LNG für den umweltfreundlichsten Schiffsantrieb

Hätten Sie das gedacht? Rund 70 Prozent aller Güter (bezogen auf Tonnenkilometer) werden auf dem Seeweg transportiert. Eine riesige Menge. Beim Transport dominieren Stückgutschiffe, Massengutfrachter, Tanker und Containerschiffe. Zu den über 90.000 Schiffen, die auf den Weltmeeren unterwegs sind, gehören auch mehr als 7.000 Passagierschiffe. Ihre Zahl wächst zusehends. Sie alle werden fast ausnahmslos über Verbrennungsmotoren, zum größten Teil mit Schweröl, angetrieben. Entsprechend groß sind die Auswirkungen auf die Umwelt. Neben der Ölverschmutzung der Meere belasten vor allem Treibhausgasemissionen die Umwelt stark. Die IMO (Internationale Schifffahrtsorganisation) schätzt, dass die CO₂-Emissionen der Schifffahrt im Jahr 2018 rund 2,86 Prozent (nach aktuelleren Schätzungen rund drei Prozent) der weltweiten von Menschen verursachten Emissionen ausmachten. Sie erwartet, dass sie bis 2050 um 50 bis 250 Prozent steigen könnten, falls keine Maßnahmen dagegen ergriffen werden. Hinzu kommen Stickoxide, Feinstaub, Ruß und Schwefeldioxid. In Häfen führt dies zu großen Belastungen.

Durch Einsatz von Marinedieselöl (MDO) als schwefelarmem Treibstoff konnte zumindest ein Teil der Emissionen, insbesondere von Schwefeldioxid, gemindert werden. Als eine weitere Möglichkeit gilt der Einsatz von Flüssigerdgas, also LNG. Es ist schwefelfrei. Darüber hinaus reduziert sich durch seinen Einsatz auch die Emission von Stickoxiden und Feinstaub. Sofern Methanschlupf vermieden wird, ist die Treibhausgasbilanz von LNG deutlich besser als die von Schweröl oder Diesel. Vor allem in besonders sensiblen Meeresgebieten (SECA-Zonen) sollte LNG als Treibstoff in Betracht gezogen werden.

Naheliegend ist es, Tanker, die LNG transportieren, auch mit Flüssigerdgas bzw. mit dem ständig anfallenden Boil-off-Gas anzutreiben. Dies ist seit über 50 Jahren Realität. Heute werden die meisten der rund 600 LNG-Carrier mit LNG betrieben. Dazu kamen bis 2020 weitere 175 LNG-betriebene Hochseeschiffe, viele weitere waren zu diesem Zeitpunkt geordert. Inzwischen sind auch acht Kreuzfahrtschiffe mit LNG-Betriebsmodus auf den Weltmeeren unterwegs, etliche weitere sind im Bau.

Für den Betrieb mit LNG benötigt man sogenannte LNG Fuel Gas Supply Systems (FGSS). Diese werden für die unterschiedlichen Schiffstypen – vom Tanker und Massengutfrachter über Containerschiff bis hin zu Fähre und Kreuzfahrtschiff – individuell ausgelegt und überwiegend als Modul bereitgestellt. Das Hamburger Unternehmen Marine Service, einer der wichtigen Anbieter von LNG FGSS, betont, dass es dabei auf höchste Redundanz und Verfügbarkeit ankommt.

Die Gasversorgungsanlagen sind äußerst komplex. Zentrales Bauteil ist ein LNG-Verdampfer. Als weitere Hauptkomponenten enthält ein FGSS zudem (zum Teil redundant) Pumpen und Kompressoren, ein Wasser-Glykol-Modul, Tieftemperaturventile und Überhitzer. Insbesondere der Verdampfer selbst muss äußerst druckfest und beständig gegen thermische Belastungen sein. Hinzu kommen zahlreiche elektrische Komponenten inklusive eines SPS-basierten Automatisierungssystems, das bei Ausfall einer Komponente die Zuschaltung des entsprechenden redundanten Bauteils managt. Denn die Gasversorgung muss jederzeit sichergestellt werden.

Beim Betrieb wird das LNG aus vakuumisolierten Lagertanks mittels einer Tauchpumpe in den Verdampfer gefördert. Dieser nutzt Wasser-Glykol und eine Wärmequelle an Bord, um das flüssige LNG im Wärmeaustauschkreislauf in den gasförmigen Zustand zu überführen, es also zu regasifizieren. Druck und Volumen des Erdgases werden über eine Gasventileinheit reguliert, um das Gas schließlich dem Motor zuzuführ.

Selbstverständlich gilt es, zu jeder Zeit die Sicherheit der Ausrüstung und des Schiffs sowie der Besatzung und gegebenenfalls der Passagiere sicherzustellen. Ein wichtiges Element der sicherheitstechnischen Ausrüstung ist ein Sicherheitsventil, das im Falle eines Druckanstiegs Erdgas in die Atmosphäre ablässt.

Aber auch bei der regelgerechten Regasifizierung ist Sicherheit das A und O. Dabei spielen Ex-Schutz-Lösungen, wie sie R. STAHL anbietet, eine wichtige Rolle. Zunächst sollte der konstruktive Explosionsschutz dafür Sorge tragen, dass kein Gas entweicht oder zumindest kein explosionsfähiges Gemisch aus Erdgas und Luft entsteht. Da dies jedoch niemals 100-prozentig auszuschließen ist, greift Stufe 2 des Sicherheitskonzepts: der elektrische Explosionsschutz. Weder durch Funken noch heiße Oberflächen darf einem unter Umständen entstehenden explosionsfähigen Gemisch so viel Energie zugeführt werden, dass es zur Explosion kommt.

Geeignete explosionsgeschützte und entsprechend zertifizierte Technik verhindert dies. Sie muss bei Betrieb mit Erdgas für Explosionsgruppe IIA und Temperaturklasse 1 zugelassen sein. Dies gilt etwa für Messgeräte, Bedienelemente und Anzeiger sowie für Steuerungen wie etwa das Remote I/O-System IS1+ von R. STAHL. Es hat sich auf zahlreichen LNG-Tankern sowie anderen LNG-betriebenen Schiffen bewährt. Zudem erfüllt es weitere Forderungen für den Schiffsbau wie erhöhte Störfestigkeit gegenüber dem Bordfunk sowie gegen Vibrationen und einen weiten Temperatureinsatzbereich von -40 °C bis +75 °C.

Systemlösungen auf Basis von IS1+ beinhalten speziell auf den Einsatzfall ausgelegte Schaltschränke mit den nötigen weiteren Komponenten wie Bedienelemente. Bei dem modernen Remote I/O-System, das für Zone 1 und Zone 2 geeignet ist, entfallen unter anderem I/O-Karten und Ex i-Trennstufen. Zudem werden weniger Kupferkabel als üblich benötigt. Die Lösung spart also Gewicht und Platz, was sich auf Schiffen besonders bezahlt macht. Außerdem warnt die integrierte Diagnose vor Ausfällen. Dies erhöht die Verfügbarkeit. Dazu tragen auch verschiedene Redundanz-Optionen, beispielsweise für die CPU und das Power Modul, bei.

Eine weitere Anforderung, die aus dem Einsatz auf See resultieren, sind natürlich die nötigen Schiffszulassungen. Über diese verfügt IS1+, was es zusammen mit seinen internationalen Zulassungen für Zone 1 und Zone 2 bzw. Div. 1 und Div. 2 zum weltweit am häufigsten eingesetzten Remote I/O System macht. Es ist mit nahezu jedem Automatisierungssystem einsetzbar.