Entwurf eines Binnenschiffskonzeptes mit einem Ammoniak-Antriebssystem
Dr.-Ing. Sascha Prehn, Universität Rostock; Benjamin Friedhoff, Friederike Dahlke-Wallat, DST, Duisburg; Torsten Baufeld, Liebherr Machines Bulle; Annalena Braun, Universität Karlsruhe/KIT; Dr.-Ing. Lena Engelmeier, Zentrum für Brennstoffzellentechnologien, Duisburg; Prof. Dr.-Ing. Hinrich Mohr, GasKraft Engineering, Beckdorf
Die Binnenschifffahrt steht vor Herausforderungen wie der Digitalisierung, der Anpassung an den Klimawandel und der Integration alternativer Antriebstechnologien. In An- betracht der langen Nutzungsdauer der Schiffe erfordern die in der Mannheimer Erklärung vereinbarten Ziele zur Senkung der Luftschadstoff- und Treibhausgas-Emissionen oder die Taxonomie-Screening-Kriterien eine zügige Entwicklung von Maßnahmen zur Steigerung der Umweltverträglichkeit. Eine weitere Steigerung der bereits inhärent guten Energieeffizienz der Schifffahrt allein genügt nicht. Durch die Einführung des EU-Emissionshandelssystems (EU ETS), die Richtlinie zur Nachhaltigkeitsberichterstattung von Unternehmen sowie in der Entwicklung befindliche Ansätze zum Be- wertung der Treibhausgas-Intensität von Binnenschiffstransporten wird die Vermeidung von CO2 und anderen Treibhausgasen weiter forciert.
Heute wird in der Binnenschifffahrt noch weitestgehend fossiler Dieselkraftstoff eingesetzt. Seit einiger Zeit ist zudem der biobasierte Kraftstoff HVO verfügbar, dessen Ver- fügbarkeit jedoch durch die benötigten nachhaltigen Ausgangsstoffe begrenzt ist. Mit den alternativen Energieträgern Wasserstoff und Methanol sowie Batterien wurde in den letzten Jahren eine Vielzahl von Pilotprojekten gestartet. Da noch keine Tendenz für eine Technologie erkennbar ist, werden im Sektor auch weitere Optionen wie Am- moniak in Betracht gezogen. Ammoniak ist zudem geeignetes Speicher- und Transportmedium für regenerativ hergestellten grünen Wasserstroff. Große Herausforderun- gen bei der Verwendung von Ammoniak als motorischem Kraftstoff stellen allerdings die Verbrennungseigenschaften und Sicherheitsanforderungen gegenüber herkömm- lichen Brennstoffen dar.
Im Rahmen des CAMPFIRE-Konsortiums laufen mehrere Projekte zur Energieumwandlung und -speicherung von grünem Ammoniak als Teil zukünftiger Energiesysteme. Eines dieser Projekte befasst sich mit der Entwicklung eines Antriebssystems für Binnenschiffe, das auf reinem Ammoniak als Kraftstoff basiert. Die Hauptkomponenten dieses Systems sind ein Ammoniak-Cracker, der einen Teilstrom des Kraftstoffs in Wasserstoff umwandelt, und ein schnelllaufender Verbrennungsmotor, der mit flüssigem Ammoniak und einem kleinen Anteil Wasserstoff als Zündverstärker betrieben wird. Zum Testen der entwickelten Technologien wird aktuell in Poppendorf bei Rostock das CAMPFIRE Open Innovation Lab (COIL) errichtet.
Für den Motor als zentralen Energiewandler für den Antrieb des Schiffes wurden im Rahmen von systematischen Brennverfahrensuntersuchungen verschiedene Konfigu- rationen (Zündung, Einspritzung, Brennraumgestaltung etc.) getestet und bewertet. Der Motor erzielt vergleichbare Leistungswerte und Wirkungsgrade wie der konventionell betriebene Basis-Dieselmotor. Zur Einhaltung der Abgasgrenzwerte wird ein
Abgasnachbehandlungssystem eingesetzt werden. Es ist davon auszugehen, dass dieses System aus bereits bekannten Technologien bestehen kann. Basierend auf den erarbeiteten Ergebnissen wurde ein Konzept für einen Prototypenmotor abgeleitet, welcher im Zusammenwirken mit dem Ammoniak-Cracker detailliert am COIL untersucht wird.
Die Verwendung von Ammoniak als Kraftstoff führt auch zu neuen Anforderungen an den Schiffsentwurf. Aufgrund der Gefahrstoffeinstufung von Ammoniak sowie der möglichen Umweltgefährdung, müssen angepasste Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Am Beispiel eines bestehenden Ammoniaktankschiffs, welches auf dem Rhein und seinen Nebenwasserstraßen verkehrt, wurde ein Konzept für die Integration des oben genannten Antriebssystems inklusive Treibstofftank und dem System zur Kraftstoffaufbereitung entwickelt. Die Planung der Umrüstung des Binnenschiffes un- ter der Berücksichtigung der notwendigen Sicherheitsmaßnahmen wurde im Rahmen einer Risikoanalyse bewertet.
In der Präsentation werden die Entwicklung des Antriebssystems und das Konzept zur Schiffsumrüstung vorgestellt.
Inland Waterway Vessel Concept with Ammonia Propulsion System
