Die derzeitigen Großdieselmotoren für den Antrieb von Schiffen erfüllen dank Verbrennung schwefelarmer oder schwefelfreier Kraftstoffe sowie moderner Common Rail-Einspritzung und effizienter Abgasreinigungstechniken die international gültige Abgasnorm Tier III sowie die Schwefelgrenzwerte der IMO. Einig ist sich die Schifffahrtsbranche aber, dass in Zukunft andere Treibstoffe und Energieträger gefragt sind. Cruisetricks.de-Gastautor Horst Köhler stellt die derzeit attraktivsten Alternativen vor.
Horst Köhler ist selbständiger und unabhängiger Fachautor zu Themen des Klimawandels und zu Emissionen aus Transport und Verkehr. Er war bis zu seiner Pensionierung im Jahr 2005 als Versuchs- und Berechnungsingenieur bei der heutigen MAN Energy Solutions SE beschäftigt. Der Beitrag gibt die persönliche Meinung von Horst Köhler wieder.
Als Abgasreinigungstechniken sind derzeit SCR und/oder Abgasrückführung zur NOx-Reduktion sowie Scrubber zur Entfernung von SOx aus dem Abgas im Einsatz. Doch selbst bei weiterer Verwendung von schwefelhaltigem Schweröl können die TIER III-Grenzwerte eingehalten werden, wie unlängst eine Klassifikationsgesellschaft im Schiffsbetrieb nachgewiesen hat – und zwar durch den Einsatz verbesserter Scrubber in Verbindung mit Abgasrückführung.
Dies kann für den Reeder gegenüber schwefelfreien teuren Kraftstoffen trotz Anschaffung des Abgaswäschers wirtschaftlich interessant sein, vor allem dann, wenn in den Raffinerien künftig vermehrt billiges Schweröl anfällt, das ansonsten aufwändig entsorgt werden müsste.
LNG ist nicht das Nonplusultra
Zur Erreichung der anspruchsvollen Klimaziele aus dem Bereich von Transport und Verkehr verweisen viele Schiffsbetreiber auf die angeblich signifikanten Vorteile der Verbrennung von Erdgas in Dual-Fuel-Dieselmotoren oder reinen Gas-Ottomotoren mit Zündkerzen, wobei an Bord verflüssigtes Erdgas (LNG) in voluminösen druckfesten und gut isolierten Tanks mitgeführt werden muss.
Doch es gibt Nachteile: abgesehen davon, dass LNG derzeit nur in wenigen großen Häfen in den benötigten Mengen zur Verfügung steht, ist die auf das Volumen bezogene Energiedichte nur etwa ein Viertel von Dieselkraftstoff. Somit führt das erforderliche große LNG-Tankvolumen bei Schiffsumrüstungen auf LNG zwangsläufig zur Einbuße am Nutzlastvolumen.
Hinzu kommt die nicht einfache technische Aufgabe, bei gemischverdichtenden Schiffsdieselmotoren den prozessbedingten Methanschlupf zu minimieren. Dies gilt auch für die Methanverluste, die bei der Herstellung, dem Transport und der Lagerung von LNG auf dem Schiff auftreten. Denn das Treibhausgas Methan, Hauptbestandteil von Erdgas, hat ein etwa 28mal stärkeres Klimaschädigungspotential als CO2.
Schlussendlich ist für einen fairen Vergleich der enorme (Energie-)Aufwand für den mehrstufigen Be- und Verarbeitungsprozess bei der Erdgasverflüssigung im Vergleich zur Herstellung von Dieselkraftstoff in der Raffinerie zu berücksichtigen.
Verbrauchs- und Emissionsmessungen erfüllen die Erwartungen nicht
Zur großen Überraschung der Fachwelt haben Ende 2019 genaue Verbrauchs- und Emissionsmessungen an mehreren modernen LNG-LKWs gezeigt, dass sich die Erwartungen und Marketingaussagen ihrer Hersteller nicht bewahrheiteten. Diese Fahrzeuge stießen nicht nur erheblich mehr NOx aus als konventionelle Diesel-LKWs älteren Baujahres, sondern auch kaum weniger CO2 und weniger Partikel als Diesel-LKWs.
Man darf deshalb gespannt auf verlässliche Emissions-Vergleichsmessungen Dieselschiff vs. LNG-Schiff warten, so sie denn überhaupt veröffentlicht werden. Ein weiterer nicht zu übersehender Aspekt: die verstärkte weltweite Verwendung von Erdgas beziehungsweise LNG, und zwar nicht nur in der Schifffahrt und im Verkehrssektor, haben in den letzten Jahren dazu geführt, dass zwar die globalen Treibhausgas-Emissionen aus der Kohleverbrennung etwas gesunken sind, dieser Erfolg aber durch die deutlich angestiegenen CO2-Emissionen aus der Erdgasverbrennung zunichte gemacht wird.
Aus diesen Gründen kann LNG die künftigen Emissionsaufgaben der Seeschifffahrt nicht lösen und ist deshalb allenfalls als Zwischenschritt bis zur Entwicklung einer besseren technischen Alternative zu sehen.
Großdieselmotoren werden bleiben
Doch wie kann eine sinnvolle Alternative nach heutigem Stand aussehen? Klar scheint zu sein, dass der Großdieselmotor beim Schiffsantrieb mittelfristig, wenn nicht sogar langfristig, weiterhin die dominierende Rolle spielen wird, von einigen wenigen Sonderfällen (kleinere Schiffe, Fluss- und Binnenboote) abgesehen.
So hat Uwe Lauber, Vorstandsvorsitzender des Dieselmotorenherstellers MAN Energy Solutions, in einem Interview mit der Augsburger Allgemeinen Ende Januar 2020 erläutert, warum beispielsweise Schiffs-Elektroantriebe keine sinnvolle Lösung sein können. Ein Langstrecken-Containerschiff, welches zum Beispiel vier Wochen unterwegs ist, müsste nach Lauber als Elektroschiff so viele Batterien an Bord mitführen, dass es wegen des hohen Gewichts nicht mehr schwimmfähig und überdies kein Platz für die eigentliche Nutzlast vorhanden wäre. Sinnvoller sei seiner Meinung nach mittel- bis langfristig die Nutzung von synthetisch oder biologisch erzeugten, weitgehend CO2-neutralen Schiffskraftstoffen.
Nicht ausgeführt hat der MAN-Chef allerdings, dass der Betrieb eines Diesels mit synthetischem Kraftstoff, der mit derzeitigem Strommix (ca. 50 Prozent aus Kohle/Erdgas) gewonnen wird, deutlich mehr CO2 verursacht als die Herstellung von Dieselkraftstoff.
Nutzung von Wasserstoff
Der Hauptkonkurrent der MAN, das finnische Unternehmen Wärtsilä, konkretisiert: Um den Treibhausgasausstoß der globalen Schifffahrt bis 2050 um 50 Prozent zu reduzieren, wie dies von der International Maritime Organization (IMO) angestrebt wird, plädiert das Unternehmen für den Übergang von fossilem LNG auf Bio-LNG und im zweiten Schritt auf synthetisch produziertes LNG.
Zumindest bis 2030 soll synthetisches LNG bei größeren Produktionsmengen gleich teuer oder sogar noch etwas preiswerter als fossile Schiffskraftstoffe sein, während aktuell die Herstellung von einem Liter synthetischem Kraftstoff noch etwa 4,50 Euro kostet.
Der Nutzung von Wasserstoff, der bei der Elektrolyse von Wasser als Grundprodukt von synthetischem Dieselkraftstoff neben Sauerstoff entsteht und anschließend mit CO2 (wünschensweise der Atmosphäre entnommen) verbunden wird, steht Wärtsilä bei stationären Anlagen, insbesondere aber in der Schifffahrt, eher skeptisch gegenüber. Denn die Produktion von Wasserstoff durch großtechnische Elektrolyse erfordert riesige Mengen an Energie und hat demzufolge einen äußerst schlechten Gesamtwirkungsgrad.
Aus Sicht des Klimaschutzes darf für den Elektrolyseprozess somit nur regenerativ erzeugter Strom verwendet werden. Aber was, wenn dieser Ökostrom nicht (mehr) zur Verfügung steht? Wäre gegenüber der verlustreichen Elektrolyse die emissionsgünstigere Herstellung von Wasserstoff durch Dampfreformierung und Verwendung von Biomasse nicht vorzuziehen?
Besser als mit reinem Wasserstoff zu arbeiten, sei nach Wärtsilä die Verwendung synthetischer Treibstoffe, die chemisch an CO2 oder an Stickstoff (N2) in Form von Methan (CH4) oder Ammoniak (NH3) gebunden sind und so zu Wasserstoffträgern werden.
Einsparungen durch Windkraft
Zwar sieht das finnische Unternehmen, ähnlich wie auch MAN, das Hauptziel auf der Erzeugung und der Infrastrukturverbesserung von klimafreundlicheren Kraftstoffen. Doch begleitende Zusatzmaßnahmen müssen laut Wärtsilä in einer weiteren Optimierung des Schiffskörpers und seiner Propeller, in einer – wenn auch immer schwieriger werdenden – Wirkungsgradsteigerung der Dieselmotoren und im Einsatz von Solarzellen und mehreren Dutzend Metern hohen „Windsegeln“ aus glasfaserverstärktem Plastik werden. Derartige „Windantriebe“ können zwar den Dieselmotor mit seiner hohen Leistungsdichte nicht ersetzen, aber durchaus zu prozentual zweistelligen Kraftstoffeinsparungen und damit zu Emissionsreduzierungen in ähnlicher Größenordnung beitragen.
Reduzierung der Fahrtgeschwindigkeit
Würde daneben auch noch eine etwas geringere Schiffsgeschwindigkeit akzeptiert werden, ließe sich in der Tat die globale CO2-Emission durch die internationale Schifffahrt, die immerhin rund 90 Prozent des globalen Handels abwickelt, bis 2050 halbieren, das heißt von jetzt etwa 3 Prozent des globalen CO2-Gesamtausstoßes auf dann nur noch 1,5 Prozent. Denn eine 10 Prozent geringere Schiffsgeschwindigkeit führt nach der Umweltgruppe „Seas at Risk“ zu einem 19 Prozent geringeren CO2-Ausstoß.
Allerdings, eine deutlichere Reduzierung der Geschwindigkeit von Schiffen auf den Weltmeeren dürfte wahrscheinlich dazu führen, dass zum Transport des riesigen weltweiten Transportvolumens mehr Schiffe als heute benötigt würden, vor allem bei einer weiter zunehmenden Weltbevölkerung, was den Ausstoß an Treibstoff- und Schadstoffgasen wieder erhöhen würde.
Atom-Antrieb gesellschaftlich nicht durchsetzbar
Mitunter wird auch die (von Militär- und Spezialschiffen her bekannte) Möglichkeit des Schiffsantriebs durch Kernkraft diskutiert. Zwar gilt der Atom-Antrieb als weitgehend CO2-neutral, doch die hohen Risiken bei einer Havarie, die ungeklärten Fragen der Lagerung des Atommülls und die bis jetzt wenig überzeugende Wirtschaftlichkeit senken die Bereitschaft der Projektierenden und der Reeder, sich näher mit diesem Thema zu befassen. Auch Wärtsilä ist der Überzeugung, dass nuklear angetriebene zivile Schiffe gesellschaftlich nicht durchsetzbar sind.
Zur Person des cruisetricks.de-Gastautors: Horst Köhler
Als früherer Versuchs- und Berechnungsingenieur bei der heutigen MAN Energy Solutions SE beschäftigte sich Horst Köhler (Jahrgang 1941) unter anderem mit Fragen der Entstehung und der Reduzierungsmöglichkeiten von kritischen Abgasemissionen bei Groß-Dieselmotoren. Seit seiner Pensionierung im Jahr 2005 befasst er sich als unabhängiger und freier Fachautor mit Rechenstudien zu den Emissionen aus der globalen Schifffahrt und dem Transportsektor, hat unter anderem mit führenden Klimaforschern in der renommierten US-Fachzeitschrift „Journal of Geophysical Research“ publiziert und hält Vorträge zu Fragen des menschgemachten Klimawandels. Der Beitrag gibt die persönliche Meinung von Horst Köhler wieder.
Ja, das ist mal eine umfassende Darstellung der Situation. Während man noch vor ca. 20 Jahren, im Schiffsbau Reserven für Höchstgeschwindigkeiten jenseits von 24 Kn vorgesehen hatte, entspricht diese Geschwindigkeit inzwischen schon der Höchstgeschwindigkeit, die dazu nur noch in Ausnahmefällen abgerufen wird. Meinen Beobachtungen nach, liegt die Durchschnittsgeschwindigkeit der Kreuzfahrtschiffe, bei ca. 15 Kn/h. So hat jede Treibstoffeinsparung auch den Effekt des geringeren Schadstoffausstosses. Diese einfache, jedem bekannte Logik, könnte auch auf Deutschlands Autobahnen in der Anwendung zur Pflicht werden, wenn man nur wollte. Bei mir bedarf es keiner Verpflichtung. Meine Durchschnittsgeschwindigkeit passe ich konsequent der Verbrauchskurve an. Geschwindigkeiten jenseits von 130 Km/h kommen bei mir nicht infrage. Das hat sich seit etwa einem Jahrzent bei mir manifestiert.
Was mein Wohlbefinden auf Kreuzfahrtschiffen stark beeinflusst ist der Feinstaub bzw. Rußpartikel.. Wir merken es sofort in den Bronchien. Besonders wie auf einem Schiff wie der Artania, wo auf dem Heckbereich Sitz und Liegemöglichkeiten vorhanden sind.
Sicher hängt es auch von der Windgeschwindigkeit und Richtung ab, 15-17 kn Fahrtgeschwindigkeit sind etwa 4 – 5 Bft eine durchaus übliche Windgeschwindigkeit auf See. Kommt der Wind nun von Achtern, ist resultierende Windgeschwindigkeit gleich Null und die Abgase fallen mehr oder weniger auf Deck. Das Reinigen. der Wäscheleine. auf dem Balkon zeigt das beinahe täglich.
Dem Thema Feinstaub im Straßenverkehr wurde ja in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit gewidmet. Und ich habe ein Jahr auf mein Auto gewartet , weil der Hersteller mit dem Partikelfilter nicht aus dem. Knick kam.. Eigentlich hatte ich angenommen, dass im Straßenverkehr mehr von den Zeug rumfliget, die Filter in meinem Auto scheinen zu funktionieren.
Wenn denn aber in den Häfen die Motoren zur Schiffsstromversorgung laufen, dürfte es für die Anwohner nicht lustig sein. Und Landanschlüsse sind Mangelware. Kein Wunder bei den erforderlichen Querschnitten. Wird aber bei den Ladestationen für Elektroautos nicht anders sein, weshalb ich auch daran nicht glaube.
Zum Thema Partikel bei LnG Motoren habe ich bisher wenig gefunden.
@Werner: Zu Partikelausstoß und LNG findest Du deshalb wenig, weil bei LNG im Prinzip kein Feinstaub/Ruß/Partikel entstehen. Eine sehr geringe Menge wirst Du bei LNG-Schiffen dennoch haben, weil um die ein Prozent Marinediesel zugegeben werden muss, weil LNG im Motor wohl sonst nicht von selbst zündet. Aber das ist eine so kleine Menge, dass es wohl zu vernachlässigen sein dürfte.
Herr Schiroslawski:: Einer der Vorteile von verflüssigtem Erdgas (LNG) – neben den in meinem obigen Artikel erwähnten Nachteilen – ist sein fast zu vernachlässigender Schwefelgehalt. Selbst unter Mitberücksichtigung der Flüssigkraftstoff-Piloteinspritzung zur Zündung bei Viertakt-Otto-Dual Fuel-Motoren, die für den Antrieb von Kreuzfahrtschiffen besonders geeignet sind, entstehen deshalb kaum Rußpartikelemissionen. Das Herabsinken dieser Luftschadstoffe auf Deck dürfte so auch bei reduzierter Schiffsgeschwindigkeit nicht mehr auftreten.
Es gilt als sicher, dass es auch weiterhin Kreuzfahrtschiffe geben wird, deren Dieselmotoren mit schwefelhaltigem Schweröl laufen. Dies ist nach dem 1.1.2020 erlaubt, sofern die Schiffe Abgaswäscher (Scrubber) haben bzw. erhalten. Diese Scrubber entfernen nicht nur Schwefelverbindungen aus dem Abgas, sondern auch etwa 80 % der entstandenen Partikel ab etwa 1 mikro-m Größe. Durch die technische Weiterentwicklung ist damit zu rechnen, dass schon bald Scrubber angeboten werden, die auch die kleineren Partikel aus den Verbrennungsgasen auswaschen. Dann müssen sich auch in diesem Fall bei einer Reduzierung der Schiffsgeschwindigkeit zur Reduzierung von Treibhausgasen und Schadstoffen keine Passagiere mehr über verrußte Tische und Stühle beschweren.
Horst Köhler, Friedberg
In Zukunft wird es die Schifffahrt mit Strahlantrieb geben.
Prinzip: – Wassereinlauf – E-Lichtbogen 2500°C Plasma Wasserspaltung – Knallgasverbrennung 1500°C
– Wasserausstoß mit Venturieffekt