Grenzwerte für Luftschadstoffe, die Ausweitung von Emissionskontrollgebieten oder striktere EU-Regulierungen bei gleichzeitig wachsendem Transportbedarf erhöhen den Druck bei der Suche nach technischen Lösungen für eine Schifffahrt, die nachhaltig und wirtschaftlich zugleich ist. Welche Chancen haben verflüssigtes Erdgas (LNG), Batterien oder die Brennstoffzelle?

Dieser Beitrag ist zuerst in eMobilJournal Ausgabe 06/2018 erschienen.

Aktuell macht schädliches Schweröl rund 70 % des weltweit verwendeten Treibstoffs in Schif­fen aus. Das schlagkräftige Argument: Es ist nur etwa halb so teuer wie hochwertiger Schiffs­diesel. Durch die Schwerölverbrennung werden neben Kohlendioxid auch giftige Schwefel­oxide, Feinstaub und Rußpartikel freigegeben. Mit 2 % sind die Kohlendioxidemissionen von Kreuzfahrt- und Containerschiffen zwar nur relativ gering, neben anderen Emissionen sind sie aber für 15 % des weltweiten Schwefel­oxid-Ausstoßes verantwortlich (siehe Bild 1). Diese fallen insbesondere in den Hafenstädten an.

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Bild 1: Kohlendioxidemissionen von Kreuzfahrt- und Containerschiffen sind für 15% des weltweiten Schwefeloxid-Ausstßes verantwortlich (Quelle: embeki / fotolia.com)

Grund genug, zu handeln: Ab 2020 ist nach dem Beschluss der Internationalen Seeschiff­fahrts-Organisation (IMO) nur noch Treibstoff zulässig, der einen Schwefelgehalt von ma­ximal 0,5 % statt wie bisher 3,5 % aufweist. Alternativ müssen die Schiffe, die weiterhin auf Schweröl setzten, die Abgase mithilfe so­genannter Scrubber-Filteranlagen vom Schwe­fel reinigen. Für einen Einsatz in EU-Häfen liegt ab 2020 der maximale Schwefelgehalt bei 0,1 %, Schweröl wird hier keine Option mehr sein. Dies gilt bereits heute auch für ausgewie­sene Emissionskontrollgebiete wie Nord- und Ostsee, in denen eine Schwefelhöchstgrenze von 0,1 % vorgeschrieben ist. Höherwertiges Dieselöl hat sich hier zum Standard entwi­ckelt. Ab 2021 gelten Nord- und Ostsee auch als Emissionskontrollgebiete für Stickoxide (NOx). Für einen Betrieb in Nord- und Ostsee gilt dann der NOx-Tier III Standard. Dieser lässt sich bei der Verwendung von Dieselöl nur ein­halten, wenn Abgasnachbehandlungssysteme zum Einsatz kommen oder auf alternative Energiesysteme gesetzt wird.

Echte Alternative: LNG              

Die neuen Regelungen begünstigen umwelt­freundlichere Antriebsformen. Ein ­favorisierter Weg in der Schifffahrt ist verflüssigtes Erd­gas (Liquefied Natural Gas, kurz: LNG). Das Bundesministerium für Verkehr und ­digitale Infrastruktur (BMVI) fördert die Aus- und Umrüstung von Seeschiffen zur Nutzung von LNG als Schiffskraftstoff. Das Programm soll auch die Nachfrage nach LNG steigern, um Anreize zum Aufbau einer LNG-Versor­gungsinfrastruktur zu schaffen. Die finan­zielle Unterstützung erfolgt im Rahmen der ­Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie (MKS), der zentralen Plattform zur Gestaltung der Energie­wende im Verkehr.

LNG, das bei unter -160 Grad Celsius gelagert wird, verursacht keinerlei Schwefeloxid-Emis­sionen (SOx) mehr. Im Vergleich zu Schweröl las­sen sich NOx-Emissionen um bis zu 90 % senken, Partikel-Emissionen sogar um 98 %. Als erstes Containerschiff weltweit wurde die rund 150 m lange „Wes Amelie“ der Reederei Wessels im Sommer 2017 auf LNG-Betrieb umgerüstet. Die Kosten in Höhe von rund zehn Millionen Euro übernahm der Bund zu 60 %. Die Inves­tition lohnte sich, denn LNG-betriebene Con­tainerschiffe werden von den Linienreedereien zunehmend nachgefragt (siehe Bild 2).

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Bild 2: LNG-betriebene Schiffe werden von den Linienreedereien zunehmend nachgefragt. (Quelle: enanuchit / fotolia.com)

Im Ver­gleich zu höherwertigem Marinediesel erwei­sen sich neben den Umweltvorteilen vor allem auch die Bunkerkosten als günstiger; und die­ses Delta wird zunehmend größer. Mithilfe der Förderung wird mittel- bis langfristig eine wirt­schaftliche Nutzung gewährleistet. Der rund 500 m3 fassende LNG-Tank nimmt auf der„Wes Amelie“ allerdings Containern Platz weg (vgl. Bild 3). Und: Das Bunkern von LNG ist bislang nur vereinzelt möglich und erfolgt derzeit über Trailer mit LNG aus Rotterdam. Künftig ist eine Schiff-zu-Schiff-Betankung vorgesehen, mit welcher sich der logistische Aufwand für die LNG-Versorgung senken lässt. Auch in der Passagierschifffahrt sind die Weichen für Veränderungen gestellt: Nach­dem bereits erste RoRo-Fähren mit LNG-­Antrieb aus- oder umgerüstet wurden, soll noch 2018 die „AIDAnova“, als erstes voll­ständig LNG-betriebenes Kreuzfahrtschiff die Fahrt aufnehmen.

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Bild 3: Ein LNG-Tank beansprucht ziemlich viel Platz, welcher dann für weitere Container fehlt. (Quelle: Kalyakan / fotolia.com)

Brennstoff mit Perspektive: Methanol

Ein anderer Brennstoff mit Potenzial ist Me­thanol, so berichtet die Meyer Werft, auf der die „AIDAnova“ gebaut wurde. Ende Mai 2018 präsentierte das Unternehmen aus Papenburg sein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördertes Forschungs­projekt „MethaShip“. In diesem wurde unter­sucht, ob Methanol als strombasiert erzeugter Brennstoff in der Passagierschifffahrt geeig­net ist. Methanol gehört zu den Alkoholen, ist schwerer entflammbar als Benzin und im Gegensatz zu LNG bei Raumtemperatur flüssig. Eine Reduzierung der Emissionen im Vergleich zu Schweröl wird bei Methanol insbesondere dann erreicht, wenn dieses aus erneuerbaren Energien hergestellt wird.

Batterie an Bord

Weg von fossilen Brennstoffen, hin zum Strom­betrieb: Mehrere kleine Fähren und Passagier­schiffe im Binnen- oder küstennahen Bereich fahren heute schon wirtschaftlich mit Elektro­antrieb, weitere befinden sich im Bau (siehe Bild 4). So setzen die Berliner Verkehrsbetriebe seit 2014 inzwischen vier Fährlinien Schiffe ein, die von einem Elektromotor angetrieben werden. Bei ausreichender Sonneneinstrah­lung werden die voll barrierefreien Fähren ausschließlich durch Solarenergie angetrieben. Die etwa 18 m langen Katamarane sind bis zu 13 km/h schnell und mit einer Solarfläche von rund 70 m2 ausgestattet. Reicht die Sonnen­kraft nicht, kommen für die Fähren Batterien mit einer Kapazität von 72 kW/h zum Einsatz. Diese werden über Nacht aufgeladen.

Der Markt für Binnenschiffe im ÖPNV-Einsatz entwickelt sich aktuell sehr dynamisch auch hervorgerufen durch die Diskussionen um die NOx-Debatte in den Kommunen. Aber auch wenn ein Markt entsteht, von dem unter an­derem deutsche Unternehmen profitieren werden, und auch wenn bereits innovative Werften in den Startlöchern stehen: Für grö­ßere Schiffe mit langen Fahrstrecken reicht oft die Energiedichte noch nicht aus. Für ein opti­miertes Energiemanagement an Bord – etwa über das sogenannte „peak shaving“, dem Zwischenspeichern von Energie zur Effizienz­steigerung von Motoren – werden Batterien bei dieselelektrischen Hybridantrieben zuneh­mend neben Flüssigkraftstoff eingesetzt. So ist die Batterietechnologie nicht nur für eine rein batterieelektrische Anwendung denkbar, sondern auch für Hybridanwendungen wich­tig. Neben der aktuellen dieselelektrischen Anwendung sind auch Hybridanwendungen in Kombination mit den Technologien LNG und Brennstoffzelle möglich.

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Bild 4: Kleine Fähren und Passagierschiffe im Binnen- oder küstennahen Bereich fahren bereits wirtschaftlich mit Elektroantrieb und werden über Nacht am Hafen geladen. (Quelle: goncharovaia / fotolia.com)

Brennstoffzellen

Die spürbare Steigerung der Energieeffizienz bei gleichzeitig vollständiger Reduzierung von CO2-Emissionen wird zukünftig durch eine andere Schlüsseltechnologie möglich sein: durch die Energieumwandlung rege­nerativ erzeugter Kraftstoffe in Brennstoff­zellen. Auf der Straße und in Heizungskellern von Einfamilien­häusern sind Brennstoffzellen bereits kommerziell im Einsatz. In Schiffen ist die „Fuel Cell“, wie sie auf Englisch heißt, noch ein Novum. Weltweit werden aber be­reits ­einige Proto­typen betrieben. Das Grund­prinzip: Wasserstoff – auch hergestellt aus anderen Brennstoffen wie Methan, Methanol oder Straßendiesel – wird über eine elektro­chemische Reaktion mit Luftsauerstoff ge­nutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Diese wird in Batterien zwischengespeichert und treibt dann Elektromotoren an. Neben den geringen Emissionen, der Laufruhe und der hohen Effizienz bieten Brennstoffzellen die Möglichkeit der dezentralen Anordnung auf dem Schiff – ein Vorteil gegenüber gro­ßen, zentral angeordneten Verbrennungsma­schinen und den sehr schweren Batteriepaketen. Mehrere Module lassen sich zu beliebiger Leis­tungsgröße vernetzen. Darüber hinaus lassen sich Brennstoffzellen auch mit LNG betreiben.

Seit 2006 investiert Deutschland in die Er­probung von Brennstofftechnologien im Alltag. Ein zentrales Leuchtturmvorhaben ist unter dem Namen „e4ships“ ein Zusam­menschluss führender deutscher Werften, Reedereien, Brennstoffzellenhersteller, Klas­sifikationsgesellschaften und Forschungsein­richtungen. Das Projekt-Cluster mit einem Budget von ca. 39 Millionen Euro hat zwi­schen 2009 und 2016 gezeigt, dass sich Brenn­stoffzellen zu einer echten Alternative für die spezifischen Bedürfnisse der Schifffahrt entwickeln können. Daher werden die Sys­teme in der Fortsetzung des Projekt-Clusters ­„e4ships 2“ zur Marktreife weiterentwickelt.

Zum Einsatz kommen Brennstoffe, die künftig auch in vielen Häfen standard­mäßig verfügbar sein werden. Während der ­Hafenliegezeiten ließen sich dann im ersten Schritt die benötigte Hilfsenergie oder die Energie für den Hotelbetrieb emissionsfrei erzeugen. Der Einsatz von Brennstoffzellen auch für den Antrieb wird in „e4ships“ im Bereich Binnenschiffe erprobt. Für seegän­gige Schiffe wird dies allerdings noch et­was dauern. Die Versuche im Rahmen von „e4ships“, wie etwa an Bord der Ostsee­fähre „Mariella“ der Reederei Viking, die zwischen Helsinki und Stockholm verkehrt, haben gezeigt, dass sich die Brennstoffzel­lentechnologie auch unter maritimen Be­dingungen, bei Seegang und in salzhaltiger Luft, sehr gut schlägt.

Schifffahrt im Reinen

Der Weg hin zu einem rundum schadstoff­freien Antrieb mag für die internationale Schifffahrt noch lang sein. Die ­alternativen Technologien dazu sind jedoch bereits verfügbar. Noch bremsen die Kosten eine schnelle Revolution. Und doch: Experten sehen die Chancen für alternative ­Antriebe in der Schifffahrt wachsen. Schließlich kommen auch die Reedereien am Faktor Umwelt nicht vorbei und werden anfäng­lich höhere Kosten akzeptieren. Die deut­sche maritime Industrie ist technologisch sehr gut aufgestellt und kann schon heute Innovationen und Geschäftsmodelle von morgen schaffen. Für Schiffseigner müs­sen nun die richtigen Anreize zur Nutzung gesetzt werden. Denn Lerneffekte aus Pi­lotprojekten im Umgang mit den neuen Energiesystemen sind wichtig, um gleich­zeitig Performance und Akzeptanz für die Zukunft zu schaffen. Je breiter deren Marktzugang erfolgt, desto schneller kann die Schifffahrt langfristig emissionsfrei und wirtschaftlich zugleich werden.

  • Christopher Stanik NOW

    Autor

    Dipl.-Ing. Christopher Stanik

    Programmmanager Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie, Projektleiter Erdgas in der Schifffahrt, NOW GmbH

  • Erik Schumacher NOW

    Autor

    Dipl.-Ing. Erik Schumacher

    Bereichsleiter für stationäre Brennstoffzellensysteme mit den Schwerpunkten Hausenergieversorgung, Energieversorgung von Gewerbe und Industrie, sowie Brennstoffzellen in der maritimen Wirtschaft, NOW GmbH

  • Silke Wilhelm NOW

    Autorin

    Silke Wilhelm, M.Sc.

    Stellvertretende Leiterin des Fachbereichs Elektromobilität, NOW GmbH

  • Saubere Sache Schifffahrt Der Zukunft NOW Screenshot

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