Schifffahrt: Ammoniak für Schiffsmotoren – hilft das dem Klimaschutz?

An der Klimakrise hat der Schiffsverkehr einen vergleichsweise großen Anteil. Anders als beim Auto wären Elektromotoren für Ozeanriesen keine Alternative. Ein möglicher Ersatzstoff ist ein Gas, für das es schon riesige Produktionsstätten gibt

Die Schifffahrt hat einen erheblichen Anteil an den weltweiten CO2-Emissionen – der Kampf gegen die Klimakrise muss daher auch beim Transport auf See ansetzen. Noch immer fährt ein Großteil der Hochsee-, Küsten- und Binnenschiffe mit Schweröl und Diesel, viele sogar ohne Abgasbehandlung. Der Schiffsverkehr verursacht so derzeit etwa 2,5 Prozent des weltweiten Treibhausgas-Ausstoßes. Doch anders als bei Autos lassen sich die großen Schiffsmotoren in der Regel nicht durch Elektromotoren ersetzen. Als klimafreundliche Ersatzkraftstoffe werden derzeit angesehen: Wasserstoff, Methanol – und Ammoniak (NH3).

Ammoniak ist ein stechend riechendes und giftiges Gas. Seine großtechnische Erzeugung mit Stickstoff (N2) aus der Luft und Wasserstoff (H2) ist bereits ausgereift, da es ein wichtiger Ausgangsstoff für die Produktion von Düngemitteln ist. Die chemische Verbindung besteht aus einem Stickstoffatom und drei Wasserstoffatomen – und Wasserstoff ist ein klimaneutraler Brennstoff. Reiner Wasserstoff hat allerdings den Nachteil, dass er bei der Lagerung einen großen Platzbedarf hat oder dieser Bedarf energieaufwendig verringert werden muss. Das Gas wird entweder bei minus 253 Grad verflüssigt oder bei einem Druck von bis zu 700 bar – dem etwa 700-Fachen des Luftdrucks – gespeichert.

„Ammoniak begnügt sich als Flüssigkeit mit moderaten minus 33 Grad Celsius bei Normaldruck und 20 Grad Celsius bei 9 bar“, erläutert Gunther Kolb vom Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme (IMM). Lagerung und den Transport dieses Energieträgers seien daher deutlich unkomplizierter. Man könnte auch sagen: Ammoniak vereinfacht die Lagerung von Wasserstoff.

Heizen

Doch durch das eine Stickstoffatom hat die Substanz auch Tücken: Beim unvollständigen Verbrennen von Ammoniak kann Lachgas (N2O) entstehen, ein starkes Treibhausgas. Ein Kilogramm Lachgas trägt 265 Mal so stark zum Treibhauseffekt bei wie ein Kilogramm Kohlendioxid. Noch gibt es keine modernen Ammoniakmotoren, deshalb ist die Menge an ausgestoßenem Lachgas bei ihrem Betrieb nicht bekannt.

Ingenieure wie Bastian Lehrheuer vom Fuel Science Center der RWTH Aachen sind zuversichtlich, dass das Lachgas mit einem entsprechenden Abgas-Nachbehandlungssystem gut in den Griff zu bekommen ist. Einer der größten Produzenten von Schiffsmotoren, der MAN-Konzern, forsche intensiv an Ammoniaktechnologien. Auch der deutsch-finnische Hersteller Wärtsilä hat ein Demonstrationsprojekt zu Ammoniakmotoren angekündigt.

Lehrheuer geht davon aus, dass Motoren mit einer Eignung für zwei Kraftstoffe, etwa Methanol und LPG (Liquified Petroleum Gas/Autogas), recht einfach auf Ammoniak umgerüstet werden können. Ammoniak kann indessen nicht nur in Motoren verbrannt, sondern auch für eine Brennstoffzelle genutzt werden. Dafür wird in einem Spaltreaktor oder Cracker der Wasserstoff vom Ammoniak weitgehend abgetrennt und gereinigt. Reiner Stickstoff entweicht in die Luft oder wird zusammen mit dem Wasserstoff in die Brennstoffzelle gegeben. Bei optimaler Reaktionsführung entstehen keine klimaschädlichen Stickoxide (zu denen auch das Lachgas zählt).

Energiegehalt von Ammoniak nur etwa halb so groß wie bei Diesel

Michael Steffen vom Zentrum für Brennstoffzellentechnik in Duisburg sieht die Brennstoffzelle als ausgereifte Technologie an. Er verweist auf ihren Einsatz in kommerziellen Serienfahrzeugen wie dem Hyundai Nexo und dem Toyota Mirai. Allerdings seien Brennstoffzellen und die verbundenen Elektromotoren nicht so einfach an den Leistungsbedarf großer Schiffe anzupassen. Dennoch: „Rein technisch gesehen können Ammoniak und die Brennstoffzellentechnik von der Yacht bis zum Ozeanriesen eingesetzt werden“, ist Steffen überzeugt.

Wie Steffen geht auch Martin Cames vom Öko-Institut in Berlin davon aus, dass Ammoniak als Kraftstoff für Schiffe zuerst in Verbrennungsmotoren verwendet wird, erst später in Brennstoffzellen. Als Erstautor einer Studie zum Thema plädiert er für technische Maßnahmen, die das Umweltrisiko von Ammoniak so gering wie möglich halten: Von seiner tödlichen Wirkung auf Meereslebewesen her, etwa im Fall einer Havarie, sei Ammoniak ähnlich gefährlich wie Schweröl; allerdings verflüchtige es sich schneller als Öl.

Auch die Lachgasemissionen hat Cames im Blick. Sein Fazit lautet: „Ammoniak ist ein Kandidat für einen zukünftigen Schiffskraftstoff, da er ein kohlenstofffreier postfossiler Kraftstoff ist.“ Er sei wahrscheinlich billiger als andere postfossile Kraftstoffe. Weil Lecks in Tanks die Menschen an Bord gefährden könnten, sei sein Einsatz bei Passagierschiffen allerdings fraglich.

Cames sieht ebenso wie Bastian Lehrheuer Methanol als mögliche Alternative zu Ammoniak an, weil es nicht so umweltgefährlich sei. Ob Ammoniak oder Methanol – in beiden Fällen werden größere Tanks benötigt, wenn die Schiffe mit einer Kraftstoffladung so weit fahren sollen wie bisher. Denn der Energiegehalt beider Substanzen sei nur etwa halb so groß wie bei Diesel, hebt Lehrheuer hervor.

„Entscheidend ist, wie nachhaltig der Wasserstoff produziert wird.“

Klimafreundlich ist Ammoniak zudem nur, wenn es auch klimaneutral hergestellt wird. Das ist beim traditionellen Haber-Bosch-Verfahren, das sehr viel Energie benötigt, nicht der Fall. Allein dieser Industrieprozess sorgt für 1,1 Prozent des weltweiten Treibhausgas-Ausstoßes. Deshalb konzentrieren sich manche Forscher auf andere Wege der Ammoniakerzeugung. „Dabei ist entscheidend für die Umweltfreundlichkeit, wie nachhaltig der Wasserstoff produziert wird“, sagt Ralf Peters vom Forschungszentrum Jülich. Dies werde künftig an Standorten geschehen, an denen große Mengen an Strom aus Solar- und Windkraft zur Verfügung stehen, etwa in Australien und Chile.

Auch erste konkrete Projekte gibt es: Zum Beispiel Ammoniakantriebe für eine Sportyacht, eine kleine Binnenfähre und ein Kreuzfahrtschiff, die das Forschungsprojekt Campfire entwickelt, oder auch die Umrüstung eines Versorgungsschiffs eines norwegischen Energiekonzerns.