Schiffsmotoren: Welchen Antrieb hat der Dampfer der Zukunft?

Die Schiffsmotoren von Groß und Containerfrachtern sowie Öl- und Chemikalientankern laufen mit Schweröl und Diesel. Mit zurzeit allein rund einer Milliarde Tonnen Kohlendioxid sind sie für etwa drei Prozent der jährlichen weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Würde man die Seeschifffahrt in einer Liste CO₂-emittierender Länder aufführen, wäre sie der sechstgrößte Umweltverschmutzer der Welt.

Um trotz eines voraussichtlich weiter expandierenden Welthandels das globale Klimaziel zu unterstützen, arbeitet die IMO an einer Dekarbonisierungsstrategie. Die Schifffahrtsindustrie soll ihre Emissionen bis 2050 um 50 Prozent zu reduzieren. In welchen Etappen dies geschieht, steht noch zur Diskussion. Die Strategie soll Anfang 2023 im Lichte des Standes von Forschung und Entwicklung überarbeitet werden. Schließlich hängt die Umsetzung davon ab, ob und in wann innovative Techniken und alternative Kraftstoffe zur Verfügung stehen.

Saubere Schiffsmotoren als Wettbewerbsvorteil

Es steigt der Druck des Marktes. Laut der Marktbeobachtung des britischen Forschungs- und Beratungsdienstleisters Drewry Maritime könnten Schiffseigner, die nicht auf „saubere“ Schiffe umsteigen, einen Wetterwerbsnachteil erleiden. Rund zwölf Prozent der Neubestellungen verfügten über Antriebe für alternative Kraftstoffe. Bei der weltweit im Einsatz befindlichen Flotten betrage der Anteil lediglich 0,6 Prozent.

„Klassische Energieeffizienzmaßnahmen ergeben Treibhausgas Emissionen von 10 bis 15 Prozent. Die Digitalisierung und Verbesserungen in den logistischen Abläufen bringen weitere rund 20 Prozent, eine Optimierung der Schiffsmaschinen zwischen 25 Prozent. Das größte Potenzial verbirgt sich jedoch bei den Treibstoffen, denn sie können dazu führen, dass Schiffe künftig komplett emissionsfrei unterwegs sind“, so Professor Thorsten A. Kern, Leiter des Instituts für Mechatronik im Maschinenbau der Technischen Universität Hamburg (TUHH).

Elektroantrieb für große Schiffe nicht umsetzbar

Eine Elektrifizierung, wie sie bei Straßenfahrzeugen als ultimative Lösung umgesetzt wird, kommt nach derzeitigen Technologiestand nicht infrage. „Je größer ein Schiff nach dem Stand der Technik ist, desto geringer ist das Potenzial für den Einsatz batterieelektrischer Antriebe“, konstatiert eine Studie von MAN Energy Solutions, eines der größten Hersteller von Marine-Antriebssystemen.

Nach heutigem Stand fehlt Batterien und Brennstoffzellen die Energiedichte und damit die Reichweite und Ausdauer zu Betrieb von Containerschiffen, Tankern und Massengutfrachtern, ebenso die nötigen Langlebigkeit und Robustheit. Eine Elektrifizierung wird deshalb nur in bestimmten, etwa in der Küstenschifffahrt oder bei Kurzstreckenfähren, als realistisch angesehen. Die Fachwelt es sich einig, dass große Zweitakt- und Viertaktmotoren unersetzlich sind. Es geht also darum, die Treibhausgasemissionen dieser traditionellen Antriebsmaschinen zu reduzieren oder zu eliminieren.

Wasserstoff als Alternative in Schiffsantrieben?

Ebenso wie der Elektroantrieb ist Wasserstoff in der Diskussion. Bei seiner Verbrennung entsteht nur Wasserdampf. Es gibt Überlegungen, Wasserstoff in bestimmten Schiffen, etwa im Küsten- und im Fährverkehr einzusetzen. Als Standardkraftstoff für die direkte Verbrennung in Kolbenmotoren größerer Handelsschiffe wird er derzeit als nicht geeignet angesehen. Die volumetrische Energiedichte ist um etwa 4,5-mal niedrigere als die von Schweröl und die sehr hohe Entflammbarkeit stellt einen Risikofaktor dar. Zudem muss Wasserstoff zur Verflüssigung aufwendig auf minus 253 Grad Celsius herunter gekühlt und gehalten werden. Eine wichtige Rolle spielt Wasserstoff allerdings als Ausgangsstoff für Ammoniak, Methan und Methanol.

Ammoniak auf See

Ammoniak ist nach Gewicht doppelt so energiereich wie flüssiger Wasserstoff. Während Wasserstoff als Flüssigkeit bei minus 253 Grad Celsius oder komprimiert als Gas bei einem Druck um 700 bar gespeichert werden muss, genügen bei Ammoniak zur Verflüssigung minus 33 Grad Celsius. „Das macht die Lagerung und den Transport dieses Energieträgers deutlich leichter und unkomplizierter“, so Professor Dr. Gunther Kolb, Bereichsleiter Energie sowie stellvertretender Institutsleiter am Fraunhofer Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme (IMM).

Allerdings ist das traditionelle Herstellungsverfahren von Ammoniak unter Einsatz von Erdgas klimaschädlich und bei seiner Verbrennung entsteht das Treibhausgas NO₂ (Lachgas). Ein Kilogramm Lachgas trägt 265-mal so stark zum Treibhauseffekt bei wie ein Kilogramm Kohlendioxid. „Grünes“ Ammoniak entsteht durch eine Synthese von CO₂-neutralem Wasserstoff und Stickstoff und ist frei von Kohlenstoff. Im Jahr 2023 soll im Rahmen eines Verbundprojekts („ShipFC“) des IMM die weltweit erste Ammoniak-basierte Brennstoffzelle auf See getestet werden.

Es wächst die Popularität von Methanol als Kraftstoff. Methanol ist einer meistproduzierten organischen Chemikalien und bereits in vielen Seehäfen auf der ganzen Welt vorhanden. Es gibt sichere Verfahren für die Handhabung. Die traditionelle Herstellung erfolgt mit fossilen Rohstoffen wie Erdgas oder Kohle. „Grünes“ Methanol wird klimaneutral aus grünem Wasserstoff und abgeschiedenem Kohlenstoff unter Zuhilfenahme von regenerativ erzeugen Strom produziert. Es kann bei Raumtemperatur flüssig gehalten werden und verbrennt sauber. Die dänische Reederei Maersk hat angekündigt, im Rahmen eines Partnerships mit fünf weiteren Unternehmen in Singapur eine solche Anlage zu errichten. Bei MAN Energy Solutions wird zurzeit ein 4-Takt Dual-Fuel-Motor entwickelt, der sowohl mit Diesel als auch mit Methanol betrieben werden kann.

Es gibt Berechnungen, nach denen die Verwendung von Methan die Treibhausgas Emissionen von Schiffen im Vergleich zu Schweröl um rund 20 Prozent senken würde. Allerdings gibt es auch Stimmen, nach denen die Schiffsindustrie gar keine Zeit mehr für sogenannte Übergangskraftstoffe habe und gleich in ultimativeLösungen Investieren sollte. Somit wird auch dem Flüssiggas (LPG) zwar aufgrund seiner hohen Energiedichte ein hohes Potenzial von zur Reduzierung von CO-Emissionen zugeschrieben. Als fossiler Brennstoff gilt es aber ebenfalls nicht als Bestandteil, sondern als Wegbereiter der Dekarbonisierung.

SNG – die Alternative für Hochseeschiffe

Die Alternative Synthetic Natural Gas (SNG) wird künstlich aus grünem Wasserstoff hergestellt und ist CO₂-neutral. In der Anlage einer MAN-Tochter im niedersächsischen Werlte wird dazu der Wasserstoff zunächst mit Hilfe von Windstrom gewonnen und sodann mit Kohlenstoff angereichert, der aus einer Biogasanlage stammt. Befeuert wird die Anlage wird mit Gülle aus der Landwirtschaft. Ein mit einem Dual-Fuel-Viertalmotor umgerüstetes 1.036-TEU-Schiff war im September 2021 das weltweit erste Containerschiff, bei dem klimaneutrales SNG auf einem kommerziellen Transsport eingesetzt wurde.

Spektakulär, aber in den technischen Möglichkeiten noch begrenzt ist die Nutzung von Wind. Die Liebherr Components AG hat im Frühjahr 2022 eine aus zwei Komponenten bestehende Anlage vorgestellt. Diese besteht aus hohen, sich in den Wind drehenden Segeln, einem Großwälzlager und einem Drehantrieb. Damit sollen herkömmliche Antriebe, unter anderem von Massengutfrachtern, ergänzt und die Treibstoffkosten um bis zu 30 Prozent gesenkt werden. Eine doppelte Dichtung verhindert, dass Salzwasser in das Lager dringt und Fett ausfließt.