128 Jahren nach Beurkundung des Patentes DRP 67207 am 23. Februar 1893, ist der Dieselmotor unverändert die wirtschaftlichste Verbrennungskraftmaschine. Er spielt in der Schifffahrt eine sehr dominante Rolle. Der Dieselmotor ist die mit Abstand beliebteste Art Schiffe anzutreiben. Wird sich das unter dem Druck der Umweltauflagen, insbesondere der Anforderungen zur Reduzierung des Ausstoßes von Treibhausgasen, möglicherweise ändern?

Derzeit sind rund 100.000 seetüchtige Handelsschiffe auf unseren Meeren und Ozeanen unterwegs, mit einer installierten Leistung von etwa 1 bis 100 Megawatt (MW) pro Schiff. Bis auf wenige Ausnahmen werden alle diese Schiffe von Dieselmotoren angetrieben, die meisten davon mit einem Direktantrieb, einige mit einem dieselelektrischen Antrieb oder einem Hybridsystem.

Bis Ende letzten Jahres nutzten etwa 65.000 von ihnen Schweröl (HFO) als Kraftstoff. Seit dem 1. Januar 2020 verwenden einige Tausend davon noch das gleiche schwefelreiche HFO in Kombination mit Scrubbern die den Schwefel aus den Abgasen weitestgehend reduzieren. Die Mehrheit ist jedoch auf eine Mischung aus schwefelarmem Schweröl oder Marinedieselöl (MDO) umgestiegen. Ein großer Teil der verbleibenden Schiffe verwendet MDO oder einen ähnlichen Dieselkraftstoff. Einige hundert Schiffe verwenden andere Kraftstoffe, wie Methan, LPG, Methanol oder Biokraftstoff.

Ebenso werden viele Tausend Binnenschiffe, Fischereifahrzeuge und Yachten von Dieselmotoren angetrieben, meist mit MDO oder Marinegasöl (MGO) als Kraftstoff. Auch die vielen Schiffe die derzeit weltweit im Bau oder in Auftrag sind, werden fast alle mit Dieselmotoren angetrieben. Nach der Fertigstellung werden die meisten dieser Schiffe, zumindest anfangs, mit fossilen Ölkraftstoffen betrieben. Im Durchschnitt liegt der jährliche Schwerölverbrauch der internationalen Schifffahrt bei etwa 300 Millionen Tonnen.

Keine praktikable Alternative

Außer in der Schifffahrt ist der Verbrennungsmotor auch als Antriebsquelle im Straßen- und Schienenverkehr, in der Landwirtschaft, in der Bauindustrie und bei militärischen Organisationen millionenfach im Einsatz. Was erklärt diese Beliebtheit?

Die Hauptgründe sind sein hoher Motorwirkungsgrad, Flexibilität bei der Ausgangsleistung (von klein bis sehr groß) und die Verfügbarkeit von Kraftstoffen mit einer attraktiven Kombination aus hohem spezifischem Energiegehalt, sowohl in Bezug auf das Volumen als auch auf das Gewicht, und guten Speicher- und Verbrennungseigenschaften.

In gewisser Weise ist es bemerkenswert wie trotz der vielen Nachteile, wie Größe, Gewicht, Lärm, Vibrationsprobleme, schädliche Emissionen, komplexe HFO-Aufbereitungssysteme, Schmierölsysteme und umfangreiche Wartungsanforderungen, der Dieselmotor zu einem so großen Erfolg geworden ist. Für viele Anwendungen gibt es keine praktische Alternative.

Es ist auch bemerkenswert, wie trotz der vielen Nachteile der Dieselmotor zu einem so großen Erfolg geworden ist. Während des letzten Jahrhunderts wurde die Dampfkraft allmählich durch die Dieselkraft ersetzt, weil die Kombination aus einem Dampfkessel und einer Turbine oder einer anderen Form der Dampfkraft einen maximalen Wirkungsgrad von nur etwa 25 Prozent aufwies, während Dieselmotoren, von klein bis groß, einen Wirkungsgrad zwischen dreißig und fünfzig Prozent lieferten – in den letzten Jahren sogar bis zu 54 Prozent für sehr große Zweitaktmotoranlagen mit niedriger Drehzahl. Auch Gasturbinen haben einen geringeren Wirkungsgrad (rund 40%) und können bei den meisten Anwendungen nicht mit Dieselmotoren konkurrieren.

Achtzig Prozent mehr Kraftstoffeffizienz

Gemäß den Vorgaben der International Maritime Organization (IMO) soll die internationale Schifffahrt den Ausstoß von Treibhausgasen (THG) wie CO2 und Methan bis zum Jahr 2050 auf fünfzig Prozent der Gesamtmenge dieser Emissionen im Jahr 2008 reduzieren und gleichzeitig Anstrengungen unternehmen, um diese Emissionen ganz abzuschaffen.

Auf der Grundlage der erwarteten Entwicklung des Handels- und Verkehrswachstums und anderer Faktoren die den Kraftstoffverbrauch beeinflussen, wurde geschätzt dass Schiffe bis zu diesem Zeitpunkt im Durchschnitt etwa achtzig Prozent kraftstoffeffizienter sein sollten als im Jahr 2008 um das Ziel für 2050 zu erreichen. Trotz anhaltender Bemühungen Schiffe kraftstoffeffizienter zu machen, durch verbesserte Hydrodynamik und Propulsoren, bessere Oberflächenbeschichtungen des Schiffsrumpfes, Einsatz von Windantriebsunterstützung, Hybridantriebssystemen, Langsamfahrt usw., ist es unwahrscheinlich, dass dieses Ziel erreicht werden kann wenn man an den fossilen Kraftstoffen festhält die bis heute im Überfluss genutzt werden.

Folglich muss sich die Schifffahrtsindustrie mit alternativen Antriebssystemen und/oder Kraftstoffen befassen. Theoretisch könnten Schiffe mit Akkumulatoren, mit Brennstoffzellensystemen in Verbindung mit ausgewählten Kraftstoffen oder mit anderen Systemen, die sich noch vielfach in der Entwicklung befinden, angetrieben werden.

Bei Schiffen für den Hochseebetrieb sind diese Alternativen vorerst wahrscheinlich nicht sehr praktikabel, wenn überhaupt möglich. Dies führt zu der Frage, ob der Dieselmotor durch Weiterentwicklung oder über den Einsatz von Kraftstoffen, die weniger THG-Emissionen verursachen, überleben kann. Da es im Jahr 2050 noch eine Reihe von Schiffen geben wird, die heute in Betrieb sind oder gerade gebaut werden, ist dies nicht nur eine theoretische Frage.

Außerdem ist das Ziel 2050 nicht das Ende der Fahnenstange. Das endgültige Ziel wird der vollständige Ausstieg aus fossilen Brennstoffen sein.

OPEX-Problem

Eine kürzlich von A.P. Moller-Maersk zusammen mit Lloyd’s Register durchgeführte Studie hat drei Kraftstoffe identifiziert, auf die man sich im Hinblick auf die Dekarbonisierung bis 2050 konzentrieren sollte, nämlich Alkohole (wie Methanol), Biomethan und Ammoniak. Die genannte Liste der Kraftstoffe ist nicht vollständig, es gibt weitere Optionen die untersucht werden, und außerdem werden in dieser Übersicht auch Faktoren wie Preis, Verfügbarkeit und Bunkermöglichkeiten, Platzbedarf an Bord und viele andere wichtige Fragen nicht behandelt. Es ist jedoch ganz klar: keine der Alternativen bietet die gleiche Betriebsfreundlichkeit, Flexibilität und Erschwinglichkeit wie die verschiedenen Arten von Dieselöl, die in der Schifffahrt bisher verwendet wurden und immer noch werden.

Die erwähnte A.P. Moller-Maersk/L.R.-Studie kommt zu dem Schluss, dass das Erreichen von Netto-Null-Kohlenstoff-Emissionen keine Frage des Kapitalaufwands (CAPEX = Capital Expenditures)) ist, sondern eine Frage der Betriebskosten (OPEX =  Operational Expenditures). Mit anderen Worten: Die Schiffe für den kohlenstofffreien Betrieb fit zu machen, ist nicht das Problem, das Problem wird in den Kosten des Kraftstoffs liegen.

Die neuen Kraftstoffe werden voraussichtlich deutlich teurer sein als die bestehenden Lösungen mit fossilen Kraftstoffen. Sollte sich diese Analyse als richtig erweisen, wird sie Schiffseigner nicht dazu anregen früher als unbedingt nötig auf neue Kraftstoffe umzusteigen. Aber es sieht so aus, als ob der gute alte und ewig jung gebliebene Dieselmotor die anstehenden Veränderungen überleben und an die neuen Kraftstoffe weiter angepasst wird.

Das wird nicht immer einfach sein und kann den Motorenbauern, Schiffseignern und Schiffsoffizieren durchaus einige schlaflose Nächte bereiten. Das alles wird ein Teil des Preises sein, den wir im Kampf gegen den Klimawandel zahlen müssen.