Anzeige
Anzeige
1 Monat GRATIS testen, danach für nur 9,90€/Monat!

Technik|Digitales

Rote Karte für schwarze Schwaden

Schiffe sorgen für dicke Luft. Doch künftig soll es auf Meeren und Flüssen sauberer werden – durch verbesserte Dieselmotoren, aber auch durch neuartige Antriebstechniken.

Mit einer feierlichen Zeremonie stellte die Deutsche Bundesmarine am 19. Oktober zwei neue U-Boote in Dienst. Die von der Kieler Howaldtswerke Deutsche Werft (HdW) entwickelten Unterseeboote sind extrem leise und können mehrere Wochen lang unter Wasser bleiben, ohne zwischendurch zum Luft holen auftauchen zu müssen. Der Grund dafür ist die Antriebstechnik der beiden Tauchboote U-31 und U-32: Sie werden von Brennstoffzellen durchs Wasser bewegt.

Vier von Siemens Marine Solutions in Hamburg gebaute Brennstoffzellen-Module mit insgesamt 160 Kilowatt Leistung treiben die U-Boote an. Die Zellen gewinnen die elektrische Energie für den Antrieb aus einer chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Der dazu benötigte Wasserstoff wird in kompakten, festen Metallhydriden gespeichert. Der Sauerstoff steckt als Flüssiggas in einem Tank außerhalb des Druckkörpers. Bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht ausschließlich reines Wasser – und keinerlei schädliches Abgas.

Daher geben die neuen U-Boote nicht nur den Militärs Anlass zur Freude, sondern lassen auch Umweltschützer aufhorchen. Der Antrieb durch Brennstoffzellen ist wesentlich sauberer als die bislang in den meisten U-Booten gebräuchlichen Dieselaggregate. Mit einem Antrieb auf der Basis von Brennstoffzellen ließen sich mühelos alle für die Zukunft diskutierten Schadstoff-Grenzwerte einhalten.

Dass bei den Schiffsantrieben etwas für den Umweltschutz geschehen muss, steht außer Frage. Denn das Maß an Dreck, das durch die Schifffahrt verursacht wird, hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen – vor allem durch die ständig wachsende Zahl an Wasserfahrzeugen, die immer mehr Güter transportieren.

Anzeige

Derzeit sind etwa 90 000 zivile Schiffe mit mehr als 100 Bruttoregistertonnen allein auf den Meeren unterwegs. Etwa neun von zehn der großen Schiffe fahren mit Schweröl – einer zähflüssigen Masse, die als Abfallprodukt bei der Erdölverarbeitung in den Raffinerien zurückbleibt. Das Schweröl enthält die Bestandteile des Rohöls, die für die Herstellung von Benzin oder Dieselkraftstoff unbrauchbar sind. Außerdem steckt darin jede Menge Dreck: Verunreinigungen, die etwa Schwefel enthalten. Der für Schiffseigner entscheidende Vorteil des Schweröls: Es kostet nur halb so viel wie „sauberer“ Dieselkraftstoff. Der Nachteil: Bei seiner Verbrennung gelangen große Mengen an Schadstoffen in die Luft.

Experten des britischen Schiffsversicherers Lloyd’s Register Quality Assurance schätzen den Anteil des Schiffsverkehrs am gesamten weltweiten Ausstoß von Schwefeldioxid – das auch für die Bildung von saurem Regen verantwortlich ist – auf 7 Prozent. Das sind etwa 10 Millionen Tonnen pro Jahr. Den weltweiten Ausstoß von Stickoxiden durch den Schiffsverkehr beziffern die Fachleute auf 9,3 Millionen Tonnen pro Jahr – das entspricht etwa zwölf Prozent der gesamten global emittierten Menge. Eine Studie der MAN-Tochter B&W Diesel in Augsburg geht sogar von einem jährlichen Ausstoß an Stickoxiden von 22 Millionen Tonnen weltweit aus. Die Schifffahrt ist damit nach der Industrie und dem Straßenverkehr die drittgrößte Quelle für diese Schadstoffe.

Während es den Autobauern in den letzten Jahrzehnten gelang, den Schadstoff-Ausstoß der Fahrzeuge durch Einsatz moderner Motortechnik und von Katalysatoren drastisch zu reduzieren, ist man in der Schifffahrt von vergleichbaren Umweltstandards weit entfernt. Dabei würden die Menschen, die entlang der Küsten leben, stark davon profitieren. Denn die meisten Schiffsrouten verlaufen weniger als 400 Kilometer dicht an der Küste. In diesem Bereich entstehen laut der EU-Statistikbehörde Eurostat rund 70 Prozent aller umweltschädlichen Emissionen.

Das Problem beginnt bereits in den Häfen: Beim An- und Ablegen, bei Manövern im Hafenbereich und beim Leerlauf der Maschinen am Dock belasten Schiffe die Umgebung stark mit Schadstoffen. Nach Angaben des Umweltbundesamts stammen 80 Prozent der Schwefeldioxid-Emissionen in Hamburg – das sind rund 2300 Tonnen jährlich – direkt aus der Seeschifffahrt. In Lübeck-Travemünde verursacht das Be- und Entladen der Schiffe im Hafen sogar über 90 Prozent des gesamten Schwefeldioxid-Ausstoßes im Stadtgebiet.

Der größte Teil der in den Schiffsflotten eingesetzten Dieselmotoren stößt deutlich mehr Schadstoffe aus, als nach dem Stand der Technologie sein müsste. Ein Grund dafür ist die lange Nutzungsdauer der Antriebe von oft über 20 Jahren. Alte und besonders schmutzige Aggregate werden kaum durch neue sauberere ersetzt. Jedes vierte Schiff ist derzeit mit einem Motor unterwegs, der älter ist als 20 Jahre. Dazu kommt, dass bei nur einem Viertel aller Motoren, die zwischen 5 und 20 Jahre auf den Schrauben haben, die vorhandenen Möglichkeiten zur Senkung des Schadstoff-Ausstoßes genutzt werden.

Seit ein paar Jahren jedoch rückt die International Maritime Organization (IMO), eine Unterorganisation der Vereinten Nationen mit Sitz in London, Umweltsündern mit verschärften Bestimmungen zu Leibe. So dürfen die Hersteller von Schiffsmotoren seit Anfang 2000 nur noch Aggregate in den Verkehr bringen, die den Anforderungen der neuen Abgasvorschriften genügen. Diese Vorschriften setzen den Grenzwert für den Ausstoß von Stickoxiden um 30 Prozent niedriger an, als in der bis dahin geltenden Richtlinie von 1992.

Seit Mai 2005 sind die Schiffsbetreiber zudem gezwungen, eine Reihe weiterer Umweltauflagen zu erfüllen, die in Schifffahrtskreisen unter dem Kürzel „MARPOL Annex VI“ bekannt sind. Eine davon ist ein Limit für den Schwefelgehalt der Brennstoffe, die in den Schiffsmotoren verheizt werden, in bestimmten „Sulfur Emission Control Areas“ (Schwefelausstoß-Überwachungsgebieten). Dazu gehört die Ostsee, für die seit Mai 2005 die Verwendung von schwefelarmem Kraftstoff vorgeschrieben ist. Auf der Nordsee gilt dieses Gebot erst ab 2007.

Während der Grenzwert für den Schwefelgehalt in Schiffskraftstoff auf den Weltmeeren allgemein 4,5 Prozent beträgt, dürfen Schiffe auf Nord- und Ostsee dann nur noch Öl mit maximal 1,5 Prozent Schwefelgehalt verheizen. In den Häfen der Europäischen Union gilt ein noch deutlich strengerer Grenzwert von 0,2 Prozent. Eine neue EU-Richtlinie setzt diesen Wert ab 2010 auf 0,1 Prozent herab. Doch selbst das wirkt noch großzügig im Vergleich zur Obergrenze für den Schwefelgehalt in Dieselkraftstoff, den Straßenfahrzeuge tanken. Sie liegt in Deutschland bei 50 ppm – das sind fünf Hundertstel Promille oder 0,005 Prozent.

Auf der technischen Seite arbeiten die Schiffsbauer vor allem an einer Optimierung der Dieselmotoren. Denn mehr als 98 Prozent aller Binnen- und Seeschiffe sind mit Dieselaggregaten als Antrieb ausgerüstet. So bieten einige Hersteller seit ein paar Jahren die „Selective Catalytic Reduction“ (SCR) – ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung, das bereits in Kraftwerken und manchen Lkws gebräuchlich ist – auch für Schiffe an. Dabei wird Harnstoff in den Abgasstrom eingespritzt, der an einem Katalysator Stickoxide in harmlosen Stickstoff verwandelt. Eine SCR-Anlage lässt sich nachträglich in einen Schiffsschornstein integrieren – dafür muss der Reeder jedoch bis zu mehrere Hunderttausend Euro investieren. Daneben gibt es Systeme, die den Anteil der Stickoxide im Abgas verringern, indem sie dem Brennraum Wasser zuführen.

MAN B&W Diesel – einer der größten Hersteller von Schiffsmotoren – hat mehrere Technologien dazu entwickelt. Zum Beispiel die Kraftstoff-Wasser-Emulsions-Einspritzung, bei der das Wasser dem Kraftstoff als Emulsion beigemischt wird. Oder den Humid Air Motor: Bei ihm gelangt das Wasser durch Befeuchten der angesaugten Verbrennungsluft in den Motor. Diese Technologie ist auf der Ostseefähre Mariella bereits im Einsatz. Christian Vogel, Leiter Technik Einspritzsysteme bei MAN B&W Diesel, setzt die meisten Hoffnungen jedoch auf die Common-Rail-Einspritzung. In Dieselautos hat diese maßgeblich dazu beigetragen, dass die Fahrzeuge heute einen sauberen und sparsamen Ruf haben.

Bei der Einspritzung per Common-Rail wird der Dieselkraftstoff in einer für alle Zylinder gemeinsamen Zuleitung bei einem konstanten Druck bereit gehalten. Dadurch ist es möglich, den Ablauf der Verbrennung im Motor exakt zu steuern, was den Spritverbrauch deutlich senkt. „Außerdem lässt sich so die Emission umweltschädlicher Abgase reduzieren“, sagt Vogel. Seit dem Jahr 2004 unterzieht er mit seinem Team die Technologie einem umfangreichen Praxistest auf dem Containerschiff Cornelia Maersk. Demnächst soll das Common-Rail-System für Schiffsmotoren in Serie gehen.

Um die Schadstoff-Emissionen wesentlich reduzieren zu können, wäre jedoch ein Umstieg vom Dieselmotor auf einen völlig anderen Antrieb nötig – etwa auf Brennstoffzellen wie in den neuen Bundeswehr-U-Booten U-31 und U-32. Allerdings: Solche Aggregate sind viel teurer als ein Schiffsdiesel gleicher Leistung. Ohnehin würde die Leistung selbst der stärksten bisher verfügbaren Brennstoffzellen-Module nicht ausreichen, um Öltanker oder große Frachtschiffe übers Meer zu befördern. Daher kommt diese Antriebstechnik bisher neben U-Booten allenfalls für kleine Fährschiffe oder Yachten in Frage. Den Prototypen einer ersten Segelyacht mit Brennstoffzellen-Antrieb hat MTU in Friedrichshafen am Bodensee vor drei Jahren vorgestellt – inzwischen ist die Yacht fast reif für die Serienfertigung.

Dass auch unkonventionelle Ideen hier eine Chance haben, zeigt eine Erfindung von Stefan Wrage. Sie sieht aus wie ein überdimensionales Drachensegel. Der Hamburger Wirtschaftsingenieur gründete vor vier Jahren das Unternehmen Skysails – und will mit seiner Erfindung die Handelsschifffahrt revolutionieren. Wrages Idee klingt ebenso einfach wie abenteuerlich: Ein mit Helium gefüllter flacher Ballon von der Größe etwa eines halben Fußballfelds steigt vom Schiff bis zu 500 Meter weit auf. In dieser Höhe kann der Zugdrache einen weitgehend konstanten Wind optimal nutzen, um das Schiff energiesparend übers Meer zu ziehen. Der Drache hält Belastungen bis Windstärke 11 stand und nutzt dabei nicht nur Rückenwind aus, sondern lässt sich auch bis zu 50 Grad gegen die Windrichtung geneigt einsetzen. Die Füllung mit Helium dient dazu, die Windkraft effizient zu nutzen. Das Riesensegel lässt sich ohne komplizierte Aufbauten während der Fahrt vom Schiff aus starten und steigt rasch auf die gewünschte Höhe. Über eine Steuergondel wird es ausgerichtet. Der Windantrieb von Skysails soll einen konventionellen Schiffsmotor von maximal 10 000 Kilowatt Leistung ersetzen können.

Dass das im Prinzip funktioniert, haben Versuche mit einem 15 Meter langen und 18 Tonnen schweren Testschiff gezeigt. Experten halten das System auch auf größeren Schiffen für technisch machbar. Daher verfolgen die Entwickler bei Skysails weiter ihr ehrgeiziges Ziel: Nach Berechnungen der Hamburger Schiffbauversuchsanstalt ließen sich durch den Einsatz der riesigen Drachensegel sowohl die Schadstoff-Emissionen als auch der Kraftstoffverbrauch der weltweiten Handelsflotte um die Hälfte senken. Im Idealfall könnte ein Frachter auf offener See durch das Drachensegel gezogen werden, und Brennstoffzellen würden bei der Einfahrt in den Hafen, beim Durchqueren einer engen Passage oder auf stark befahrenen Routen den Antrieb übernehmen. ■

Lothar Lochmaier

Ohne Titel

• Schiffe stoßen sehr viel Schwefel- und Stickoxide aus – vor allem, weil sie meist minderwertige Schweröle verbrennen.

• Systeme zur Abgasbehandlung können die Emission von Stickoxiden deutlich reduzieren.

• Ein Antrieb mit Brennstoffzellen ist sehr teuer und eignet sich zurzeit nur für Marineschiffe und Yachten.

• Eine Vision für die Zukunft sind riesige, heliumgefüllte Segel, die selbst große Öltanker und Frachtschiffe per Windkraft übers Meer ziehen könnten.

Ohne Titel

Lothar Lochmaier ist freier Wissenschafts- und Technikjournalist mit einem Faible für große Schiffe. Den Beitrag hat er mit bdw-Redakteur Ralf Butscher verfasst.

COMMUNITY INTERNET

Homepage der zur UNO gehörigen International Maritime Organization (IMO):

www.imo.org

Infos zum Herunterladen auf der Homepage der Howaldtswerke Deutsche Werft:

www.hdw.de

Eine Fülle detaillierter Informationen zu Schiffsantrieben auf der Homepage von MAN B&W Diesel:

www.manbw.com/category_00246.html

Vergabekriterien für den Blauen Engel bei Schiffen auf der Homepage der Gesellschaft für Angewandten Umweltschutz und Sicherheit im Seeverkehr:

www.gauss.org/html/forschung.html

Ohne Titel

Der „Blauen Engel“ ziert viele Produkte des Alltags – etwa Computer, Spielzeug oder Papierrollen. Er kennzeichnet Güter, die auf besonders umweltfreundliche Weise hergestellt wurden und die keine oder nur geringe Mengen an umwelt- oder gesundheitsschädlichen Substanzen enthalten. Seit drei Jahren werden in Deutschland auch Schiffe mit diesem Siegel versehen.

Die Anforderungen, die ein Schiff erfüllen muss, um den Blauen Engel tragen zu dürfen, hat die Bremer Gesellschaft für Angewandten Umweltschutz und Sicherheit im Seeverkehr (GAUSS) im Auftrag des Umweltbundesamts erarbeitet. Sie gehen weit über das hinaus, was die International Maritime Organization (IMO) an Umweltauflagen fordert. So muss der Ausstoß an Schwefeldioxid um mindestens 50 Prozent unter dem üblichen Wert liegen und die Emission von Stickoxiden muss den Durchschnittswert um mindestens 20 Prozent unterschreiten. Zudem dürfen die umweltfreundlichen Schiffe nur Kraftstoff mit einem Schwefelgehalt von maximal einem Prozent verheizen – der Grenzwert der IMO liegt bei 4,5 Prozent. Die an Bord entstehenden Abfälle und Abwässer dürfen nicht einfach verbrannt oder entsorgt werden, sondern müssen zuvor von umweltschädlichen Stoffen wie PVC und Sondermüll befreit werden. Ein weiteres Kriterium für die Vergabe des Blauen Engel ist das Vorhandensein von Schutzeinrichtungen gegen ein Lecken des Schiffs sowie ein Notschleppsystem. Das soll verhindern, dass auf See verunglückte und manövrierunfähige Schiffe für die Umwelt – aber auch für die Besatzung – gefährliche Ladung verlieren. Schließlich wird ein Umwelttraining der Schiffsbesatzung gefordert.

Das erste Schiff, das das Umweltsiegel erhielt, war der Frachter MS Cellus, der dem Reeder Rörd Braren aus Kollmar an der Niederelbe gehört. Das Schiff transportiert vor allem Zellstoff für den schwedischen Papierhersteller Södra, der großen Wert auf sein Image als umweltfreundliches Unternehmen legt. Die MS Cellus bekam den Blauen Engel im November 2002. Bis heute sind nur vier weitere Schiffe mit dem Siegel ausgezeichnet worden: MS Bremer Anna, MS Forester und MS Timbus – alle fahren für die Reederei Rörd Braren – sowie das Schadstoff- und Unfallbekämpfungsschiff Arkona des Wasser- und Schifffahrtsamts Stralsund.

Ohne Titel

Selective Catalytic Reduction (SCR)

Für dieses Verfahren zur Abgasnachbehandlung wird ein etwa schrankgroßer Kasten in den Schiffsschornstein eingebaut. Darin befinden sich keramische Platten aus Titandioxid, die als Katalysator dienen. Sie unterstützen die chemische Reaktion von Harnstoff, der in den Abgasstrom eingespritzt wird, mit den Stickoxiden im Abgas. Dabei entsteht Ammoniak, der die Zersetzung der Stickoxide weiter beschleunigt. Am Ende der Reaktionskette bleibt harmloser Stickstoff zurück. Weit über 90 Prozent der Stickoxide lassen sich so aus dem Abgasstrom entfernen.

Common-Rail-Einspritzung

Dabei werden alle Zylinder des Dieselmotors über eine gemeinsame Leitung („Common Rail“) mit Kraftstoff versorgt. Im Unterschied zu herkömmlichen Systemen wird der Einspritzdruck unabhängig von der Motordrehzahl erzeugt. Der Kraftstoff wird mit höherem Druck in die Zylinder eingespritzt. Dadurch entsteht ein feineres Kraftstoff-Luft-Gemisch, das besser verbrennt. Neben einem niedrigeren Verbrauch und einer besseren Laufleistung sind auch die Emissionen wesentlich geringer. So kann die Bildung von Ruß während der Startphase und im Teillastbereich – wenn der Motor nicht auf vollen Touren läuft – deutlich reduziert werden.

Brennstoffzelle

Sie dient als elektrochemischer Energiewandler. In zwei Gasräumen, die durch eine Membran getrennt sind, kommt es zu einer Umkehrung der Elektrolyse: Wasserstoff und Sauerstoff verbinden sich zu Wasser – und liefern dabei elektrische Energie. Der Wasserstoff wird an Bord gespeichert oder über katalytische Reformer zum Beispiel aus Dieselkraftstoff direkt an Bord gewonnen.

Dieselreformer

Eine mögliche künftige Schlüsseltechnologie für die Anwendung der Brennstoffzelle als Schiffsantrieb: Statt Wasserstoff an Bord zu speichern, soll er aus Dieselkraftstoff oder Biodiesel hergestellt werden. Der flüssige Kraftstoff wird dazu in Gas umgewandelt, und der enthaltene Schwefel wird entfernt. Danach erfolgt mit Hilfe von Katalysatoren die „Reformierung“ in ein Gas mit hohem Gehalt an Wasserstoff. In einer Gasreinigung wird dieses Gas aufbereitet, bevor es in der Brennstoffzelle mit Sauerstoff reagiert und elektrischen Strom erzeugt. Beim Reinigen wird Kohlenmonoxid herausgefiltert, das bei der Reformierung des Brennstoffs entsteht und „Gift“ für die Brennstoffzelle wäre.

Anzeige
Anzeige

Videoportal zur deutschen Forschung

Dossiers

Aktueller Buchtipp

Sonderpublikation in Zusammenarbeit  mit der Baden-Württemberg Stiftung
Jetzt ist morgen
Wie Forscher aus dem Südwesten die digitale Zukunft gestalten

Wissenschaftslexikon

Sal|ta|rel|lo  〈m.; –s, –rel|li; seit dem 14. Jh.; Mus.〉 schneller italienischer Springtanz im 3 / 4 … mehr

Haar|tracht  〈f. 20〉 Art der Frisur, von der Mode abhängige Art, das Haar zu tragen

Com|pu|ter|tech|nik  〈[–pju–] f.; –; unz.; IT〉 Technikzweig, der die Entwicklung u. Konstruktion von Computern betrifft

» im Lexikon stöbern
Anzeige
Anzeige
[class^="wpforms-"]
[class^="wpforms-"]
[class^="wpforms-"]
[class^="wpforms-"]
[class^="wpforms-"]
[class^="wpforms-"]