Alternative Kraft voraus: Neue Treibstofflösungen in der Schifffahrtsindustrie

Klimaproblem Schweröl und Marinediesel auf den Meeren

Ende 2021 war sie bereits zu Dreiviertel fertig gebaut: Die „Uthörn II“, das neue Forschungsschiff des Alfred-Wegener-Instituts in Bremerhaven. Als erstes deutsches Seeschiff wird die „Uthörn II“ schon bald mit Methanol als klimafreundlichen Treibstoff auf den Weltmeeren und speziell in der Arktis und der Antarktis unterwegs sein. Das neue Forschungsschiff wird die „Uthörn I“ ersetzen, die 1982 vom Stapel lief. Und das aus gutem Grund: Die „Uthörn I“ stößt mit ihren Diesel-Motoren jedes Jahr rund 250 Tonnen CO₂ aus – etwa so viel wie 26 Menschen in Deutschland im Jahr erzeugen. Damit ist nun bald Schluss.

Man könnte die „Uthörn II“ als Symbol des Aufbruchs betrachten: Denn aktuell sieht sich die weltweite Schifffahrtsindustrie mit der Aufgabe konfrontiert, ihre Schadstoff-Emissionen drastisch zu senken, und so ihren Beitrag im Kampf gegen den Klimawandel zu leisten. Und das ist auch dringend notwendig: Aktuell verbrennen die rund 90.000 Frachter und Passagierschiffe auf den Weltmeeren rund 370 Millionen Tonnen Treibstoff im Jahr. Durch die Verbrennung der fossilen Energieträger wie Schweröl oder Marinediesel entstehen dabei zahlreiche, klimaschädliche Emissionen wie z. B. Schwefeloxide, Stickoxide, Kohlendioxid, Rußpartikel oder auch Feinstaub. Darüber hinaus enthalten Schiffsabgase auch Schwermetalle, Asche und Sedimente. 

Weltweit ist die Schifffahrt jährlich für den Ausstoß von ca. 1 Milliarde Tonnen Kohlendioxid verantwortlich, was in etwa 3 Prozent der gesamten, vom Menschen verursachten CO₂-Emissionen entspricht. Oder anders formuliert: Wäre die Schifffahrt ein Staat, so stünde sie auf Platz 7 des weltweiten Carbon-Footprint-Rankings. Bereits 2018 machte die internationale Seeschifffahrtsorganisation (IMO) deshalb die Vorgabe, dass bis zum Jahr 2050 die CO₂-Emissionen in der Schifffahrtsindustrie gegenüber 2008 um mindestens 50 Prozent gesenkt werden müssen. Dem Weltreederverband International Chamber of Shipping geht das nicht weit genug: Der Verband, der 80 Prozent der Branche repräsentiert, fordert, dass die Schifffahrtindustrie bis 2050 komplett klimaneutral sein soll.   

Alternative Kraftstoffe für die Schifffahrt

Alternative und kohlenstofffreie Kraftstoffe sind attraktive Lösungen für die Dekarbonisierung der Schifffahrt, allerdings gibt es noch einige Herausforderungen dabei. Denn jeder Kraftstofftyp hat Vor- und Nachteile, basierend auf seinen Eigenschaften und der Verfügbarkeit von Technologien und Regeln für die Lagerung und Verwendung an Bord von Schiffen. Nachfolgend stellen wir Ihnen die wichtigsten, alternativen Energieträger vor, die aktuell diskutiert werden.

Erdgas (LNG)

Erdgas (oder auch: Methan, CH₄) kommt in der Industrie vor allem in verflüssigter Form zum Einsatz: Als sogenanntes Liquefied Natural Gas (LNG). Durch die Verwendung von Flüssiggas werden auf den Schiffen die Emissionen von Schwefeloxid und Feinstaub nahezu vollständig vermieden. Ebenfalls vorteilhaft an LNG: Durch die Verflüssigung des Gases bei einer Temperatur von -162 Grad Celsius verringert sich das Volumen des Gases um das 600-Fache, was Transport und Lagerung vereinfacht. Allerdings hat LNG auch Nachteile. Nicht nur, weil der Aufwand für die Technik an Bord vergleichsweise hoch ist und für deren Handhabung Spezialpersonal erforderlich ist. LNG-Schiffe sind u. a, auch wegen der aufwendigen Tankkonstruktion rund 20 Prozent teurer als konventionell angetriebene. Und entweicht das LNG (beispielsweise aufgrund einer Leckage), so ist das entweichende Methan etwa 25 mal klimaschädlicher als CO₂. 

Darüber hinaus wurde auch die CO₂-Freundlichkeit von Erdgas kürzlich vom International Council of Clean Transportation (ICCT) in Frage gestellt: Entgegen der langjährigen Annahme, dass der CO₂-Ausstoß bei der Verwendung von LNG 20 bis 25 Prozent geringer sei als bei Diesel, belegen die Daten des ICCT, dass LNG als Schiffskraftstoff sogar zu höheren Treibhausgasemissionen im Vergleich zum bisher genutzten Treibstoff aus Rohöl führt. Trotz allem: LNG könnte mehr als eine Übergangstechnologie sein, denn das Gas lässt sich auch aus biologischen Abfällen oder synthetisch herstellen. 

Autogas (LPG)

Autogas (auch: LPG) ist ein variables Gemisch, das hauptsächlich aus Propan und Butan besteht. Entsprechend seines schlechteren Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnisses verursacht LPG höhere CO₂-Emissionen als Erdgas. LPG wird verflüssigt gelagert, entweder unter einem Druck von 8 bis 10 bar oder bei Umgebungsdruck tiefgekühlt, wobei der Siedepunkt vom Mischungsverhältnis des Butans mit dem Propan abhängt. Von diesem Mischungsverhältnis hängt auch der Heizwert des Autogases ab: Der Heizwert von Propan beträgt 12,9 kWh/kg und der von Butan 12,7 kWh/kg. 

Die großen Vorteile von Autogas liegen in seiner Klima- und Lagerfreundlichkeit. Da der Energiebedarf für die synthetische Herstellung von LPG allerdings höher ist als beim Methan, dürfte LPG keine dauerhafte oder flächendeckende Alternative zu Dieselkraftstoff darstellen. 

Methanol

Methanol (CH₃OH) ist ein vergleichsweise einfach synthetisch herzustellender Energieträger. Mithilfe elektrischer Energie aus regenerativen Quellen (wie z. B. Windkraft) kann Methanol sogar klimaneutral gewonnen und genutzt werden kann. Ein weiterer Pluspunkt für den alternativen Treibstoff: Methanol ist bei Normaltemperatur flüssig, und muss darum weder unter Druck gesetzt oder tiefgekühlt gelagert werden. Auch ist die Handhabung von Methanol an Bord und an Land ist gleichermaßen einfach, denn der Alkohol ist einfach zu transportieren und zu lagern, bei Atmosphärendruck und Umgebungstemperatur. Auch bei der motorischen Verbrennung gibt es keine Schwierigkeiten. Allerdings funktioniert die Verbrennung nur im Ottoverfahren mit elektrischer Zündung oder Zündstrahl. 

Der größte Nachteil von Methanol gegenüber Dieselkraftstoff liegt in seinem deutlich niedrigeren Heizwert: Mit der gleichen Menge Methanol lässt sich nur halb so viel Strecke machen wie mit Dieselkraftstoff. Deshalb bringen Methanolschiffe im Bau auch einige Besonderheiten mit sich, denn für die Tanks muss viel Platz eingeplant werden – auch aus Sicherheitsaspekten. Beim Bau der „Uthörn II“ des Alfred-Wegener-Instituts bedeutet dies: Der sogenannte Ventmast, der den Maschinenraum und andere Bereiche des Schiffes be- und entlüftet, ist mit 15 Metern deutlich höher als üblich. Denn sollte doch einmal unerwartet Methanol austreten, verhindert diese Höhe, dass das Methanol zu dicht am Schiff zu brennen beginnt. Derlei Extras können dazu führen, dass ein Methanolschiff rund 1,5 Millionen Euro mehr kosten kann als ein vergleichbares Schiff mit Diesel-Antrieb. 

Wasserstoff

Wasserstoff (H₂) ist auf der Erde nur in gebundener Form vorzufinden, der Großteil davon in Wasser (H₂0). Um H₂ zu gewinnen und als Energieträger zu verwenden, muss dieser aus chemischen Verbindungen, wie z. B. Kohlenwasserstoffen oder Wasser, abgetrennt werden. Werden für die Elektrolyse (die Aufspaltung von Wasser und Sauerstoff und Wasserstoff) erneuerbare Energiequellen wie Windkraft, Wasserkraft oder Sonnenenergie eingesetzt, spricht man von „grünem“ Wasserstoff, weil dieser CO₂-neutral produziert wird. 

Laut der Kurzstudie „Maritime Treibstoffe“ des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) kann Wasserstoff eine praktikable Lösung für die Schifffahrt sein: Der Wirkungsgrad Wasserstoff ist gut, denn es wird nur Wasser ausgestoßen. Außerdem können bestehende Technologien (z. B. aus Brennstoffzellenfahrzeugen) genutzt werden. Allerdings hat Wasserstoff auch Nachteile: Er ist hoch brennbar, hat ein hohes Gewicht und erfordert ein großes Ladevolumen. Und gerade bei flüssigem Wasserstoff erfordert die Handhabung Spezialisten-Know-how. 

Trotz der Nachteile könnten Wasserstoff-Brennstoffzellen eine Alternative zu heutigen Verbrennungsmotoren sein, wobei zu berücksichtigen ist, dass Wasserstoff nur dann wirklich eine emissionsfreie Option ist, wenn er aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt wird.

Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC)

Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC) sind Flüssigkeiten auf Öl-Basis, die durch eine chemische Reaktion mit dem Öl Wasserstoff speichern können. Sie können wie normales Dieselöl gehandhabt werden und nutzen die bestehende Infrastruktur. Da der Wasserstoff chemisch an die Trägerflüssigkeit gebunden ist, werden die meisten seiner Gefahren gemildert.

LOHC für Schiffe besteht aus einem organischen Öl, das mit Wasserstoff angereichert ist (LOHC+). Dies geschieht in einer Anlage an Land. LOHC verhält sich in Bezug auf Lagerung, Transport und Handhabung ähnlich wie Diesel und weist in Bezug auf Brandgefahr und Toxizität in etwa das gleiche Risikoniveau auf wie normaler Diesel und kann auch genauso gebunkert werden. An Bord des Schiffes wird der Wasserstoff aus dem LOHC+ freigesetzt, der Wasserstoff wird dann in einer Brennstoffzelle oder einem Verbrennungsmotor verwendet, während das verbrauchte LOHC (LOHC-) in einem anderen Tank an Bord gelagert wird. Bei der nächsten Bunkerung von LOHC+ wird das LOHC- vom Schiff geladen. Dieses LOHC- wird dann in der Produktionsanlage wieder mit Wasserstoff angereichert, um erneut verwendet zu werden.

Aktuell gibt es mehrere Projekte (u. a. ein Kooperationsprojekt von H₂-Industries und Lloyd’s Register), die darauf abzielen, eine grundsätzliche Genehmigung für den Einsatz der LOHC-Technologie auf Schiffen zu erhalten, und sich mit der Betankung von Schiffen, der Speicherung von LOHC an Bord und der Stromerzeugung an Bord befassen.

Ammoniak

Der einzige Vorteil den Ammoniak gegenüber den vorgenannten Energieträgern hat, ist der fehlende Kohlenstoff in seiner Zusammensetzung: Bei seiner Verbrennung entstehen weder Kohlendioxid noch Kohlenmonoxid. Ammoniak ist selbst in kleinsten Mengen ein hochgiftiges Gas, und bedarf deshalb besonderer Vorsichtsmaßnahmen beim Transport und bei der Lagerung. Der Siedepunkt von Ammoniak liegt bei -33 Grad Celsius, was es erforderlich macht, Ammoniak in speziellen Druckbehältern zu lagern. Ein weiterer Nachteil: Der Heizwert von Ammoniak beträgt weniger als die Hälfte von Methan.

Wichtiger Hinweis: Alternative Kraftstoffe befinden sich aktuell noch in der Entwicklungsphase hinsichtlich der Technologien sowie der Vorschriften für Transport, Versorgung, Lagerung und Verwendung an Bord von Binnen- und Seeschiffen. 

Fachwissen in allen Treibstofffragen: Fragen Sie KSB!

Die Regeln zur Reduzierung von Emissionen in der Schifffahrt werden immer strenger. In Hinblick auf die Vorgabe des IMO für 2050 werden Schiffe schon bald auf alternative Kraftstoffe umsteigen müssen. Viele Themen rund um die Produktion, den Transport, die Lagerung und das Bunkern der neuen Treibstoffe werden aktuell intensiv untersucht und entwickelt. 

Egal, ob Schiffs- und Motorenbauer, Ausrüster oder auch Zulieferer: Setzen Sie schon heute mit KSB auf einen Partner, der an den Entwicklungen auf dem Sektor der alternativen Treibstoffe maßgeblich beteiligt ist und diesen aktiv mitgestaltet. Denn seit vielen Jahren ist KSB bereits zuverlässiger Partner der Schiffsindustrie, wenn es um Pumpen, Armaturen, Automationslösungen und begleitende Service-Dienstleistungen geht. 

Seit vielen Jahren schon profitieren Reedereien, Werften und Ingenieure gleichermaßen von der hohen Qualität der KSB-Produkte, deren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten, dem fundiertem KSB-Know-how und bestem Service. Als Vollsortimenter kennt KSB sich bestens aus im Bereich der Chemieproduktion und verfügt über detaillierte Kenntnisse rund um die Produktion, den Transport und die Lagerung neuer alternativer Kraftstoffe und Energieträger. 

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