Zukunft, Schifffahrt mit CO2-neutralen Brennstoffen

 Karl-Heinz Hochhaus

 

Dieser Beitrag wurde in dem Organ der schiffsbetriebstechnischen Gesellschaft Flensburg e.V. (STGF)

mit dem Namen

Schiffsbetriebstechnik Flensburg

in der Nr. 1/2019  auf den Seiten 15-18 veröffentlicht

 

Abbildung 1: Hauptmaschine der Rolandseck (Quelle 1912, Polytechnischen Journal, Band 327)

 

 

1. Einführung

 Deutschlands Politiker haben auf der Pariser Klimakonferenz 2015 hohe Ansprüche geweckt, als sie das Ziel vorgaben, bis 2050 den CO2-Auststoß um 80 – 95% bezogen auf 1990 zu reduzieren [1]. Damit soll die Erderwärmung auf 1,5 bis maximal 2°C im Vergleich zur vorindustriellen Zeit begrenzt werden. Inzwischen wurden die deutschen Politiker jedoch von der Realität des deutschen Straßenverkehrs eingeholt. Der CO2-Ausstoß hat sich entgegen den Vorhersagen und Planungen erhöht. Auch die internationale Schifffahrt hat reagiert. In London haben die Delegierten  von über 170 Staaten im Rahmen der IMO-Versammlung 2018 beschlossen, dass die Schifffahrt bis 2050 den CO2-Ausstoß gegenüber 2008 mindestens halbieren will. Bis zum Jahr 2023 sollen Forschungsergebnisse zeigen, mit welchen Maßnahmen das Ziel erreicht werden soll. Vom 3. großen Verkehrsteilnehmer, der Luftfahrt, wurde mitgeteilt, dass bis 2050 die CO2-Emissionen der Luftfahrt verglichen mit 2005 halbiert werden sollen.

 

2. Schifffahrt

 Die geplanten CO2-Reduzierungen in der Schifffahrt sollen bis 2050 erreicht werden, sind also sehr langfristig angelegt [2]. Der Zeitraum umfasst etwa zwei Schiffsgenerationen, wenn ein Schiffsalter mit 5 Klasseperioden also 25 Jahre gerechnet wird. Ein Rückblick zeigt, dass sich der Dieselmotor vor rund 100 Jahren in der Schifffahrt durchzusetzen begann (Abb. 1) und vor rund 50 Jahren das Schweröl mit einem Schwefelgehalt von 5% im Schiffsbetrieb eingeführt wurde. Die Schiffsgeschwindigkeiten wurden seitdem zum Teil erheblich gesteigert. 2020 wird der Schwefelgehalt im Schweröl weltweit auf 0,5% gesenkt und in einem ersten Schritt findet derzeit der schwefelfreie Schiffstreibstoff LNG Anwendung. Damit werden Schwefel und Ruß um 90 – 95% sowie die CO2-Emissionen um 20 -25%gesenkt.

 

Im zweiten Schritt wird die Einführung von CO2-neutralen auch als E-Fuels oder Power to X bezeichneten Brennstoffe wie Methanol erfolgen, die einen weitgehend CO2-neutralen Betrieb der Schiffe ermöglichen. Daran wird weltweit geforscht, um sie zum Beispiel aus regenerativem Strom mit Umweg über die Wasserstoffproduktion in Elektrolyseuren und einer nach gelagerten Synthese herzustellen.

 

Methanol ist eine farblose Flüssigkeit, ist biologisch abbaubar und kann aus Erdgas, Kohle, Biomasse oder CO2 hergestellt werden. Mit der Stena Germanica (Abb. 2) wurde 2015 eine der größten Ro-Pax Fähren mit EU-Forschungsmittel in zwei Schritten auf Methanol als Brennstoff umgebaut, um weitere Erfahrungen mit diesem interessanten zukunftsträchtigen Brennstoff zu sammeln. Bei der Herstellung aus „grünem“ Wasserstoff und CO2 ist Methanol weitgehend CO2-neutral und emittiert soviel CO2, wie zur Produktion aus der Umwelt aufgenommen wurde. CO2-neutraler Schiffsbetrieb ist das Endziel von Stena, um die Entwicklung in der Schifffahrt voranzutreiben. In Skandinavien werden seit 2006 Erfahrungen mit Methanol in insgesamt 8 Forschungsvorhaben gesammelt, sowohl in Brennstoffzellen (F+E-Vorhaben Methapu) als auch in Motoren (F+E-Vorhaben Spireth 2011) und (F+E-Vorhaben Waterfront) [3]. Im Programm Horizon 2020 sind im bis 2019 laufenden von DAMEN koordinierten RU-Projekt Lean Ships entsprechende Demonstratoren geplant.

 

 

 

 

Abbildung 2: Stena Germanica, eine der größten Ro-Pax Fähren fährt mit Methanol (Quelle Stena Line)

 

3. CO2-neutrale Brennstoffe

 Bei CO2-neutralen Brennstoffen spielt der Wasserstoff eine wichtige Rolle. Zur Zeit wird er zu vorwiegend preisgünstig mit der sogenannten Dampfreformierung aus den fossilem Energieträger Erdgas hergestellt. Nur etwa fünf Prozent des Wasserstoffs entstehen derzeit weltweit mittels Elektrolyse. Wird regenerativer Strom verwendet, spricht man von „grünem“ Wasserstoff. Dieser Anteil wird steigen, besonders in Japan wird die „grüne“ Wasserstoffproduktion eine wichtige Rolle bei der Energiewende spielen. Bis 2040 soll hier eine auf Wasserstoff beruhende ganzheitliche Wirtschaftsform ohne Kohlendioxidemissionen geschaffen werden. Eine deutsche Wasserstoffwirtschaft wurde bereits 1982 von Rudolf Bölkow propagiert [2].

 

 In Deutschland wurde die Entwicklung, Erprobung und der praktische Einsatz von erneuerbaren Energien Mitte 2015  mit der Produktion von Wasserstoff durch Wasserelektrolyse u. a. im Energiepark Mainz begonnen. Hier wird „überschüssige“ umweltfreundlich aus Windkraft erzeugte Energie nach der Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespeichert und liefert dann Energie, wenn sie gebraucht wird. So werden erneuerbare Energien flexibler einsetzbar und stehen auch zur weiteren Wandlung in CO2-neutrale Brennstoffe zur Verfügung.

 

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 sich in der Entwicklung befindlichen Solid Oxide Elektrolyse (SOE) bei 700 – 900°C werden bei großen Anlagen Wirkungsgrade von 80 bis 85% erwartet [6].

 

Auf Island wurde 2011 eine Pilotanlage zur Methanolproduktion von Carbon Recycling International Inc. (CRI) erstellt. Diese Gesellschaft wurde 2006 gegründet und betreibt inzwischen eine vergrößerte industrielle Anlage. Auch hier wird mit Strom Wasserstoff erzeugt und in katalytischer Reaktion mit 5500 t CO2 in 5000 t Methanol umgewandelt. Der in der Anlage verwendete Strom wird aus Wasserkraft und Geothermie erzeugt. Das CO2 wird aus Rauchgas eines geothermischen  Kraftwerk neben der CRI-Anlage gewonnen [7].

 

Abbildung 3: Die Innogy ist das erste Schiff in Deutschland, das mit einer umweltfreundlichen Methanol- Brennstoffzelle angetrieben wird. (Quelle Innogy)

 

3. CO2-neutrale Brennstoffe

Bei CO2-neutralen Brennstoffen spielt der Wasserstoff eine wichtige Rolle. Zur Zeit wird er zu vorwiegend preisgünstig mit der sogenannten Dampfreformierung aus den fossilem Energieträger Erdgas hergestellt. Nur etwa fünf Prozent des Wasserstoffs entstehen derzeit weltweit mittels Elektrolyse. Wird regenerativer Strom verwendet, spricht man von „grünem“ Wasserstoff. Dieser Anteil wird steigen, besonders in Japan wird die „grüne“ Wasserstoffproduktion eine wichtige Rolle bei der Energiewende spielen. Bis 2040 soll hier eine auf Wasserstoff beruhende ganzheitliche Wirtschaftsform ohne Kohlendioxidemissionen geschaffen werden. Eine deutsche Wasserstoffwirtschaft wurde bereits 1982 von Rudolf Bölkow propagiert [2].

 

In Deutschland wurde die Entwicklung, Erprobung und der praktische Einsatz von erneuerbaren Energien Mitte 2015  mit der Produktion von Wasserstoff durch Wasserelektrolyse u. a. im Energiepark Mainz begonnen. Hier wird „überschüssige“ umweltfreundlich aus Windkraft erzeugte Energie nach der Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespeichert und liefert dann Energie, wenn sie gebraucht wird. So werden erneuerbare Energien flexibler einsetzbar und stehen auch zur weiteren Wandlung in CO2-neutrale Brennstoffe zur Verfügung.

 

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 sich in der Entwicklung befindlichen Solid Oxide Elektrolyse (SOE) bei 700 – 900°C werden bei großen Anlagen Wirkungsgrade von 80 bis 85% erwartet [6].

 

Auf Island wurde 2011 eine Pilotanlage zur Methanolproduktion von Carbon Recycling International Inc. (CRI) erstellt. Diese Gesellschaft wurde 2006 gegründet und betreibt inzwischen eine vergrößerte industrielle Anlage. Auch hier wird mit Strom Wasserstoff erzeugt und in katalytischer Reaktion mit 5500 t CO2 in 5000 t Methanol umgewandelt. Der in der Anlage verwendete Strom wird aus Wasserkraft und Geothermie erzeugt. Das CO2 wird aus Rauchgas eines geothermischen  Kraftwerk neben der CRI-Anlage gewonnen [7].

 

Abbildung 4: Die 3 PEM-Anlagen zur Wasserelektrolyse im Energiepark Mainz liefern bei der Nennleistung von 2 MW je 345 Kubikmeter Wasserstoff (Quelle Energiepark Mainz)

 

3.1 Carbon2Chem

 In Deutschland wurde 2018 eine Pilotanlage im Verbundprojekt Carbon2Chem eröffnet, in der Partner unter der Federführung von Thyssenkrupp u. a. die Methanolherstellung aus  Hüttengasen der Stahlindustrie erproben [8]. Seit 2016 wird in Duisburg im kleinen Maßstab an dieser Technologie geforscht. Damit soll eine weitgehend CO2 -freie Stahlerzeugung realisiert werden, denn die Abgase aus den Hochöfen sollen in Zukunft selbst zum Rohstoff der zukünftigen Treibstoffproduktion werden Bis Methanol aus dem Carbon2Chem-Projekt marktreif ist, werden etwa zehn Jahre Entwicklungszeit veranschlagt.

 

Durch diese Technologie können in Deutschland jährlich 20 Millionen Tonnen des CO2-Ausstoßes der Stahlbranche in Vorprodukte für Kraftstoffe, Kunststoffe oder Düngemittel umgewandelt werden. Die beteiligten Partner planen Investitionen von mehr als 100 Millionen Euro bis 2025. Für die kommerzielle Realisierung haben sie mehr als eine Milliarde Euro vorgesehen [9].

 

3.2 Steelanol im F+E-Programm Horizon 2020

Gründer der US-Firma LanzaTech aus Illinois untersuchten verschiedene Bakterien, die u. a. in der Tiefsee an Schwarzen Rauchern vorkommen. Hier gibt es sehr wenig Sauerstoff, dagegen aber Kohlenmonoxid (CO). Daraus entsteht beim Stoffwechsel der als Clostridien genannten Bakterien Ethanol, ein Alkohol. Der internationale Stahlkonzern ArcelorMittal startete 2015 das von LanzaTech lizenzierte Technologieprojekt Steelanol und bei ersten Laborversuchen wandelten die Bakterien einen Großteil des CO in Ethanol um [10]. 2017 wurde der Alkohol von der EU als Biokraftstoff anerkannt und das war der Start zu großtechnischen Versuchen für das Projekt Steelanol.

 

Im Rahmen des F+E-Programmes Horizon 2020 der Europäischen Union wurde von ArcelorMittal inzwischen die erste Projektphase gestartet, um diese Technologie im industriellen Maßstab zu untersuchen. Ab 2018 investiert ArcelorMittal zur Produktion von Bioethanol rund 150 Mio. € in ihrem  Stahlwerk im belgischen Gent zum Bau einer großen Pilotanlage. Insgesamt 22 Millionen Euro wurden im Rahmen von Horizon 2020 beantragt und genehmigt. 4 Mio. € kamen aus dem britisch-französisch-niederländisch-flandrischem Förderprogramm INterreg2Seas [10]. Damit sollen rund 80.000 Tonnen Ethanol pro Jahr entstehen. Es ist die erste Anlage seiner Art in Europa und die größte Anlage, die bisher weltweit mit dieser Technologie entsteht. Etwa 50 kg Bioethanol werden dabei pro Tonne Stahl produziert. Wenn der Demonstrator den Erwartungen entspricht, ist geplant, dass ArcelorMittal diese Anlagen auch in seinen deutschen Hüttenwerken installiert.

 

Abbildung 5: Spezifische CO2-Emissionen von Dieselöl, Biofuel und Methanol (Quelle CRI)

 

4. Zusammenfassung

 Zur aktuellen Klimadiskussion werden einige Betrachtungen angestellt, um zu zeigen, dass die zukünftigen Entwicklungen in der Schifffahrt vor dem Hintergrund der vergangenen zwei Schiffsgenerationen ablaufen. Heute kaum realisierbare Ziele wie z. B. CO2-Reduktionen um 90% werden mit neuen Technologien plötzlich möglich, wenn die Ziele mit vereinten Kräften angegangen werden. Hier zeigen sich die Vorteile von größeren Gemeinschaften wie z. B. der EU. So werden im F+E-Programm „Horizon 2020“ mehrere Projekte durchgeführt, die sich auf vielen Ebenen, so auch in der Schifffahrt, mit der CO2-Problematik beschäftigen. Wer hätte gedacht, dass sich aus den von Stahl- und Zementwerken emittierten giftigen Klimakillern CO und CO2 zukunftsträchtige Brennstoffe  herstellen lassen.

 

Beim Beginn der Motorisierung vor rund 120 Jahren holte man den notwendigen Sprit von der Apotheke (Spiritus, Ethanol, Methanol). Heute fahren erste Schiffe damit und morgen wird dieser Sprit zum Teil mit Hilfe von gestern in der Tiefsee entdeckten Mikroben aus den Abgasen der Stahl- und Zementindustrie gewonnen.

 

5. Literatur und Quellen

[1] N. N.: Klimaschutzplan 2050 – Klimaschutzpolitische Grundsätze und Ziele der Bundesregierung; 2016, Herausgeber Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB)

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

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

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

[5] Hochhaus, K.-H.: Klimawandel in der globalen Schifffahrt, Schiff&Hafen Nr. 12/2018

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

[7] https://de.wikipedia.org/wiki/Carbon_Recycling_International

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

[9] Ahrens, Ralph H.: Biokraftstoff aus dem Stahlwerk, vdi-nachrichten.com 6. September 2018, Ausgabe 36

[10] https://ec.europa.eu/inea/en/horizon-2020/projects/h2020-energy/biofuels/steelanol