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Montag, September 28, 2020
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Auf der Suche nach alternativen Schiffsantrieben

Die Suche nach alternativen Schiffsantrieben, um einerseits über den Preis des Kraftstoffs die Betriebskosten zu senken und andererseits den Umweltschutzbestimmungen zu entsprechen, hält unverändert an.
Der Seeweg ist der für den internationalen Handel wichtigste Transportweg. Rund 95 Prozent der Frachtmengen werden global per Schiff transportiert. Der Seeverkehr verursacht vielfältige Umweltbelastungen: Dazu gehört neben Havarien und Leckagen, der Einleitung von Abwässern und der Müllentsorgung vor allem auch die Emission von Luftschadstoffen. Die Verminderung dieser Umweltbelastungen und grundsätzlich die Verbesserung des Umweltschutzes in der Schifffahrt wird als „Green Shipping“ bezeichnet. In jüngerer Zeit steht dabei die Verminderung der Treibhausgasemissionen im Vordergrund. Weltweit sind etwa 2,5 Prozent der Treibhausgasemissionen auf den Seetransport zurückzuführen. Um die Emissionen zu senken, wurden unter anderem in bestimmten Seefahrtgebieten verschärfte Grenzwerte eingeführt. So ist seit Anfang 2015 für Fahrten in der Nord- und Ostsee sowie im Ärmelkanal der Schwefelgehalt im Kraftstoff auf 0,1 Prozent limitiert. Damit die Grenzwerte eingehalten werden, muss die bestehende Schiffsflotte umgerüstet werden. So kann ein Schiff mit Filteranlagen nachgerüstet oder mit einem schadstoffärmeren Kraftstoff als dem in der Seefahrt überwiegend verwendeten, stark schwefelhaltigen Schweröl betrieben werden. Für die Zukunft ist eine weitere Zunahme des Seetransports und der durch ihn verursachten Luftschadstoffe zu erwarten. Die bislang auf EU-Ebene, sowie weltweit getroffenen Übereinkünfte, reichen indes nicht aus um die durch die Schifffahrt verursachten Treibhausgasemissionen nachhaltig zu senken.

Die Zukunft der Großmotoren

MAN D&T’s m,it neuer 2-Taktbaureihe ME-LGI dual-fuel.
Mit MAN D&T’s neuer 2-Taktbaureihe ME-LGI dual-fuel können die verschiedensten Kraftstoffe wie z.B. Methanol, LPG, DME und (Bio-) Ethanol sowie andere low-flash-point Kraftstoffe verbrannt werden. © MAN

Der Diesel-Großmotor ist nach wie vor der primäre Antriebs- und Bordenergielieferant in der internationalen Schifffahrt. Seine Technik ist bestens bekannt und er ist eine zuverlässige Form des Schiffsantriebs- beziehungsweise der Bordenergieerzeugung. Die internationalen Hersteller von Schiffsdieselmotoren stehen allerdings vor der großen Herausforderung, die Schadstoffemissionen zukünftig drastisch zu reduzieren.
Nach der Finanzkrise der Jahre 2007/2009 war die erste, kurzfristige Lösung die Reduktion der Reisegeschwindigkeit (Slow Steaming). Hierdurch ließen sich 50 bis 70 % der Kraftstoffkosten, und damit einhergehend die Emissionen, einsparen. Als nächstes wurden die Schiffsform und der Propeller der niedrigeren Geschwindigkeit angepasst. Hiermit konnten die wesentlichen, betriebswirtschaftlichen Herausforderungen gemeistert werden.
In der Zukunft müssen die CO2-Emissionen (EEDI Index) alle 5 Jahre um 10 % verringert wird. Hierzu muss auch die Propulsionsanlage ihren Beitrag leisten. Das Potential der Motoren ist eher gering und kann bei heute guten Motoren mit max. 5 % angesetzt werden. Die dafür eingesetzt Technologie erhöht zwar die Kosten und die Komplexität der Motoren, rentiert sich aber häufig bereits nach 2 bis 4 Jahren.
Kurzfristig werden mit SCR-Katalysatoren oder Dual-Fuel Motoren die von der IMO für die unmittelbare Zukunft vorgesehene Emissionsgrenzwerte erfüllt werden können. Weiterhin werden zeitnahe Lösungen zur Reduzierung der Partikelemissionen benötigt. Grundsätzlich sind eine Vielzahl erfolgsversprechender Techniken diesbezüglich bekannt und auf Prüfständen und Versuchsanlagen erfolgreich getestet worden. Dabei ist die vorrangige Frage, welche Kraftstoffe zukünftig für diese Großmotoren verfügbar sein werden, von besonderer Bedeutung.
„Es ist davon auszugehen, dass spätestens ab dem Jahr 2025 weltweit nur Kraftstoff mit einen Schwefelgehalt von weniger als 0,5 % eingesetzt werden darf. Bei Abgaswäschern (Scrubber) ist der Schwefelgehalt im Kraftstoff nicht primär entscheidend. Damit ist dem Schweröl noch eine lange Zukunft gewiss. Verschiedene Studien gehen davon aus, dass bis zum Jahr 2030 deutlich mehr als die Hälfte der Schiffe diesen Kraftstoff einsetzen wird. Ob mit 0,5 % Schwefel oder mit Scrubber wird von den Mineralölkonzernen und den Förderländern abhängen, die die Preise die Kraftstoffe wesentlich beeinflussen. Trotz erster Bordversuche mit schwefelarmen Schweröl ist vorstellbar, dass die Mineralölindustrie die Kosten für die Umrüstung der Raffinerien scheuen wird und der Scrubber einen Schwerpunkt bilden wird. Während schwefelarmes Schweröl immer noch ein Rückstandsöl mit vielen Begleitelementen ist, wird mit einem Scrubber ein großer Teil herausgewaschen. Dabei muss berücksichtigt werden: Die richtige Entsorgung dieses Abfalles muss natürlich gewährleistet sein.
Letztendlich darf man nicht vergessen: Dieselmotoren werden auch in Zukunft CO2, NOx, SOx sowie Partikelemissionen (PM) emittieren“, erklärt Dr. Udo Schlemmer-Kelling, Fachleiter Technologie bei FEV GmbH.

Alternative Kraftstoffe und Schiffsantriebe

Nachdem die Häfen und die Gaskonzerne viel Geld investiert haben um eine Infrastruktur für die LNG Versorgung aufzubauen, ist es eher unwahrscheinlich, dass weiteres Geld in eine zusätzliche Kraftstoffart wie Methanol oder Ethan investiert wird. Dies insbesondere vor dem Hintergrund, dass die Einführung von Erdgas im Markt eher schleppend anläuft. Prognosen gehen von etwa 1000 mit Erdgas betriebenen Schiffen bis zum Jahr 2020 aus. Dies entspricht aber nur ca. 2 % der seegängigen Schiffe.
Der Einsatz von Erdgas, Methanol oder Ethan hat sein Haupteinsatzgebiet bei Produkttankern, die ihre Ladung als Kraftstoff verwenden können. Erkennbar ist auch ein vermehrtes Interesse bei Kreuzfahrtredereien, die unter Umweltgesichtspunkten unter besonderer Beobachtung stehen. Für den normalen Frachtverkehr bleiben alternative Kraftstoffe eine Minderheit.
Da das Energieangebot bei den alternativen Antriebskonzepten mitunter schwer planbar ist, können sie nur als unterstützende Zusatzmaßnahme zum herkömmlichen Antrieb sinnvoll eingesetzt werden. Gegen den Einsatz von Gasturbinen sprechen trotz des zurzeit niedrigen Kraftstoffpreises der schlechte Wirkungsgrad sowie das transiente Verhalten bei Lastanforderungen. Es wird also bei der kontinuierlichen Weiterentwicklung von 2- und 4-Taktmotoren bleiben.
Erneuerbare Energien, im Wesentlichen aus Wind und Solartechniken gewonnen, können als zusätzliche Maßnahmen zu Haupt- und Hilfsantrieben auf Schiffen angesehen werden.

Wird der Hybrid-Antrieb (Diesel / Gas / Elektro) zukünftig eine wesentliche Rolle spielen?

Der reine Elektroantrieb ist sowohl für Schiffe mit der heutigen Batterietechnik völlig illusorisch. Bleibatterien sind zu groß und schwer, Lion Batterien zu teuer. Für einen Transfer eines großen VLCC Containerschiffes von Hamburg nach Shanghai wird eine Energie von etwa 30 GWh benötigt. Um die Batterien zu laden, muss ein großes 2 GW-Kraftwerk 15 Stunden auf Volllast laufen. Für einen sinnvollen Hafenbeitrieb ist das somit unrealistisch.

Für die Zukunft vorstellbar ist hingegen ein Hybridantrieb.

Die Reise wird dann mit Schweröl betrieben und die Hafeneinfahrt kann elektrisch und emissionsarm erfolgen. Die dafür notwendige Batteriekapazität liegt im sinnvollen Bereich und die Batterien können von der Hauptmaschine während der Überfahrt erfolgen. Eine Landversorgung ist damit überflüssig. Ein großes Pilot-Fährschiff *) ist mit dieser Technologie ausgerüstet und sammelt erste Erfahrungen.
Grundsätzlich wird der Hybridantrieb vermutlich auf Grund seiner hohen Kosten nur für Marktnischen relevant werden.

*): Scandlines fährt Hybrid

Auf der so genannten „Vogelfluglinie“ zwischen dem deutschen Puttgarden und dem dänischen Rödby fährt Scandlines mit diesel-elektrischer Antriebstechnik von Siemens. Die vier jeweils 142 Meter langen Fähren der deutsch-dänischen Reederei, darunter die „Schleswig-Holstein“ und „Prinsesse Benedikte“, sind damit die bis dato größten Hybrid-Fähren der Welt. 25 Millionen Euro hat der Umbau der Fähren gekostet. Die EU hat sich daran mit 6,4 Millionen Euro beteiligt.
Das Hybridsystem speichert überschüssig erzeugte elektrische Energie in Batterien und spart auf diese Weise einen von bisher fünf notwendigen dieselbetriebenen Generatoren auf jeder der Fähren ein. Die verbleibenden Generatoren können im Zusammenspiel mit dem Batteriesystem so wesentlich effizienter betrieben werden. Der diesel-elektrische Antrieb jeder Fähre setzt sich aus vier dieselbetriebenen Generatorsätzen mit jeweils 3,5 Megawatt (MW) sowie vier Elektromotoren mit je 3 MWh Wellenleistung zusammen. Die Generatorleistung der „Schleswig-Holstein“ wird durch das von Siemens nachgerüstete Batteriesystem, beinhaltet 399-Siemens Lithium-Polymer-Batterien mit je 6,5 kWh, in Summe 2,7 Megawattstunden (MWh) ergänzt. „Mit dem Hybrid-System sinkt der Kraftstoffverbrauch der Fähren um 15 – 20%“, sagt Siemens Direktor Stefan Krause.
Ein kleiner Wermutstropfen besteht noch: Die 142 m langen Fähren haben eine Hafenliegezeit von nur 15 min und Fehmarn verfügt zurzeit über keinen entsprechend groß dimensionierten Anschluss ans Stromnetz. Und so werden die Batterien während der Überfahrten geladen.

Buxtehuder Innovation erregt weltweit Aufsehen

Containerschiff in Fahrt.
MSC GENEVA vor dem Widening. © NSB Group

Bei dem Buxtehuder Schifffahrtsunternehmen NSB-Group konzentriert man sich auf das Gesamtsystem-Schiff. Mit der MSC GENEVA ist das weltweit erste verbreiterte Containerschiff der Panmax-Klasse im Juni 2015 wieder in Fahrt gegangen. Das patentierte Verfahren nennt sich WIDENING.
Die MSC GENEVA läuft unter der NSB-Flagge seit Mitte 2007. Bei einer Länge von 275 m, einer Breite von 32 m hatte das Schiff eine Ladekapazität von 4.872 TEU bei einem Tiefgang von 12 m und war für eine Geschwindigkeit von 24 kn konzipiert. Die Tragfähigkeit wurde mit 52.095t (dwt) angegeben. Mit diesen Abmessungen war die MSC GENEVA optimal für die Passagen durch den Panama-Kanal. Nach dem WIDENING betragen nun die Schiffsdaten: Länge 283 m, Breite 39,76 m. Der Tiefgang hat sich nicht verändert. Die Ladekapazität stieg von vorher 4.872 TEU auf nun 6.296 TEU (beachtliche 29% Mehrladung). Die jetzige Geschwindigkeit beträgt 21,7 kn. Die Gesamt-Tragfähigkeit wird nun mit 65.343 t (dwt)

Beladenes Containerschiff mit Schlepper.
MSC GENEVA nach dem Widening. Nach Angaben der NSB-Group verringert sich der Kraftstoffverbrauch pro Ladungstonne um rund 30% und es können, wie vor beschrieben, mehr Container geladen werden. © NSB Group

angegeben. Beim WIDENING wird ein Containerschiff in vier große Teile zerlegt: Schnitte erfolgen der Breite nach direkt vor den Aufbauten, mittig der Länge nach von den Aufbauten bis zum Bug und vor dem Bug selbst. Die Teile werden anschließend hydraulisch auseinandergezogen. Die entstandene Lücke wird mit vorgefertigten Sektionen geschlossen. Da die Hauptmaschine mit ihrer Leistungseinstellung unverändert bleibt, der neue Wulstbug für die geringere Geschwindigkeit optimiert ist und das Schiff durch die neue Breite weniger Ballastwasser für die Stabilität benötigt, steigt die Effizienz. Der Kraftstoffverbrauch pro Ladungstonne sinkt um rund 30% und es können, wie vor beschrieben, mehr Container geladen werden.

 

 

 

Zusammenfassung des NSB WIDENING:

Das Konzept der Verbreiterung von Panmax-Containerschiffen hat drei wesentliche Vorzüge:
* Kapazitätserhöhung;
* Höhere Stabilität, d.h. weniger Stabilitätsballast und größere Stellplatzkapazität bei 14 t homogen;
* Geringere Geschwindigkeit infolge großer Verdrängung bei gleichbleibender Hauptmaschinenanlage
Hieraus resultiert ein wesentlich besserer IMO-Energy-Efficiency-Design Index. So verringert sich der CO2-Ausstoß pro Tonnenmeile für das verbreiterte Schiff deutlich. Bezieht man den CO2-Ausstoß auf das reine Ladungsgewicht so sieht die Bilanz noch besser aus.

Dipl. -Ing. Peter Pospiech
Redaktionsleitung bei VEUS-Shipping.com mit Schwerpunkt Schiffsbetriebstechnik, Transport, Logistik, Schiffahrt, Hafen und dem weitreichenden Thema Umweltschutz sowie gesetzliche Auflagen für Antriebsmaschinen.

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