FleetMon in der Forschung: Technisch-wirtschaftliche Machbarkeit von grünem Ammoniak als Kraftstoff für die Seeflotte

Transparenz und umweltfreundlichere Schifffahrt sind zwei unserer wichtigsten Ziele bei FleetMon. Deshalb unterstützen wir Studenten, Universitäten und Institutionen bei ihren maritimen Forschungsprojekten mit AIS-Daten. Mehr als 120 Universitäten gehören zu unseren Kooperationspartnern - eine davon ist die Universität Oxford. Im Jahr 2022 kontaktierte uns Daniel Bundred, ein MEng-Student des Department of Engineering, und bat um AIS-Daten für sein Projekt zur Dekarbonisierung der globalen Schifffahrt.

Erforschung der Machbarkeit von grünem Ammoniak als Kraftstoff für Massengutfrachter und Kühlschiffe Schiffe

Die IMO hat sich zum Ziel gesetzt, die CO2-Emissionen bis zum Jahr 2050 um 70 % zu senken. Dies kann nur durch die Verwendung eines Kraftstoffs erreicht werden, der im Vergleich zu dem derzeit verwendeten Schweröl (HFO) weniger Emissionen in den Propeller leitet. Grünes Ammoniak, das aus Wasser, Luft und erneuerbarem Strom hergestellt wird, hat das Potenzial, dieses Ziel zu erreichen, und wurde aufgrund seiner günstigen Energiedichte und Kosten im Vergleich zu Batterien und anderen grünen Kraftstoffen als potenzieller Ersatz für HFO in die engere Wahl gezogen. Dennoch wird für einen Ammoniak-Maschinenraum und die Lagerung des Kraftstoffs mehr Platz benötigt als für HFO in der Vergangenheit. Außerdem sind mit dem Bau eines mit Ammoniak betriebenen Antriebsstrangs zusätzliche Kosten verbunden, und zum Zeitpunkt der Studie war grünes Ammoniak pro Energieeinheit teurer als HFO. 

Verwendung von AIS-Daten von FleetMon

Anhand von AIS-Daten, die von FleetMon bereitgestellt wurden, wurde ein Betriebsjahr für eine Vielzahl von Schiffen modelliert, darunter Ultra Large Container Schiffe, kleine Massengutfrachter und LNG-Tanker. In das Modell werden die Motorkenndaten des Schiffes und die Routendaten mit einer stündlichen Auflösung für 2019 eingegeben. Anhand dieser Daten wird der Kraftstoffverbrauch des Schiffes berechnet, indem die Leistung modelliert wird, die Schiff benötigt, um Widerstandskräfte wie die Mantelreibung zu überwinden. Die im Laufe des Jahres verbrauchte Energie wurde zur Berechnung des Treibstoffverbrauchs und der energieintensivsten Fahrten verwendet, um die Treibstofftanks zu dimensionieren und so die Ladekapazität zu schätzen. Auch die wirtschaftlichen Erträge wurden modelliert, so dass die Gesamtgewinne jedes Schiffes während seiner Lebensdauer bewertet und mit einem HFO-Basiswert verglichen wurden. Da erwartet wird, dass die Preise für grünes Ammoniak in den nächsten 30 Jahren erheblich sinken werden (und die Kosten für fossile Brennstoffe im Jahr 2022 gestiegen sind), wurde ein weiteres Modell entwickelt, um die Auswirkungen schwankender Brennstoffpreise und Frachtraten während der Lebensdauer des Schiffs zu untersuchen. Es berücksichtigt die Reaktion des Betreibers auf schwankende wirtschaftliche Bedingungen, indem es die Betriebsgeschwindigkeit des Schifffür das jeweilige Jahr optimiert, um den Gewinn zu maximieren.

Ergebnisse

Die Ergebnisse bestätigen die technische Machbarkeit von Ammoniak als Schiffskraftstoff, wobei die Ladekapazität bei allen Schiffen um weniger als 5 % verringert wird. Dies gilt trotz der Unterschiede zwischen den verschiedenen Schiffen hinsichtlich Größe, durchschnittlicher Fahrtdauer, Betriebsgeschwindigkeit und Hilfsenergiebedarf. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kosten das Haupthindernis für die Einführung von grünem Ammoniak als Schiffskraftstoff sind.

Es wurde festgestellt, dass die Kapitalkosten aufgrund der zusätzlichen Ausrüstung, die für den Betrieb eines Ammoniakmotors erforderlich ist, und des zusätzlichen Materials, das für die Kraftstofflagerung benötigt wird, höher sind. Durch den Betrieb mit niedrigeren Geschwindigkeiten, wenn die Kraftstoffkosten hoch sind, konnten die Schiffe die zusätzlichen Betriebskosten, die mit einem teureren Kraftstoff verbunden sind, über die gesamte Lebensdauer des Schiffes reduzieren. Diese zusätzlichen Kosten stellen jedoch immer noch ein erhebliches Hindernis für die Verwendung von grünem Ammoniak als kohlenstofffreiem Kraftstoff dar.

Insgesamt erzielten Schiffe, die mit grünem Ammoniak betrieben werden, über die gesamte Lebensdauer hinweg Gewinne in einer Größenordnung von 30 bis 80 % dessen, was ein entsprechendes Schiff mit HFO-Antrieb erreichen würde. Es bedarf daher einer wirtschaftlichen Maßnahme, um Investoren einen Anreiz zu geben, auf kohlenstofffreie Schiffe zu setzen.

Die Studie bestätigte auch, dass die Verwendung von grünem Ammoniak als Schiffskraftstoff zu einer erheblichen Emissionssenkung führen kann. Bei Schiffen, die mit grünem Ammoniak betrieben werden, liegt die Verringerung der Scope-2-Emissionen während der gesamten Lebensdauer zwischen 94,8 und 96,7 % im Vergleich zu konventionellen Schiffen, was ausreicht, um das IMO-Ziel für die Verringerung der Emissionsintensität im Jahr 2030 zu erreichen.

Die Studie unterstreicht jedoch, wie wichtig künftige Arbeiten zum besseren Verständnis der N2O-Emissionen von mit Ammoniak betriebenen ICEs sind. Die Studie schätzt, dass der Großteil der Treibhausgasemissionen von mit Ammoniak betriebenen Schiffen aus der Emission von N2O stammen könnte, und die Unsicherheit in dieser Zahl führt zu einer erheblichen Unsicherheit bei der Reduzierung des Treibhauspotenzials (GWP) von grünem Ammoniak als Schiffskraftstoff.

Die nachstehende Tabelle zeigt die acht betrachteten Schiffe sowie den relativen Kapitalwert, den das mit Ammoniak betriebene Schiff erzielt, und die Verringerung der Emissionen im Vergleich zum ursprünglichen (mit HFO betriebenen) Schiff. Für den Kapitalwert der mit Ammoniak betriebenen Schiffe wird eine Spanne angegeben, die der im Modell verwendeten Spanne der prognostizierten grünen Ammoniakpreise entspricht.

Autor: Daniel Bundred, Betreuer: Prof. Rene Banares-Alcantara, Universität von Oxford

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