Im Rahmen der beabsichtigten Reduzierung der Treibhausgasemissionen in der Schifffahrt wurden nur wenige Brennstoffe so energisch diskutiert wie Flüssigerdgas (LNG). Und mit der zunehmenden Nutzung von LNG werden die Auswirkungen des Kraftstoffs auf die Emissionswerte noch stärker diskutiert.
Die Internationale Seeschifffahrtsorganisation (IMO) strebt an, die Treibhausgasemissionen der Schifffahrt bis 2050 mindestens zu halbieren. LNG bietet sich hierfür als ein idealer Übergangskraftstoff an. Denn obwohl es sich um einen fossilen Brennstoff handelt, können später dieselben Versorgungs-, Speicher- und Verbrennungstechnologien mit klimaneutralen Bio- und Synthesegas verwendet werden, sobald diese verfügbar sind. Da die LNG-Bunkerinfrastruktur bereits weithin vorhanden ist, ist Wärtsilä der Ansicht, dass dieser Weg die einfachste, schnellste und kostengünstigste Möglichkeit für die Schifffahrt darstellt, ihre Vision für 2050 in die Realität umzusetzen.
Methan ist der Hauptbestandteil von LNG und ein starkes Treibhausgas mit einem globalen Erwärmungspotenzial, das um ein Vielfaches höher ist als das von Kohlendioxid. Sein Entweichen während der Produktion und Verwendung von LNG verringert den positiven Effekt des Kraftstoffs auf die Treibhausgasemissionen.
Der Methanschlupf von Wärtsiläs Dual-Fuel-Motoren wurde in den letzten 25 Jahren um 75 % gesenkt. Zudem werden Fortschritte in der Entwicklung den Methanschlupf in den nächsten drei Jahren noch weiter drastisch reduzieren.
Fortschritte in der Motortechnologie sowie bei der Emissionsminderung in der Kraftstoffproduktion und in der Lieferkette sorgen dafür, dass alle unsere Gasmotoren bald einen entscheidenden Vorteil in puncto Emissionen gegenüber Diesel bieten werden.
Für die Schifffahrt müssen Methanemissionen prognostiziert werden, um geeignete Technologien zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen auswählen zu können. Die korrekte Erfassung und Ausweisung von Methanemissionen ist jedoch nicht einfach. Beispielsweise besteht Uneinigkeit darüber, ob die Auswirkungen von Methan über einen Zeitraum von 20 oder 100 Jahren prognostiziert werden sollen. Aus der kürzeren Zeitskala ergeben sich größere Auswirkungen, da Methan in der Atmosphäre relativ schnell abgebaut wird. Bis dato wurde in den meisten wissenschaftlichen Studien ein Zeitraum von 100 Jahren zugrunde gelegt, ebenso wie in allen relevanten Rechtsvorschriften.
Methan messen
Zwei Berichte zeigen, wie ähnliche Fakten zu unterschiedlichen Interpretationen im Hinblick auf die Auswirkungen von Methanemissionen führen können. Im April 2019 analysierte das Beratungsunternehmen thinkstep die Auswirkungen der Treibhausgasemissionen von LNG als Schiffsbrennstoff über seinen gesamten Lebenszyklus [i]. Im Januar dieses Jahres veröffentlichte der International Council for Clean Transport (ICCT) einen ähnlichen Bericht [ii]. Während die thinkstep-Studie argumentiert, dass Schiffsmotoren, die LNG verwenden, weniger Treibhausgase ausstoßen als solche, die schweres Heizöl verbrennen, verwendeten die Autoren des ICCT-Berichts zwar weitgehend ähnliche Zahlen, legen aber dar, dass Gasmotoren im Vergleich zu konventionellen Dieselmotoren mehr Treibhausgase ausstoßen.
Wärtsilä ist der Ansicht, dass im ICCT-Bericht Methanemissionswerte verwendet wurden, die nicht der neuesten Gasmotortechnologie entsprechen. Da aktuell nur ein kleiner Teil der weltweiten Flotte Gasmotoren einsetzt, sollten Prognosen zu den Emissionen der zukünftigen gasbetriebenen Flotte auf der neueren Motorentechnologie basieren, die vermutlich ab jetzt auf Schiffen installiert wird.
Die Studie verwendet jedoch einen durchschnittlichen Methanschlupf für mittelschnell laufende Niederdruck-Dual-Fuel-Gasmotoren (von 5,5 g/kWh), der höher ist als der aller Motoren – abgesehen von einem im Wärtsilä-Portfolio. Ein geeigneterer Wert kann den Daten des modernen Schiffsmotors Wärtsilä 46DF entnommen werden, der den aktuellen Stand der Niederdruck-Dual-Fuel-Technologie bei Viertaktmotoren besser widerspiegelt. Mit diesem Motor würde der unter ähnlichen Bedingungen wie in den beiden Studien gemessene Methanschlupf 2,8 g/kWh betragen.
Legt man die Annahmen aus dem thinkstep-Bericht zugrunde, würde dieser Methanschlupf über einen Zeitraum von 100 Jahren zu 14 % niedrigeren Motoremissionen und zu Well-to-Wake-Emissionen führen, die geringfügig niedriger sind als bei Schiffsgasöl.
Moderne Dual-Fuel-Viertaktmotoren sind bereits jetzt über den längeren Zeitraum umweltfreundlicher. Und weitere Fortschritte in der Entwicklung werden ihre Emissionen so weit senken, dass sie die Leistung von Dieselmotoren auch im kürzeren Zeitraum von 20 Jahren übertreffen.
Zukünftige LNG-Motoren
Ein weiterer Schwerpunktbereich ist das Design der Brennkammern von Motoren. Eine typische Verbrennung in einem Schiffsgasmotor erfordert einen hohen Sauerstoffgehalt und eine niedrige Temperatur, um die Effizienz zu steigern und gleichzeitig die niedrigsten NOx-Emissionen zu produzieren. Da Methan bei höheren Temperaturen vollständiger verbrennt, kann ein Teil des Gases unverbrannt abgegeben werden, wenn es sich beispielsweise in der Nähe eines der relativ kühleren Bereiche befindet, die manchmal in der Brennkammer zu finden sind. So kann der Schlupf weiter reduziert werden, indem die Kammer optimiert wird. Dadurch werden nicht nur diese kühlen Bereiche minimiert, sondern auch Spalten beseitigt, über die ungemischtes Methan der Verbrennung entgehen kann.
Ein weiterer wichtiger Parameter ist der Zeitpunkt des Gaseinlasses und die Ventilüberlappungsdauer. Die Überlappung ist die Zeit, in der die Einlass- und Auslassventile gleichzeitig geöffnet sind. Dies wird häufig genutzt, um eine teilweise Abkühlung der Motorkomponenten zwischen den Verbrennungszyklen zu ermöglichen – um die NOx-Bildung zu verringern. Zugleich verbessert es jedoch auch das Spülen, da die einströmende Ladeluft zur Entfernung von verbliebenem Abgas im Zylinder beiträgt. Dies hilft zwar beim Abkühlen, verstärkt aber auch den Methanschlupf. Durch die Reduzierung der Überlappungszeit sowohl über das Motorsteuerungssystem als auch über den Ventiltrieb wird der Methanschlupf minimiert.
Eine andere derzeit untersuchte Technik zur Methanreduktion ist die Zugabe von Wasserstoff zum Verbrennungsprozess. Dies verbessert die Verbrennung und verringert den Methanschlupf. Die höheren Verbrennungsdrücke und -temperaturen führen jedoch zu einer vermehrten Bildung von Stickoxid, die über die festgelegten Grenzen gemäß IMO-Stufen II und III hinausgehen kann.
Diese Fortschritte versprechen, nicht nur den Methanschlupf drastisch zu reduzieren, sondern auch die Treibhausgasemissionen von Niederdruck-Dual-Fuel-Motoren.
Hinsichtlich der Stromerzeugung an Land verfügt Wärtsilä bereits über eine installierte Motorenbasis von rund 2 GW, die mit einem Methanschlupf von rund 1 g/kWh betrieben werden. Aufgrund seiner Erfahrung und der oben genannten Technologien ist Wärtsilä zuversichtlich, dass das Unternehmen bis zum Jahr 2023 Schiffsmotoren auf diesem Niveau anbieten kann und über nachrüstbare Technologien verfügt, um eine ähnliche Leistung bei älteren Motoren zu ermöglichen.
Im Vergleich zu Dieselmotoren würde ein Methanschlupf von 1 g/kWh die Treibhausgasemissionen auf Tank-to-Wake-Basis über einen Zeitraum von 100 Jahren um 23 % und über einen Zeitraum von 20 Jahren um 14 % senken.
Andere sich entwickelnde Trends werden die Methan- und Treibhausgasemissionen von Gasmotoren noch weiter reduzieren. Ebenso wird der zunehmende Einsatz von intelligenten Schiffstechnologien die Motorleistung und -steuerung optimieren und demzufolge die Emissionen minimieren. Und auch die Hybridisierung wird in vielen Antriebskonfigurationen zunehmend eine Rolle spielen. Durch die Verwendung von Energiespeichern können Motoren konstanter bei optimalen, höheren Lasten mit geringstmöglichen Treibhausgasemissionen betrieben werden.
Zudem gibt auch eindeutige Hinweise darauf, dass die Maßnahmen zur Emissionsminderung bei der Herstellung und Lieferung von LNG – bei denen derzeit viel mehr Methan ausgestoßen wird als von Motoren – weiter verschärft werden.
Aus dem Grund ist Wärtsilä davon überzeugt, dass Dual-Fuel-Motoren in Kürze eine bessere Leistung erzielen werden als MGO – selbst bei der zweifelhaften Messung der Treibhausgasemissionen über 20 Jahre.
Technologie-Auswahl
Aufgrund der Art der verschiedenen Motorprozesse und der Auswirkungen der Größe auf die Verbrennung bieten Zweitakt- und Hochdruckgasmotoren weiterhin einen geringeren Methanschlupf. Es gibt jedoch mehrere Anwendungsbereiche, für die Zweitaktmotoren nicht geeignet sind – beispielsweise kleinere Schiffe oder solche mit großen Schwankungen im Strombedarf – und viele Gründe, die für die Niederdrucktechnologie sprechen.
Die Kosten sind einer der größten Faktoren. Für Niederdruck-Dual-Fuel-Motoren sind keine teuren Hochdruck-Brenngasversorgungssysteme erforderlich wie bei Gasmotoren zur Dieselverbrennung. Zudem erfüllen sie ohne Nachbehandlung die NOx-Emissionsgrenzwerte der IMO Tier III, sodass die Installation selektiver katalytischer Reduktionseinheiten entfällt. Die geringere lokale Verschmutzung des Niederdruckmotors bedeutet auch, dass die Kosten für die regelmäßige Harnstoffnachfüllung entfallen, die für Abgasnachbehandlungssysteme erforderlich ist.
Das Thema Methanemissionen steht zu Recht im Mittelpunkt der Diskussionen rund um LNG-Motoren. Eine gut ausformulierte Verordnung wird entscheidend dafür sein, dass die effektivsten Umwelttechnologien eingesetzt werden. In puncto Klimawandel bedeutet dies, dass die Regularien zur Erreichung der IMO-Ziele für 2050 sowie der bestehende Energy Efficiency Design Index die Auswirkungen von Methan und CO2 widerspiegeln müssen.
Angesichts des hohen globalen Erwärmungspotenzials von Methan ist es wichtig, dass alle Beteiligten, einschließlich Motorenhersteller und Regulierungsbehörden, weiterhin daran arbeiten, den Schlupf zu minimieren und die Methanemissionen korrekt zu erfassen und auszuweisen. Der Aspekt sollte jedoch nichts an der Tatsache ändern, dass LNG eine wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung der Schifffahrt spielen kann – und es bereits tut.
[i] Thinkstep (2019), Life Cycle GHG Emission Study on the Use of LNG as Marine Fuel
[ii] International Council for Clean Transport (2020), The climate implications of using LNG as a marine fuel
Medienkontakt:
Frau Marit Holmlund-Sund
General Manager, Positioning, Marine Business Marketing
Wärtsilä Corporation
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Über Wärtsilä:
Wärtsilä ist ein global führender Anbieter von intelligenten Technologien und ganzheitlichen Lösungen über die gesamte Produktlebensdauer für die Schifffahrts- und Energiemärkte. Durch die Entwicklung nachhaltiger Innovationen, fortschrittlicher Datenanalysen und die Steigerung der Gesamteffizienz maximiert Wärtsilä die ökologische und ökonomische Leistung der Schiffe und Kraftwerke seiner Kunden. 2019 erzielte Wärtsilä mit seinen rund 19.000 Mitarbeitern einen Umsatz von 5,2 Milliarden Euro. Das Unternehmen ist weltweit an über 200 Standorten in 80 Ländern vertreten und ist an der NASDAQ in Helsinki, Finnland, gelistet.
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