Umwelt- und Energiewende in der Schifffahrt

Karl-Heinz Hochhaus

 

 

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% auf inzwischen 3,5% gesenkt und wird ab 2020 nur noch 0,5% betragen. In den als ECA (Emission Control Area) bezeichneten Sonderzonen wurde der Schwefelgehalt des Schweröls auf 0,5 % bis 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.

 

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.

2. Hybridschiffe

Hybridschiffe werden mit zwei Energieträgern für den Vortrieb ausgestattet. So spricht man z. B. bei Motoren, die mit Schweröl und LNG betrieben werden können, von Wechselmotoren (Dual-Fuel-Motoren).  Das ist nicht neu, bereits vor rund 100 Jahren waren auf rund 100 Binnenschiffen zum Ziegeltransport nach Berlin neben Zugtieren von Akkumulatoren gespeiste elektrische Propellermotoren die Antriebsquelle. Der Strom wurde vorwiegend aus Wasserkraft erzeugt [2].

 

 

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)

 

 

 

 

 

 

3.  Methanol ,Kraftstoff der Zukunft

 Das vom BMWi geförderte F-und E-Projekt „Methaship“ wurde im Mai dieses Jahres als Abschlussveranstaltung in Hamburg vorgestellt [5]. Die Projektleitung hatte die Meyer Werft, Projektpartner waren die FSG und Lloyds Register. Außerdem waren weitere Zulieferfirmen beteiligt. Hintergrund der Untersuchungen ist, dass als E-Fuel bezeichnetes synthetisches Methanol ein flüssiger Brennstoff mit großem Potential ist, wenn er aus „grünem Strom“ und CO2 hergestellt wurde. Damit wird dieser Kraftstoff CO2-neutral. Er setzt bei der Verbrennung etwa soviel CO2 frei, wie vorher bei der Synthese zugesetzt wurde. Das ist wichtig, da mit dem synthetischen Methanol im Sommer große Mengen an Überschussstrom aus den Wind- und Solaranlagen für die sonnenarme Zeit gespeichert werden können. Daher wird synthetisches Methanol als Kraftstoff der Zukunft bezeichnet.

 

 

 

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

 

Tabelle 1: Technische Daten der Stena Germanica

 

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.

 

 

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.

 

4. Zusammenfassung

Die Umwelt- und Energiewende in der Schifffahrt hatte mit dem “Pariser Klimaabkommen” Ende 2016 einen wichtigen Wendepunkt erreicht. Jedoch hat man sich erst danach intensiv um den Schiffs- und Luftverkehr gekümmert. Im April 2018 verhandelten die 173 Mitgliedstaaten der Internationalen Seeschifffahrts-Organisation IMO zwei Wochen in London. Als Ergebnis wurde beschlossen, dass der CO2-Ausstoß durch die Schifffahrt bis 2050 bezogen auf das Jahr 2008 halbiert werden soll. Damit wurde erstmals eine verbindliche Strategie zur Verringerung der Treibhausgase in der Schifffahrt verabschiedet.

 

In diesem Beitrag wurde versucht, wichtige Ergebnisse des Klimaabkommens zu behandeln. Deren Auswirkungen auf die Schifffahrt wurde bei einem STG-Sprechtag und der Abschlussveranstaltung des F-und E-Projektes „Methaship“ aufgezeigt. Dabei wurde an bereits fahrenden Schiffen demonstriert, dass LNG ein Übergangstreibstoff ist und erst mit synthetischem Methanol als E-Fuel die CO2-Emissionen der Schifffahrt deutlich reduziert werden.

 

5. Literatur

[1] Hochhaus,  Karl-Heinz: Alternative Kraftstoffe in der Seeschifffahrt; in Schiffs-Ingenieur Journal Nr. 2/2017

[2] Hochhaus,  Karl-Heinz: Elektrisch angetriebene Kähne aus Zehdenick; in Schiffs-Ingenieur Journal Nr. 6/2017

[3] STG-Sprechtag Hybride Antriebe – Optimierung durch Kombinationen;  am 07.03.2018 in Minden, STG-Jahrbuch 2018

[4] Würsig, Gerd-Michael: The PERFECt Ship concept – The Piston Engine Room Free Efficient Container; Vortrag beim STG Sprechtag am 19 April 2018 in Papenburg, STG-Jahrbuch 2018

[5] "MethaShip" - Neuer Brennstoff mit Potenzial; Abschlussveranstaltung des national geförderten Forschungsprojektes MethaShip im Mai 2018 in Hamburg

[6] N.N.: Erstes Kohlekraftwerk mit CO2-Abscheidung läuft; http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-8795-200809-10.html