Schiffsmotoren und Brennstoffzellen mit Ammoniak als Kraftstoff

 

Karl-Heinz Hochhaus

 

 

 

 

 

 

Seit dem 2015 beschlossenen Pariser Klimaschutzabkommen wird neben der Kfz-Industrie auch in der Schifffahrt und Zulieferindustrie intensiv an CO2-reduzierten oder CO2-neutralen Kraftstoffen und Antriebsmotoren sowie Brennstoffzellen geforscht. 2013 wurde der erste Methanol-Schiffsmotor vom Typ MAN B&W Dual Fuel 7S50ME-B9.3-LGIM bestellt und inzwischen werden diese Motoren auf mehreren Methanol-Tankern erfolgreich eingesetzt. Die Vier-Takt Motoren auf der Fähre Stena Germanica von Wärtsila wurden umgebaut und können seitdem ebenfalls mit Methanol betrieben werden. Um 2014 wurde der Hartmann-Gastanker GasChem Beluga (Abb. 1) mit einem Motor für Ethan gebaut. Der Tanker wurde mit einem Dual Fuel-MAN B&W Zweitaktmotor ausgestattet, der mit Schweröl, Gasöl, LNG und Ethan sowie dem Boil-Off-Gas der Ladung betrieben werden kann. Diese Beispiele zeigen die Flexibilität in der Schifffahrt, der europäischen Schiffsmotorenindustrie und dem zukünftigen Einsatz von synthetischen Brennstoffen.

 

 

it 2018 wird auch die Verwendung von Ammoniak als Brennstoff für Schiffsmotoren intensiv diskutiert und von Motorenherstellern wie MAN und Wärtsila im Labor erprobt . Für das AEngine-Projekt wird in Kopenhagen ein Zweitaktmotor mit Ammoniak als Kraftstoff für den Schiffsantrieb untersucht . "Industriekonsortium entwickelt Viertaktmotor mit Ammoniakantrieb", lautete die MAN Pressenotiz am Mittwoch, den 7. April 2021 Dieses Ziel hat auch das Mærsk Mc-Kinney Møller Center for Zero Carbon Shipping, das am 23. Februar 2021 von der A.P. Møller Foundation mit einer Spende von 60 Mio. $ ins Leben gerufen wurde.

 

 

 

MAN ist überzeugt, die Zukunft gehört den synthetischen Kraftstoffen, die aus erneuerbaren Energien gewonnen werden. LNG ist auf diesem Weg eine Brücke in die Zukunft. Die mit LNG betriebenen Motoren laufen mit einigen Umrüstungen auch mit kohlenstofffreien Kraftstoffen.

 

 

2. Ammoniak-Motoren

 

Ammoniak ist den älteren Schiffsingenieuren noch ein Begriff und wird bereits seit 1870 auf Schiffen als Kältemittel eingesetzt. Es wurde in den 1970 Jahren für die Schifffahrt verboten und durch FCKW-haltige Kältemittel ersetzt. Erst als festgestellt wurde, dass man den Teufel durch den Beelzebub austreiben wollte, denn die neuen Kältemittel zerstörten die Ozonschicht, wurde Ammoniak in der Schifffahrt wieder zugelassen. Grünes Methanol und grünes Ammoniak sind interessante Kandidaten für zukünftige kohlenstoffneutrale bzw. kohlenstofffreie Kraftstoffe.

 

 

Abbildung 2:  Zukünftige Kraftstoffe in der Seeschifffahrt (Quelle DNV GL)

"Wir haben bereits einen mit Methanol betriebenen Zweitaktmotor eingeführt, während wir den ersten Motor mit Ammoniak als Brennstoff im Jahr 2024 ausliefern werden", sagt Brian Østergaard Sørensen, Vizepräsident und Leiter der F&E-Abteilung für Zweitaktmotoren von MAN.

 

2.1 Grünes Ammoniak

 

Ammoniak kommt massiv als ein weiterer alternativer Kraftstoff ins Gespräch (Abb. 2), denn Ammoniak besitzt interessante Eigenschaften.  Es ist ein hervorragender kohlenstofffreier Energiespeicher, kann leicht verflüssigt werden und verfügt über eine dem Methanol, dem anderen alternativen Brennstoff, vergleichbare Energiedichte. Weltweit wird Ammoniak bisher zu rund 80 % genutzt, um mineralischen Stickstoffdünger herzustellen. Die Herstellung ist in der Regel mit einem großen energetischen Aufwand verbunden, woraus sich hohe Emissionen von Treibhausgasen ergeben. Das macht grünes Ammoniak wertvoll für den Einsatz als kommenden Dünger und besonders als Brennstoff in zukünftigen Antriebsanlagen. Diese Anwendung wird in Europa und Japan derzeit für Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen untersucht.

 

 

2.2 Vorteile von Ammoniak

 

Leicht transportfähig per Schiff und Pipeline.

 

Entflammbarkeit geringer als Heizöl, geringe Explosionsgefahr.

 

Herstellung und Umgang eingeübt, wg. Dünge- oder umweltfreundliches Kältemittel

 

bessere Speicherfähigkeit wg. der höheren Energiedichte gegenüber Wasserstoff

 

bessere Transportierbarkeit im Vergleich zu Wasserstoff

 

Ammoniak ist kein Treibhausgas im Vergleich zu Methan

 

der notwendige Stickstoff aus der Luft kann einfach und kostengünstig gewonnen werden

 

 

 

2.3 Nachteile von Ammoniak

 

Gefahrstoff, giftiges und ätzendes Gas, Vergiftungen selten wg. des stechenden Geruches

 

Geringere Energiedichte als Benzin oder Dieselöl

 

bei Normaldruck gasförmig

 

bei der Nutzung als Kraftstoff Ammoniakschlupf vermeiden (Ammoniakschlupfkatalysator)

 

bei der Verbrennung entstehen schädliche Stickoxide.

 

 

3. AEngine–Projekt (Zweitaktmotoren)

 

 

Abbildung 3: (Quelle MAN)

Für das AEngine-Projekt wird in Kopenhagen ein Zweitakt-Versuchsmotor mit Ammoniak als Kraftstoff für den Schiffsantrieb untersucht (Abb. 3). Da Ammoniak (NH3) keinen Kohlenstoff (C) enthält, entsteht bei der Verbrennung von Ammoniak kein Kohlenmonoxid (CO), kein Kohlendioxid (CO2) sowie keine Kohlenwasserstoffe (HC) oder Ruß (Partikel). Beteiligt an diesem Projekt sind neben MAN Energy Solutions weitere sechs  Gründungsmitglieder: ABS, A.P. MøllerMaersk, Cargill, Mitsubishi Heavy Industries, Siemens Energy und die Reederei NYK Line .

 

4. AmmoniaMotProjekt (Viertaktmotoren)

 

MAN Energy Solutions hat 2021 mit dem Projekt „AmmoniaMot“ begonnen  Das von MAN mit Partnern aus Industrie und Forschung initiierte Projekt hat zum Ziel, die zur Herstellung eines Dual-Fuel-Motors für mittlere Drehzahlen erforderlichen Entwicklungsschritte durchzuführen. Der Motor soll ebenfalls mit Dieselkraftstoff als auch Ammoniak betrieben werden. Hintergrund ist wie beim AEngine-Projekt die Dekarbonisierung der Schifffahrt, die von der IMO bis 2050 zu 50% zugesagt wurde.

 

 

 

 

Abbildung 2: Logo Ammoniamot (Quelle MAN)

Zu den Projektpartnern gehören die Technische Universität München sowie die Unternehmen Neptun Ship Design in Rostock, WTZ in Roßlau (Vorläufer des heutigen WTZ Roßlau war das 1952 von ehemaligen Junkers-Ingenieuren gegründete Konstruktions- und Entwicklungsbüro Dieselmotoren Roßlau) und Woodward L'Orange. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert und hat eine Laufzeit von drei Jahren, beginnend im Dezember 2020.

 

5. Projekt ShipFC (Ammoniak Brennstoffzelle)

 

Das norwegische Unternehmen Prototech ist aus dem Forschungsinstitut Norce (Norwegian Research Center) entstanden und wird in dem Projekt ShipFC eine Ammoniak-Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) entwickeln und liefern . Die 2 MW-Ammoniak-Brennstoffzelle soll bis Ende 2023 auf dem Offshore-Schiff Viking Energy  von Eidesvik installiert werden. Das so nachgerüstete Schiff soll jährlich bis zu 3.000 Stunden ausschließlich mit grünem Ammoniak als Kraftstoff fahren. In den geplanten Arbeiten sind Entwurf, Entwicklung und Erprobung kompakter hocheffizienter Module enthalten, die auf den maritimen Einsatz zugeschnitten sind. Das Projekt soll zeigen, dass emissionsfreie Langstreckenreisen mit hoher Leistung auf größeren Schiffen möglich sind.

 

 

 

Das Schiff hat eine dieselelektrische Antriebsanlage mit Akkus als Stromspeicher, nutzt LNG als Kraftstoff und wird auf dem norwegischen Kontinentalschelf eingesetzt. Es ist geplant, mit Ammoniak 60 bis 70 Prozent des Strombedarfs an Bord für einen Testzeitraum von einem Jahr zu produzieren. In der neuen Anlage wird Ammoniak im Spaltreaktor zu Stickstoff und Wasserstoff gespalten. Der Wasserstoff verbrennt in der Brennstoffzelle, dabei wird Strom erzeugt, der in den Akku strömt. Der Katalysator sorgt dafür, dass kein schädliches Stickoxid entsteht und leitet den verbleibenden Stickstoff in die Luft.

 

 

 

 

Abbildung 3: Das Offshore-Schiff Viking Energy erhält eine 2 MW-Ammoniak-Brennstoffzelle (Quelle Eidesvik)

Diese Forschungen werden im Rahmen des europäischen Innovationsprojekts ShipFC durchgeführt, einem Konsortium aus 14 europäischen Unternehmen und Institutionen, das von NCE Maritime Cleantech koordiniert wird. Dazu hat der Charterer Equinor mit der Reedereigruppe Eidesvik Offshore einen Vertrag über den Umbau und Nutzung des Schiffes abgeschlossen. Die Politik hat das Potenzial von Ammoniak erkannt, und die Europäische Union unterstützt das Projekt ShipFC mit 10 Millionen Euro.

 

6. Literatur, Quellen

 

Pospiech, Peter: Wärtsilä forciert Tests mit Ammoniak als Schiffskraftstoff; 30. März 2020 (https://veus-shipping.com/2020/03/waertsilae-forciert-tests-mit-ammoniak-als-schiffskraftstoff/)

 

 

 

MAN Energy Solutions leitet dänisches Konsortium zur Entwicklung eines mit Ammoniak betriebenen Motors für die Schifffahrt (https://man-es.com/docs/default-source/press-releases-new/20201021_man_es_pr-aengine-mes_de.pdf?sfvrsn=7cc3d7c4_2 )

 

 

 

 Blenkey, Nick: Danish consortium puts ammonia-fueled engine on fast track; Marinelog 21. October 2020 (https://www.marinelog.com/shipping/environment/danish-consortium-puts-ammonia-fueled-engine-on-fast-track/)

 

 

 

N. N.: Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit Ammoniak für Schiffe; 4. März 2021 (https://www.internationales-verkehrswesen.de/shipfc-projekt-hochtemperatur-brennstoffzelle-mit-ammoniak-fuer-schiffe/)