Future Ship Fuels: Rauch abbauen

Von Georgios Plevrakis, ABS11 Februar 2020
© JEGAS RA / AdobeStock
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Schiffseigner stehen zunehmend vor komplexen Investitionsentscheidungen, wenn sie versuchen, den effizientesten Weg in die kohlenstoffarme Zukunft zu beschreiten. Seitdem die IMO die ehrgeizigen Emissionsminderungsziele der Branche für 2030 und 2050 festgelegt hat, werden die Eigentümer mit Informationen über zukünftige Kraftstoffe und Technologien überschwemmt, die möglicherweise die CO2-Bilanz ihrer Flotte verringern oder nicht.

Einige der neuen Technologien sind vielversprechend, aber die Alltagstauglichkeit von zu vielen von ihnen ist noch nicht bewiesen. Gleiches gilt für viele der potenziellen Kraftstoffe. In beiden Fällen variieren die Fälligkeitsfristen ebenso stark wie die voraussichtlichen Lösungen. In diesen unsicheren Zeiten stehen jedoch einige Eigner vor langfristigen Investitionsentscheidungen für neue Schiffe.

Entscheidungen können jedoch weniger komplex sein, als sie scheinen. Das Spektrum der verfügbaren Kraftstofflösungen ist breit, aber bei der Untersuchung der einzelnen Bordtechnologien - Motoren, Kraftstoffversorgungssysteme, Lagerung, Eindämmung usw. - ergeben sich Taxonomien, die zur Vereinfachung der Entscheidungsfindung verwendet werden können.
Nach der Kategorisierung müssen alle unterstützenden Technologien (einschließlich Kraftstoffe) kurz-, mittel- und langfristig auf ihre Reife (Marktreife) und ihr CO2-reduzierendes Potenzial hin bewertet werden.

Tatsächlich gibt es bis 2030 und darüber hinaus drei Kraftstoffpfade: Den LNG- oder Leichtgaspfad; der LPG / Methanol- (oder Alkohol-) "Schwergas" -Pfad; oder der "Bio- / Synthesekraftstoff" -Pfad. Keines davon schließt sich gegenseitig aus.

Die ersten beiden Technologiefamilien verfügen bereits über emissionsmindernde Lösungen, aber die praktischsten, CO2-neutralen und CO2-freien Lösungen befinden sich noch in der Entwicklung.

Vielleicht am wichtigsten ist, dass die Auswahl der richtigen Technologie in erster Linie von zwei Hauptkriterien beeinflusst wird: (i) dem Schiffstyp und (ii) seinem Betriebsprofil, dh wo und was es handeln wird.

Der Lichtgasweg

Im Allgemeinen sind dies Kraftstoffe, die sich durch einen relativ hohen Energiegehalt und kleine Moleküle auszeichnen. Sie erfordern im Allgemeinen anspruchsvollere, hauptsächlich kryogene Brennstoffversorgungs- und Speichersysteme.

Die "Leichtgas" -Familie umfasst LNG (flüssiges Methan) und Biomethan (in Form von Bio-LNG und Bio-Erdgas [BNG]); Die Produktion der letzteren Familie muss vergrößert und Technologien entwickelt werden, bevor sie zu einem rentablen kommerziellen Kraftstoff wird.

LNG ist ein relativ ausgereifter kohlenstoffarmer Kraftstoff, der den CO2-Fußabdruck um etwa 20% verringert, wenn die Auswirkungen des Methanschlupfes nicht berücksichtigt werden. Ebenso kann Biomethan, das aus organischen Quellen stammt, als kohlenstoffneutral angesehen werden, wenn der Methanschlupf nicht berücksichtigt wird.

Für LNG und BNG ist die Verringerung des Methanschlupfes von entscheidender Bedeutung für ihr wirtschaftliches Potenzial als künftige Kraftstoffe. Aus diesem Grund bemüht sich die Industrie aktiv um die Entwicklung einer Reihe von Technologien zur Emissionsminderung. Ohne sie könnte die Verwendung von LNG als Kraftstoff in einigen Fällen den CO2-Ausstoß der Schifffahrt im Vergleich zu Schweröl oder Schiffsgasöl (HFO, MGO) tatsächlich erhöhen.

Aus Tank-to-Wake-Sicht - LNG-Verbrauch im Schiff - arbeiten Hochdruck-Dieselmotoren bereits mit vernachlässigbarem oder keinem Methanschlupf. Und es gibt Technologien in der Entwicklung und in den frühen Testphasen - Methanschlupffilter, Katalysatoren usw. -, die letztendlich den Kohlenstoffausstoß über die gesamte LNG-Produktionskette hinweg minimieren könnten.

Angesichts des relativ begrenzten CO2-Reduktionspotenzials in der jetzigen Situation wäre es leicht und falsch, LNG lediglich als einen Beitrag zur Erreichung der Emissionsminderungsziele für 2030 zu sehen. Sein Potenzial kann mit der Zeit größer sein.

Wenn sich mittelfristig Biomethan- oder Elektromethan-Kraftstoffe (siehe Abschnitt „Elektro- / Synthesekraftstoffe“ unten) im kommerziellen Maßstab als rentabel erweisen, könnte der derzeitige Kohlenstoffausstoß von LNG im Verhältnis zum Kraftstoffgemisch weiter verringert werden. BNG- oder Elektromethan-Kraftstoffe sind potenziell klimaneutral. Derzeit werden erhebliche Investitionen in die Industrie getätigt, um diese Lösungen zu untersuchen.

Aus zeitlicher Sicht befindet sich am Ende des Light-Gas-Pfades Wasserstoff, der mindestens ein Jahrzehnt benötigt, um sich als kommerzieller Schiffstreibstoff zu bewähren. und das ist wahrscheinlich ehrgeizig. Es gibt viele technische Hindernisse, das größte ist die Lagerung. Weitere Forschungen sind erforderlich, um die effektivste Art der Nutzung von Wasserstoff für Schiffsantriebe zu ermitteln: Brennstoffzellen und Gasturbinen sind potenzielle Lösungen, aber weit entfernt von der betrieblichen Rentabilität oder der Kostenwirksamkeit.

Obwohl Wasserstoff das am weitesten entfernte Element der Leichtgasfamilie ist, ist es vielversprechend. Es hat möglicherweise die niedrigste Energiedichte (Energie pro Volumen), aber bei weitem den höchsten Energiegehalt (Energie pro Gewicht). Eine Einheit würde die dreifache Energie eines gleichen Volumens an LNG oder HFO liefern. Es könnte sich um einen kohlenstofffreien Schiffstreibstoff handeln, es sind jedoch zahlreiche technologische Fortschritte erforderlich, um eine praktische Lösung zu finden.

Der Schwergasweg
Im Allgemeinen bestehen diese Kraftstoffe aus schweren, komplexeren Molekülen und einem niedrigeren vergleichbaren Energiegehalt als die Leichtgasfamilie, und ihre Bedingungen für die Bereitstellung und Lagerung von Kraftstoffen sind weniger anspruchsvoll.

Schwergastreibstoffe umfassen Flüssiggas (LPG), Methanol (und Ethanol als Teil der Alkoholfamilie), Bio-Methanol und letztendlich Ammoniak. Methanol in seiner jetzigen Form reduziert als Kraftstoff den CO2-Ausstoß um etwa 10%; Wenn sie im kommerziellen Maßstab verfügbar werden, könnten Bio-Methanol und Elektro-Methanol klimaneutral sein.

Da einige dieser Kraftstoffe einen sehr geringen Energiegehalt haben, sind sie möglicherweise nur für begrenzte Arten von Schiffen, Gewerken und Routen geeignet. Die Möglichkeit, mehrere Tankstopps in der typischen Handelsschleife eines Schiffes einzulegen, kann erforderlich sein. Die Ausnahme ist LPG, dessen Verwendung nicht so schnell wie LNG ausgereift ist, zum Teil, weil es weniger Emissionsminderungspotenzial hat und mit unterschiedlichen Sicherheitsherausforderungen konfrontiert ist.

In puncto Reife gehören LNG, LPG und Methanol bereits zum aktuellen Technologiemix; Ihre Bioderivate sind mittelfristige Überlegungen, da die Schifffahrt darauf wartet, dass die Technologien ausgereift sind und die Kraftstoffe in großem Maßstab hergestellt werden.

Mit Ammoniak betriebene Motoren sind derzeit nicht erhältlich und benötigen weitere 3 bis 4 Jahre, bis der erste ausgeliefert wird. Die First Mover könnten aus der Ammoniak-Carrier-Community stammen. Ammoniak ist möglicherweise ein kohlenstoffarmer Kraftstoff, wenn bei der Produktion erneuerbare Energie verwendet wird, was die Kosten erhöht. Aufgrund seines Potenzials wurden kürzlich Entwürfe für mit Ammoniak betriebene Feederschiffe vorgestellt.

Es muss jedoch eine umfassende Infrastruktur auf der Angebotsseite aufgebaut werden, damit der Kraftstoff wirtschaftlich rentabel ist - und neue, strenge Sicherheitsvorschriften eingeführt werden -, sodass der praktische Einsatz nur langfristig in Betracht gezogen werden kann.

Der Bio / Syntheseweg:
Dies sind Kraftstoffe, die aus biologisch gewonnenen Rohstoffen und Quellen hergestellt werden. Im Prinzip ist ihre Konsistenz in flüssiger Form sehr ähnlich zu Dieselöl, was die Anzahl der neuen Bordtechnologien, die für ihren Einsatz entwickelt werden müssten, sowie etwaige Änderungen der aktuellen Schiffskonstruktionen minimieren könnte.

Derzeit wird am häufigsten Biodiesel oder FAME (Fatty Acid Methyl Esters) verwendet, das Teil der neuesten ISO-Spezifikation (8217/2017) für Schiffskraftstoffmischungen ist und von allen großen Ölkonzernen angeboten wird. Die Norm sieht 7% Biodiesel in der Kraftstoffmischung vor, aber einige Reeder testen stärkere Mischungen, von 20-100%.

Diese erste Generation von Biokraftstoffen ist umstritten, da sich ihre Produktion auf die Umwelt auswirkt (was ihr Potenzial zur Reduzierung der Lebenszyklusemissionen einschränkt) und sie um Nahrungsmittelpflanzen konkurrieren

Ein anderer vorgeschlagener Biokraftstoff ist HVO (hydriertes Pflanzenöl), das ähnlich wie MGO einen hohen Energiegehalt aufweist. HVO kann in bestehenden Raffinerien hergestellt werden, in denen die Hydrobehandlung stattfindet. Das Endprodukt ist ein deutlich stabiler Kraftstoff mit sehr guten Eigenschaften und geringem Oxidationsrisiko.
Die bio- / synthetische Familie von Kraftstoffen umfasst Gas-zu-Flüssigkeits- oder GTL-Sorten, die entweder durch Kohlenstoffabscheidung und Elektrolyse oder durch Umwandlung des aus Biomen hergestellten Synthesegases in flüssige Kraftstoffe wie Methanol oder Diesel hergestellt werden.

Diese Kraftstoffe sind mittel- bis langfristige Optionen für Reeder. Da es sich jedoch um Plug-and-Play-Lösungen (Drop-in-Biokraftstoffe) handeln könnte, die die Investitionsausgaben minimieren, werden elektro-synthetische Kraftstoffe von großen nationalen und sektororientierten Schifffahrtsorganisationen aktiv untersucht.
Langfristig können Biokraftstoffe der 2. und 3. Generation (z. B. aus Abfallbiomasse, Lingocellulose [holzige Pflanzenfasern] oder Algen) die internationale Schifffahrt auch mit Treibstoffmengen versorgen, die über den aktuellen Jahresbedarf hinausgehen.

Zukunftssichere Schiffsentwürfe:

Da die Reifefristen für viele mittel- und langfristige Lösungen derzeit sehr fließend sind, besteht eine Möglichkeit zur Zukunftssicherheit beim Entwurf neuer Schiffe darin, mehr elektrische Komponenten wie elektrische Antriebe und / oder Antriebe einzuführen. Wenn sich ein Eigner für einen elektrischen Antrieb entscheidet, wird die Erzeugung des Bordstroms brennstoffunabhängig. Es kann beispielsweise aus Brennstoffzellen, Batterien oder einer beliebigen Kombination stammen oder aus einem Motor, der mit LNG oder Methanol betrieben wird.

Wenn eine Komponente zu einem späteren Zeitpunkt aufgerüstet werden muss, ist bereits ein elektrischer Antrieb installiert. So blicken die fortschrittlichsten Reeder und Charterer in die Zukunft.

Auf diese Weise muss das Antriebssystem, wenn es veraltet ist, nicht vollständig ersetzt werden. Der Motor kann aktualisiert werden, um einen anderen Kraftstoff zu verbrennen. Wenn die Brennstoffzellentechnologien in den nächsten 20 Jahren genügend Fortschritte machen, können sie die Motoren ersetzen, wenn dies wirtschaftlich sinnvoll ist.

Zugegeben, aktuelle elektrische Antriebssysteme müssen einige Herausforderungen bewältigen, aber den Eigentümern wäre es immer noch ratsam, mit der Einführung elektrischer Anlagen in ihre Entwürfe zu beginnen: Ausgangsleistung oder Eingangsleistung; Minimieren Sie die Dieselgeneratoren. Optimierung der Generator- und Antriebslasten; und machen das ganze Design effizienter. Auf diese Weise würden die Eigentümer einen weiteren kleinen Schritt zur Minimierung des CO2-Fußabdrucks ihrer Flotte unternehmen.

Über den Autor

Georgios Plevrakis ist Global Sustainability Director beim American Bureau of Shipping.

Kategorien: Klassifikationsgesellschaften, Klassifikationsgesellschaften, Kraftstoffe und Schmierstoffe