Rolls-Royce Power Systems und die Stadtwerke Konstanz erproben auf dem Bodensee mit einem MTU-Gasmotor den Schiffsantrieb der Zukunft: Das neue Fährschiff wird einen Antrieb mit flüssigem Erdgas (LNG = Liquefied Natural Gas) erhalten. Es werden zwei 8-Zylinder-Gasmotoren der Baureihe 4000 von MTU sein, welche jeweils eine Leistung von 746 Kilowatt erbringen. Was den Motor darüber hinaus auszeichnet: In Dynamik und Performance entspricht er einem Dieselmotor. Die Fähre ist auf mehr als 60 PKW und 700 Passagiere ausgelegt. Das Schiff kostet rund 17,7 Millionen Euro. Es ist die erste gasbetriebene Binnenfähre Europas.

LNG ist nichts anderes als hoch gereinigtes, heruntergekühltes und damit verflüssigtes Erdgas, um die Energiedichte pro Volumeneinheit deutlich zu erhöhen. Durch die Reinigung bzw. das Ausfällen bei der Herunterkühlung von für die Verbrennung nicht notwendigen Verunreinigungen ergibt sich ein relativ sauberer Kraftstoff. Die mit verflüssigtem Erdgas (LNG = Liquefied Natural Gas) betriebene Fähre wird keine Rußpartikel ausstoßen sowie über 80 Prozent weniger Stickoxide im Vergleich zum mit Diesel betriebenen Schwesterschiff „Lodi“. Beim klimaschädlichen CO2 (Kohlendioxid) werden ebenfalls deutliche Verbesserungen erzielt: Auch wenn der bei Gasmotoren übliche Methanschlupf (nicht verbranntes Methan, das über das Abgas austritt) korrekt berücksichtigt wird, sind es immer noch 6 Prozent weniger Klimagase als bei der „Lodi“. Das Schiff unterschreitet die EU 5-Grenzwerte deutlich und hält die seit 2016 geltenden IMO-III-Abgasnormen ohne zusätzliche Abgasnachbehandlung ein.

Auch bei der Konstruktion wurde der Rumpf der Fähre optimiert, so dass es zu 17 Prozent weniger Schiffswiderstand und damit auch rund 17 Prozent weniger Kraftstoffverbrauch kommt.

Auch lässt sich durch die höhere Ladekapazität bei schwächerem Verkehrsaufkommen die Zahl der Fahrten reduzieren.

Ziel ist es ganz klar, die neue Fähre künftig mit Bio LNG zu betanken, sobald dies machbar und ökonomisch darstellbar ist. Aktuell werden wir auf LNG aus dem arabischen Raum zurückgreifen müssen, allerdings existieren Pläne anderer Akteure für eine Verflüssigungsanlage und entsprechende Infrastruktur in der weiteren Region. Mit Bio LNG wäre die Fähre dann hinsichtlich der Verbrennung komplett CO2-neutral unterwegs. Somit haben die Stadtwerke Konstanz mit diesem Schiff in eine Antriebstechnologie investiert, die dafür geeignet ist, perspektivisch ohne CO2-Ausstoß zu fahren.

Wir haben eine umfangreiche Untersuchung durchgeführt, welches der bestmögliche Antrieb für die neue Fähre ist – dies unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten. Zur Beurteilung wurde auch der Footprint insgesamt betrachtet, er ist in die Entscheidung eingeflossen. Betrachtet wurden reine batterieelektrische Antriebe, Brennstoffzellen, Hybridantriebe und eben LNG. Für den 24-Stunden-Betrieb der Fähre und dem gegebenen Fahrprofil ist bei jetzigem Stand der Technik der gefundene LNG-Antrieb die bestmögliche Lösung, auch unter ökologischen Gesichtspunkten, mit der Perspektive, auf  Bio-LNG umzustellen und so CO2-neutral zu fahren.

Gegen eine elektrisch betriebene Fähre spricht, dass neben den Investitionen in Infrastruktur und Schiff nach spätestens zehn Jahren die Akkus ausgetauscht werden müssten, was neuerliche Investitionen in Millionenhöhe nach sich zöge. Zudem kann angesichts der rasanten technischen Entwicklung nicht garantiert werden, dass die nun verbaute Technik und Ladeinfrastruktur auch in zehn Jahren so noch verwendbar ist, was zu einem möglichen Austausch der Infrastruktur führen würde. Obwohl im Vorfeld mit angenommenen positiven finanziellen Faktoren gegengerechnet wurde, ist eine Elektrofähre ökonomisch also nicht sinnvoll darstellbar. Hinzu kommt, dass die Fährverbindung ein zentrales Element des ÖPNV in der Region ist und rund um die Uhr verfügbar sein muss. Damit hat die Verbindung ein ganz anderes Anforderungsprofil als beispielsweise Ausflugsschiffe, weshalb ein elektrischer Antrieb beispielweise aufgrund kurzer Ladezeiten nicht zu diesem Profil passen würde. Hierbei geht es also auch um Aspekte der Versorgungssicherheit.

Dies zeigt, dass es für die Anforderungen der Fährverbindung kein Produkt „von der Stange“ gibt, das sowohl die technischen Anforderungen als auch das Kriterium der Umweltverträglichkeit erfüllt. Daher wurde mit dem LNG-Antrieb ein zur Fähre passender Antrieb gewählt, der den Bedürfnissen Rechnung trägt.

Üblicherweise ist Erdgas ein Abfallprodukt der Erdölverbrennung. Früher hat man es einfach an den Bohrtürmen abgefackelt, heute fängt man es ab und nutzt es zur Energiegewinnung. Von daher sind die typischen Erdölproduzenten aus dem arabischen Raum auch Gaslieferanten und liefern das Gas in verflüssigter Form per Tanker nach Europa, wo es dann in der Regel per LKW weitertransportiert wird. Ziel ist es, Bio-LNG aus der Region zu beziehen, sobald eine entsprechende Infrastruktur vorhanden ist.

Fossiles Erdgas wird in Europa derzeit über das LNG Terminal in Rotterdam verteilt. Hier würden die Stadtwerke Konstanz auch zunächst ihr LNG beziehen. Das LNG in Rotterdam kommt aus Nigeria, Qatar und Norwegen, in diesen Staaten wird kein Fracking betrieben. Ferner hat sich Fracking nicht nur als unpopulaär, umweltfeindlich und energieintensiv in der Förderung herausgestellt, so dass diese Form der Erdgasbereitstellung bald vom Energiemarkt verschwinden wird.

Es ist üblich, LNG durch das Linde-Verfahren zu produzieren bzw. das Erdgas zu verflüssigen. (Zur Info: https://de.wikipedia.org/wiki/Linde-Verfahren)

Auch diese Variante wurde im Vorfeld geprüft. CNG hat eine Energiedichte von 2kWh/kg, LNG eine energiedichte von 7kWh/Kg. Die Energiedichte von CNG ist also nicht hoch genug um den betrieblichen Anforderungen zu genügen. Es könnten schlichtweg nicht ausreichend Tanks auf dem Schiff untergebracht werden. Nach derzeitiger Vorschriftenlage dürften die Tanks auch nur im Oberdecksbereich angeordnet werden, was nicht praktikabel ist.

Das neue Schiff wird alle sechs Tage per Tanklastzug betankt. Der Tankvorgang erfolgt direkt am Schiff ins Schiff. Eine eigene LNG-Infrastruktur oder Zwischenlagerung ist daher nicht notwendig. Lediglich ein Tankschlauch und Anschlüsse müssen zur Verfügung gestellt werden. Der Tankvorgang selbst erfolgt nach einem internationalen Standard und ist unproblematisch.

Prinzipiell könnte sogenanntes BoilOff Gas entweichen: An den Tankwänden wechseln immer geringe Mengen verflüssigtes Methan den Aggregatszustand und gehen in den gasförmigen über. Dieses Gas nennt man BoilOff Gas. Dieses Methangas wird nicht an die Umwelt abgegeben, sondern abgezogen. Es wird der Maschinenanlage zugeführt, verbrannt und zum Vortrieb des Schiffes genutzt.

Der komplette Gasstrang und die Maschinenanlage, also alles, was mit LNG zu tun hat, wird nach dem IGF-Code ausgeführt. Das ist der internationale Standard der IMO (International Maritime Organization). Dies wird von einer Klassifikationsgesellschaft geprüft und letztendlich vom Schifffahrsamt Konstanz freigegeben. Ferner wurde die Bauwerft von Experten beraten, die eine hohe Kompetenz im Bau von gasgetriebenen Schiffen und der Gaslagerung haben. So sind alle gasführenden Verrohrungen doppelwandig ausgeführt und alle paar Meter mit Gasschnüfflern ausgelegt, die im Fall einer Leckage einen Alarm auslösen würden. Der Motor selbst ist gassicher ausgeführt. MTU hat zu diesem Zweck die Gaszuführungen am Motor doppelwandig konstruiert. Damit kann kein Gas aus dem Motor entweichen.

Der mobile MTU-Gasmotor unterschreitet die Grenzwerte aktueller Emissionsrichtlinien (IMO III) bereits ohne Abgasnachbehandlung erheblich - so liegt die Partikelmasse unter der Nachweisgrenze. Er stößt nur geringe Mengen an Stickoxiden aus. Die Motoren sind technisch auch mit den Gesetzgebungen EU-Stufe V (ebenso Bodensee-Schifffahrtsordnung) und EPA Tier 4 (USA) konform. Der CO2-Ausstoß ist gegenüber anderen Motoren, die fossile Brennstoffe nutzen, deutlich geringer. Da das Erdgas im Motor in bestimmten Lastbereichen (Teillastbetrieb und Beschleunigungsphasen) nicht vollständig verbrennt, gelangen jedoch geringe Mengen von Methan (CH4/ Methanschlupf) ins Abgas, das als klimaschädliches Gas gilt. Die in der EU-Stufe V regulierten Methangrenzwerte werden mit dem MTU-Gasmotor aber unterschritten.

Die Motoren-Entwickler von Rolls-Royce Power Systems arbeiten daran, die Methan-Emissionen aus der Verbrennung zu verringern.

Zunächst erfolgt im Fährehafen Konstanz der Aufbau und die Motorisierung.

Hierbei handelt es sich um den Innenausbau, wie Schlosser-, Maler-, Elektrikarbeiten, Einbau der Inneneinrichtung, Einbau der Maschinen und der restlichen Technik. Anschließend stehen die Probefahrten an, mit dem Test aller Sind die Testfahrten erfolgreich absolviert, kann das Schiff auf der Fährverbindung eingesetzt werden. Wir gehen davon aus, dass die Werft die Ausbauarbeiten im Frühjahr 2021 abschließt und das Schiff dann an die Stadtwerke übergibt. Der bisherige Zeitplan sah die Inbetriebnahme im Winter vor. Dieser Termin ist nicht zu halten. Die Inbetriebnahme soll nun im Frühjahr/Sommer 2021 sein.

Allen Bio Kraftstoffen und e-fuels ist gemein, dass lokal kein CO2 emittiert wird, anders als bei fossilen Kraftstoffen, die hauptsächlich lokal emittieren („tank to propeller – vom Bohrloch bis zum Tank“). Es gibt eine Vielzahl von Verfahren, um BioLNG herzustellen, die sich stark in der Emittierung von CO2 unterscheiden. Die ungünstigste Variante ist es, erst einen Biostoff anzubauen, wie z.B. Mais, dann zu ernten, zu fermentieren, um ihn dann final zu vergasen und das abgefangene Methan zu verflüssigen. Landwirtschaft hat einen hohen Anteil an den CO2 Emissionen, dies wäre in diesem Fall auch so. Von diesem ungünstigsten Fall geht die BMVI Studie aus. Ähnlich schlecht ist übrigens auch die Bilanz des Biodiesel.

Aber selbst, wenn wir dieses Biogas einsetzen würden, so wäre der CO2 Index „well to propeller“ – also von der Erzeugung bis zur Verwertung - immer noch deutlich günstiger als bei fossilem LNG. Die zeigt auch die Studie des BMVI, wenn man die Werte „well to tank“ (“Bohrloich zu Tank“) und „tank to propeller“ („vom Tank zum Antrieb“) addiert und eine Gesamtbetrachtung durchführt:

LNG                       20,8 + 55,0   = 75,8 g CO2 Äqu./MJ

BioLNG                  27,6 + 0       = 27,6 g CO2 Äqu./MJ

Deutlich besser wird die Bilanz des BioLNG noch einmal –sie geht dann gegen Null -, wenn man, wie ursprünglich mit Erdgas Südwest geplant, abfallstämmiges Material zur Methangewinnung einsetzt, das ansonsten auf den Kompost käme und dort das Methan ungenutzt freisetzen würde. Aktuell gibt es sogar Bestrebungen, BioLNG auf Basis von Gülle zu produzieren, dann dürfen sogar negative CO2 Werte angerechnet werden.

Es liegt mittlerweile eine sehr umfangreiche Tabelle für verschiedenste Kraftstoffe und Gase der IPPC vor, welche die entstehenden CO2-Emissionen bewertet. Diese Tabelle wird voraussichtlich zukünftig als internationaler Standard für die Bewertung der Umweltfreundlichkeit von Anlagen herangezogen, so dass keine umfangreichen Studien mehr herangezogen werden müssen.