Klimawandel in der globalen Schifffahrt

 Karl-Heinz Hochhaus

 

Die IMO hat vor dem Hintergrund des 2016 in Kraft getretenen Pariser Abkommen zum Klimawandel beschlossen, den CO2-Ausstoß der globalen Schifffahrt bis 2050 bezogen auf das Jahr 2008 um mindestens 50% zu reduzieren.

 

1. Einführung

Für den internationalen Handel ist die Schifffahrt der energieeffizienteste Weg zum Gütertransport. Auf den Schifffahrtssektor entfallen über 95% des weltweiten interkontinentalen Güterverkehrs. Dafür werden in Form von Brennstoff rund 23% (Tab. 1) der globalen Primärenergie aufgewendet, und es entstehen damit rund 23% der anthropogenen globalen CO2-Emissionen. 2003 erhielt die internationale Schifffahrtsorganisation IMO als Regulierungsbehörde der Vereinten Nationen für die maritime Industrie durch die UN-Klimarahmenkonvention (UNFCCC) den Auftrag, Regelwerke zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen von Schiffen zu entwickeln [1].

 

   Das 2015 beschlossene und 2016 in Kraft getretenen Übereinkommen von Paris  sieht die Begrenzung der von Menschen gemachten globalen Erwärmung auf deutlich unter 2° C gegenüber den vorindustriellen Werten vor (Abb. 2). Die beteiligten 187 Staaten haben nationale Klimaaktionspläne und entsprechende CO2-Reduktionsziele bei der UN eingereicht. Im Klimaschutzplan der Bundesregierung [3] wurden keine konkreten Maßnahmen für die Schifffahrt benannt. Hier heißt es dazu auf Seite 56 unter dem Abschnitt Luft- und Seeverkehr: „Die Bundesregierung wird den vorhandenen Forschungsbedarf adressieren und – in Abhängigkeit von den Forschungsergebnissen – ein Konzept zum Ausbau und der Markteinführung von strombasierten Kraftstoffen für den nationalen und internationalen Luft- und Seeverkehr vorlegen. Die Rolle von auf Abfall- und Reststoffen basierenden Biokraftstoffen ist in diesem Kontext zu prüfen“.

 

   Auf der 72. Sitzung des IMO-Ausschusses für den Schutz der Meeresumwelt wurde Mitte April 2018 in London das Thema für die Schifffahrt behandelt. Vertreter von mehr als 100 teilnehmenden IMO-Mitgliedstaaten haben nach schwierigen Verhandlungen beschlossen, den CO2-Ausstoß bis 2050 bezogen auf das Jahr 2008 um mindestens 50% zu reduzieren. Mit diesem bedeutenden historischen Schritt ist der Seeverkehr der weltweit erste Industriesektor mit konkreten und weitreichenden Vorgaben zum Schutz des Klimas.

 

Abbildung 1: Die „MS Innogy“ ist das erste Schiff, dass mit aus Wasserkraft entstandenen CO2-neutralem Kraftstoff Methanol fährt (Foto: Innogy)

 

 

Jahr

Mio. t Kraftstoff

Anteil Schifffahrt

Welt

Schifffahrt

%

2007

11626

258

352

2,2

3,0

2008

11784

254

363

2,2

3,1

2009

11601

246

313

2,1

2,7

2010

12170

262

293

2,2

2,4

2011

12455

264

327

2,1

2,6

2012

12633

253

300

2,0

2,4

2013

12866

254

291

2,0

2,3

2014

12989

258

297

2,0

2,3

2015

13105

265

298

2,0

2,3

2016

13276

 

 

 

 

Quelle

IEA

Third IMO GHG Study ICCT

ICCT

 

 Tabelle 1: Anteil der globalen Schifffahrt am Weltenergieverbrauch in Mio. t [2].

 

2. CO2-Reduzierung in der Schifffahrt

 Die verbindliche Einführung des Energieeffizienz-Entwurfsindexes (EEDI) war der erste Meilenstein der IMO zur globalen Klimastrategie [1]. Die Minderung von CO2-Emissionen ist seit 2013 für Schiffsneubauten als schiffstypenbezogene Basislinie ab einer Größe über 400 BRZ verbindlich vorgeschrieben. Der EEDI ist ein pezifischer Kennwert, welcher die CO2-Emissionen pro Tonne Ladung und gefahrener Seemeile angibt. Damit soll die Schiffbauindustrie schon während der Entwurfs- und Bauphase eines Schiffes dazu verpflichtet werden, die Energieeffizienz zu berücksichtigen und hat dazu geführt, die Schiffe und Schiffsbetriebsanlagen energetisch zu optimieren. Diese Basislinie wird in regelmäßigen Zeitabständen dem technischen Fortschritt angepasst, d. h. neuere Schiffe werden mit geringeren Emissionen fahren (Abb. 3).

 

 

 

 

 

Abbildung 2:  CO2-Emissionen in Mrd. t  über der Zeit, Pfade für das 2° Ziel abhängig vom Emissionspik (Quelle Wikipedia, Stefan Rahmstorf)

 

 

2.1 Energieeffizienzmanagement an Bord (SEEMP)

 Die Reeder müssen auf jedem Schiff einen Betriebsplan auf der Grundlage der IMO-Richtlinien an Bord vorhalten. Mit dem Führen dieser Schiffsbetriebspläne zum Energieeffizienzmanagement wird der Einfluss von Betriebsgrößen auf den operativen Brennstoffverbrauch an Bord für die nautischen und technischen Schiffsoffiziere deutlich sichtbar. Wichtige Einflussgrößen sind neben der Ermittlung der jeweils optimalen Geschwindigkeit, die richtige Trimmlage des Schiffes in Abhängigkeit von der Beladung und die Beachtung von Wettervorhersagen und Meeresströmungen.

 

 

 

 

 

 

Abbildung 3: Basislinien für die spez. CO2-Emission von 2013–2025 (Quelle IMO)

 

2.2 Erfassung und Verringerung der CO2-Emissionen um 50%

 

Im Herbst 2016 wurde der zweite Meilenstein zur globalen Klimastrategie der IMO beschlossen. Die CO2-Emissionsdaten aller Seeschiffe sollen ab 2019 über die Flaggenstaaten gesammelt und bei der IMO als Grundlage für die Reduktionsziele ausgewertet werden. Als Reaktion hat die EU vorgeschrieben, dass die Reeder bis zum 31. August 2017 ein von einer unabhängigen Prüfstelle anerkanntes Konzept zur Erfassung der CO2-Emissionen vorlegen mussten. Das galt für jedes Schiff über 5.000 BRZ, das ab dem 1. Januar 2018 einen EU-Hafen angelaufen hat. Auf der o. a. angeführten 72. Sitzung des IMO Ausschusses für den Schutz der Meeresumwelt im April 2018 haben sich die Staaten konkret festgelegt. Bis 2050 soll die Absenkung der CO2-Emissionen um mindestens 50%, möglichst jedoch um 70 % erfolgen. Weiterhin haben sie sich auf Zwischenziele geeinigt, nach denen Schiffe ihre CO2-Emissionen bezogen auf die Transportleistung bis 2030 gegenüber 2008 um mindestens 40% reduzieren sollen.

 

 

 

 

 

 

Abbildung 4: Raumbedarf beim Bunkern (Quelle IMO)

 

3. Maßnahmen zur Senkung der CO2-Emissionen

 Über 100 Binnenschiffe wurden im Berliner Raum bereits 1910 weitgehend CO2-neutral zum Transport von Ziegelsteinen elektrisch betrieben, die Akkumulatoren (Akkus) wurden mit Strom aus Wasserkraft geladen [4].

 

 3.1 Wahl des Antriebes und des Kraftstoffes

 Elektrisch angetriebene Kurzstreckenschiffe wie Fähren werden seit 2015 mit alternativ erzeugtem Strom eingesetzt und haben dann leistungsstarke Akkus von bis zu 1000 kWh an Bord. Die CO2-Emissionen sind eine Folge der Verbrennung von fossilen Rohstoffen. Eine Verringerung lässt sich erreichen, wenn weniger Kraftstoff verbrannt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der Kraftstoff weniger Anteile an Kohlenstoff (C) enthält, wie das verflüssigte Erdgas (LNG) oder besser keine C-Anteile enthält wie der Wasserstoff. Bereits 1932 hat Messer-Griesheim die später als Wasserstoff-Pipeline Rhein-Ruhr bezeichnete 240 km lange Rohrleitung mit vielen Einspeisungen und Zapfstellen errichtet [5], die heute von Air Liquide betrieben wird. 1978 wurde ein umfangreiches F+E-Projekt durchgeführt, um mit Spezialtankern Wasserstoff aus Kanada nach Deutschland zu transportieren [6]. Allerdings ist die Lagerung dieser Kraftstoffe bei Umgebungstemperatur sehr aufwendig, da sie gasförmig sind und dann sehr viel Bunkerraum benötigen. Auf extrem niedrige Minustemperaturen abgekühlt, liegen sie in flüssiger Form vor, d. h. die Bunkertanks sind erheblich kleiner, müssen dann jedoch aufwendig isoliert werden (s. a. Abb. 4). Trotz dieser Nachteile wurden Schiffsmotoren entwickelt und gebaut, die als sogenannte Dual Fuel Motoren mit Dieselöl oder mit LNG betrieben werden. Als weltweit erstes LNG-Kreuzfahrtschiff wurde 2018 die „Aidanova“ von der Meyer Werft abgeliefert, und die Reederei musste sich um die notwendige LNG-Infrastruktur kümmern.

 

Abbildung 5: Auf der Fähre „Stena Scanrail“ wurden erste Versuche mit Methanol durchgeführt (Quelle Stena)

 

3.2 LNG als Brückentechnologie

 Die zunehmende Nutzung von LNG als Treibstoff in der Schifffahrt reduziert CO2 und dient auch als Brückentechnologie zum Einstieg in die sogenannten Power-to-Gas sowie der Power-to-Liquid-Technologien.

 

3.3 Power-to-Gas Technologie

 Im Rahmen der Strategieplattform „Power to Gas“ wird in einer derartigen Anlage in Werlte (Ostfriesland) vom Autohersteller Audi seit 2013 aus erneuerbarer Energie Wasserstoff produziert (s. Case 1 in Tab. 2). Mit der Nennleistung von 2 MW und rund 200 kg/h Kohlendioxid aus einer benachbarten Biogasanlage entstehen daraus in der Anlage zur Methanisierung rund 70 kg/h synthetisches Erdgas. Insgesamt besteht die Anlage aus drei Strängen, die insgesamt rund 1800 t/a Methan produzieren. Der Wirkungsgrad der Elektrolyse ist abhängig von dem Verhältnis der eingesetzten Strommenge zur erzeugten Wasserstoffmenge. Sie liegen bei der Niedertemperatur-Elektrolyse (60 – 80°C) heute je nach Größe der Elektrolyseure bei 60 bis 75%. Für die in der Entwicklung befindlichen Solid Oxide Elektrolyse (SOE) bei 700 – 900°C werden Wirkungsgrade bis 85% erwartet.

 

   In [8] wurde von MAN Diesel & Turbo in Deggendorf neben einer der Werlte-Anlagen eine deutlich größere Power-to-Gas-Anlage vorgestellt, die 1850 kg/h Methan produzieren und deren Baukosten rund 80 Mio. € betragen sollen (Tab. 2). Die Elektrolyseanlage wurde mit 42%, die Methanisierung mit 24% und die CO2-Abscheidung mit 18% der Baukosten veranschlagt.

 

Tabelle 2: Spezifische Daten für zwei Anlagen zur Methan-Herstellung aus [8]

 

3.4 Power-to-Liquid-Technologien

 Mit der Power-to-Liquid-Technologie lassen sich aus dem Wasserstoff unter Zufügung von CO2 auch flüssige weitgehend CO2-neutrale synthetische Kraftstoffe wie Methanol [9] herstellen (s. a. Abb. 6). Eine derartige Anlage wird seit 2011 von Carbon Recycling International Inc. (CRI) auf Island betrieben. Diese Gesellschaft wurde 2006 gegründet und betreibt die 2015 vergrößerte Anlage mit einer Kapazität von 5000 t Methanol pro Jahr. Wird eine derartige Anlage in Büttel (Schleswig-Holstein) oder Dörpen (Ostfriesland) gebaut, kann der dort „angelandete“ hochgespannte Überschuß-Gleichstrom von den Offshore-Windkraftanlagen direkt verwendet werden. Das Prinzip wurde 2014 beim STG-Nachwuchssprechtag vorgetragen [10].

 

 

Abbildung 6: Spezifische CO2-Emissionen von Dieselöl, Biofuel und e-Fuel wie z. B. Methanol (Quelle Carbon Recycling International CRI)

 

  In dem Greenfuel Projekt [11] am Baldeneysee bei Essen wurde von Innogy eine Pilotanlage zur elektro-biokatalytischen Methanolsynthese errichtet. Sie dient zur strombasierten Methanolherstellung, das als Kraftstoff für das 2017 umgebaute Binnen-Fahrgastschiff "MS Innogy“ (Abb. 1) dient. Der dazu notwendige Strom entsteht im Laufwasserkraftwerk Baldeney und das CO2 wird der Umgebungsluft entnommen. Das  entstehende flüssige Methanol ist CO2-neutral. Reicht die eigene Produktion nicht aus, wird in Island von CRI zugekauft. Im Bereich der globalen Schifffahrt fahren neun Seeschiffe (Abb. 7, Tab. 2, 3), deren Zwei- bzw. Viertaktmotoren (MAN, Wärtsilä) mit Methanol betrieben werden [9].

 

   Stena betreibt die 2015 auf Methanol umgebaute „Stena Germanica“ und ist seit November 2016 an dem Projekt Fresme beteiligt, in dem Methanol aus den Restgasen der Stahlherstellung gewonnen wird [12]. Die Umsetzung erfolgt beim schwedischen Stahlwerk Swerea in Luleå, wird als Pilotprojekt bis 2020 fortgesetzt und mit EU-Mitteln in Höhe von 11 Mio. € finanziert. Im September 2018 fand im Duisburger Carbon2Chem-Technikum aus Hüttengasen des Stahlwerks von Thyssenkrupp eine erste Methanolproduktion statt [13]. Im Steelanol-Projekt wird mit als Clostridien bezeichneten Bakterien Ethanol aus Hüttengasen des Stahlwerks von Arcelor Mittal erzeugt. Es wird im Rahmen des F+E-Programmes Horizon 2020 der Europäischen Uniongefördert. Die 150 Mio. € Pilotanlage in Gent gewinnt pro Jahr etwa 25.000 Tonnen Ethanol, pro Tonne Stahl etwa 50 kg Ethanol [14].

 

 

Name

„Lindanger“

Rufzeichen

LATL7

IMO Nummer

9725299

Flagge

Norwegen

Heimathafen

Bergen

Eigner

Welco Eco Ship AS

Bauwerft

Hyundai Mipo.

Baujahr

2016

Länge Lpp

186.06 m

Länge Lüa

178 m

Breite

32,2 m

Tiefgang

12,85 m

Vermessung

30945 BRZ

Tragfähigkeit

50.000 tdw

Hauptmotor

Typ

Hyundai-B&W 6G50ME-9.3 LGIB

Nennleistung

Drehzahl

10.320 kW 

bei 100  U/min

Geschwindigkeit

15,8 kn

Schiffstyp

Produkttanker

Klasse

DNV GL

 

Tabelle 3: Techn. Daten des Tankers „Lindanger“ mit Methanol als Kraftstoff

 

4. Methanol und Ethanol als zukünftiger Kraftstoff für die Schifffahrt

 Methanol und Ethanol ist weit verbreitet, da sie vielfach in der chemischen Industrie verwendet werden. Ethanol ist der am häufigsten verwendete Biokraftstoff im landgestützten Transport. Methanol und auch Ethanol haben eine geringere Energiedichte und benötigen daher mehr Bunkerraum (Abb. 4). Als Vorteil gilt, sie lassen sich aus erneuerbaren Energien bzw. Hüttengasen gewinnen und bei der Verbrennung in Dieselmotoren sind die Emissionen im Vergleich zu herkömmlichen Diesel- oder Schwerölen ohne Nachbehandlung gering. Die Stickoxidemissionen und die Partikelemissionen sind ebenfalls niedriger als bei konventionellen Kraftstoffen. Bei einer Zündung von Methanol und Ethanol mit Pilotbrennstoff  entsteht eine extrem geringe Menge an Schwefeloxidemissionen. Methanol und Ethanol sind unter atmosphärischen Bedingungen flüssig, LNG dagegen muss bei -162 °C gelagert werden, um im flüssigem Zustand zu bleiben.

 

 

 

 

 

Abbildung 7: Tanker „Mari Boyle“ mit Methanol als Kraftstoff, ein Schwesterschiff  der „Lindanger“ (Foto Marinvest)

 

5. Weitere Maßnahmen

 Der Wind als Schiffsantrieb wurde vor rund 200 Jahren in einer langen Übergangszeit von fossilen Kraftstoffen abgelöst. Seit einigen Jahren erfolgt der langsame Übergang auf CO2-neutrale Antriebe. Dabei sind bereits verschiedene Mischformen entstanden, wie z. B. „E-Ship 1“ mit Dieselöl und Wind oder noch interessanter beim Fährschiff „Viking Grace“, das LNG, Dieselöl und Wind zum Vortrieb nutzt. Der Wind wird wie bei der „E-Ship 1“ mit Flettner-Rotoren oder wie auf einigen Frachtschiffen mit Drachen (Skysails) als Zusatzkraft genutzt.

 

   Sehr progressiv, aber auch umstritten ist der SchiffsentwurfVindskip“ vom Norweger Terje Lade. Dabei bildet der innovative 199 Meter lange, schlanke und rund 47 Meter hohe Rumpf das Segel (Abb. 8). Das Schiff soll mit Wind und LNG als Treibstoff angetrieben werden. Eine Software von den Fraunhofer-Forschern der TUHH sorgt dafür, dass die verfügbare Windenergie optimal genutzt wird.

 

   Inzwischen werden auf Autotransportern und Kreuzfahrtschiffen auch Versuche mit Solarzellen durchgeführt, die in Verbindung mit Akkumulatoren den Sonnenstrom für die Hafenliegezeiten oder Fahrten in norwegischen Null-Emissions-Zonen sammeln können. Im Hafen werden zunehmend Möglichkeiten geschaffen, um Abgasemissionen durch die Nutzung von Landstrom zu vermeiden. Dass die optimale Geschwindigkeit und damit der Brennstoffverbrauch von vielen Faktoren, auch von der Zahl der verfügbaren Schiffe abhängt, hat die vergangene Periode gezeigt. Statt 25 kn wurden von großen Containerschiffen 17-20 kn gefahren und dabei etwa die Hälfte des Treibstoffes und somit CO2 eingespart.

 

Tabelle 2: Übersicht zu F+E-Vorhaben zum Einsatz von Methanol in der Schifffahrt [7]

 

6. Zusammenfassung und Schlussfolgerung

 Die IMO als Regulierungsbehörde der Vereinten Nationen für die maritime Industrie hat reagiert und Vorschriften zum Klimaschutz erlassen, die ein Umdenken der Reeder, Werften und Motorenhersteller bewirken. Für neue Schiffe wurden sogenannte Dual-Fuel-Motoren entwickelt, die für die Kraftstoffe Dieselöl, Flüssiggas bzw. Methanol umschaltbar sind.

 

   Der Handel mit CO2-Emissionszertifikaten, deren Preis pro Tonne in einem Jahr von rund 5 € inzwischen (1. Okt. 2018) auf rund 20 € gestiegen ist, wird die zuvor beschriebenen Entwicklungen maßgeblich beeinflussen. Daher ist der Klimaschutzplan der Bundesregierung [3] zur Markteinführung und zum Ausbau der strombasierten Kraftstoffe für den nationalen und internationalen Luft- und Seeverkehr dringend zu überarbeiten. Die bisherigen Planungen der aus Sonne und Wind erzeugten Ökostrommengen bis 2050 entsprechen nicht dem schon heute absehbaren Bedarf. Es werden Ausschreibungen für einen schnelleren Ausbau der Solar- und Windstromanlagen benötigt.

 

7. Literatur und Quellen

 [1] Mundt, Torsten; Köpke, Martin: MEPC 62 Energy Efficiency Design Index verabschiedet; 2011 Schiff & Hafen Nr. 9

 [2] N. N: BP Statistical Review of World Energy; London 2018; 67. Edition June 2018

 [3] N. N.: Klimaschutzplan 2050–Klimaschutzpolitische Grundsätze und Ziele der Bundesregierung; 2016,

 Herausgeber Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB)

 [4] Hochhaus, K.-H.: Vor 100 Jahren–Elektrisch angetriebene Kähne aus Zehdenick; Schiffs-Ingenieur Journal  6/2017,

 [5] Bölkow, L.: Das Problem der Langfristigkeit in der Energiepolitik; STG-Jahrbuch 1982

 [6] Backhaus, H.; Fehr, M; Krapp, R.: Seetransportsystem bei Flüssigwasserstoff; in Entwicklungen in der Schiffstechnik, Statusseminar 1989 Hrsg. GL

 [7] Ellis, Joanne; Tanneberger, Kim: Study on the use of ethyl and methyl alcohol as alternative fuels in shipping; Final Report 2015 Schweden

 [8] Bank, Rolf: „Power to X“ - Übersicht über die Herstellung von synthetischem Erdgas, Vortrag auf der STG und MCN Fachtagung „CO2-Reduzierung in der Seeschifffahrt“

 [9] Hochhaus, K.-H.: Alternative Kraftstoffe in der Seeschifffahrt; Schiffs-Ingenieur Journal 2/2017, Seite 6 ff

 [10] Jansen,  Daniel: Anforderungen an eine Power-to-Gas-Anlage für den Offshore-Einsatz mit einer Anschlussleistung von 240 MW; STG Jahrbuch 2014

 [11]N. N.: Innogy startet weltweit einzigartiges Methanol-Projekt; Innogy Presseerklärung am 9 März 2017

 [12] http://fresme.eu/

 [13] N.N.: Grüner Wasserstoff für CO2-freien Stahl; in Windindustrie in Deutschland 2018: Bundesverband Windindustrie

 [14] http://www.steelanol.eu/