einer Yacht praktikabel eingesetzt werden kann. Vor allem waren wir gespannt, ob die Installation kompliziert ist und wie laut das Gerät ist. Gleich vorweg: Die Installation ist denkbar einfach und die EFOY Pro 2800 angenehm leise. Aber dazu gleich mehr …

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Vorab sei kurz erklärt, wie eine Brennstoffzelle eigentlich arbeitet. Die Brennstoffzelle ist eine sogenannte galvanische Zelle. Das ist eine Vorrichtung, in der chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Man könnte sagen, dass sie so ähnlich funktioniert wie eine Batterie, mit dem Unterschied, dass der „Brennstoff“ in der Batterie enthalten ist, während er bei der Brennstoffzelle kontinuierlich von außen aus einem Tank hinzugeführt wird.

Innerhalb der galvanischen Zelle, der Brennstoffzelle, wird der Brennstoff (Wasserstoff) zu einer Elektrode geleitet, die sich Anode nennt. Die Anode ist dafür bekannt, dass sie aus einem Elektrolyt Elektronen aufnehmen kann. Der Gegenspieler der Anode ist die Kathode – sie gibt Elektronen an ein Elektrolyt ab.

Konkret wird innerhalb der Brennstoffzelle Sauerstoff (O₂) aus der Luft zur Kathode geleitet und Wasserstoff (H₂) zur Anode. Dabei besitzt der Wasserstoff an der Anode die Eigenschaft, ohne Energie von außen mit dem Sauerstoff an der Kathode eine Verbindung eingehen zu wollen, die Wasser ergibt. Bei diesem Vorgang werden Elektronen frei, die von der Anode aus dem Elektrolyt aufgenommen werden und außerhalb der Brennstoffzelle von der Anode zur Kathode (zurück)fließen und somit als Strom genutzt werden können, um die Batterie der Yacht zu laden. Auf diesem Wege wird die Energie der chemischen Reaktion in elektrische Energie umgewandelt.

Das klingt gut. Der einzige Haken an der Sache ist, dass sich Wasserstoff nur sehr schlecht einlagern und transportieren lässt. Stattdessen wird Methanol als Brennstoff eingesetzt. Über einen sogenannten Methanol-Reformer kann aus dem Methanol unter Freisetzung von Kohlendioxid reiner Wasserstoff erzeugt werden.

Betrachtet man den gesamten Prozess passiert beim Betrieb der Brennstoffzelle Folgendes: Mit dem „Brennstoff“ (Methanol) aus der Tankpatrone, ergänzt um Sauerstoff aus der Luft, wird Strom produziert. Dabei entstehen neben dem Strom lediglich Abwärme und Wasserdampf mit einem geringen Anteil Kohlendioxid (CO₂). Man nennt dies auch eine kalte Verbrennung, bei der umweltfreundlicherweise – anders als bei warmen Verbrennungen – weder Stickoxide noch andere Verbrennungsprodukte entstehen.

Die technischen Daten der Brennstoffzelle

Die ausprobierte EFOY-Brennstoffzelle Pro 2800 hat eine maximale Ausgangsleistung von 125 Watt. Bei einer typischen Bordspannung von 12 Volt fließt also ein Ladestrom von etwa zehn Ampere. Die empfohlene minimale Batteriekapazität bei Bleibatterien beträgt 80 Amperestunden (Ah). Die maximale Batteriekapazität liegt bei 800 Amperestunden. Bei Lithiumbatterien (LiFePO₄) liegt die minimale Batteriekapazität bei 40 Amperestunden und die Obergrenze bei 600 Amperestunden.

Interessant ist, dass die Brennstoffzelle EFOY Pro 2800 wartungsfrei ist. Allerdings muss man wissen, dass bei einer sehr hohen Anzahl an Betriebsstunden die Ausgangsleistung etwas nachlässt. Laut Herstellerangabe liegt die Ausgangsleistung nach 3.000 Betriebsstunden bei 105 Watt und nach 6.000 Betriebsstunden etwa bei 87 Watt. Diese Betriebsstundenzahlen wird ein typischer Yachteigner allerdings kaum erreichen.

Einfluss auf die Ausgangsleistung haben auch die Einbausituation und die Betriebsbedingungen – beispielsweise die Temperatur. Wenn die Außentemperatur sehr hoch ist, kann sich die Ausgangsleistung ebenfalls reduzieren. Die Stromaufnahme der Brennstoffzelle selbst ist im Ruhezustand gering. Sie liegt bei 42 Milliampere und kann somit vernachlässigt werden.

Die Abmessungen der Brennstoffzelle betragen 448 (Länge) x 198 (Breite) x 275 (Höhe) Millimeter und sie wiegt 7,8 Kilogramm. Die Bedienung erfolgt entweder über eine App oder über ein separat erhältliches Bedienpanel. Wir haben die EFOY Pro 2800 mit der App ausprobiert. Das funktionierte grafisch ansprechend und unkompliziert.

In der App wird der eigentliche Betrieb gesteuert. Es werden mit der App aber auch die Einstellungen vorgenommen, die Einfluss auf den Betrieb haben. Beispielsweise kann in der App festgelegt werden, bei welcher Spannung die Brennstoffzelle den Ladevorgang automatisch starten oder beenden soll.

Die elektrische Schnittstelle zur Batterie der Yacht ist eine vierpolige Buchse. Hier wird das mitgelieferte Ladekabel angeschlossen. Von den vier Adern haben zwei Adern einen Querschnitt von 4 Quadratmillimetern. Sie werden als Plus- und Minusleitung mit der Batterie in der Yacht verbunden. Die anderen beiden Adern sind deutlich dünner. Sie werden ebenfalls mit dem Plus- und Minuspol der Batterie verbunden und dienen als Sensorleitung beziehungsweise der Spannungsmessung.

Von EFOY gibt es neben dem von uns ausprobierten Modell Pro 2800 auch noch zwei weitere Modelle. Die kleinste Variante EFOY 80 hat eine Leistung von 40 Watt, das größere Modell EFOY 150 leistet 70 Watt. Mag sein, dass es Eigner gibt, denen 40 oder 70 Watt für den Einsatz an Bord ausreichen. Der maximale Ladestrom beträgt dann bei 12 Volt etwa 3,3 Ampere (40 Watt) oder 5,8 Ampere (70 Watt). Mir persönlich wäre das zu wenig. Auf Fahrtenyachten, wo Batteriebänke schnell sehr groß werden können, halte ich das Modell EFOY Pro 2800 mit 125 Watt für am besten geeignet. Andernfalls dauert der Ladevorgang viel zu lange.

Komponenten und Zubehör der EFOY-Brennstoffzelle

Die Grundausstattung der Brennstoffzelle

Zur Grundausstattung gehören neben der Brennstoffzelle das Ladekabel für die Batterie, der Bluetooth-Adapter, der Tankanschluss und die Abgasleitung. Weiterhin sind ein Gurt zum Fixieren der Brennstoffzelle gegen Verrutschen und Umfallen enthalten sowie eine Außenblende, ein Abwärmerohr und ein Abwärmebogen. Für die Tankpatrone gibt es einen Halter, auf dem die Patrone mit einem Gurt gesichert wird. Auch diese beiden Teile gehören zum Lieferumfang.

Was mir gefallen hat: Die Brennstoffzelle und das Zubehör sind sehr gut und ansprechend verpackt. Man merkt, dass hier serviceorientiert gedacht wurde. Beispielsweise sind die passenden Kabelschuhe und Sicherungen sowie die Beschläge für die Befestigung des Spanngurtes mit dabei. Dies sind kleine Details, die Freude machen.

Der Brennstoff für die Brennstoffzelle

Der „Kraftstoffverbrauch“ liegt bei 0,9 Litern Methanol pro Kilowattstunde. Mit einem Liter Methanol können somit 1.111 Watt geleistet werden, das entspricht bei 12 Volt 92,5 Amperestunden. Es gibt verschiedene Größen bei den Tankpatronen. Für Segler relevant sind die Größen 5 Liter und 10 Liter. Es gibt auch Tankpatronen in den Größen 28 Liter und 60 Liter. Hier sehen die Sicherheitsanforderungen allerdings vor, dass sie nicht in Fahrzeugen verwendet werden.

Beim Testen haben wir die Tankpatrone M10 eingesetzt. Sie enthält 10 Liter Methanol und wiegt 8,4 Kilogramm. Die Tankpatrone M10 hat eine Größe von 230 x 193 x 318 Millimeter und wird mit dem an der Brennstoffzelle befestigten Schlauch verbunden. Dieses System wirkt sehr gut durchdacht und die Patronen können schnell gewechselt werden. Wenn man zwei oder mehr Tankpatronen verwenden möchte, kann man einen sogenannten Fuelmanager einsetzen, der die Kanister umschaltet.

Für den zuverlässigen Betrieb der Brennstoffzelle sieht EFOY vor, dass hochreines und sauberes Methanol zum Einsatz kommt. Der Hersteller weist darauf hin, dass nur bei der Verwendung von Original EFOY-Tankpatronen die maximale Betriebsdauer der Brennstoffzelle gewährleistet wird. Nach der vorstehenden Leistungs-Rechnung hat die M10 Tankpatrone eine Energiekapazität von 11,1 Kilowatt. Auf eine Spannung von 12 Volt bezogen entspricht das 925 Amperestunden.

Die spannende Frage ist natürlich, wo kann ich Methanol-Nachschub bekommen? Mit etwas Vorlauf ist es in Europa und Nordamerika keine Herausforderung, an den Brennstoff zu kommen. Es gibt ein umfangreiches Händlernetz für den Caravan- und Marinebereich. Darüber hinaus sind auch vereinzelt Händler in Australien und Neuseeland zu finden. Da das Netz weiter anwächst, lohnt es sich, die entsprechende Händlerkarte auf der Internetseite von EFOY einzusehen.

Optionales Zubehör für die Brennstoffzelle

So richtig viel optionales Zubehör gibt es nicht, da alle wichtigen Komponenten bereits im Lieferumfang enthalten sind. Interessant ist allerdings, dass die Brennstoffzelle anstatt über die App auch über ein optional erhältliches Bedienpanel bedient werden kann. Das Bedienpanel wird in der Yacht fest verbaut, was ich ganz praktisch finde, wenn man regelmäßig längere Törns unternimmt und dabei auf die Brennstoffzelle als Energielieferant setzt.

Zum optionalen Zubehör gehören auch verschiedene Rohre und Winkel, die für die Abfuhr der Abwärme beim Festeinbau erforderlich sind – was auf einer Yacht absolut ratsam ist. Darüber hinaus kann im Handel jedes Teil einzeln erworben werden, das zum Lieferumfang gehört. Wird beispielsweise ein neuer Abgasschlauch benötigt, kann er einfach nachbestellt werden, was ich sehr vorbildlich finde.

Die Installation der Brennstoffzelle auf einer Yacht

Gleich vorweg: Es ist kein Hexenwerk, die EFOY Pro 2800 Brennstoffzelle zu installieren und an die Batterie anzuschließen. Wer sich mit Yachtelektrik auskennt, kann das selbst erledigen. Allen anderen sei ein Fachmann empfohlen, da im Umgang mit Batterien bei Fehlern sehr hohe Kurzschlussströme entstehen können (Brandgefahr). Am Gehäuse gibt es eine Status-LED, die den Betriebszustand anzeigt, wenn die Brennstoffzelle mit der Batterie verbunden wurde.

Die Idee des Herstellers ist, dass die Tankpatrone direkt neben der Brennstoffzelle montiert wird. Für dieses Setup benötigt man folgenden Stauraum: Länge 51 Zentimeter, Breite 32 Zentimeter, Tiefe 29 Zentimeter.

Hinweis: Wir haben für den mehrstündigen Testbetrieb auf einen Festeinbau verzichtet.

Wichtig zu verstehen ist, dass die Brennstoffzelle im Betrieb Luft benötigt, welche auf der einen Seite der Brennstoffzelle angesaugt wird. Auf der gegenüberliegenden Seite führt die Brennstoffzelle warme Luft ab. Zum Ansaugen kann die Umgebungsluft verwendet werden. Die Abwärme ist zwar nicht giftig, sollte aber dennoch von der Zelle weggeführt werden, um den Wirkungsgrad nicht einzuschränken. Hierfür werden vom Hersteller Winkelstücke und Rohre angeboten.

Alle Einbauhinweise sind sehr anschaulich und verständlich in der Bedienungsanleitung der EFOY Pro 2800 beschrieben, daher gehe ich hier nicht weiter auf das Thema ein. Erwähnenswert scheint mir allerdings, dass die Brennstoffzelle so eingebaut werden muss, dass man leicht an den oberen Bereich gelangt, da sich hier der Ein-/Ausschalter befindet. Außerdem ist wichtig, dass kein Seewasser durch die Lüftungsvorrichtung in die Brennstoffzelle gelangt, weil dies die Brennstoffzelle zerstören würde. Folglich würde ich denken, dass in einer Backskiste ein guter Einbauort ist. Alternativ kann die Brennstoffzelle von EFOY auch im Innenraum der Yacht verbaut werden.

Für Segler relevant ist auch die Information, dass die Brennstoffzelle bis zu einer Neigung von 35 Grad arbeitet. Dazu sei angemerkt: Wer seine Yacht so weit kränkt, hat wahrscheinlich den Zeitpunkt zum Reffen verpasst! 😉 Mit anderen Worten: Das sollte funktionieren.

Die Brennstoffzelle im Betrieb auf einer Yacht

Viel zu tun ist nicht. 🙂 Wir haben die App von der Homepage des Herstellers heruntergeladen, den Bluetooth-Adapter eingesteckt. Dann haben wir App und Brennstoffzelle miteinander verbunden. Vor dem ersten Start müssen in der App ein paar Parameter konfiguriert werden – beispielsweise müssen der Batterietyp eingestellt, die Batteriekapazität hinterlegt werden.

Außerdem wird mittels der App die Größe der angeschlossenen Tankpatrone eingegeben. Zu guter Letzt muss noch der Transportschutz deaktiviert werden. All das geht über die App kinderleicht – alternativ auch über das Bedienpanel. Danach ist die Brennstoffzelle startklar.

Wichtig zu verstehen ist, dass die Brennstoffzelle nicht wie ein Batterie-Ladegerät beliebig ein- und ausgeschaltet werden kann – vielmehr wird die Brennstoffzelle hochgefahren und am Ende des Betriebes wieder runtergefahren. Bei der Inbetriebnahme vergehen etwa 15 Minuten, bis die volle Ladeleistung erreicht wird. Um die Bauteile zu schonen, ist umgekehrt eine Mindestlaufzeit von 30 Minuten ab dem Start erforderlich, bevor der Abschaltvorgang beginnen kann.

Wurde die Batterie ausreichend geladen, wechselt die Brennstoffzelle automatisch in den Standby-Modus und wartet, bis die Spannung unter einen zuvor eingestellten Wert sinkt. Wird die Schwelle unterschritten, beginnt die Brennstoffzelle wieder mit dem Ladevorgang. Dieses selbstständige Ein- und Ausschalten ist praktisch, da es als eine Art Batterieschutz fungiert, indem Tiefenentladungen der Batterien verhindert werden.

Neben der Batteriespannung überwacht die EFOY auch die Umgebungstemperatur. Ist sie zu hoch, schaltet die Brennstoffzelle automatisch ab und erst wieder ein, wenn die Temperatur so weit gesunken ist, dass der Betrieb wieder möglich ist. Die Betriebstemperatur, in der man die Brennstoffzelle nutzen kann, liegt bei der EFOY Pro 2800 bei minus 20 bis plus 50 Grad.

Diese obere Temperaturgrenze könnte relevant sein, wenn als Einbauort der Motorraum gewählt wird, was ja auf einer Yacht nicht abwegig ist. Wenn der Motor läuft, könnte die Temperatur im Motorraum höher als die zulässige Betriebstemperatur sein. Die Brennstoffzelle würde also nicht arbeiten. In meinen Augen ist das aber nicht so schlimm, weil dann ja der Motor Strom produziert. Am Ankerplatz würde die Temperatur im Motorraum wieder sinken und die Brennstoffzelle wäre einsatzbereit.

Der Geräuschpegel der Brennstoffzelle im Betrieb

„Der Schalldruckpegel in einem Meter Entfernung liegt bei 50 Dezibel, was der Lautstärke von leiser Radiomusik oder Vogelgezwitscher entspricht“, so beschreibt der Hersteller EFOY den Geräuschpegel. Was wie Marketing klingt, beschreibt es tatsächlich sehr gut. Genau genommen war ich sogar positiv überrascht, wie leise die Brennstoffzelle tatsächlich ist. Wir haben die EFOY Pro 2800 über mehrere Stunden im Cockpit laufen lassen und uns in der Zeit an Bord aufgehalten und die Brennstoffzelle hat nicht gestört.

Diese Lärmentwicklung, wenn man sie denn überhaupt so nennen kann, steht in absolut keinem Verhältnis zum Geräuschpegel, den beispielsweise ein Benzingenerator erzeugt. Ich bin schon mehrfach auf Yachten mitgefahren, wo Benzingeneratoren für Notfälle an Bord waren. Wenn sie zum Einsatz kamen, war es unerträglich, sich aufgrund der Lärmbelästigung an Bord aufzuhalten. Das ist beim Betrieb der Brennstoffzelle gänzlich anders. Sie läuft angenehm leise im Hintergrund.

Der praktische Einsatz der Brennstoffzelle an Bord einer Yacht

Wer einen Windgenerator zur Energiegewinnung nutzt, braucht Wind. Wer ein Solarmodul einsetzt, braucht Sonne. Und wer einen Hydrogenerator nutzt, braucht Fahrt im Schiff. Der Vorteil dieser erneuerbaren Energien ist, dass sie uns in unendlicher Menge zur Verfügung stehen. Der Nachteil dieser Energien ist, dass wir nicht beeinflussen können, wann sie uns auf der Yacht zur Verfügung stehen.

Beim Einsatz der Brennstoffzelle verhält es sich anders. Hier entscheiden wir auf Knopfdruck, ob wir die Energie benötigen oder nicht. Das schafft ein hohes Maß an Flexibilität und Unabhängigkeit. Mehr noch: Die Brennstoffzelle kann auch automatisch arbeiten und eigenständig die Batterie überwachen. Auf Spannungsinformationen basierend kann sie autark entscheiden, ob es ratsam ist, den Ladevorgang zu starten. Der Preis für diese Form der energetischen Unabhängigkeit ist, dass wir den Brennstoff – das Methanol – zur Verfügung stellen (kaufen) müssen.

Vereinfacht gesagt, können wir Amperestunden im Kanister kaufen. Sie stehen uns in Form von Methanol bereit, welches in der Brennstoffzelle umgewandelt wird. Ein Diesel-Generator oder eine Lichtmaschine arbeiten letztendlich genauso – allerdings sind diese beiden Systeme sehr viel lauter, dreckiger, wartungsintensiver und viel weniger effizient (schlechterer Wirkungsgrad). Einen Vorteil haben der Dieselgenerator und die Lichtmaschine gegenüber der Brennstoffzelle allerdings (das ist aber auch der einzige): Ich kann handelsüblichen Diesel verwenden, den es an jeder Straßentankstelle gibt, um Energie zu erzeugen.

Die Beschaffung des Methanols ist mit etwas Vorlauf jedoch keine Herausforderung. In Europa und den USA gibt es Methanol anschlussfertig in ausgewählten Geschäften – teilweise auch in Yachthäfen. Da man das Methanol ähnlich wie eine Gasflasche nur ab und zu auffüllt, ist das logistisch lösbar. Spannender wird es für Segler, die auf eine Weltumsegelung gehen wollen. Sie müssen sich mit dem Händlernetz beschäftigen und Methanol in größeren Mengen bunkern, da es den EFOY-Brennstoff (noch) nicht überall gibt.

Handhabung und Lagerung des Methanols sind vergleichbar mit der von Spiritus. Methanol ist genauso leichtentzündlich, gesundheitsschädlich und giftig. Die Kanister von EFOY machen diesbezüglich einen soliden und durchdachten Eindruck. Das Öffnungsloch ist sehr klein und da der Kanister direkt mit der Brennstoffzelle verbunden wird, gibt es auch kein gefährliches Umfüllen der Flüssigkeit von einem Gefäß in ein anderes, wie es beispielsweise beim Bunkern von Diesel der Fall ist. Es muss lediglich darauf geachtet werden, die Methanol-Kanister im Schatten zu stauen und diese nicht von außen mechanisch zu beschädigen.

Fazit

Auf Basis der vorstehenden Argumente lässt sich sagen, dass man auf einer Fahrtenyacht, die eher an der heimischen Küste segelt, sehr gut auf die Brennstoffzelle als Energiequelle „auf Knopfdruck“ setzen kann. Wer hingegen längere, ausgedehntere Segelreisen plant, findet in der Brennstoffzelle eine sinnvolle umweltfreundliche Ergänzung bestehender Energiekonzepte. Die Brennstoffzelle ließe sich beispielsweise sehr gut mit mehreren Solarmodulen und/oder einem Windgenerator kombinieren. So stehen mir regenerative Energien zur Verfügung und ich bin gleichzeitig unabhängig vom Zeitpunkt ihrer Bereitstellung, da ich die Brennstoffzelle jederzeit ergänzend starten kann, wenn die Energiezufuhr aus erneuerbaren Energien nicht ausreicht – beispielsweise an einem schattigen Tag ohne Wind.

Der Anschaffungspreis der Brennstoffzelle ist – wie bei einem Dieselgenerator auch – gehoben, wenn man sie mit anderen Ansätzen zur Energiebeschaffung vergleicht. Das ist in meinen Augen aber irrelevant, da die Brennstoffzelle konzeptionell anders gedacht ist. Sie bringt Unabhängigkeit und Flexibilität, weil mir stets auf Knopfdruck Strom zur Verfügung steht – und das ohne störenden Motorlärm! Die Steuerung mit der App ist zudem sehr smart.

Mehr noch: Die Brennstoffzelle ist leise, leicht, kompakt, wartungsfrei und umweltfreundlich! So gesehen bringt es der Marketingslogan von EFOY sehr gut auf den Punkt. Dort heißt es: „Clean. Energy. Anytime. Anywhere“. Dem ist nichts hinzuzufügen. 🙂