Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V. (SFV)

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25.08.2016, Von Susanne Jung und Rüdiger Haude:

Maritime Klimakiller

Auch der Schiffsverkehr muss „erneuerbar“ werden

Emma Maersk

[1] Das weltgrößte Containerschiff, die Emma Maersk, verursacht auf den Fahrten zwischen China und Europa 300.000 Tonnen CO2 pro Jahr - etwa so viel wie ein mittelgroßes Kohle-Kraftwerk. Foto: Hummelhummel, CC BY-SA 3.0

Gliederung

Schiffsverkehr und Treibhausgase

Der Schiffsverkehr nimmt bei den Analysen zu CO2-Emissionen eine oft unbeachtete, aber dennoch traurige Spitzenposition ein. Durch die weltweite Handelsschifffahrt werden jährlich ca. 1,12 Milliarden Tonnen CO2 ausgestoßen. Das ist fast das Doppelte des Flugverkehrs und entspricht einem Anteil von 4,5 Prozent des globalen Treibhausgas-Ausstoßes (2).

90 Prozent aller großen Schiffe fahren heute mit Schiffsdiesel. Dieser besteht in der Hauptsache aus einer Mischung aus Schweröl, das bei der Raffinierung von Erdöl als Abfallprodukt anfällt, und Dieselöl. Nur bei kleineren Seeschiffen wird das teurere und weniger luftverschmutzende, allerdings ebenso fossile Marinedieselöl genutzt (3).

Neben dem CO2-Ausstoß bei der Verbrennung von Schiffstreibstoffen belasten Schadstoffe wie Schwefeloxide, Stickoxide, Rußpartikel, Feinstaub, Schwermetalle und Asche die Meere, Fließgewässer und Seen folgenschwer. Umweltschützer haben errechnet, dass die 20 größten Schiffe der Welt so viel Schwefeldioxid in die Atmosphäre blasen wie alle Autos auf der Erde zusammen. Bei weltweit mehr als 50.000 Handelsschiffen tragen die ungefilterten Emissionen damit erheblich zur Versauerung der Meere bei. Und die Umweltschäden schreiten mit Industrialisierung immer schneller voran. Küstengebiete, vor allem in Hafenstadtnähe und Nähe industrieller Ballungsgebiete, leiden unter dem Emissionsdruck der fossilen Schifffahrt. Der Lebensraum für Tiere und Pflanzen durch Gewässer-Eutrophierung wird nachhaltig gestört (4).

Im Jahr 2012 warnte die Weltgesundheitsorganisation (WHO) zudem eindringlich vor der gesundheitsschädlichen Wirkung ausgestoßener Rußpartikel, die durch die Verbrennung von Schweröl und Diesel entstehen. Immer mehr Menschen leiden an Asthma, Allergien, Herz-Kreislauf- und Atemwegserkrankungen und Krebs (5).

Handeln notwendig

Die schwerwiegenden Klimagefahren und die Schadstoff-Emissionen gebieten einen schnellen Ausstieg aus der fossilen Schifffahrt. Internationale Übereinkünfte und Verbote wären wichtig, doch liegen den bisherigen Bemühungen oftmals Hindernisse im Weg.

Seit dem 1. Januar 2015 gelten zum Beispiel strenge Vorschriften zum Schwefelgehalt in Schiffsabgasen. Die internationale Seeschifffahrts-Organisation (IMO), eine Sonderorganisation der UN, hat in der Ostsee sowie den Gewässern um Nordeuropa, die USA und Kanada sogenannte „Emission Control Areas“ (ECA) eingerichtet. Auf Schiffen, die in diesen Gewässern unterwegs sind, darf der Schwefelgehalt im Treibstoff nur maximal 0,1% betragen. Schweröl weist einen Schwefelgehalt von ca. 4,5% auf (6).

Im sogenannten Blaubuch zur künftigen Meerespolitik der EU sind Aktionspläne darüber enthalten, welche erforderlichen Maßnahmen für den Schifffahrtssektor (u. a. zur Verringerung der Luftverschmutzung und zum Abwracken) getroffen werden müssten (7).

Die Einhaltung dieser und anderer Umweltschutz-Vorschriften scheitert allerdings am unzureichenden internationalen See- und Schifffahrtsrecht. So dürfen Reedereien ihren „Flaggenstaat“ frei wählen und wandern deshalb „gern“ in solche Länder ab, die nicht in der Lage oder gewillt sind, das internationale Schifffahrtsrecht bei Straftaten konsequent durchzusetzen. Erleichtert wird die Abwanderung auch dadurch, dass Schiffen das Recht auf die Durchfahrt durch das Küstenmeer anderer Staaten prinzipiell nicht verwehrt werden darf. Klima- und Umweltvorschriften laufen demnach häufig leer oder werden nur von wenigen eingehalten.

Ein generelles Verbot zur Nutzung von fossilen Schiffstreibstoffen als globale Lösung zur Reduzierung von Treib-hausgasen wäre dennoch ein wichtiger Impuls. Insofern sollte man weiter im Dialog bleiben. Aus einigen Ländern wie z. B. Deutschland gibt es allerdings schon wichtige Initiativen und technische Ideen für die Energiewende im Schiffverkehr.

Hamburger Appell

Im Jahr 2003 entstand bei einer Veranstaltung des Bundesverbandes Windenergie (BWE) der erste Entwurf für einen „Hamburger Appell Schiff + Klima“, in dem zunächst die moderate Forderung aufgestellt wurde, alternative Schiffsantriebe zu nutzen. 2010 folgte ein konkreterer Vorschlag, der sogenannte zweite Hamburger Appell:

„Klimawandel und Ölvorratsfragen [...] stehen einer Maritimen Industrie gegenüber, welche sich dieser Problematik nicht stellt, weil Reeder ihre Schiffe nicht mehr selbst betreiben, sondern verchartern und damit entstehende Mehrkosten einfach auf den Charterer verlagern. [...] CO2-Emissionshandel ist ein zu träges System, um den Ölverbrauch der Schifffahrt zügig zu mindern. Ergänzend sind ordnungsrechtliche Maßnahmen und Marktanreizprogramme erforderlich. Ein weiteres Argument zum notwendigen Wandel ist die jüngste Studie der Bundeswehr zu Peak Oil: Sicherheitspolitische Implikationen knapper Ressourcen, www.peakoil-hamburg.de
Deutschland sollte die Chance eines First Movers nutzen und die hilfreichen Anfänge einer WINDKRAFT-unterstützten Schifffahrt (SKYSAILS und FLETTNER-ROTOR) deutlich ausbauen. Dabei sind zwei Richtungen zu beachten:

a) Eine erweiterte Nutzung von Erneuerbaren Energien bei Motorbetrieb (LNG, LPG, Solarmethan, Wasserstoff, Biokraftstoffe, diesel-elektrischer Antrieb), ergänzt um Windhilfsantriebe.

b) Die Nutzung moderner Windantriebssysteme als Hauptantrieb für Handelsschiffe.

Mit diesem Appell fordern die Unterzeichner einen “Regierungsbeschluss“, der in den nächsten Jahren den Umbau der deutschen Frachtschiffsflotte in diesem Sinne steuert.“

Unterzeichnet wurde der Appell u.a. von Vertretern des BWE, Greenpeace International, Wissenschaftlern, Vertretern der Wirtschaft und Politik. Die Unterzeichnerliste ist offen und sucht weitere Unterstützer. (8).

Schiffsantriebe mit Erneuerbaren Energien

Die Zukunft der Schifffahrt liegt in elektrischen Antrieben, der direkten Nutzung der Windenergie und dem Einsatz von Treibstoffen wie Methan (Power-to-Gas) oder Methanol (Power-to Liquid), die aus Erneuerbaren Energien gewonnen wurden. Nicht immer müssen Schiffsantriebe angepasst oder Schiffshüllen neu konzipiert werden. Bestehende Antriebstechniken könnten sogar weiter genutzt werden. Außerdem sollten Geschwindigkeitsbeschränkungen, die Verbesserung der maritimen Verkehrskontrollen und ein verbessertes Management bei Verladeoperationen genutzt werden, um Emissionen zu vermeiden. Zu diesen Themen gibt es bereits zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten.

Alternativkraftstoffe

Der Schifffahrt stehen verschiedene Alternativkraftstoffe zur Verfügung, die mit Erneuerbaren Energien hergestellt werden können. Einige Möglichkeiten und Entwicklungen sollen hier beispielhaft vorgestellt werden.

Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) hat in diesem Sommer von sich reden gemacht. Es stellte den erfolgreichen Betrieb der Pilotanlagen das sogenannten P2G®-Konzept vor, bei dem zunächst Wasserstoff aus überschüssigem Ökostrom mittels Elektrolyse hergestellt und dann zusammen mit Kohlendioxid aus der Luft zu Methan umgewandelt wird. Im anschließenden Prozess kann das Methan verflüssigt werden („Liquefied Natural Gas“ (LNG)). Die Forscher des ZSW, die gemeinsam mit dem Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) bereits 2009 die weltweit erste Pilotanlage zur Methanherstellung mit einer Leistung von 25 kW bauten, haben nun mit den neuen Versuchsergebnissen erneut einen Kraftstoff ins Gespräch gebracht, der in der heutigen Schiffsmotortechnik genutzt werden kann. (9)


Auch die EU-Kommission sieht im LNG-Verfahren ein großes Potential. Aber auch Power-to-Gas sollte genutzt werden. In der am 20. Juli 2016 vorgelegten „Europäischen Strategie für Mobilität mit niedrigen Emissionen“ spricht sie sich dafür aus, Methan für Antriebe im Schwerlastbereich wie der Schifffahrt und dem Lastverkehr zu nutzen. (10)

Im Erdgasnetz eingespeist, kann Methan zu Tankstellen transportiert und für gasbetriebene Verkehrsmittel verfügbar werden. Pilotanlagen zur Herstellung von Methan gibt es schon einige:

• Im Energiepark Mainz wurde im Juli 2015 eine Power-to-Gas-Anlage mit einer Leistung von 6 MW in Betrieb genommen, die bis dato als die weltgrößte gilt. Der produzierte Wasserstoff wird entweder in das Gasnetz eingespeist oder direkt an Wasserstofftankstellen ausgeliefert. Das Forschungsprojekt wurde unter anderem vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert. Beteiligt sind die Hochschule RheinMain sowie die Unternehmen Siemens, Linde und die Stadtwerke Mainz.

• Das Unternehmen Enertrag betreibt eine Pilotanlage nördlich von Prenzlau (Brandenburg), die von insgesamt drei Windturbinen mit je zwei Megawatt gespeist wird. Die Leistung des Elektrolyseurs beträgt 500 kW bei etwa 75 % Wirkungsgrad. Seit 2014 wird das „Windgas“ in das Gasnetz eingespeist.

Aber auch Methanol steht als möglicher Energieträger für Brennstoffzellen seit Jahren im Mittelpunkt vieler Forschungs- und Entwicklungsvorhaben - vor allem der Automobilbranche. Methanol hat gute Speichereigenschaften und damit die beste Grundvoraussetzung, als Alternativkraftstoff der Zukunft eine vordere Rolle einzunehmen. Als Ausgangsstoff der Herstellung bietet sich atmosphärisches Kohlendioxid an, das zusammen mit Wasserstoff katalytisch in Methanol umgewandelt wird. Zum Ablauf des Produktionsprozesses müssten allerdings Erneuerbare Energien genutzt werden. (11)

Antrieb durch Windenergie

Die bekannteste und älteste Möglichkeit, Schiffe ganz oder in Teilen durch die Kraft des Windes zu bewegen, findet man bei Segelschiffen. Seit dem Altertum bis zum 19. Jahrhundert waren sie wichtigstes Verkehrsmittel für den Transport von Gütern und Personen über längere Distanzen, bis sie durch Dampf- und Motorschiffe abgelöst wurden. Auch die meisten Kriegsschiffe nutzten den Segelantrieb. Diese in Jahrtausenden ausgereifte Technik ist durch die Entwicklungen in den Materialwissenschaften und in der Steuerungstechnik bis heute weiter optimiert worden, wird jedoch derzeit fast nur für Schul- und Kreuzfahrtschiffe angewendet. Da große Segelschiffe heute von viel kleineren Mannschaften betrieben werden können als vor hundert Jahren, wären sie auch eine wirtschaftliche Alternative. Überdies gibt es heute auch neue, vereinfachte Takelungs-Prinzipien wie „Dynarig“ oder „Indosail“, die bereits erfolgreich betrieben werden, teils auf Frachtschiffen, oder auch bei der „Rainbow Warrior“ von Greenpeace. (1).

Mare Frisium

Norwegischer Dreimastschoner „Mare Frisium“ unter Segeln
Foto: Nordevent GmbH, CC BY-SA 2.0


Für die strömungstechnische Ausnutzung des Windes ist außerdem eine ganze Reihe weiterer technischer Lösungen entwickelt worden. Hierzu gehören z.B. senkrecht oder diagonal stehende Tragflächen bzw. Starrsegel, die den zusätzlichen Vorzug haben, großflächig mit Photovoltaikzellen belegt werden zu können, um zusätzliche regenerative Energie zu generieren. Verschiedene Schiffe dieser Konfiguration befinden sich im Projektstadium. Außerdem denkt man an die Installation von Windkraft-Rotoren an Deck von Schiffen, welche die Energie des Windes in Elektrizität verwandeln, die unter anderem für den Schiffsantrieb verwendet werden kann. Ein solches Schiff kann sogar direkt gegen den Wind gefahren werden. - Einen guten Überblick über die Vielfalt diskutierter Windschiff-Konfigurationen liefert das populärwissenschaftliche „Buch der Synergie“. (13)


Eine weitere, bereits vielfach umgesetzte und erprobte Idee zum alternativen Antrieb von Schiffen steckt in der „Flettner-Rotor-Technik“. Dabei werden rotierende Zylinder der Windströmung ausgesetzt. Mit dem sogenannten „Magnus-Effekt“ entwickelt sich daraus eine Kraft quer zur Anströmung (14)

Rotorschiffe wurden um 1920 entwickelt, konnten sich allerdings - ebenso wie die Segelschiffe - wirtschaftlich gegenüber Dampf- und Dieselmotoren leider nicht behaupten.

Erst Anfang der 80er Jahre brachte der französische Ozeanograph Jacques-Yves Cousteau mit Alcyone erneut ein Schiff mit Flettner-Rotoren auf das Wasser. Das Forschungsschiff ist noch heute unterwegs, wird allerdings zusätzlich noch mit Dieselmotoren angetrieben.

Die E-Ship 1 des Windenergieherstellers ENERCON (Jungfernfahrt 2010) besitzt vier Rotoren-Masten und wird für den nachhaltigen Transport von Windenergieanlagen in aller Welt genutzt. Seit der Indienststellung im Jahr 2010 ist das Frachtschiff fester Bestandteil im Transportkonzept des Anlagenherstellers. Die Flettner-Technik hat sich im kommerziellen Einsatz als wirksam und robust erwiesen. Das Treibstoff-Einsparungspotential beträgt in Abhängigkeit der Wetterbedingungen bis zu 15%. (15)

E-Ship1

E-Ship 1 des Windenergieherstellers ENERCON, hier im Juni 2015 im Hamburger Hafen
Foto: Hummelhummer, CC BY-SA 3.0


Vielversprechend sind auch SkySails, bei denen Zugdrachen den Antrieb von Schiffen unterstützen. Die fliegenden SkySails werden vollautomatisch gestartet und nutzen in Höhen zwischen 100 und 300 m stärkere und stetigere Winde, die dann über ein hochreißfestes Kunststoffseil auf das Schiff übertragen werden. Bei abflauenden Wind wird das Segel wieder vollautomatisch eingeholt.

Die SkySail-Technik wurde vor ca. 15 Jahren von den Hamburger Unternehmern der Firma SkySails GmbH & Co. KG entwickelt und mehrfach ausgezeichnet. Leider unterlag die Firma der schwachen Konjunktur der Schifffahrt und wurde im April diesen Jahres aufgelöst. Den ersten Praxistest bestanden hatte das 132 m lange Motorschiff BBC Skysails im Jahr 2008. Bei Windstärke 5 konnten bis zu fünf Tonnen bewegt werden.

Skysails können Kraftstoffersparnisse von bis zu 20 % erbringen. Sie sind nachrüstbar und man könnte sie also auf fast allen Frachtschiffen (außer Containerschiffen, so die Hersteller), Yachten und Fischtrawlern einsetzen. Heute gibt es mehrere Schiffe, die auf diese interessante Technik zugreifen. (16)


Skysail

Skysail-Technik am Motorschiff „Michael A“ , Foto: SkySails GmbH & Co. KG

Elektroboote

Wie in anderen Verkehrssektoren, wird auch in der Schifffahrt die Elektrisierung der Antriebe eine wachsende Rolle spielen, teils als Ergänzung der bisher genannten windnutzenden Antriebe, teils auch als primäres Antriebssystem. Diese Technik wurde mit dem in Berlin getesteten Fährschiff „Elektra“ bereits 1886 erstmals eingesetzt. (17)


Akkubetriebene Elektroboote hatten seither stets ihre Nische im Bereich der Fährschifffahrt. [17] Eine andere aktuelle Verwendungsoption stellt die Küstenschifffahrt dar, die beim Gütertransport die Straße entlasten kann. (18).


Bei der ozeanischen Seefahrt tritt nach derzeitigem Stand der Technik wieder das Problem der geringen Energiedichte der Batterien auf. Bei solchen Fahrten, die selten Häfen und damit landgebundene Stromversorgungen ansteuern, sind daher zusätzliche Stromgewinnungsanlagen mitzuführen. Hierfür kommt neben dem Wind auch Photovoltaik in Betracht. (19).

Solarboote

Solarboote mit Photovoltaik-Modulen können die Sonnenstrahlung zum Antrieb nutzen. Die Antriebsleistung liegt bei den bisher verwirklichten Typen zumeist im Bereich von einigen hundert Watt bis zu einigen Kilowatt.

Als Puffer dienen Akkumulatoren. Somit bekommen Solarboote zumindest theoretisch – ähnlich einem Segelboot – eine unbegrenzte Reichweite. Im Unterschied zu Segelbooten eignen sich Solarboote allerdings vor allem zum Befahren von Kanälen, Seen und Flüssen.

Die Mehrzahl der Solarboote können zusätzlich über ein Netzladegeräte am Liegeplatz beladen werden. Gibt es zusätzlich einen Wechselrichter, kann die in den Speicher geladene Energie sogar wieder in das öffentliche Netz eingespeist werden.

Bei größeren Strecken auf freien Gewässern oder Meeren werden zusätzlich zum Elektroantrieb Muskelkraft-, Segel- oder Dieselantriebe genutzt. Auch an die Sicherstellung von Heizwärme, Licht und Energie zum Kochen muss gedacht werden.

Viele Solarboote (z.B. Solon, Spree-Shuttle, MobiCat, SolarSchiff, Weserschiffe) werden häufig zur Ankurbelung regionaler Tourismusprojekte genutzt. Aber auch Fähren und luxuriöse Solarjachten erfreuen sich zunehmender Beliebtheit.

Solon-Schiff

Solarschiff Solon in Berlin, Foto: CC BY-SA 3.0


Erwähnenswert ist die Solgenia - der weltweit erste Prototyp eines mit Photovoltaik-Wasserstoff-Hybridtechnologie ausgerüsteten Elektro- bzw. Solarbootes. Es wurde als Forschungsschiff an der Hochschule Konstanz entwickelt und ist seit 2007 auf dem Bodensee unterwegs. Die Kombination aus Photovoltaik und Brennstoffzellen, letztere betrieben mit Wasserstoff, bietet ein breit aufgestelltes Antriebskonzept auf Basis Erneuerbarer Energie.

Mit SolarWave und Tûranor PlanetSolar gingen 2010 gleich zwei Solarboote namhafter Hersteller auf Weltumrundung. Nach mehr als einem Jahr Reisezeit konnte somit auch im maritimen Bereich der Beweis der Praxistauglichkeit der weltweiten solaren Mobilität erbracht werden.(20).

 
 

Quellen

[2] „CO2-Emissionen der Schifffahrt bisher stark unterschätzt“ https://www.greenpeace.de/themen/klimawandel/ursachen-klimawandel/co2-emissionen-der-schifffahrt-bisher-stark-unterschaetzt

[3] https://de.wikipedia.org/wiki/Schiffstreibstoff

[4] „Auf hoher See wird Schweröl erst 2020 verboten“
http://www.abendblatt.de/hamburg/article132962573/Auf-hoher-See-wird-Schweroel-erst-2020-verboten.html

[5] Erkannte Gesundheitsgefahren, https://de.wikipedia.org/wiki/Dieselru%C3%9F

[6] „Schweröl-Verbot treibt Frachtpreise nach oben“
http://www.werbeartikel-verlag.de/2014/10/14/schweroel-verbot-treibt-frachtpreise-nach-oben/

[7] Schifffahrt,http://www.umweltbundesamt.de/themen/wasser/gewaesser/meere/nutzung-belastungen/schifffahrt

[8] 2. Hamburger Appell, http://windschiffe.de/files/hamburger_apell_2010.pdf

[9] https://www.zsw-bw.de/forschung/regenerative-kraftstoffe/themen/power-to-gas.html

[10] http://presseservice.pressrelations.de/pressemitteilung/regeneratives-methan-statt-schweroel-und-schiffsdiesel-605686.html

[11] http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/Themenhefte/th1999/th1999_02_08.pdf

[12] http://windschiffe.de/aktuelles/regenerative-energien/windenergie.htmlhttp://www.wwindea.org/technology/ch05/en/5_6_1.html

[13] „Buch der Synergie“, http://www.buch-der-synergie.de/c_neu_html/c_08_02_01_windenergie_segelschiffe.htm

[14] http://www.deutsches-museum.de/information/jugend-im-museum/erfinderpfad/antriebe/flettner-rotor/

[15] http://www.enercon.de/en/news/news-detail/cc_news/show/News/class-renewal-for-the-e-ship-1/

[16] http://www.skysails.info

[17] https://de.wikipedia.org/wiki/F%C3%A4hrschiff_mit_Elektroantrieb

[18] http://www.welt.de/wirtschaft/article147210438/Wichtigste-Faehre-wird-auf-Batteriebetrieb-umgestellt.html
http://www.handelsblatt.com/technik/das-technologie-update/frage-der-woche/alternative-antriebe-fahren-passagierschiffe-in-zukunft-elektrisch/10760282.html

[19] http://www.zukunft-mobilitaet.net/83173/binnenschifffahrt-seeschifffahrt/schiff-der-zukunft-autonom-elektroantrieb-revolt-dnv-gl/)

[20] https://de.wikipedia.org/wiki/Solarfahrzeug#Solarboote



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