Aus Kosten- und Logistikgründen soll die „Stena Germanica“ die einzige mit Methanol betriebene Fähre der Reederei bleiben (Quelle: Stena Line)

 

 

Bilanz nach Jahren Methanolbetrieb

 

24. April 2020

 

Die zwischen Kiel und Göteborg verkehrende „Stena Germanica“ ging vor fünf Jahren als eine der ersten mit Methanol betriebenen Fähren in Fahrt. Zuvor war das 240 m lange Schiff auf der polnischen Remontowa Werft mit einem kombinierten Methanol-Antrieb ausgerüstet worden. Seit der Umrüstung wurde Methanol regelmäßig als Haupt- oder Ergänzungsbrennstoff auf der „Stena Germanica“ verwendet.

 

Nach fünf Jahren im Einsatz hat die Reederei Stena Line nun eine Bilanz gezogen.

„Die Umrüstung der ‚Stena Germanica‘ auf Methanol-Antrieb war und ist ein wichtiger Meilenstein auf unserer Reise zu nachhaltigeren Schifffahrt. Trotz der aktuellen herausfordernden Zeiten freuen wir uns über fünf Jahre Methanol im Tank und darüber, Vorreiter für weitere Projekte dieser Art zu sein“, sagt Erik Lewenhaupt, Head of Sustainability, Brand and Communication Stena Line.

 

Trotz der sehr guten Erfahrungen und des großen Potenzials von Methanol als Schiffsbrennstoff plant Stena Line derzeit aber nicht, weitere Fähren mit Methanol-Antrieb auszustatten.

 

„Wir arbeiten parallel daran, Treibstoffverbrauch und Luft- und Wasseremissionen unserer Fähren zu verringern und den Treibstoff der Zukunft weiterzuentwickeln. Derzeit ist Methanol aus Kosten- und Logistikgründen keine wettbewerbsfähige Alternative zu traditionellen Treibstoffen. Wir sehen aber großes zukünftiges Potenzial für Methanol in Verbindung mit Batterien oder Brennstoffzellen“, so das Fazit von Erik Lewenhaupt

 

 

Abbildung 1: Die CO2-Emissionsreduktion der verschieden Bereiche bis  2050 in Deutschland (Quelle Methaship, Abschlussveranstaltung)

 

1. Einführung

Die internationale Schifffahrt wird häufig als Umweltsünder bezeichnet. Dabei wird vergessen, dass etwa 95% der interkontinentalen Transporte mit Schiffen erfolgt, die im Vergleich zum Flugzeug oder LKW einen extrem geringen CO2-Austoß pro tkm aufweisen. Nur beim Schwefelausstoß können Schiffe, die bisher Schweröl als Treibstoff verwenden, nicht mit anderen Verkehrsmitteln konkurrieren.

 

Jedoch wurde der Schwefelgehalt des Schweröls von ursprünglich 5% in Stufen auf 3,5% und seit 2020 auf 0,5% gesenkt. In den als ECA (Emission Control Area) bezeichneten Sonderzonen wurde der Schwefelgehalt des Schweröls auf 0,1 % gesenkt. Bislang zählen die Ostsee, die Nordsee inklusive Ärmelkanal sowie die Gebiete 24 Seemeilen vor der kalifornischen Küste, 200 Seemeilen vor den nordamerikanischen Küsten der USA (Hawaii eingeschlossen) und Kanada zu diesen Sonderzonen. Jüngste Schutzgebiete sind seit 2014 die Küstengewässer rund um Puerto Rico und die Amerikanischen Jungferninseln. Geplant sind weitere ECAs für den gesamten Mittelmeerraum und Südjapan sowie um Alaska, Australien, Südkorea und im Schwarzen Meer.

 

Ulsan Express mit Scrubber (Quelle Hapag Lloyd)

Im Abgasstrang der Motoren werden zur Verringerung der Schwefelrückstände Wäscher (Scrubber) und zur Neutralisierung der Stickoxyde Katalysatoren mit Harnstoff (AdBlue) eingesetzt. Als wichtigstes Ziel der internationalen Klimapolitik bis 2050 sollen nur noch 5-15 % der globalen CO2-Emissionen von 1990 emittiert werden (Abb. 1). Bei Fähr- und Kreuzfahrtschiffen kommt als Kraftstoff zukünftig vermehrt flüssiges Erdgas (LNG)zur Anwendung. LNG ist in der Schifffahrt als Übergangstreibstoff zu betrachten [1]. Um die Ende 2016 im “Pariser Klimaabkommen” festgeschriebenen Ziele zu erreichen, werden jedoch auch in der Schifffahrt CO2-neutrale aus Gleichstrom synthetisch hergestellte Kraftstoffe wie z. B. Methanol benötigt, die u. a. aus Offshore Windkraft resultieren (Abb. 2).

Für die Luftfahrt und Schifffahrt wurden keine verbindlichen Ziele festgeschrieben. Erst im April 2018 haben die 173 Mitgliedstaaten der Internationalen Seeschifffahrts-Organisation (IMO) entschieden, dass der CO2-Ausstoß durch die Schifffahrt bis 2050 im Vergleich zum Jahr 2008 halbiert werden soll.

 

Abbildung 2: Jährliche Stromernte pro qkm verbrauchter Oberfläche (Quelle Methaship)

 

 2.1 Hybride Antriebe – Akkumulatoren und Brennstoffzellen

Weitere Lösungen zur Energiewende in der Schifffahrt wurden im März 2018 auf dem STG-Sprechtag „Hybride Antriebe – Optimierung durch Kombinationen“ vom STG-Fachausschuss Elektrotechnik in Minden vorgetragen [3]. Dabei wurden zu den Themen Brennstoffzelle, Akkumulatoren und den dazugehörenden elektrischen Systemen neun Vorträge gehalten. Als Anwendungsbeispiel wurde das mit Akkus ausgestattete durch Dieselmotoren angetriebene Hybridschiff Lijnsand beschrieben. Der Strom aus den Akkus vermeidet im Hafenbetrieb Abgasemissionen. Fast drei Viertel der 180 norwegischen Fährschiffe sollen auf Akku- oder Hybridantrieb umgestellt werden, wurde im Juni 2017 in einem Bericht von Siemens und der norwegischen Bellona Foundation veröffentlicht. Wasserstoff dient in U-Booten zum Betrieb der Brennstoffzellen im Unterwasserbetrieb, außerdem sind Akkumulatoren vorhanden. Auch im Schubboot-Neubauprojekt Elektra, ein mit Brennstoffzellen ausgestattetes Binnenschiff,

 sind Akkumulatoren vorgesehen.

 

 

Abbildung 3: Brennstoffe in der Seeschifffahrt, Energieinhalt bezogen auf das Volumen des Bunkerraumes (Quelle Methaship)

 

2.2 Fähr-, Kreuzfahrt- und Containerschiffe mit LNG

 Bei der Verwendung von LNG als Kraftstoff werden weniger CO2, NOx und praktisch keine Partikel emittiert, dabei ist jedoch der größere Raumbedarf für LNG zu berücksichtigen  (Abb. 3). Die unter deutscher Flagge fahrenden Fährschiffe Ostfriesland und Helgoland werden seit 2015 erfolgreich mit LNG betrieben. Über die Hälfte der Kreuzfahrtschiffe auf der bis 2024 reichenden Neubauliste der Meyer Werft sollen als mittelschnelllaufende Viertakt-Wechselmotoren (Dual-Fuel) auch mit LNG laufen. Erste Containerschiffe wie die Wes Amelie von der Reederei Briese wurden bei German Dry Docks in Bremerhaven von MAN Diesel & Turbo auf LNG-umgebaut (s. a. Abb. 4).

 

Zum Schiffsantrieb von großen Containerschiffen werden in der Regel langsamlaufende Zweitaktmotoren eingesetzt. Der Durchbruch im LNG-Einsatz dieser Motoren erfolgte durch die CMA CGM-Bestellung von neun 22.000 TEU-Containerschiffe mit 18.000 cbm LNG-Bunkertanks bei den drei  Werften Hudong-Zhonghua Shipbuilding, Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding, und China Shipbuilding Trading. Sie werden von Bureau Veritas klassifiziert.

 Von [4] wurde auf dem STG-Reederei-Sprechtag 2018 der Einsatz einer als COGAS (COmbined GAs and Steam turbine) bezeichneten kombinierten Gas-Dampfturbinen-Anlage vorgestellt. Bei diesem mit der Reederei CMA CGM und Industriepartnern erstellten Entwurf und Vergleich eines 20.000 TEU-Containerschiffes erfolgt der Antrieb des Kontrapropellers mit elektrischen Fahrmotoren. Die verteilte Antriebsanlage zur Stromerzeugung mit Gasturbogeneratoren, Abgaskessel und  Dampftturbogeneratoren im unteren Brückenhaus ergibt eine deutliche Platzersparnis. Das LNG befindet sich unter dem Brückenhaus in zwei Membrantanks mit einem Volumen von jeweils 10.960 m³  und reicht für eine vollständige Rundreise Asien – Europa. Der Gesamtwirkungsgrad der Antriebsanlage wird rund 60% betragen.

 

 

 

 

 

Abbildung 4: Einbau des 500 Kubikmeter großen  gut isolierten LNG-Tanks der Wes Amelie bei den German Dry Docks (Quelle Briese)

 

 

 

 

 

Abbildung 5: Auf den Energieinhalt bezogenen Brennstoffpreise in der Seeschifffahrt von 2005 bis 2018 (Quelle Methaship)

 

3.1  E-Fuel Methanol

Methanol, auch als Methyl-Alkohol bezeichnet, ist der einfachste Vertreter aus der Stoffgruppe der Alkohole. Methanol ist eine klare, wasserlösliche und biologisch abbaubare Flüssigkeit mit sehr einfacher Handhabung [5]. Im Vergleich zu anderen alternativen Brennstoffen ist Methanol bei Raumtemperatur flüssig, im Gegensatz zum gasförmigen Wasserstoff oder flüssigem Erdgas (LNG Lagertemperatur -162 °C). Die damit verbundenen besseren Lager- und Transporteigenschaften sind entscheidend für die zukünftige Verwendung von Methanol als Brennstoff für die Schifffahrt. Verglichen mit heutigen Treibstoffen reduzieren sich die Emissionen bei einem Schiff mit Methanol-Antrieb erheblich. Der Schwefelausstoß verringert sich um 99 %, der Stickstoffausstoß um 60 %, der Ausstoß von Rußpartikel um 95 %, und der Kohlendioxidausstoß verringert sich um 25 % bei herkömmlichem Methanol [5].  

 

Name	„Stena Germanica“
IMO Nummer	9145176
Baujahr	2001
Umbau	2007
Länge	241,26 m
Breite	28,70 m
Tiefgang	6,3
Vermessung	51850 BRZ
Tragfähigkeit	10670
laufende Spurmeter	3900 m
Passagiere	1.500
Motor	4xWärtsilä 8ZAL 40S MD
Gesamtleistung	23.000 kW

 

 

Synthetisches Methanol aus Windstrom mit einer spezifischer Flächenleistung von  500 -1000 Gigawattstunden pro Quadratmeter und Jahr ist eine sehr gute Alternative im Vergleich zum Solarstrom, Strom aus Wasserkraft oder Biomasse (s. a. Abb. 2). An den Endpunkten der HGÜ-Leitungen von den Offshore-Windparks in Dörpen und Büttel steht Gleichstrom zur Verfügung. Hier sollten moderne Elektrolyseanlagen zur Wasserstofferzeugung mit Wirkungsgraden um 80% entstehen. In den der Elektrolyse nachgeschalteten  Syntheseanlagen zur Methanol-Gewinnung kann CO2 aus der derzeit entwickelten Technologie der CO2-Abscheidung von Kohlekraftwerken genutzt werden [6], statt es im Meer zu versenken oder im Boden zu vergraben. Damit wird das CO2 in der Übergangszeit bis 2050 beim E-Methanol sinnvoll nutzbar.

 

Es wird unterschieden:

Grauer Wasserstoff basiert auf dem Einsatz von fossilen Kohlenwasserstoffen. Maßgeblich für die Produktion von grauem Wasserstoff ist die Dampfreformierung von Erdgas. Seine Erzeugung ist – abhängig vom eingesetzten fossilen Ausgangsstoff – mit erheblichen CO2-Emissionen verbunden.

 

Als blauer Wasserstoff wird Wasserstoff bezeichnet, dessen Erzeugung mit einem CO2-Abscheidungs- und -Speicherungsverfahren gekoppelt wird (engl. Carbon Capture and Storage, CCS). Das bei der Wasserstoffproduktion erzeugte CO2 gelangt so nicht in die Atmosphäre und die Wasserstoffproduktion kann bilanziell als CO2-neutral betrachtet werden.

 

Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt, wobei für die Elektrolyse ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien zum Einsatz kommt. Unabhängig von der gewählten Elektrolysetechnologie erfolgt die Produktion von Wasserstoff CO2-frei, da der eingesetzte Strom zu 100 Prozent aus erneuerbaren Quellen stammt und damit CO2-frei ist.

 

Als „türkiser Wasserstoff“ wird Wasserstoff bezeichnet, der über die thermische Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) hergestellt wurde. Anstelle von CO2 entsteht dabei fester Kohlenstoff. Voraussetzungen für die CO2-Neutralität des Verfahrens sind die Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren oder CO2-neutralen Energiequellen sowie die dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs.

Folgeprodukte: Aus Wasserstoff können weitere Folgeprodukte hergestellt werden (Ammoniak, Metha-nol, Methan usw.). Sofern diese Produkte unter der Verwendung von „grünem“ Wasserstoff erzeugt wer-den, wird im Folgenden übergreifend von Power-to-X (PtX) gesprochen. Je nachdem, ob die erzeugten Folgeprodukte in gasförmiger oder flüssiger Form anfallen, spricht man von Power-to-Gas (PtG) oder von Power-to-Liquid (PtL).

 

 

Abbildung 6: Stena Germanica (Quelle Stena Line)

 

3.2 Neue Schiffsmotoren mit Methanol
Am 1. Juli 2013 hat MAN Diesel & Turbo die Entwicklung eines neuen MAN B & W ME-GI Dual-Fuel-Motors angekündigt, um das Treibstoffangebot der Motoren zu erweitern. Mit der Piloteinspritzung von MGO überwindet das ME-LGI-Design die schlechte Zündqualität von Methanol und anderen Kraftstoffen mit niedrigem Cetananteil. Zu dieser Zeit wurden u. a. vom DNV GL als Klassifikationsgesellschaft Regeln und Vorschriften für Schiffe und Schiffsmotoren mit zündunwilligen Treibstoffen erstellt und veröffentlicht. Damit wurde dafür gesorgt, dass die Anordnung und Installation dieser Anlagen und Systeme bezüglich der Sicherheit und Verfügbarkeit mit konventionellen Anlagen gleichwertig sind. Damit ist die Verwendung von umweltfreundlichen Treibstoffen wie Methanol und Ethanol, in der Schifffahrt zugelassen. Daraufhin wurden sieben Produktentanker in Auftrag gegeben, die Methanol in Dual-Fuel-Motoren verbrennen. Inzwischen wurden diese Tanker von zwei Werften gebaut, an drei Reedereien abgeliefert, sind in Fahrt [5] und vier weitere wurden bestellt.

 

 

Abbildung 7: Der mit Methanol betriebene 2-Taktmotor des Produktentankers Mari Boyle, eine Schwester vom Lindanger  (Quelle Marinvest)

 

3.3 Umbau der Stena Germanica
Die 2001 in Spanien gebaute und 2007 auf der Lloyd Werft in Bremerhaven um rund 50 m auf 240 Meter verlängerte RoPax-Fähre Stena Germanica ist seit  2015 das erste Schiff, deren Viertakt-Motoren mit dem Kraftstoff Methanol betrieben werden. Das Umbauprojekt wurde 2015 auf der polnischen Remontowa-Werft durchgeführt und erfolgte in Kooperation mit dem Motorenhersteller Wärtsilä, dem Hafen Göteborg, dem Seehafen Kiel und dem weltweit führenden Methanolhersteller Methanex Corporation. Der sechswöchige Umbau wurde im Rahmen eines F- und E-Projektes durchgeführt, von der EU-Initiative „Motorways of the Seas“ gefördert. Die Gesamtkosten beliefen sich auf 22 Millionen Euro, die Hälfte davon gab die EU als Förderung.

 

Name	„Lindanger“
Rufzeichen	LATL7
IMO Nummer	9725299
Flagge	Norwegen
Heimathafen	Bergen
Eigner	Welco Eco Ship AS
Bauwerft	Hyundai Mipo Dockyard Co., Ltd.
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	Hyundai-B&W 6G50ME-9.3 LGIB
Nennleistung	10.320 kW  bei 100  U/min
Geschwindigkeit	15,8 kn
Schiffstyp	Produkttanker (< 60 °C)
Klasse	DNV GL

Tabelle 2: Technische Daten des Produktentankers Lindanger 

 

 3.4 Tanker Lindanger fährt mit Methanol
Vier der vorstehend erwähnten sieben Produktentanker mit Methanol als alternativen Kraftstoff wurden von Hyundai Mipo Dockyard Co., Ltd (HMD) für die norwegischen Reeder Westfal-Larsen und Marinvest gebaut. Die Dual-Fuel-Hauptmotoren vom Typ B&W 6G50ME-9.3 LGIB mit einer Nennleistung von 10.320 kW bei 100 U/min werden mit Methanol und MGO als Zündöl gefahren. Sie wurden von der Motoren- und Maschinenbau-Abteilung von Hyundai Heavy Industries gebaut.

Bei der Lindanger handelt es  sich um einen 50.000 tdw Produktentanker, der 2016 abgeliefert wurde. Mit einer Länge von 178 m und Breite von 32,2 m ist er mit 30.945 BRZ vermessen. Er wurde von DNV GL klassifiziert, führt die norwegische Flagge und ist in Bergen beheimatet. Die drei  anderen Neubauten Manchac Sun, Taranaki Sun und Cajun Sun für die Reederei Mitsui OSK Lines (MOL) kamen von der japanischen Werft Minami Nippon Shipbuilding. Die Hauptmotoren wurden von Mitsui Engineering & Shipbuilding (MES) gebaut und geliefert. Der  Tanker Lindanger der norwegischen Reederei Westfal-Larsen in Bergen war das erste Schiff dieser Spezialtankerserie, die alle von der Reederei Waterfront Shipping gechartert wurden. Westfal-Larsen ist die zweitgrößte Reederei in Norwegen mit Schwerpunkt Chemikalien- und Produktentanker. Die Reederei Waterfront Shipping ist ein globales Schiffsunternehmen mit Hauptsitz in Vancouver (Kanada), das sich auf den Transport von Massenchemikalien und sauberen Erdölprodukten spezialisiert hat. Eine Flotte von 26 modernen Tankern mit Tragfähigkeiten zwischen 3.000  und 50.000 tdw transportiert Ladungen an die wichtigsten internationalen Märkte in Nordamerika, Asien, Europa und Lateinamerika. Die Waterfront Shipping Company ist eine hundertprozentige Tochtergesellschaft der Methanex Corporation, die als der weltweit größte Produzent und Lieferant von Methanol gilt und über eigene global verteilte Terminals und Tankanlagen verfügt.