1. Einleitung
Auf der MEPC Konferenz im April 2008 wurden Grenzwerte für die Emissionen von Schiffsmotoren festgelegt. Im[ds_preview] Laufe der Zeit werden die Emissionswerte für Schwefel- und Stickoxide kontinuierlich verringert (Abb. 1, 2). Die technischen Möglichkeiten zu deren Einhaltung wurden in einer ersten Analyse [1] aufgezeigt. In den vergangenen zwei Jahren wurde die Bewertung der Lösungsmöglichkeiten auf Grund von weitergehenden Untersuchungen verfeinert. Da die Akzeptanz nicht nur von ihrer technischen Brillanz, sondern ganz wesentlich auch von den damit verbundenen Kosten abhängt, wurden weitergehende Untersuchungen zu diesem Thema durchgeführt.
2. Vorüberlegungen
In den vergangenen zwei Jahren wurden die Varianten der Basisarbeit um zwei Technologieblöcke erweitert. Dazu gehören neben der zweistufigen Aufladung (TSC) [2] auch der Betrieb mit der Kraftstoffart Gas [3]. Beides hat zunehmend an Bedeutung gewonnen:
• die TSC als wichtiger Beitrag der Motorhersteller (OEM) zur CO2-Minderung und
• die Gasverbrennung als sauberer Brennstoff.
In Abb. 3 sind die spezifischen Emissionen der drei Kraftstoffarten Schweröl (HFO), Diesel und Gas gegenübergestellt. Die HFO-Verbrennung hat starke Nachteile bei NOX, Partikeln (PM) und Schwefeloxiden (SOX). Letztere können mit schwefelarmem Destillatkraftstoff (LSF) deutlich verringert werden. Die CO2-Emission soll in Zukunft über einen Emissionsindex (EEDI) deutlich verringert werden. Hierzu bietet sich scheinbar der Kraftstoff Gas an, der aber Nachteile durch die weniger vollständige Verbrennung in der Kohlenwasserstoff Emission aufweist. Insbesondere die Methan-Emission ist als sehr klimaschädlich bekannt. Die Bewertung der Abgase hinsichtlich ihres Schädigungspotenzials wurde entsprechend [4] für die typischen Komponenten für Diesel- und Gasmotoren durchgeführt. In der Summe ist der Dieselmotor in der IMO III Auslegung dem Gasmotor bei der Treibhausgasemission in etwa ebenbürtig (Abb. 4).
3. CO2-Emission
Vor dem Hintergrund der Diskussion um die globale Erderwärmung stehen auch die Schiffsantriebsanlagen auf dem Prüfstand. Eine Potenzialuntersuchung der verschiedenen Lösungsmöglichkeiten führt zu dem Ergebnis, dass die CO2-Emission bei Dieselmotoren von ca. 600 g/kWh nur in geringem Maße verringert werden kann. Nach jahrelangen Optimierungsarbeiten der OEMs sind nahezu alle Spielräume ausgenutzt. In gewissen Grenzen spielt die Auswahl der Hauptabmessungen eines Motors bei der Emissionsbetrachtung eine Rolle (Abb. 5). Bei vorgegebener Leistung hat ein größerer Motor in der CO2-Bilanz gegenüber einem kleineren Vorteile. Allerdings haben sowohl ein sehr großer als auch ein sehr kleiner Motor Probleme, den Auslegungswert im max. Zünddruck zu realisieren. Ein großer Motor hat verhältnismäßig wenig Mittel- und Ladedruck und kann den max. Zünddruck nur über eine hohe Verdichtung erreichen. Dieses erfordert wiederum einen langen Hub und führt zu teureren Kurbelwellen. Bei kleinen Motoren ist die Situation umgekehrt. Die hohen Mittel- und Ladedrücke erfordern eine niedrige Verdichtung, was sich auf die NOX-Emission negativ auswirkt. Zu diesen thermodynamischen Aspekten kommt noch ein finanzieller: Die spezifischen Herstellungskosten steigen nahezu linear mit dem Bohrungsdurchmesser. Minderungspotenziale von ca. 2 bis 3 % sind über eine Erhöhung des max. Verbrennungsdruckes und / oder dem Einsatz einer TSC-Aufladung realisierbar. Beide Maßnahmen führen allerdings zu Kostensteigerungen beim Motor. Lediglich die Verbrennung von Gas verringert die CO2-Emission um ca. 25 %.
Ein großes Potenzial liegt in der Wahl der Schiffgeschwindigkeit (Abb. 6). Ein auf eine Geschwindigkeit von 20 kn ausgelegter 700-TEU-Container-Feeder kann mit einer 6-MW-Hauptmaschine auf einem 1.000-Seemeilen-Trip die CO2-Emission um 60 % senken, wenn er die Geschwindigkeit auf 16 kn senkt. Eine Erhöhung auf 26 kn würde sie verdoppeln.
Eine Reise mit geringerer Geschwindigkeit erhöht die Fixkosten, mindert aber die Betriebskosten. In einer eingehenden Untersuchung wurden verschiedene Anwendungsfälle untersucht. Für die TCO-Kosten wurde folgende Größen berücksichtigt:
Fixkosten:
• Anschaffungskosten von Motor incl. aller notwendigen Komponenten
• Anschaffungskosten von allen notwenigen Modulen
• Installationskosten durch die Werft
Betriebskosten:
• Medien (Kraftstoff, Öl, Harnstoff …)
• Antriebsenergie für Hilfssysteme
• Wartung und Ersatzteile
• Finanzierungskosten
Für das o.g. Beispielschiff würde das Kostenoptimum bei ca. 14 kn liegen. In der finanziellen Gesamtbeurteilung verschlechtert eine niedrige Umlaufgeschwindigkeit des Schiffes die Einnahmeseite: ein langsames Schiff transportiert in einem bestimmten Zeitintervall weniger Container und bringt somit weniger Ertrag ein. Die Lage des Kostenoptimums hängt ganz wesentlich von folgenden Parametern ab:
• den Kraftstoffpreisen,
• dem Frachterlös, hier angenommen als prozentualer Aufschlag auf die TCO-Kosten für eine Reise mit 20 kn und
• der Länge der Transportstrecke, auf der mit maximaler Geschwindigkeit gefahren werden kann (Case 1–4, Abb. 7).
Je nach Randbedingung liegt die ideale Reisegeschwindigkeit im Bereich zwischen 15 und 20 Knoten. In speziellen Zeiten wie in den Jahren 2007/2008, machte es sogar ökonomisch Sinn, Schiffe mit sehr hohen Geschwindigkeiten zu betreiben (Case 5, Abb. 7). Für die Zukunft ist aber wohl zu erwarten, dass der Gesetzgeber – in diesem Falle die IMO – die Grenzwerte für die CO2-Emission (EEDI) im Laufe der Zeit immer weiter verschärft und die Schiffsgeschwindigkeiten wieder sinken werden. Für den Motorhersteller bedeutet dies, dass die benötigte Motorleistung geringer wird.
4. NOX-Emission
Entsprechend der zukünftigen Abgasgesetzgebung wurden von Caterpillar Motoren Zielwerte für die Entwicklung zukünftiger Motoren definiert (Abb. 7). Um den Grenzwert für die ECA-Gebiete ab 2016 einzuhalten, wurde der NOX-Zielwert auf 2 g/kWh festgelegt. Dieses soll ohne Wirkungsgagradeinbuße und mit unsichtbarer Ruß-Emission erfolgen.
4.1. Technische Konzepte
Mehrere Untersuchungen an verschiedenen Motoren haben gezeigt, dass es für inner-motorische Maßnahmen (Miller-Prozess, Verdichtungsverhältnis …) eine sinnvolle Grenze gibt, die etwa bei einem NOX-Wert von etwa 7 g/kWh liegt [5] (Abb. 8). Niedrigere Werte können nur mit Nachteilen im Wirkungsgrad erreicht werden. Lediglich das Potenzial der heute noch nicht serienmäßig eingesetzten zweistufigen Aufladung (TSC) erlaubt es, bis in den Bereich von etwa 6 g/kWh vorzudringen [6].
Zu Beginn des Auswahlprozesses wurde das Reduktionspotential zusätzlicher Maßnahmen bewertet, indem sie mit verschiedenen Bauvarianten des Motors M 43 C kombiniert wurden (Abb. 9). Als Motorversionen wurden der zukünftige IMO-II-Motor, eine davon abgeleitete Version mit noch niedrigerer NOX-Emission und die Ergänzung durch eine TSC-Aufladung gewählt. Es wurde deutlich, dass alle Verfahren, die Wasser einsetzen, in ihrem Reduktionspotenzial nicht ausreichen. Lediglich das sehr bauaufwändige HAM-Verfahren genügt den Anforderungen. Abgasrückführung und der SCR-Katalysator haben genug Potenzial, das NOX-Ziel zu erreichen.
Die Abgasrückführung ist im Fahrzeugbereich seit Jahren Stand der Technik. Während bei kleinen Motoren das Niederdruckverfahren (LP EGR) eingesetzt wird, wird bei Großmotoren vermutlich das Hochdruckverfahren (HP EGR) zum Zuge kommen (Abb. 10). Es bietet die Möglichkeit, ohne größere Verluste höhere Abgasmassen rezirkulieren zu lassen. Bei Volllast ist bei TSC-Aufladung ein Druckgefälle von etwa 2 bar zwischen Ein- und Auslassseite zu überwinden. Hierzu wird sinnvollerweise ein Turbolader als Abgasverdichter eingesetzt. Der EGR-Betrieb erfolgt im Emissionskontrollgebiet nur mit dem sauberen Kraftstoff LSF.
Die LP EGR wird nur unter Kostengesichtspunkten interessant, wenn sie in Verbindung mit einem Abgaswäscher eingesetzt wird. Damit kann der billige Kraftstoff HFO verwendet werden. Die Wirkungsgradnachteile durch die Drosselung werden bei weitem durch den geringeren Preis vom Schweröl (HFO) aufgewogen. Die Korrosions- und Verschmutzungsgefahr dieser Lösung ist aber gegenüber der HP EGR deutlich größer, da die Betriebssicherheit des Motors direkt von der Funktion und Qualität des Wäschers abhängt. Caterpillar hat sich aus diesem Grund für die HP EGR entschieden. Das komplette EGR-Modul kann im Krisenfall einfach abgeschaltet werden und der Motor ist – zwar mit höheren Emissionen – mit voller Leistung weiter betreibbar.
Ein weiteres probates Mittel zur NOX-Minderung ist der SCR-Katalysator. Bei einstufiger Aufladung kann er direkt hinter der Turbine des Turboladers angeordnet werden. Soll aus Wirkungsgradgründen zweistufig aufgeladen werden, ist er zwischen den Turbinen anzuordnen (Abb. 11). Die Abgastemperatur ist – bedingt durch den hohen Aufladewirkungsgrad – mit ca. 250 °C zu kalt, um die notwendigen chemischen Reaktionen ablaufen zu lassen. Vom Designaspekt ist die Anordnung direkt auf dem Motor als kritisch anzusehen. Die Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage hängt ganz wesentlich vom Preisverhältnis Kraftstoff / Harnstoff ab [1]. Je nach Kostensituation ergeben sich unterschiedliche Optima, die für den Betreiber attraktiv sind. Der Aufwand dafür ist für den Motorhersteller (OEM) und die Zertifizierungsbehörde jedoch hoch.
Als letztes soll auf den Kraftstoff Gas eingegangen werden. Hier erfreut sich insbesondere der Dual Fuel-(DF)-Motor steigender Sympathien, da er sowohl Gas mit extrem gutem Wirkungsgrad als auch im Notfall Diesel mit deutlich schlechterem Wirkungsgrad verbrennen kann (Abb. 12). Die Zulassung als Schiffsmotor wurde bereits bei LNG-Tankern erfolgreich durchgeführt und ist für Fracht- und Passagierschiffe kurzfristig zu erwarten. Vor dem Hintergrund einer sich entwickelnden Infrastruktur in der weltweiten Gasversorgung kommt dem DF-Motor eine zunehmende Bedeutung zu. Sollte die Versorgung erst einmal erreicht sein, so stellt sich außerdem noch die Frage, ob nicht auch ein Ottogasmotor ausreichend ist und die Investitionskosten der HFO-Aufbereitung damit vermieden werden können.
Ein systemimmanenter Nachteil der Gasverbrennung liegt in der unvollständigen Verbrennung, bei der unverbrannte Bestandteile (Methanschlupf) den Auspuff verlassen, die sehr hohes Gefährdungspotential beim »Global Warming« aufweisen. Hier kann ein Oxidationskatalysator helfen, der allerdings für den maritimen Einsatz auf Großmotoren noch entwickelt werden muss. Erschwerend sind die niedrigen Gastemperaturen von ca. 350 °C, die deutlich unter den Mindestanforderungen für Oxidationskatalysatoren von 500 °C liegen.
4.2. Kosten
An dieser Stelle sollen die ReNOX-Maßnahmen hinsichtlich ihres Einflusses auf die Gesamtkosten (TCO) untersucht werden. Dazu wurde folgendes Kostenmodell entwickelt.
Die Investitionskosten berücksichtigen:
• die Anschaffung des Basismotors entsprechend der geforderten Leistung
• den Aufwand für Zusatzkomponenten (CCR, TSC, SCR, Gas …)
• den Einbau von Modulen in das Schiff (Harnstoff, Gas, Kontrollsysteme …)
Die Betriebskosten beinhalten:
• den Verbrauch notwendiger Medien (Kraftstoff, Schmieröl, Harnstoff, Gas …)
• den Bedarf an Zusatzenergien (Pumpen, Aufbereitung …)
• die Reparatur und Wartungskosten (Motor und Anlage)
• die Finanzierungskosten (Abschreibung und Zinsen)
Für alle Varianten werden nur die Änderungen gegenüber dem heutigen Basiszustand (IMO I) berücksichtigt. Ein wesentlicher Kostenfaktor ist der ab 2015 einzusetzende Kraftstoff. Da der Schwefelgehalt ab diesem Zeitpunkt 0,1 % in den ECA-Gebieten nicht überschreiten darf, kommt in erster Linie schwefelarmer Destillatkraftstoff (LSF) zum Einsatz. Auf der anderen Seite ist der Betrieb von Abgaswäschern, die die SOX-Emission auf das Niveau von LSF reduzieren, grundsätzlich erlaubt. Allerdings sind die Fragen der weltweiten Verfügbarkeit solcher Anlagen sowie der Umgang mit den abgeschiedenen Reststoffen noch nicht hinreichend geklärt.
Wesentlich überschaubarer ist die Technik des Gasbetriebes. Solche Motoren laufen seit Jahrzehnten im Kraftwerkseinsatz. Einige Sonderanforderungen aus maritimen Randbedingungen müssen noch geklärt werden, sind aber grundsätzlich lösbar. Wesentlich unklarer ist die weltweite Verfügbarkeit des Kraftstoffes Gas sowie die Handhabung bei der Bunkerung von Gas in den Häfen. Da Gas als saubere Energiequelle politisch gewünscht wird, ist damit zu rechnen, dass in die Versorgung investiert wird. Die offene Frage ist hier, wann die Versorgung in den ECA-Gebieten gewährleistet und ob die Akzeptanz durch die Kunden groß genug ist.
Der Preis der eingesetzten Medien: MDO, HFO, LSF, Gas, Harnstoff hat einen großen Einfluss auf die Betriebskostenkalkulation. Für LSF, Gas und Harnstoff existiert heute kein richtiger Marktpreis, da die Medien nicht in großen Mengen auf dem Weltmarkt angeboten und gehandelt werden. Bei den Mineralölkraftstoffen ist trotz großer Schwankungen ein kontinuierlicher Trend zu steigenden Preisen erkennbar (Abb. 13). Der prozentuale Unterschied zwischen MDO und HFO hat sich in den letzten sieben Jahren stark verringert. Während das Preisverhältnis 2003 noch etwa 2,2 betrug, ist es heute auf etwa 1,5 gefallen, d. h. die relativen Mehrkosten für sauberen Kraftstoff haben sich verringert.
In den letzten Jahren ist dem Kraftstoff Gas zunehmend mehr Aufmerksamkeit geschenkt worden. Dies hat in erster Linie ökologische Gründe (Abb. 3). Dazu kommt aus der Sicht des Betreibers das Interesse an einem möglichst niedrigen Kraftstoffpreis. Bezogen auf seinen Energiegehalt (€/MJ) ist Gas ein sehr billiger Treibstoff, der lange Jahre auf dem Niveau vom HFO lag und sich seit zwei Jahren noch unter das Preisniveau von HFO bewegt hat (Abb. 14).
Für zukünftige Entwicklungsaktivitäten würden sich die OEMs Planungssicherheit auf diesem Gebiet wünschen. Leider ist dies nicht möglich. Eine Verlängerung des Trends (Abb. 13) auf das Jahr 2016 würde in etwa eine Verdopplung für den Mineralölkraftstoff bedeuten. Wo sich zu dieser Zeit die Preise von Gas und Harnstoff befinden werden, ist rein spekulativ. Aus diesem Grunde basiert die Kostenkalkulation auf heutigen Preisen:
• HFO zu 350 €/t
• MDO (LSF) zu 600 €/t
• Gas zu 350 €/t
• Harnstoff zu 300 €/t
Um den Bedarf an Zusatzmaßnahmen möglichst gering zu halten, versuchen die OEMs in einem ersten Schritt immer, die Rohemission des Motors so weit wie möglich zu senken. Dazu ist eine geeignete Auslegung der Basisdaten eines Motors von großer Bedeutung. Ein großes Hubverhältnis (langer Hub) bietet beste Voraussetzungen, um die NOX- und Ruß-Emission gering zu halten. Ein hohes Verdichtungsverhältnis in Verbindung mit einem starken Miller-Prozess senkt die NOX-Emission in die Größe von ca. 6 g/kWh. Der Einsatz einer TSC-Aufladung ermöglicht, dass diese verbrauchsneutral erfolgen kann. Common Rail-Einspritzsysteme mindern die Ruß-Emission zuverlässig in den unsichtbaren Bereich. Ein variabler Ventiltrieb, der bei Teillast den Miller-Prozess ausschaltet, verbessert das Lastaufnahmeverhalten des Motors. All diese Maßnahmen bringen neben technischen Verbesserungen im Motorbetrieb und im Emissionsverhalten aber auch einen Kostenanstieg mit sich. Um die kundenspezifischen Anforderungen zum optimalen Preis-/Leistungsverhältnis anbieten zu können, wird es für den OEM erforderlich, die einzelnen Module unabhängig voneinander und beliebig kombinieren zu können.
Die neue Emissionsgesetzgebung der IMO unterscheidet zwischen dem Betrieb innerhalb und außerhalb der ECA-Gebiete. Damit ergeben sich für jeden Betreiber unterschiedliche Szenarien, die vom Operationsgebiet und deren Verweildauer darin abhängen. Für eine vereinfachte Bearbeitung wurden folgende Fälle betrachtet:
• Betrieb nur innerhalb der ECA-Gebiete mit dem dafür erlaubten Kraftstoff
• Betrieb nur außerhalb der ECA-Gebiete mit dem billigsten Kraftstoff
Zu Grunde gelegt wurde ein Schiffsantrieb mit einer Leistung von 6 MW und einer Betriebszeit von 6.000 h/Jahr. Bei der Bestimmung der TCO-Kosten wurde zwischen Fixkosten (IC) und Betriebskosten / Jahr (OC) unterschieden und beide Fahrtgebiete separat betrachtet. Bei einem emissionskonformen Betrieb ab 2016 gibt es für den Betreiber gegenüber dem heutigen Zustand einen deutlichen Kostensprung. Dabei sind die Mehrkosten auf der Investitionsseite noch moderat und durch die notwendige Integration von höherwertigen Technologiebausteinen am Motor (CCR, FCT, TSC, EGR) und von Zusatzaufwendungen der Werft durch die Installation von notwendigen Komponenten (SCR, HFO, Gas) geprägt (Fig. 15). Auf der Betriebskostenseite wirkt sich bei den Dieselvarianten der erforderliche Wechsel auf LSF als extrem kostensteigernd aus (Fig. 16). Die übrigen Parameter wie der Wirkungsgrad des Motors sowie der Verbrauch und die Aufbereitung der Betriebsmedien spielen eine untergeordnete Rolle.
In den ECA Gebieten haben Gasmotoren deutliche Vorteile, da sie zwar zu Beginn sehr hohe Investitionskosten aufweisen, sich aber durch sehr niedrige Betriebskosten recht schnell amortisieren. Grundsätzlich ist die heutige Fokussierung auf die Anschaffungskosten in der Projektphase von Schiffsneubauten unverständlich, da ein Motor in weniger als einem Jahr Brennstoffkosten erzeugt, die seinen Anschaffungskosten entsprechen. Wirkungsgradsteigerungen von 2 %, die mit einer 10 %-igen Kostenerhöhung des Motors verbunden sind, rentieren sich schon nach 2,5 Jahren [1].
Betrachtet man Anschaffungs- und Betriebkosten der unterschiedlichen Lösungsmöglichkeiten, in den ECA Gebieten, so liegen alle Varianten mit Dieselmotoren bei niedrigen Anschaffungs- und hohen Betriebskosten. Sobald die Infrastruktur der Gasversorgung etabliert ist, sind sie auf lange Sicht gegenüber den Gasvarianten, die zwar hohe Anschaffungs- aber niedrigen Betriebskosten aufweisen, deutlich unterlegen (Fig. 17). Die einzige Möglichkeit, hier eine Verbesserung zu erzielen, ist der Betrieb mit HFO in den ECA Gebieten. Hierzu müsste dann allerdings Abgaswäscher zum Einsatz kommen, der die Anschaffungskosten etwas erhöht, sich aber nach kurzer Zeit über geringe Betriebskosten rentiert.
Ein völlig anderes Bild ergibt sich beim Betrieb außerhalb der ECA-Gebiete. Die Technologien für den Betrieb innerhalb der ECAs sind an Bord zwar vorhanden, aber außer Betrieb gesetzt. Für diesen Anwendungsfall sind die Gasmotoren den Dieselmotoren unterlegen (Abb. 17). Es wurde angenommen, dass der DF-Motor auf den langen Strecken ebenfalls mit HFO fährt. Damit hat er sowohl die hohen Kosten für die Gasanlage als auch die hohen Betriebskosten durch den schlechten Wirkungsgrad im Dieselbetrieb. Auch die Gesamtschau spiegelt das ungünstige Verhältnis in Abb. 18 wider.
In der Summe aller finanziellen Aspekte lassen sich folgende Aussagen treffen:
• Der Einsatz von LSF ermöglicht Lösungen, die bisher auf Grund des Einsatzes von HFO unmöglich waren.
• Mit ihrem Einsatz stellt sich ein starker Anstieg der Betriebskosten ein.
• Die dafür notwendigen Investitionen halten sich in einem akzeptablen Rahmen.
• Der einzige Weg, den Dieselmotor zu entlasten, ist der Einsatz von HFO im ECA-Gebiet, wozu ein funktionsfähiger Abgasreiniger inkl. Entsorgungsstrategie gehört.
• Eine wirtschaftliche Alternative stellt der Kraftstoff Gas dar.
• Die Investitionskosten der Anlage sind hoch.
• Die Betriebskosten bewegen sich aber auf dem heutigen Niveau, so dass eine kurze Amortisationszeit zu erwarten ist.
• Eine kostengünstige Alternative zum DF Motor ist der reine Gasmotor, bei dem auf die Installation einer Schwerölanlage verzichtet werden kann.
5. Zusammenfassung
Die Anforderungen der CO2-Emissionsminderung können durch den Motorhersteller alleine nicht erfüllt werden. Die Schiffsgeschwindigkeit ist hier die Haupteinflussgröße. Trotzdem wird auch der Motor seinen Beitrag leisten müssen. Hierzu bieten sich die zweistufige Aufladung und ein höherer Zylinderspitzendruck an. Durch diese Maßnahmen, die beide die Investitionskosten des Motors erhöhen, ist ein Minderungspotenzial von max. 5 % darstellbar.
Zur Erfüllung der NOX/SOX-Anforderungen der IMO für 2016 gibt es aus heutiger Sicht mehrere Lösungsmöglichkeiten. Dabei haben es die Varianten mit dem flüssigen Kraftstoff LSF deutlich schwerer in der TCO-Kostenbewertung als die Varianten, die Gas einsetzen. Ihre hohen Anschaffungskosten rentieren sich nach sehr kurzer Zeit. Die zentralen Fragen diesbezüglich sind:
• Ist die Abgaswäschertechnologie inkl. Entsorgung bis 2016 hin etablierbar?
• Wie entwickeln sich die Infrastruktur und der Marktpreis für die Gastechnologie?
Dr. Udo Schlemmer-Kelling
