Der Wettlauf um den wirtschaftlichsten Schiffsantrieb mit Erdgas

Nachdem mit Beginn dieses Jahres für Schiffsneubauten die Emissionsgrenzwerte gemäß IMO Stufe 2 in Kraft getreten sind, konzentrieren sich die Bemühungen der Motorenhersteller auf die Realisierung technischer Lösungen, mit denen auch die weitaus schärferen Grenzwerte der Stufe 3 in den küstennahen Bereichen ab 2016 eingehalten werden können. Zweifellos werden Motoren am Markt bleiben, bei denen nur mit einer Abgasnachbehandlung die künftigen Emissionsgrenzwerte eingehalten werden können, doch richtet sich die Entwicklung maßgeblicher Motorenhersteller nun eindeutig auf den Betrieb der Motoren in den ECAs mit Flüssigerdgas.

Die einfache Formel, dass Umweltschutz nicht zum Nulltarif zu haben ist, ist so wenig neu wie die Erkenntnis, dass sie[ds_preview] auch in Schiffbau und Schifffahrt gilt. Um so verwunderlicher ist die Feststellung, dass für keinen Bereich der Schifffahrt, gleichgültig ob Binnen- oder Seeschifffahrt, plausible ganzheitliche Konzepte für regionale und überregionale Maßnahmen vorliegen. Zwar gibt es inzwischen technische Lösungen, mit denen die ab 2016 in den ECAs geltenden Grenzwerte eingehalten werden können, doch haben bislang, außer den USA, Kanada und Frankreich, das sich für seine vor der amerikanischen Küste liegenden Inseln dem Antrag anschloss, keine Staaten einen Antrag bei der IMO auf die Einrichtung einer ECA gestellt. Rund um den nord­amerikanischen Kontinent gilt, wie schon berichtet, seit dem 1. August 2010 im Abstand bis zu 200 sm eine Begrenzung für den Schwefelgehalt des Kraftstoffs von 1 % gegenüber global zulässigen 4,5 %.

Allein dafür müssen die Kraftstoffsysteme aller Schiffsmotoren umgebaut werden, die normalerweise nur im Schwerölbetrieb arbeiten, denn ohne weitere Maßnahmen – nur ein Ventil schließen und ein anderes öffnen – ist es damit nicht getan. Um das mit der Umschaltung von vorgeheiztem Schweröl auf kaltes Gasöl und umgekehrt verbundene Risiko auszuschließen, müssen geeignete Maßnahmen getroffen werden, um zum Beispiel Schäden an den Kraftstoffpumpen zu vermeiden. MAN Diesel & Turbo liefert dafür den »Diesel Schalter«, der nicht nur für Neubauten eine geeignete Maßnahme ist, sondern auch problemlos nachgerüstet werden kann. Das Gerät dokumentiert jeden Umschaltvorgang zum Nachweis gegenüber den Hafenbehörden.

Die Aktivitäten der Motorenhersteller – eine Bestandsaufnahme

Bei MAN Diesel & Turbo stehen gegenwärtig mittelschnelllaufende Viertakt-Wechselmotoren in Reihen- und V-Bauweise mit Leistungen zwischen 5.850 und 18.000 kW bei Drehzahlen zwischen 500 und 514 min-1 im Programm, die in den ECAs mit Erdgas gefahren werden können. Darüber hinaus bietet das Unternehmen seit einigen Jahren seine Zweitaktmotoren in der Version ME-B9 bzw. C8 mit der Hochdruck-Gaseinspritzung und dem Zusatz »GI« (für gas injection) an. Nach letztem aktuellem Stand betrifft das Motoren mit Bohrungen von 350, 600, 650 und 700 mm und Leistungen zwischen 2.975 und 26.160 kW bei Drehzahlen zwischen 77 und 167 min-1.

Wie an dieser Stelle bereits berichtet, haben bei MAN Diesel & Turbo im Kopenhagener Entwicklungszentrum inzwischen die Versuche begonnen, den Gasbetrieb der Motoren zu optimieren (vgl. HANSA 1/2011, Seite 26ff.). Im Wesentlichen geht es um die Erprobung des von Daewoo entwickelten Hochdruck-Flüssigerdgas-Systems und dessen Gasversorgung eines Vollmotors.

Wärtsilä hat 2009 mit der Vorstellung der neuen Wechselmotoren (dual-fuel) der Baureihe 20 DF zunächst sein Gasmotorenprogramm optimal nach unten abgerundet. Es umfasst zurzeit drei Baureihen mittelschnell- bis schnelllaufender Motoren in Reihen- und V-Bauweise mit Leistungen von 876 bis 17.550 kW bei Drehzahlen zwischen 500 und 1.200 min-1. Im Gasbetrieb arbeiten diese Motoren im Ottoverfahren mit Magergemischaufladung und Zündung mittels Einspritzung einer kleinen Menge Dieselkraftstoff, die etwa einem Prozent des Volllastverbrauchs entspricht.

Neue Aktivitäten entwickelt Wärtsilä nun auf dem Gebiet der Zweitaktmotoren und greift dabei auf die Erfahrungen mit Gasmotoren von Sulzer aus den 1970er Jahren zurück. Sulzer hatte 1973 den LNG-Tanker »Venator« mit einem langsamlaufenden Zweitakt-Wechselmotor mit einer Leistung von knapp 15.000 kW ausgerüstet (vgl. HANSA Supplement 125 Jahre Motorschifffahrt, Seite 37). Die Entwicklung war vor knapp 40 Jahren zweifellos ihrer Zeit voraus und blieb folglich ohne Nachwirkung. Nun beabsichtigt Wärtsilä, in Triest mit Versuchen zur Entwicklung von langsamlaufenden Gasmotoren für den Schiffsantrieb zu beginnen. Wie es heißt, will das Unternehmen »seine führende Stellung bei der Gasmotorentechnik stärken« und damit »seine Wettbewerbsfähigkeit auf dem globalen maritimen Markt«. Zum Leistungsbereich hat sich das Unternehmen noch nicht geäußert, sondern lediglich darauf verwiesen, dass die langsamlaufenden Motoren weiterentwickelt werden sollen, um entsprechende Gasmotoren als Ergänzung zu den mittelschnelllaufenden Wechselmotoren in das Programm aufnehmen zu können.

Caterpillar Motoren GmbH & Co., Kiel, stellte Mitte 2010 in Flensburg eine Machbarkeitsstudie zur Verwendung der MaK-Motoren für den Wechselbetrieb mit flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen vor (vgl. HANSA 8/2010, Seite 31ff.). Zur Umsetzung der Ergebnisse dieser Studie hat sich das Unternehmen entschlossen, am Standort Rostock eine Forschungs- und Entwicklungsabteilung aufzubauen, in der mit Förderung des Landes Mecklenburg-Vorpommern die Wechselmotoren in den nächsten drei Jahren entwickelt werden sollen.

Das Volumen dieses Projektes beträgt insgesamt 4 Mio. €. Davon trägt das Land 1,2 Mio. €. Damit soll eine »Neuauslegung und prototypische Umsetzung« eines Wechselmotors erfolgen. Die Aufnahme einer Serienproduktion wird für 2014 erwartet. Interessant ist vor diesem Hintergrund, dass die Muttergesellschaft Caterpillar Inc. bereits im Oktober 2010 einen Vertrag zur Übernahme der MWM GmbH in Mannheim unterzeichnet hat, um sich das Know-how des Gasmotorenbereichs der ehemaligen Motoren-Werke Mannheim AG zu sichern. Der Kaufpreis beträgt 580 Mio. €. Die Transaktion war bei Redaktionsschluss noch nicht abgeschlossen, die Entscheidung der Aufsichtsbehörden wurde für die zweite Hälfte April erwartet, wobei man in Mannheim von einem positiven Bescheid ausging. Selbst wenn man davon ausgeht, dass bei MWM in Mannheim gegenwärtig keine Schiffsmotoren entwickelt oder hergestellt werden, so sind die Jahrzehnte umfassenden Erfahrungen in der Entwicklung und Herstellung verschiedener Gasmotorenbauarten in ihrem Wert für künftige Entwicklungen nicht zu unterschätzen.

Das Gasmotorenprogramm für Schiffsantriebe von Rolls-Royce besteht aus drei Baureihen mittelschnelllaufender Gas-Ottomotoren, die im Viertakt mit Magergemischaufladung arbeiten und Leistungen von 1.460 bis 7.000 kW bei Drehzahlen zwischen 720 und 750 min-1 bieten. Bis zu 3.620 kW stehen Reihenmotoren mit sechs bis neun Zylindern und darüber hinaus 12- und 16-Zylinder-Motoren in V-Ausführung zur Verfügung. Mit den an der norwegischen Küste im Einsatz befindlichen Fähren haben diese Motoren ihre zuverlässige, umweltschonende Arbeitsweise unter Beweis gestellt.

Gegenwärtig strebt die Muttergesellschaft gemeinsam mit der Daimler AG eine Übernahme der Tognum AG und damit der MTU Friedrichshafen an (vgl. Seite 48 in diesem Heft).

Neben Caterpillar / MaK sind es vor allem die asiatischen Motorenhersteller, die mit Gasmotorenentwicklungen für den Schiffsantrieb auf den Markt drängen. Allerdings kommen von den großen Unternehmen aus Japan und Korea keine Wechselmotoren auf den Markt, sondern Gas-Ottomotoren als weitaus preisgünstigere Lösung. Offenbar hat man in Fernost in den letzten zehn Jahren erhebliche Fortschritte bei den Betriebskosten dieser Motoren gemacht, indem die Lebensdauer der Zündkerzen wesentlich verbessert werden konnte. Die auf dem CIMAC-Kongress im vergangenen Jahr in Bergen vorgestellten Neuentwicklungen auf diesem Gebiet lassen zumindest in zwei Fällen erwarten, dass in nächster Zeit das Marktangebot deutlich breiter wird. Das ist auch dringend erforderlich, falls es wirklich dazu kommen sollte, dass ab 2025 als Schiffshaupt- und hilfsantriebe nur noch Gasmotoren eingebaut werden, wie dies von kompetenter Seite im Rahmen der letztjährigen SMM ausgesagt wurde.

Von den asiatischen Motorenherstellern bietet Hyundai Heavy Industries schon seit geraumer Zeit Gasmotoren für den Schiffsantrieb an, die von den bewähr­ten Dieselmotoren der Himsen-Baureihen abgeleitet sind. Die jüngste Entwicklung betrifft Gas-Ottomotoren mit einer Bohrung von 350 mm und einem Hub von 400 mm, deren Basis-Dieselmotor bei demselben Hub eine Bohrung von 320 mm hat. Die Baureihe umfasst Motoren mit sechs bis neun Zylindern in Reihenbauweise und 12 bis 20 Zylinder in V-Bauweise. Damit werden Leistungen von 5.760 bis 9.600 kW bei Drehzahlen von 720 bzw. 750 min-1 angeboten. Die Motoren erzielen mit knapp 47,2 % einen sehr guten Wirkungsgrad. Sie arbeiten mit Magergemischaufladung im Vorkammerverfahren, Ventilsteuerung nach Miller mit entsprechender Abstimmung der Aufladung und elektrischer Zündung.

Kawasaki Heavy Industries begann 2003 mit der Entwicklung von Hochleistungsgasmotoren und setzte diese 2007 mit der Erprobung eines Vollmotors fort. Die Motoren arbeiten im Ottoverfahren mit Vorkammer und elektrischer Zündung. Vorkammer und Hauptbrennraum werden unabhängig voneinander über elektromagnetisch betätigte Ventile mit Gas unter entsprechendem Druck versorgt. Kawasaki spricht ähnlich wie MAN von »Gas-Einspritzung«, ohne diese bislang näher zu erläutern. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Hauptbrennraum wird jedenfalls mager und das in der Vorkammer etwas fetter gehalten, um eine zuverlässige Zündung zu gewährleisten.

Diese neuen Gasmotoren von Kawasaki laufen unter der Bezeichnung GGE (green gas en­gine) und sind mit 12 bis 18 Zylindern für den Leistungsbereich von 5.000 bis 7.800 kW vorgesehen. Sie sollen, soweit in Bergen zu hören war, auch als Schiffsantriebe verwendet werden.

Studien, Projekte und Aufträge

Ein Blick in die Broschüren verschiedener Klassifikationsgesellschaften zeigt, dass es für den Einsatz von Erdgas oder Flüssigerdgas in der Schifffahrt insofern eine deutliche Zurückhaltung gibt, als in dieser Branche die mit der Gastechnik verbundenen Sicherheitsrisiken noch recht hoch bewertet werden. Das ist bei neu einzuführenden technischen Lösungen wohl auch nicht anders zu erwarten. Möglicherweise wird aber auch übersehen, dass zum Beispiel aus dem Bereich stationärer Anwendungen jahrzehntelange Erfahrungen mit dieser Technik vorliegen. Da auch LNG-Tanker zuverlässige Transportmittel sind, sollten für den Einsatz von Erdgas an Bord keine unangemessen hohen Vorbehalte mehr bestehen, zumal die in jüngster Zeit bekannt gewordenen Studien und Projekte erhebliche Potentiale hinsichtlich Energieeinsparung und Umweltschutz auf See zeigen. Und die seit Jahren vor Norwegens Küste im Einsatz befindlichen Gasschiffe belegen die Zuverlässigkeit dieser Technik.

Vor gut einem Jahr hatte Det Norske Veritas unter der Bezeichnung »Quantum 6000« eine Studie für ein »zukunftsorientiertes Containerschiff« mit einer Kapazität von 6.000 TEU vorgelegt, die für einigen Gesprächsstoff in der Branche sorgte. Im März dieses Jahres hat DNV nun eine in Zusammenarbeit mit MAN Diesel & Turbo entstandene Studie vorgelegt, mit der das Konzept »in Richtung auf ein konkretes Schiff vorangetrieben« wird. Statt der im ursprünglichen Konzept vorgesehenen diesel-elektrischen Antriebsanlage wurde von MAN ein Antrieb mit einem Zweitakt-Wechselmotor in der Ausführung ME-GI, also mit elektronischer Steuerung und Regelung sowie »Gas-Einspritzung« eingeführt. Damit könnte ein nach dem Quantum-Konzept gebautes Schiff die Emissionsgrenzwerte nach IMO Stufe 3 in den ECAs einhalten, da die MAN-Motoren mit dem Standard ME-GI alternativ mit Schweröl oder mit Erdgas zu fahren sind.

Das veränderte Antriebskonzept hatte darüber hinaus starken Einfluss auf die Größe und damit die Containerkapazität des Schiffes, die man auf 8.708 TEU erhöhte, so dass die Studie jetzt unter der Bezeichnung »Quantum 9000« läuft. Wie es heißt, ist bei einem Schiff nach diesem Konzept »der LNG-Brennstoff ausreichend«, für »die Strecke Ostasien bis zur US-Ostküste – ohne dass dies zu Lasten der Ladekapazität geht«. Die Tankkapazitäten liegen bei 4.000 m3 für HFO, bei 6.500 m3 für LNG und bei 1.600 m3 für MDO bzw. MGO. Als Antrieb ist ein Neunzylindermotor der MAN-Baureihe S 80 ME-C 9.2-GI mit einer Dauerleistung von 40.590 kW bei einer Drehzahl von 78 min-1 in Aussicht genommen. Dabei würde es sich um den größten, bislang noch nicht im veröffentlichten Programm stehenden GI-Motor von MAN Diesel & Turbo handeln.

Es liegt auf der Hand, dass mit Gasmotoren Lösungen für den direkten Schiffsantrieb gesucht werden, um nicht den »Umweg« über die gas-elektrische Lösung gehen zu müssen. So heißt es bei Wärtsilä: »Der nächste Schritt in der Gasmotoren-Entwicklung … ist der direkte mechanische Hauptantrieb.« Das erste von dieser Entwicklung profitierende Schiff wird der vier Jahre alte Produktentanker »Bit Viking« sein. Der Tanker fährt unter Charter für Statoil in norwegischen Gewässern und soll mit einem »schlüsselfertigen Umbau« von Wärtsilä auf den Betrieb mit Flüssigerdgas umgestellt werden. Er war ursprünglich mit einem Dieselmotor der Baureihe 46 von Wärtsilä ausgerüstet, die nicht auf den Gasbetrieb umgebaut werden kann. Da die Wechselmotoren der Baureihe 50 DF denselben Hub wie die Dieselmotoren der Baureihe 46 haben, konnte ein Umbau auf den Motor mit der größeren Bohrung an Bord erfolgen. Zusätzlich war in diesem Zusammenhang das erste »LNG Pac« zu installieren, mit dem verschiedene Motoren des Unternehmens auf den Wechselbetrieb mit Erdgas umgebaut werden können. Die Fertigstellung ist für die Mitte dieses Jahres geplant.

Einen Großauftrag erhielt im vergangenen Jahr die gemeinsame Tochter von Wärtsilä und Hyundai zum Bau von Wechselmotoren für eine Serie von LNG-Tankern, die bei Samsung in Korea gebaut werden sollen. Jedes Schiff wird drei 12-Zylinder-Motoren der Baureihe 50 DF (maximale Leistung 11.700 kW) und einen Sechszylindermotor (maximale Leistung 5.850 kW) dieser Baureihe erhalten. Die ersten Motorenlieferungen sollen im ersten Quartal 2012 erfolgen und das erste Schiff 2013 in Dienst gestellt werden.

Von Eidesvik Offshore erhielt Wärtsilä den Auftrag zur Lieferung der Haupt- und Hilfsantriebe für deren fünftes mit Erdgas betriebenes Plattform-Versorgungsschiff, das bei Kleven in Norwegen gebaut werden soll. Das Schiff wird einen gas-elektrischen Antrieb erhalten, für den Wechselmotoren der Baureihen 34 DF und 20 DF gewählt wurden. Eidesvik hat 2003 mit der »Viking Energy« eines der ersten Versorgungsschiffe mit Erdgasbetrieb in Dienst gestellt.

Der jüngste Auftrag für Gasmotoren von Wärtsilä betrifft ein neues Fährschiff von Viking Line, das bei STX Finland in Turku gebaut werden soll und nach gegenwärtigem Stand die größte mit Flüssigerdgas betriebene Personen- und Fahrzeugfähre sein wird. Die Indienststellung auf der Strecke Turku Stockholm ist für 2013 geplant. Der Auftrag umfasst auch eine Option entsprechender Lieferungen für ein Schwesterschiff. Für den Antrieb wurden vier Achtzylinder-Wechselmotoren der Baureihe 50 DF bestellt, die jeder eine maximale Dauerleistung von 7.800 kW abgeben können. Neben den Motoren und dem kompletten Kraftstoffsystem wird das Unternehmen Bug- und Heckstrahler sowie zwei Festpropeller in Edelstahlausführung liefern.

Weitere interessante Chancen zur Lieferung von Wechselmotoren für den Gasbetrieb bieten sich Wärtsilä über die Zusammenarbeit mit der US-amerikanischen Gesellschaft Ship Architects, Inc., mit der ein neues Konzept zum Bau von Flussschleppern entwickelt werden soll. Dabei handelt es sich insofern schon um ein unter hohem Zeitdruck stehendes Projekt, da in den USA bereits ab August 2012 die nächsten Emissionsgrenzwerte zu berücksichtigen sind.

Das jüngste Projekt von Wärtsilä betrifft die Entwicklung eines Windfarm-Schiffes mit Aker Solutions. Gemäß Vertrag soll Wärtsilä außer für den Schiffsentwurf unter anderem für die gesamte Stromerzeugungsanlage sowie die Hauptantriebe zuständig sein. Die Generatorantriebe für die Stromerzeugung an Bord sollen drei Sechszylindermotoren der Baureihe 34 DF (maximale Leistung 2.700 kW) und zwei Neunzylindermotoren der Baureihe 20 DF (maximale Leistung 1.584 kW) übernehmen.

Auch Rolls-Royce hat einen Auftrag zur Lieferung von Gasmotoren für den Antrieb einer großen Personen- und Fahrzeugfähre erhalten. Die norwegische Gesellschaft Fjord1 hat den knapp 130 m langen Neubau bei Fiskerstrand BLRT bestellt. Das Schiff wird eine Ladekapazität von 242 Pkw oder 22 Lkw haben und für 600 Passagiere zugelassen sein. Für den Antrieb der Generatoren wurden drei Neunzylinder-Gas-Ottomotoren der Baureihe C 26:33 (maximale Leistung 2.430 kW) gewählt und ein Neunzylinder-Dieselmotor der Baureihe C 25:33 (maximale Leistung 3.000 kW). Das Diesel­aggregat gilt als Notantrieb und für Reserveeinsätze der Fähre auf Strecken ohne Gasversorgung.

Einen ersten Auftrag aus dem Offshore-Bereich hat Rolls-Royce zur Lieferung der Gasmotoren für zwei Plattform-Versorgungsschiffe der Reederei Island Offshore Mgt. AS erhalten. Die beiden 96 m langen Schiffe vom Typ UT 776 CDG werden mit jeweils zwei Neunzylindermotoren der Baureihe C 26:33 und zwei Sechszylinder-Dieselmotoren der Baureihe C 25:33 ausgerüstet. Ihre effektive Tankkapazität für Flüssigerdgas wird 200 m3 betragen, die je nach Einsatzbedingungen für zehn bis zwanzig Tage ausreicht. Die Rümpfe kommen aus Rumänien und werden bei STX Offshore Norway in Brevik ausgebaut. Die Ablieferung der Schiffe ist für das erste bzw. zweite Quartal 2012 geplant.

Wie kurz vor Redaktionsschluss bekannt wurde, beabsichtigen STX France und die französische Fährschiffreederei Brittany Ferries gemeinsam eine neue Generation Fährschiffe zu entwickeln, die mit Flüssig­erdgas betrieben werden. Die Superfähren sollen außer Gasmotoren ein hocheffizientes elektrisches Antriebssystem erhalten. Hinsichtlich der Kapazitäten ist von 2.400 Fahrgästen, 650 Pkw und 40 Lkw die Rede. Als Dienstgeschwindigkeit der Schiffe werden 25 kn genannt.

Zusammenfassung

Hinsichtlich der technischen Ausführungen der für den Schiffsantrieb geeigneten Gasmotoren bieten sich verschiedene zugelassene und erprobte Lösungen, deren Wahl von stark unterschiedlichen Motiven abhängt und längst nicht in allen Fällen die preisgünstigsten Lösungen hinsichtlich Lebensdauerkosten bietet. Da spielen zum Beispiel Fragen der Verfügbarkeit und der langfristigen Preisentwicklung beim Erdgas ebenso eine Rolle wie Fragen des Aufbaus einer Infrastruktur. Die im Auftrag befindlichen Schiffe sowie zahlreiche Projekte zeigen jedoch, dass Bewegung in den Markt gekommen ist. Denn die Infrastruktur ist ebenfalls im Kommen. Dazu gehören zum Beispiel ebenso die im Ostseeraum geplanten Importterminals wie die im Auftrag befindlichen schwimmenden Gasterminals für die Lagerung und Verladung von Flüssigerdgas. Was fehlt, sind unverändert konkrete Ansätze für Bunkerstationen, feste oder schwimmende. Was in Norwegen mit starker staatlicher Unterstützung geht, sollte auch in anderen Ländern Europas möglich sein.

Autor:

Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Reuß

Freier Journalist

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