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Wie wird die Schifffahrt grün?

Veröffentlicht am 23 Dezember 2021 von Lucie Maluck, Bilder von Rolls-Royce Power Systems

E-Kraftstoffe, die im Power-to-X-Verfahren herstellt werden, sind der zentrale Hebel für die maritime Energiewende.
Die Schifffahrt will und muss grüner werden. Das ist nicht nur eine Konsequenz aus dem Pariser Klimaabkommen, das ist auch der Anspruch vieler Reedereien, Werftbetreiber oder Kapitäne. Doch wo lang geht der Weg hin zu einer grünen Schifffahrt?

„Der wesentliche Hebel für eine grünere Schifffahrt sind die Kraftstoffe“, betont Dr. Daniel Chatterjee, Director Technology Management & Regulatory Affairs bei Rolls-Royce Power Systems. E-Kraftstoffe wie E-Wasserstoff, E-Methan, E-Methanol, E-Diesel oder E-Ammoniak, die mit Energie aus erneuerbaren Quellen hergestellt und dann weiterverarbeitet werden, können klimaneutral in Antriebsenergie umgewandelt werden. 

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Auf der Suche nach dem richtigen Power-to-X-Kraftstoff

In den vergangenen Jahren hat ein Team von Rolls-Royce-Experten mit Kunden und Industriepartnern das gesamte Kraftstoff-System – angefangen bei der Kraftstoffinfrastruktur über deren Erzeugungskosten und Reichweite bis hin zum Antriebssystem und die Integration dieses in das Schiff durchleuchtet. Ihr Ziel: den perfekten Marine-Kraftstoff zu definieren. Denn die Experten gehen davon aus, dass schon im Jahr 2035 mehr als die Hälfte aller Fähren und Schlepper weltweit nicht mehr von einem konventionellen Dieselmotor angetrieben werden.

Gemeinsam ist allen neuen E-Kraftstoffen, dass sie eine wesentlich geringere Energiedichte haben als konventioneller Diesel. Somit steigen das Gewicht und der Platzbedarf für die Kraftstofftanks in jedem Fall – allerdings nicht bei jedem in gleichem Maß. Vereinfacht gilt: Je weiter der im Power-to-X-Verfahren erzeugte Wasserstoff weiterverarbeitet wird und je näher der Kraftstoff im Verarbeitungsprozess dem konventionellen Diesel kommt, desto höher ist die Energiedichte. Eine völlig emissionsfreie Verbrennung ist mit diesen dann entstandenen Kraftstoffen z.B. Methanol, DME oder OME aber nicht mehr möglich.

„Wir wollen mit Methanol den Standard setzen“

In der Pole-Position der Schiffskraftstoffe der Zukunft sehen Rolls-Royce-Experten derzeit Methanol. Daher haben sie bereits mit der Entwicklung eines schnelllaufenden Viertaktmotors begonnen, der für die Verbrennung von Methanol optimiert ist. „Wir wollen hier als Pionier vorangehen und mit einem Methanolmotor Standards setzen. Denn unsere Kunden brauchen Planungssicherheit und wir müssen dringend gemeinsam konkrete Lösungen schaffen, um die Klimaziele zu erreichen“, so Denise Kurtulus, Vice President Global Marine bei Rolls-Royce Power Systems. 

Der Vorteil von Methanol: Die Energiedichte des Kraftstoffs ist im Vergleich zu anderen nachhaltigen Kraftstoffen hoch und er lässt sich dank seines flüssigen Zustands bei Umgebungstemperaturen einfach lagern und tanken – vorhandene Infrastruktur kann in vielen Fällen weiter genutzt werden. Im Gegensatz zu Ammoniak ist Methanol umweltverträglich und nicht hoch toxisch. Die Verbrennung von Methanol kann klimaneutral mit deutlich reduzierten Stickoxiden dargestellt werden, somit kann auf eine komplexe SCR-Abgasnachbehandlung verzichtet werden. Methanol-Tanks können im Schiff flexibel angeordnet werden und erfordern deutlich geringere Sicherheitsmaßnahmen im Vergleich zu Wasserstoff oder Ammoniak. Neben den Sicherheitsaspekten, geringerer Komplexität sind die niedrigeren Investitionskosten ein weiterer Vorteil des Methanol-Tanksystems.

Methanol auch für Brennstoffzellen

Ein weiterer Vorzug von Methanol ist, dass es nicht nur nach dem Diesel- und Otto-Prinzip in Verbrennungsmotoren genutzt werden kann, sondern auch in Verbindung mit emissionsfreien Brennstoffzellen: Mithilfe eines Reformers wird aus Methanol Wasserstoff erzeugt werden, der in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung dient.  Dies ist vor allem für die Verwendung auf Schiffen attraktiv, da Wasserstofftanks sehr viel mehr Platz einnehmen würden, der auf vielen Schiffen ein besonders kostbares Gut ist und oftmals schlichtweg nicht verfügbar ist. 

Wenn Reichweite keine Rolle spielt: Wasserstoffmotor für den Antrieb

Doch die Experten von Rolls-Royce Power Systems haben auch andere Optionen im Blick. So arbeiten die Ingenieure auch an einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor. Besonders Fähren oder Schlepper, die auf definierten, kurzen Strecken zum Einsatz kommen, könnten diesen nutzen. Denn diese können häufig tanken und können sich zudem darauf verlassen, dass dieser Kraftstoff an ihrem angefahrenen Hafen auch zur Verfügung steht. 

Vor allem für Yachten ist die Reichweite ein wichtiges Kriterium. Sie sind zudem häufig an exotischen Orten unterwegs, an denen sie sich nicht auf die Verfügbarkeit von neuartigen Kraftstoffen wie Wasserstoff oder Methanol verlassen können. Hier bleibt Diesel – als E-Diesel auch in CO2-neutraler Variante – eine wichtige Option. Dieser wird weiter an den meisten Häfen vorhanden sein und hat eine wesentlich höhere Energiedichte als Wasserstoff. E-Diesel kann außerdem in schon bestehenden Motoren verwendet werden.

Auch E-Ammoniak ist als Schiffskraftstoff interessant – allerdings sehen die Rolls-Royce-Experten diesen aus Sicherheitsgründen aktuell nicht in der küstennahen Schifffahrt, also in Fähren, Schleppern oder Yachten.

„In drei bis fünf Jahren brauchen wir eine Weichenstellung“

„Wir legen unser Hauptaugenmerk jetzt zwar auf Methanol, bleibe aber weiter technologieoffen und verlieren die anderen Kraftstoffe nicht aus dem Blick“ so Chatterjee. Doch, und da ist er sich sicher: „Spätestens in drei bis fünf Jahren wird eine Weichenstellung notwendig sein, um unser großes Ziel – die Schifffahrt bis im Jahr 2050 klimaneutral zu machen – zu erreichen.“

Denn noch scheint dieses Ziel weit weg. Eine einfache Rechnung zeigt, dass die Vorbereitungen dazu schon heute beginnen müssen: Schiffe laufen bis zu 40 Jahre. Will die gesamte Schifffahrt im Jahr 2050 klimaneutral sein, müssen schon heute die Schiffe geplant werden, die dann fahren. Ein im Jahr 2030 in Dienst gestelltes Schiff muss schon mit klimaneutralen Antriebskonzepten ausgestattet werden. Wenn dies – drei Jahre Bauzeit vorausgesetzt – im Jahr 2027 gebaut werden soll, muss schon in den Jahren davor die Entscheidung für das Antriebssystem, und damit für den Kraftstoff gefallen sein.

Schiffsarchitekturen mit Hybridsystemen

Doch nicht nur die Wahl des Kraftstoffs ist entscheidend, auch die Architektur des Antriebssystems verändert sich. Schiffe, die lediglich von Verbrennungsmotoren angetrieben werden, werden immer seltener. Immer häufiger sie die Verbrennungsmotoren eingebunden in ein Hybridsystem, bei dem Batterien Elektromotoren speisen und die Verbrennungsmotoren nur dann zum Einsatz kommen, wenn kein Strom aus der Batterie mehr zur Verfügung steht. „Unser Fokus liegt auf Schiffsarchitekturen mit Hybridsystemen, die Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen einsetzen können. Noch werden die Verbrennungsmotoren mit Diesel betrieben, mittelfristig aber mit Methanol“, so Kurtulus. 

Politische Unterstützung notwendig

Wichtig ist bei all den Technologieplänen aber, dass die neuen, nachhaltigen Kraftstoffe auch kommerziell herstellbar sind. Studien von Rolls-Royce zeigen, dass der riesige Bedarf von E-Kraftstoffen – 20.000 Terrawattstunden Energie pro Jahr, umgerechnet etwa zwei Billionen Liter – nicht vor dem Jahr 2030 erfüllt werden kann. Zwar ist die Technologie verfügbar, doch noch nicht im industriellen Stil. „Dies zu fördern und zudem die Rahmenbedingungen zu schaffen, dass diese Kraftstoffe einen Markt finden, benötigt die Unterstützung der Politik“, fordert er.

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