vor sich. Viele neue Standards müssen geschaffen werden. Im folgenden wird ausführlich beschrieben, was für Ammoniak als zukünftiger Treibstoff berücksichtigt werden muss. Zudem auch wieder die Anmerkung, dass Lachgas entsteht wenn ein Verbrennungsmotor genutzt wird.
Sehr interessant und aufschlussreich.
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Dekarbonisierung der Schifffahrt - könnte Ammoniak der Kraftstoff der Zukunft sein?
Heute werden 80 % des produzierten Ammoniaks ausschließlich für die Düngemittelindustrie verwendet. Da jedoch der Druck auf den Schifffahrtssektor zunimmt, sich von der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu lösen, sieht Ammoniak wie eine attraktive Alternative aus. Wenn 30 % der Schifffahrt auf Ammoniak als Treibstoff umsteigen würde, müsste die derzeitige Produktion fast verdoppelt werden. Es gibt Herausforderungen für das Upscaling, aber eine noch größere für die kohlenstofffreie Ammoniakproduktion, die mit Kosten verbunden sein wird, aber dies stellt auch eine Chance für beide Industrien dar, ihren Kohlenstoff-Fußabdruck zu reduzieren und zusammenzuarbeiten.
Die Regierungen haben sich für die kommenden Jahrzehnte ehrgeizige Ziele zur Reduzierung von Treibhausgasen (THG) gesetzt. Bei der Umstellung unserer Volkswirtschaften von fossilen Brennstoffen auf alternative Energien wird jede Branche betroffen sein, auch die Schifffahrt. Regulierungsbehörden wie die International Maritime Organization (IMO) und die Europäische Union setzen die Ziele in Vorschriften um. Mit zunehmender Stärke der verbindlichen Kohlendioxid (CO2)-Vorschriften ist klar, dass kein einziger Treibstoff alle Anforderungen der Schifffahrt in Bezug auf Null Kohlendioxid erfüllen wird. In Zukunft werden Schiffseigner ihre Schiffe für den Kraftstoff ausrüsten, der für den jeweiligen Schiffstyp, die Route und die Ladung am besten geeignet ist. Neben Ammoniak sind Wasserstoff, Methanol, Biokraftstoffe, Batterien und Kernkraft weitere Kandidaten für alternative Kraftstoffe.
Jeder Brennstoff hat seine Vor- und Nachteile, aber die Brennstoffflexibilität, also die Möglichkeit, einen Motor auf einen anderen Brennstoff umzurüsten, wird eine wichtige Rolle spielen. Jeder Schiffseigner wird kritische Investitionsentscheidungen für seine Flotte treffen müssen, wahrscheinlich mehrmals in den nächsten Jahrzehnten, zumal die Lebenserwartung eines durchschnittlichen Schiffes bei 25-30 Jahren liegt. Einige Schiffe werden mit komplett neuen Antriebssystemen nachgerüstet, andere werden verschrottet und ersetzt.
Eine kürzlich von Lloyd's List - der maritimen Publikation - und LR durchgeführte Umfrage unter Interessenvertretern der Schifffahrtsbranche identifizierte Ammoniak als einen der drei wichtigsten Kraftstoffe mit Potenzial für 2050. Die Umfrage zeigte, dass die Branche erwartet, dass der Anteil von Ammoniak am Treibstoff bis 2030 auf 7 % und bis 2050 auf 20 % steigen wird. Ammoniak spielt auch eine zentrale Rolle in mehreren nationalen Dekarbonisierungsstrategien. So plant Japan beispielsweise, den Einsatz von Ammoniak als Kraftstoff bis 2030 auf drei Millionen Tonnen pro Jahr zu erhöhen. Hier überprüfen wir das Potenzial von Ammoniak als Kraftstoff für die Schifffahrt und untersuchen, wie es den Ausstoß von CO2, dem wichtigsten Treibhausgas, das mit fossilen Brennstoffen verbunden ist, reduzieren oder eliminieren könnte.
Das Argument für Ammoniak
Kohlenstoff-Emissionen
Ammoniak ist eine Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff. Da Ammoniak keinen Kohlenstoff enthält, stößt es kein CO2 aus, wenn es zum Betreiben eines Verbrennungsmotors verwendet wird. Dies schafft das Potenzial für einen echten Null-Kohlenstoff-Antrieb. Für die Verbrennung wird jedoch eine zusätzliche kleine Menge an Pilotbrennstoff benötigt, der ebenfalls kohlenstofffrei sein sollte. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass das meiste Ammoniak heute aus Erdgas hergestellt wird und daher aus Sicht des Lebenszyklus nicht kohlenstofffrei ist, was etwas ist, mit dem sich die Industrie befassen muss, wenn Ammoniak weiterverfolgt wird.
Akzeptable Energiedichte
Eine Attraktion der aktuellen fossilen Brennstoffe ist ihre hohe volumetrische Energiedichte. Die meisten alternativen Brennstoffe können diese nicht erreichen, was bedeutet, dass sie wertvollen Laderaum an Bord eines Schiffes beanspruchen würden. Die volumetrische Energiedichte von Ammoniak ist im Großen und Ganzen ähnlich wie die von Methanol und höher als die von Wasserstoff, so dass die Lagerung an Bord wirtschaftlich machbar ist, wenn auch nicht so kompakt wie bei dem heute verwendeten Schweröl (HFO).
Relativ einfach zu handhaben
Ammoniak wird oft mit Wasserstoff verglichen. Beide werden in flüssiger Form gelagert, wobei Wasserstoff kryogene Tanks benötigt, die bei -253°C gehalten werden, während Ammoniak weniger Kühlung benötigt und bei Temperaturen von etwa -33°C gelagert werden kann. Ammoniak wird aus Wasserstoff hergestellt, daher benötigen wir für kohlenstofffreies Ammoniak "grünen" Wasserstoff, der mit erneuerbarer Energie hergestellt wird.
Wasserstofftransport
Wasserstoff kann auch als Treibstoff für die Schifffahrt oder andere Zwecke verwendet werden; allerdings machen die aufwendigen Kühlvorrichtungen und die Abschwächung von Gefahren den Transport von Wasserstoff teuer. Der Transport von Ammoniak hat gegenüber Wasserstoff den Vorteil, dass es bei Umgebungsbedingungen flüssig ist und somit weniger Speichervolumen benötigt. Die Kosten für den Wasserstofftransport können reduziert werden, indem Ammoniak an der Quelle aus Wasserstoff hergestellt, das resultierende Ammoniak transportiert und am Zielort wieder zu Wasserstoff reformiert wird, aber es sind weitere Arbeiten erforderlich, um diese Kostenreduzierung zu berechnen.
Wirtschaftliches Potenzial auf lange Sicht Ammoniak ist ein globaler Rohstoff mit transparenten Preisen, so dass bereits ein Markt existiert. Der Großteil des derzeitigen Angebots ist "graues" Ammoniak, das aus Wasserstoff hergestellt wird, der aus Erdgas gewonnen wird, was erhebliche CO2-Emissionen verursacht. Das Ziel der Schifffahrt ist es, "grünes" Ammoniak aus erneuerbaren Energien zu produzieren. Dies wird zwar kurzfristig sehr viel teurer sein, aber die Preise dürften bei einer Ausweitung der Produktion deutlich sinken.
Die größten Herausforderungen liegen an Land
Der Fokus liegt oft auf den Kohlenstoffemissionen, die durch den Schiffsmotor und die Hilfssysteme an Bord entstehen. Doch auch bei der Produktion und Lieferung von Treibstoff, durch die Gewinnung von Energiequellen, die Herstellung von Treibstoff, den Transport und die Lagerung im Hafen entstehen erhebliche Emissionen. Um das Problem nicht einfach nur vorwärts zu verlagern, muss die Schifffahrtsindustrie die gesamte Lieferkette berücksichtigen.
Eine Studie der University Maritime Advisory Services (UMAS) und der Energy Transitions Commission für das Jahr 2020 ergab, dass 1-1,4 Billionen USD benötigt werden, um die von der IMO angestrebte Kohlenstoffreduzierung bis 2050 zu erreichen. Die Studie hob auch hervor, dass etwa 87 % der Gesamtinvestitionen in landgestützte Infrastruktur und Produktionsanlagen für kohlenstoffarme Kraftstoffe erforderlich sind. In vielen Fällen sind die vorgelagerten Herausforderungen auch schwieriger zu bewältigen, da sie viel mehr Akteure einbeziehen und diese riesigen Infrastrukturinvestitionen erhebliche Auswirkungen auf Mensch und Umwelt haben könnten.
Ein weltweites Verteilungssystem für Ammoniak ist bereits vorhanden, aber der Kraftstoff muss an den richtigen Orten und in den richtigen Mengen verfügbar sein. Das bestehende Ammoniak-Transportnetz verbindet Produktions- und Lagerorte, die den industriellen Markt bedienen; es erreicht die Häfen nicht so, dass Schiffe bunkern können.
Die Wahrnehmung von Ammoniak durch die breitere Öffentlichkeit, abgesehen von Flottenbetreibern, muss sich ändern, damit es als Kraftstoff akzeptiert wird. Hafenbehörden und Aufsichtsbehörden zögern derzeit, das Bunkern von Ammoniak aufgrund der Toxizitätsgefahren zuzulassen, während die Reaktion der Bürger auf die großflächige Lagerung von Ammoniak in Häfen noch nicht erprobt ist. Während die derzeitigen Vorschriften die Verwendung von Ammoniak als Treibstoff für die Schifffahrt ausschließen, arbeiten Klassifikationsgesellschaften und andere Gruppen daran, die Risiken zu bewerten und Richtlinien zu erstellen, die zu neuen Vorschriften und Standards führen werden.
Sicherheitsfragen müssen geklärt werden
Ammoniak ist zwar nicht leicht entflammbar, aber schon Konzentrationen von 0,25 % in der Luft können zu Todesfällen führen, da der Kraftstoff für Menschen hochgiftig ist. Die heutigen Rest- und Destillatheizöle (und sogar Erdgas) bergen alle geringere Risiken als Ammoniak. Brennstoffsysteme müssen so konstruiert, hergestellt, betrieben und gewartet werden, dass die Sicherheit der Schiffsbesatzungen, des Hafenpersonals und der Brennstofflieferanten gewährleistet ist.
Heutige Schiffe werden nach Standardkonfigurationen gebaut, bei denen sich Motoren und Kraftstoffsysteme oft in engen Räumen auf den unteren Decks befinden. Die unterschiedlichen Anforderungen von Ammoniak könnten die Schiffslayouts verändern oder sogar zu kompletten Neukonstruktionen führen.
Der Umgang mit Ammoniak an Bord von Schiffen wird völlig neue Fähigkeiten und Sicherheitsverfahren erfordern. Es ist notwendig, die potenziellen negativen Auswirkungen auf Menschenleben, Wasser und Boden im Falle von Leckagen oder Unfällen zu verstehen und zu wissen, wie diese Arten von Risiken gemindert werden können. Für die Einführung von Ammoniak ist daher ein neuer Sicherheitspfad erforderlich. Glücklicherweise gibt es die Möglichkeit, die aktuellen Vorschriften für den Transport von Ammoniak zu nutzen.
Darüber hinaus wird bei der Verbrennung von Ammoniak in Motoren Lachgas (N2O) freigesetzt, ein Treibhausgas, das noch stärker ist als CO2. Dadurch werden zusätzliche Geräte an Bord benötigt, um die NOx-Emissionen zu kontrollieren.
Bereitschaft zur Lösung
Die Schifffahrtsindustrie befördert Ammoniak seit 100 Jahren als Massengut und die Risiken der Ladung sind bekannt und werden gehandhabt. Es war auch eines der ersten Kältemittel, das an Bord verwendet wurde, und ist aufgrund seiner großen Verfügbarkeit, des einfachen Herstellungsprozesses und der relativ geringen Kosten nach wie vor eine beliebte Wahl für Fischereifahrzeuge.
In der Schifffahrt gibt es jedoch keine Erfahrung mit Ammoniak als Kraftstoff, und angesichts der Sicherheitsherausforderungen ist ein strenger Prozess zur Risikobewertung des Kraftstoffhandlings und der Antriebssysteme erforderlich. Außerdem müssen robuste Sicherheitsstandards für die gesamte Lieferkette vorgeschrieben werden.
Um Organisationen in die Lage zu versetzen, fundierte Entscheidungen auf dem Weg zur Klimaneutralität zu treffen, hat LR das Marine Solution Readiness Level (MSRL) Framework entwickelt. Dabei handelt es sich um eine standardisierte Screening-Bewertung, die eine konsistente Bewertung über sehr unterschiedliche Kraftstoffe und Technologien hinweg sicherstellt und eine evidenzbasierte Entscheidungsfindung ermöglicht.
Aktuelle Bereitschaftsgrade
Die Forschungsarbeit von LR und UMAS, "Techno-economic assessment of zero-carbon fuels" (2020), gibt einen ersten Hinweis auf die Investitionsbereitschaft von Ammoniak als Schiffskraftstoff im Vergleich zu anderen alternativen Kraftstoffen, einschließlich Wasserstoff, Methanol, Biokraftstoffen und Batterien sowie fossilen Kraftstoffen wie Erdgas und HFO. Treibstoff ist die Hauptkomponente der Betriebskosten und der wichtigste Faktor für die Wettbewerbsfähigkeit von Schiffen. In der Untersuchung wurde ein typischer Massengutfrachter als Fallstudie unter einer Reihe von Szenarien für Energiepreise und Gesamtbetriebskosten verwendet. Ein zentrales Ergebnis war, dass aus Erdgas hergestelltes Ammoniak in Kombination mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (blaues Ammoniak) die kostengünstigste kohlenstofffreie Option ist, wenn man den Zeitrahmen bis 2050 betrachtet.
Die Studie untersuchte auch die technologische Bereitschaft und stellte fest, dass einige Aspekte der Ammoniak-Lieferkette, einschließlich Bunkeranlagen, Tanks und Kraftstoffversorgungssysteme, Fortschritte in Richtung detaillierter Designlösungen machen. Andere Bereiche, wie Verfahren und Qualitätsstandards, Zusatzgeräte an Bord und Kessel, befanden sich noch im Konzeptstadium. Seitdem haben wir gesehen, dass die Entwicklungen bei den Antrieben schnell voranschreiten und die Motorenhersteller jetzt Prototypen und Pilotprojekte ankündigen.
Die LR- und UMAS-Forschung lieferte auch hochwertige Hinweise auf die Bereitschaft der Gemeinschaft in Bezug auf die Lebenszyklusemissionen und die Entwicklung der breiteren Energielandschaft und zeigte, dass grünes Ammoniak über den gesamten Lebenszyklus hinweg eine der besten Netto-CO2-Performer ist. Damit sich Ammoniak von einem industriellen Rohstoff zu einem Schiffskraftstoff entwickeln kann, müssen die richtigen Bedingungen in allen Dimensionen der Gemeinschaft gegeben sein, zum Beispiel eine ausreichende branchenübergreifende Nachfrage, effiziente Produktionsprozesse und eine starke internationale Politik und Regulierung.
Überwindung der Hürden
Um erfolgreich zu sein, müssen viele verschiedene Organisationen aus dem gesamten Schifffahrtssektor zusammenarbeiten, um die verbleibenden Risiken und Ungewissheiten zu mindern. LR steuert die Entwicklungen durch seinen Maritime Decarbonisation Hub, ein Joint Venture zwischen der LR Foundation und LR. Indem wir die wichtigsten Herausforderungen identifizieren und dann Partnerschaften zu deren Bewältigung bilden, treiben wir die Lösungsbereitschaft über das gesamte Spektrum zukünftiger Kraftstoffe und Technologien voran. Mehrere mit Ammoniak betriebene Schiffskonstruktionen wurden im Prinzip genehmigt, darunter ein ultralanges Containerschiffskonzept in China und Korea sowie ein Hochseetanker, der bis 2024 auf den Markt kommen soll.
Insgesamt scheint Ammoniak ein vielversprechender alternativer Treibstoff zu sein, der das Potenzial hat, einen wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung der Schifffahrt zu leisten. Jetzt müssen die Akteure des Sektors zusammenarbeiten, um die Machbarkeit praktischer Lösungen zu entwickeln und zu beweisen.