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Ammoniak als Schiffstreibstoff: Unter grünem Volldampf

In 30 Jahren wird jedes vierte Schiff mit Ammoniak laufen, schätzen Experten. Denn mit dem Gas als Treibstoff könnten die Flotten der Welt endlich erneuerbare Energie bunkern.
Ein Containerschiff von vorneLaden...

Wer eine Schiffsreise antritt, kann direkt vom Sonnendeck aus sehen, wie rußige Schwaden aus schwarzem Qualm in die Luft steigen. Das Abgas des Schiffstreibstoffs aus Schweröl stinkt nicht nur, es trägt auch erheblich zur Klimakrise bei. Darum fuhr Greta Thunberg 2019 auch nicht mit einem Motorschiff zum Klimagipfel über den Atlantik, sondern mit einer Segeljacht. Nun aber zeichnen sich am Horizont Schiffe ab, deren Antrieb durchaus den Ansprüchen der Klimaaktivistin genügen könnte: Dank »grünem Ammoniak« könnten sie schnell, günstig und vor allem umweltfreundlich die Meere kreuzen.

Eine Alternative zum fossilen Kraftstoff wird dringend gesucht. Der weltweite Schiffsverkehr ist aktuell für ungefähr zwei Prozent der globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich. Zumindest in den Jahren vor der Coronakrise haben Passagiertransport wie auch die Containerverschiffung ein beschleunigtes Wachstum hingelegt. Laut einer Studie der International Maritime Organisation könnten sich die klimaschädlichen Emissionen bis 2050 sogar noch mehr als verdoppeln. Zwar fahren jetzt schon einige wenige Schiffe mit Wasserstoffantrieb oder elektrisch mit mitgeführtem Strom. Doch ein eindeutiger Kandidat, der sich auch in der Breite durchzusetzen verspricht, ist noch nicht einsatzbereit.

Motoren mit Ammoniak zu betreiben, hat eine lange Geschichte. Einer der ersten, der die stechend riechende Substanz nutzte, war Emile Lamm. Der Zahnarzt und Erfinder baute Straßenbahnen, die damals für kurze Zeit in New Orleans fuhren. Das war 1872. Doch die Elektrifizierung verdrängte bald diese Art Kraftstoff. Eine Renaissance erlebt das Gas mit der chemischen Formel NH3 erst heute, knapp 150 Jahre später. Denn es lässt sich nicht nur verbrennen, ohne dabei Kohlendioxid freizusetzen, es transportiert auch im Molekül gebunden Wasserstoff, der sich vor Ort in Brennstoffzellen zu Strom verwandeln lässt. Die DNV, ein großer technischer Dienstleister für die Schifffahrt mit Sitz in Norwegen, sieht im Ammoniak darum die Alternative mit dem höchsten Potenzial. Bis 2050, schätzt sie, könnte sein Anteil im Energieträgermix bei Binnen- und Hochseeschiffen auf 25 Prozent anwachsen, neben Flüssiggas, Diesel, Schweröl und Biokraftstoffen.

Eine ammoniakbetriebene Sportjacht soll bereits 2022 in See stechenLaden...
Wind in den Segeln, Windkraft im Tank? | Eine ammoniakbetriebene Sportjacht soll bereits 2022 in See stechen. Mit »grünem« Ammoniak wäre sie CO2-frei zu betreiben.

Wasserstoff hat ein Transportproblem

Reiner Wasserstoff dürfte laut diesen Prognosen nur einen verschwindend geringen Anteil ausmachen. Auf dem Papier ist es zwar energetisch günstiger, direkt Wasserstoff einzusetzen, als den Umweg über Ammoniak zu nehmen. Doch das H2-Gas ist schwer zu handhaben. Entweder lagert man es unter extrem hohen Drücken von 250 Bar oder noch mehr. Oder man verflüssigt es, indem man es auf minus 253 Grad Celsius herunterkühlt. Wenn Schiffe Wasserstoff als Flüssigtreibstoff mitführen, belegen die kugelrunden und gut isolierten Tanks wertvollen Laderaum und enthalten dennoch, auf das Volumen gerechnet, deutlich weniger Energie als Ammoniak. Die Stickstoffverbindung hingegen ist schon bei 8 Bar flüssig. »Das ist der Druck in einer Gasflasche für einen Campingkocher«, sagt Michael Steffen, Abteilungsleiter für Energieträger und Prozesse am Zentrum für Brennstoffzellentechnik (ZBT) in Duisburg.

All das macht seinen Einsatz nicht nur sicherer, er verschlingt auch deutlich weniger Energie – so viel weniger, dass Ammoniak am Ende in der Bilanz besser dastehen dürfte als reiner Wasserstoff. Und das, obwohl es mehr Energie kostet, es zu produzieren, und obwohl es Verluste gibt, wenn man mit ihm einen Motor antreibt. Das gilt insbesondere, wenn man mit großen Mengen Treibstoff an Bord um die halbe Welt schippert.

Anders als beim Wasserstoff gibt es auch bereits jetzt eine fix und fertige Infrastruktur für Produktion und Transport. Gewaltige Mengen dieses Rohstoffs werden jedes Jahr hergestellt und verschifft: Mehr als 200 Millionen Tonnen sind es, was Ammoniak zu einer der drei meistproduzierten Chemikalien der Welt macht. Über 80 Prozent gehen in die Erzeugung von Düngemitteln für die Landwirtschaft.

Stapellauf in ein bis drei Jahren

Zumindest rein rechnerisch scheint der Wettbewerb entschieden. Weltweit arbeiten nun Forscherinnen und Forscher an der Umsetzung, schon in den kommenden Jahren sollen die ersten Schiffe mit Ammoniakantrieb fahren. In Deutschland zählt dazu das Campfire-Bündnis, das Zentrum für Brennstoffzellentechnik oder verschiedene Fraunhofer-Institute, in den USA die University of Delaware und das Colorado Fuel Cell Center und im australischen Melbourne die Monash University. Dort hat man das Ammoniak schon zum »Hydrogen 2.0« erklärt: zur verbesserten Neuauflage der Wasserstofftechnologie. Doch die praktische Umsetzung des Ammoniakantriebs ist im Detail verzwickt.

»Wir entwickeln Ammoniakantriebe für eine Sportjacht, eine kleine Binnenfähre und ein Kreuzfahrtschiff«(Angela Kruth, Forschungsprojekt Campfire)

Denn ob für einen Verbrennungsmotor oder für die Brennstoffzelle, in aller Regel muss man auf dem Schiff das Molekül in seine Bestandteile Wasserstoff und Stickstoff aufspalten. Zwar hatte schon Emile Lamm gezeigt, dass man das Gas auch direkt im Motor verbrennen kann. Doch moderne Ammoniakmotoren brauchen immer noch eine Zufuhr von 10 bis 20 Prozent reinen Wasserstoffs, sagt Steffen. Die Leistung ist höher, und es entstehen weniger Abgase. Dafür entwickelt der Duisburger Forscher einen Ammoniakcracker. Das ist eine kleine chemische Fabrik, die im Wesentlichen aus Stahl, einer Isolierung und einem Katalysator besteht. »Der Cracker ist nicht so groß wie ein Motor, nimmt aber schon etwas zusätzlichen Platz ein.«

Die Schiffe pusten dann keinen rußigen Qualm und kein Kohlendioxid mehr in die Luft, stattdessen verbrennt die Treibstoffmischung aus Ammoniak und Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasserdampf und reinem Stickstoff, dem Hauptbestandteil der irdischen Atmosphäre. Die Schiffe befahren dann »kohlenstofffrei« das Meer, sagt Angela Kruth vom Leibniz-Institut für Plasmaforschung in Greifswald. Sie koordiniert das Projekt Campfire, einem Forschungsverbund, an dem zu zwei Drittel Unternehmen wie der Düngemittelproduzent Yara, die Weiße Flotte, Hanseyachts und Sunfire beteiligt sind. Man habe vom hemdsärmeligen Schiffer bis zum Wissenschaftler alle im Projekt, sagt die Leiterin der mit 48 Millionen Euro vom Bundesforschungsministerium geförderten Unternehmung.

»Wir entwickeln Ammoniakantriebe für eine Sportjacht, eine kleine Binnenfähre und ein Kreuzfahrtschiff«, erklärt Kruth. Die Sportjacht soll 2022 vom Stapel laufen, 2026 soll eine Autofähre folgen, die unweit des Hafens in Rostock über den Fluss Warnow fährt. AIDA führe eine technoökonomische Machbarkeitsstudie für einen Neubau mit Zeithorizont 2030 durch.

Auch der Ammoniakantrieb erzeugt Abgase

Doch kohlenstofffrei bedeutet nicht ohne Abgase. Stickoxide und das hochwirksame Treibhausgas Lachgas entstehen bei der Verbrennung als Nebenprodukte. Um sie zu reduzieren, muss die Verbrennung optimiert und eine Abgasreinigung eingebaut werden. Verglichen mit anderen Antriebsarten sei das Problem jedoch überschaubar, findet Angela Kruth. Sie geht davon aus, dass nicht mehr entsteht als bei anderen üblichen Verbrennungsmotoren. Auch Sönke Diesener vom Naturschutzbund Deutschland (NABU) sieht im Ammoniak darum eine attraktivere Alternative für den Klimaschutz. Attraktiver auch als der vermeintlich klimaschonendere Antrieb mit LNG. Aus winzigen Lecks in Tanks und Leitungen für das Flüssigerdgas entweichen beträchtliche Mengen des ebenfalls stark klimaschädlichen Methans.

Die »Viking Energy« mit HochtemperaturbrennstoffzelleLaden...
Die »Viking Energy« mit Hochtemperaturbrennstoffzelle | Das Versorgungsschiff wird derzeit umgerüstet zur Erprobung eines Ammoniakantriebs. Zur Sicherheit wird sie jedoch weiterhin Erdgas als Ersatz mitführen.

Ohne die typischen Verbrennungsrückstände klappt es mit einer Brennstoffzelle. Hier wird Ammoniak nicht verbrannt, sondern vollständig in Wasserstoff und Stickstoff zurückverwandelt. Aus dem Wasserstoff erzeugt dann eine Brennstoffzelle elektrischen Strom. Nur muss auch hier das Ammoniak zuvor in einem Cracker zerlegt werden. Das funktioniert jedoch nicht zu 100 Prozent: Neben den erwünschten Gasen entstehen auch geringe Mengen anderer Stoffe. Also ist eine vorgeschaltete Reinigung nötig, denn »Brennstoffzellen, die aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugen, mögen das nicht«, sagt Florian Nigbur. Der Maschinenbauer arbeitet am Lehrstuhl für Energietechnik der Universität Duisburg-Essen und forscht dort an Ammoniak-Crackern für alkalische Brennstoffzellen, die weniger empfindlich sind.

Auch Hochtemperaturbrennstoffzellen, die das Ammoniak bei hohen Temperaturen aufspalten und darum ohne Cracker auskommen, sind bereits in der Entwicklung. Um die Technologie voranzubringen, rüstet ein multinationales Projektteam die »Viking Energy« mit einer Zwei-Megawatt-Brennstoffzelle aus. Wenn das Versorgungsschiff ab 2024 die Offshoreanlagen des norwegischen Energieriesen Equinor anläuft, soll es jährlich bis zu 3000 Stunden Fahrt mit emissionsfreiem Kraftstoff machen.

»Es gibt gerade einen großen Hype um Ammoniak, ohne dass Risiken hinreichend berücksichtigt würden«(Martin Cames, Öko-Institut)

Was passiert bei einer Havarie?

Zwar kann die Nutzung von Ammoniak als Energieträger auf die vorhandene Ammoniakwirtschaft aufsatteln, was dagegen fehlt ist die für den neuen Anwendungszweck passende Infrastruktur. Das geht über moderne Motoren und robuste Brennstoffzellen hinaus: Tankstellen an den Häfen etwa müssten entwickelt, die Tanklager umgerüstet und das Handling geübt werden. Immerhin ist Ammoniak ein toxisches Gas.

»Es gibt gerade einen großen Hype um Ammoniak, ohne dass Risiken hinreichend berücksichtigt würden«, sagt Martin Cames, Leiter des Bereichs Energie & Klimaschutz im Berliner Büro des Öko-Instituts. Was passiert, wenn eine Ammoniakleitung an Land platzt? Was, wenn ein Schiff mit Ammoniaktanks in eine Havarie gerät? Welche Rolle spielt das extrem klimaschädliche Lachgas, das bei den Prozessen frei werden könnte? Seit Mitte Februar arbeitet er an einer Studie, um diese Risiken zu bewerten. »Wir schließen nicht aus, dass Ammoniak ein geeigneter Treibstoff ist, aber die Auswirkungen für Menschen, Umwelt und Klima wurden noch nicht angemessen bewertet«, sagt Cames. Wenn Ammoniak in ein Gewässer gelangt, hat das massive Folgen für die Natur. Allerdings nur kurzfristig, während eine Ölpest über Jahre Schaden anrichtet. »Wie bewertet man diese Risiken im Vergleich?«, fragt Cames.

Das gesamte Ammoniak-»Ökosystem« wirtschaftlich tragfähig zu machen, ist ebenfalls Ziel des Forschungsverbunds Campfire. Dazu gehören neben Betankungsanlagen und Bunkern auch eigene kleinskalige Anlagen, die direkt an den Wind- und Solarparks stehen und dort erneuerbare Energie zur Herstellung von Ammoniak nutzen.

Denn ein entscheidender Punkt darf bei alldem nicht aus den Augen verloren werden: Wirklich kohlendioxidfrei und klimaneutral ist das Ammoniak nur, wenn es mit regenerativen Energien erzeugt wird. Erst dann verdient es das Prädikat »grün«.

Grüner muss es werden

Und dieses grüne Ammoniak gebe es eigentlich noch gar nicht, sagt Öko-Institut-Forscher Cames. Die heutige Ammoniakproduktion baut fast ausschließlich auf fossilen Rohstoffen wie Erdgas, aber auch Kohle oder Erdöl auf. Sie liefern den Wasserstoff, der anschließend im Haber-Bosch-Verfahren zu Ammoniak umgesetzt wird. Das hat zur Folge, dass 1,4 Prozent der globalen Kohlendioxidemissionen im Zuge der Ammoniaksynthese entstehen.

Bald schon mit Ammoniak?Laden...
Bald schon mit Ammoniak? | Solche Flüssigerdgastanker ließen sich theoretisch leicht umrüsten, um im großen Stil Ammoniak zu transportieren. So könnte Wind- oder Sonnenstrom dorthin verschifft werden, wo er gebraucht wird.

Mit Hilfe von elektrischem Strom ließe sich dagegen Wasserstoff ohne Rückgriff auf Gas und Kohle erzeugen. Bei der Elektrolyse wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten, was wiederum nur dann klimaneutral ist, wenn der Strom dazu aus regenerativen Quellen stammt. Es ist die größte Schwäche der Wasserstoff- und Ammoniaktechnologie, vielleicht aber auch ihre größte Chance: Etabliert es sich Ammoniak als Schiffstreibstoff, könnte es den grünen Wasserstoff mitziehen.

Und vielleicht sogar die erneuerbare Stromerzeugung selbst. Viele Fachleute hoffen darauf, dass Ammoniak die Rolle eines universellen Energiespeichermediums einnimmt. Es würde den Anlagebetreibern gestatten, überschüssige Energie in Form von Ammoniak zwischenzulagern und verhältnismäßig einfach dorthin zu verschiffen, wo sie gebraucht wird. Umgebaute LNG-Schiffe würden dann mit Sonnenstrom aus Afrika oder Windstrom aus dem Nordatlantik als Fracht die großen Häfen der Welt anlaufen. Und nicht zuletzt könnte eine grüne Ammoniakflotte auch eine grüne Wandlung in der klassischen Düngemittelproduktion anstoßen, hofft Sönke Diesener vom NABU.

Japan will mit Ammoniak klimaneutral werden

Yara, einer der führenden Hersteller für Ammoniak, plant etwa gemeinsam mit dem Elektrolyseunternehmen Nel eine grüne Ammoniakproduktion von 500 000 Tonnen pro Jahr. Auch die dänische Firma Ørsted will 2024 Windenergie von Offshoreanlagen nutzen, um bis zu 75 000 Tonnen grünes Ammoniak zu erzeugen. Und der Gashersteller Air Products plant zusammen mit dem saudischen Königshaus ab 2025 in der Wüste pro Tag 650 Tonnen kohlenstoffarmen Wasserstoff zu produzieren, daraus werden dann nach Firmenangaben 3700 Tonnen Ammoniak.

Japan setzt auf die Kombination von Wasserstoff und Ammoniak, um das Land bis 2050 emissionsfrei zu machen. Bis auf Weiteres werden die Emissionen allerdings nur verschoben: Der Wasserstoff wird mit Hilfe australischer Braunkohle hergestellt – mit verheerender Klimabilanz, aber offiziell nur als Zwischenlösung, bis eine grüne Produktionskette steht. Kritisch sehen Experten auch ein Projekt von Saudi Aramco, bei dem Ammoniak aus Erdgas hergestellt wird, um mit dem Nebenprodukt Kohlendioxid Öl aus der Erde zu drücken. Eine Mogelpackung? Der Ölmulti spricht von »Öko-Brennstoff« oder »blauem Ammoniak«. Doch »die ganze Sache mit Ammoniak macht nur Sinn, wenn der Wasserstoff grün ist«, sagt der Duisburger Energieexperte Michael Steffen.

Ob Ammoniak wirklich die bessere Variante gegenüber Wasserstoff, Akkus oder Methanol ist, sei gar nicht so entscheidend, sagt Cames vom Öko-Institut. »Die optimale Variante werden wir nicht identifizieren können.« Der Transport von Wasserstoff werde gerade optimiert, dann sind die Vorzüge des Ammoniaks womöglich schnell dahin. »Was wir dringend brauchen, ist eine globale Strategie auf einen einzigen Kraftstoff. Parallel die Infrastruktur von Alternativen aufzubauen, das ist Verschwendung von Ressourcen und Zeit.«

Ob mit Wasserstoff, Ammoniak oder einem dritten Treibstoff: Bis Motorschiffe auf den Weltmeeren kreuzen, die auch eine Klimaaktivistin aus Schweden guten Gewissens buchen kann, wird es wohl noch etwas dauern.

Anmerkung der Redaktion: In einer früheren Version des Artikels hieß es irrtümlich, das Vorhaben von Air Products sei eine Pilotanlage. Zudem wurden die täglichen Produktionsmengen von uns falsch berechnet. Wir haben beide Fehler inzwischen korrigiert.
Angela Kruth hat ihre Aussagen zum Bau eines Kreuzfahrtschiffes nachträglich präzisiert.

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