Die internationale Schifffahrt befindet sich mitten in einer großen technologischen Umwälzung. Die Klimaziele der International Maritime Organization (IMO) und die europäische FuelEU Maritime-Verordnung verlangen, die Treibhausgasemissionen drastisch zu senken. Schon heute müssen in europäischen Gewässern Kraftstoffe mit CO₂-neutralen Anteilen eingesetzt werden, bis 2050 soll ihr Anteil auf 100 Prozent steigen. Doch was einfach nach einer Umstellung klingt, entpuppt sich als hochkomplexes Puzzle. „Die Biokraftstoffe können aus den unterschiedlichsten Rohstoffen hergestellt werden“, erklärt Dr. Jasmin Bullermann, Chemikerin in der Arbeitsgruppe von Prof. Friedrich Wirz. „Das können gebrauchte Speiseöle sein, tierische Fette wie ausgekochte Kuhhäute, Holzreste oder andere biogene Reststoffe, wie die Schalen von Cashewnüssen, oder auch Klärschlamm. Zunehmend kommen auch synthetische Kraftstoffe hinzu, die mithilfe von grünem Wasserstoff erzeugt werden.“
Wenn der Tank zur Wundertüte wird
Gemeinsam mit der Hamburger Reederei Auerbach untersucht die TU Hamburg im Forschungsprojekt „Bio-Tank“, welche Biokraftstoffe sich für den realen Schiffsbetrieb am besten eignen. Die Reederei wurde erst 2015 gegründet und hat sich zum Ziel gesetzt, den globalen Handel nachhaltiger zu gestalten. Sie betreibt keine Linienschifffahrt und kann deshalb kaum planen, wo die Schiffe aufgetankt werden können. In der Regel geschieht es dort, wo sie sich aufhalten und gerade Kraftstoff verfügbar ist – in Rotterdam genauso wie in Singapur oder Südamerika. Das bedeutet: Im Tank treffen unterschiedlichste Kraftstoffmischungen mit verschiedenen biogenen Anteilen aufeinander. Oft befinden sich außerdem noch Restmengen früherer Bunkerungen im System. Was chemisch passiert, wenn sich all diese Kraftstoffe vermischen, weiß bislang oft niemand genau. „Im ungünstigsten Fall können solche Gemische die Antriebsmaschinen schädigen oder sogar zum Motorausfall führen“, sagt Bullermann.
Deshalb sammelt die Reederei weltweit Kraftstoffproben, die anschließend an der TU Hamburg untersucht werden. Im Labor taucht Chemikerin Bullermann kleine Stäbe aus Schiffbaustahl in die verschiedenen Flüssigkeiten. Nach einiger Zeit sehen sie völlig unterschiedlich aus: Manche glänzen noch silbrig wie zuvor, andere sind bereits deutlich angegriffen oder zeigen erste Rostspuren. Doch Korrosion ist nur ein Teil der Geschichte. Die Forschenden untersuchen ebenso, wie sich die Kraftstoffe im Laufe der Zeit verändern, ob unterschiedliche Blends miteinander verträglich sind, wie sie mit Werkstoffen reagieren und ob sie stabile Mischungen bilden. Ein sogenannter Tüpfeltest zeigt schließlich, ob ein Kraftstoff homogen bleibt oder sich seine Bestandteile voneinander trennen. Die Frage lautet letztlich nicht nur, wie klimafreundlich ein Kraftstoff ist, sondern, ob er auch zuverlässig ist.
Nicht nur der Kraftstoff entscheidet
Doch selbst wenn ein neuer Kraftstoff den Tank nicht beschädigt, ist die Arbeit noch lange nicht getan. Verbrennungsverhalten, Temperaturen und chemische Prozesse unterscheiden sich teilweise deutlich von denen klassischer fossiler Kraftstoffe. Für das reibungslose Funktionieren der Schiffsmotoren ist eine weitere Komponente wichtig: das Schmieröl.
Im Forschungsprojekt „FuelOptimOT“untersucht die Arbeitsgruppe deshalb das Zusammenspiel zwischen Kraftstoff (Methanol) und Schmierung in modernen Schiffsmotoren. „Konkret kann man sich das so vorstellen, dass Öltröpfchen im Brennraum umherfliegen“, erklärt Prof. Friedrich Wirz. Was harmlos klingt, kann erhebliche Folgen haben. Gelangt Schmieröl in den Brennraum, beeinflusst es insbesondere bei Motoren, die mit Methanol betrieben werden, den Verbrennungsprozess. „Es können unerwünschte Selbstzündungen entstehen, die Wirkungsgrad und Lebensdauer des Motors beeinträchtigen.“
Deshalb werden die im Labor gewonnenen Erkenntnisse anschließend an zwei Motorprüfständen unter realitätsnahen Bedingungen überprüft. So lassen sich chemische und physikalische Eigenschaften mit dem tatsächlichen Verhalten im Motor verknüpfen und ganzheitlich bewerten. Die Forschenden untersuchen an den speziell ausgerüsteten Schiffsmotoren außerdem, wie sich der Öltransport innerhalb des Motors gezielt steuern lässt. Mithilfe von Messungen durch Laser-induzierte Fluoreszenz (LIF) und Simulationsmodellen wird die Kolbengruppe so optimiert, dass weniger Schmieröl in den Brennraum gelangt und Verbrennungsanomalien reduziert werden. Das Ziel soll sein, klimafreundliche Kraftstoffe nicht nur einzusetzen, sondern ihr Potenzial auch möglichst effizient auszuschöpfen.
Viele Puzzleteile für die Schifffahrt der Zukunft
Die beiden Forschungsprojekte zeigen exemplarisch, warum die klimaneutrale Schifffahrt weit mehr ist als die Suche nach dem perfekten klimaneutralen Kraftstoff. Jede Veränderung im Tank wirkt sich auf den Motor aus. Neue Verbrennungsprozesse verändern die Anforderungen an Schmierstoffe. Andere Temperaturen beeinflussen Bauteile, Materialeigenschaften und schließlich die gesamte Konstruktion des Antriebssystems.
Die Arbeitsgruppe Schiffsmaschinenbau verfolgt deshalb ihren systemischen Ansatz ganz im Sinne des TUHH-Leitmotivs „Engineering to Face Climate Change“. Das Team von Prof. Wirz verbindet deshalb Kompetenzen aus Chemie, Maschinenbau, Schiffbau und Messtechnik. Nur wenn alle diese Bereiche zusammen betrachtet werden, lassen sich die komplexen Zusammenhänge im Maschinenraum eines modernen Schiffes verstehen. Viele der gewonnenen Erkenntnisse lassen sich zudem auf landbasierte Anwendungen übertragen, etwa auf stationäre Motoranlagen oder Nutzfahrzeuge. Damit leisten die Forschungsarbeiten nicht nur einen Beitrag zur Emissionsreduzierung in der Schifffahrt, sondern unterstützen auch die Entwicklung klimafreundlicher Technologien in weiteren industriellen Anwendungsfeldern. „Engineering to Face Climate Change bedeutet für uns, die Herausforderungen nicht nur wissenschaftlich zu analysieren, sondern auch durch anwendungsorientierte Forschung aktiv zur Entwicklung technischer Lösungsansätze beizutragen“, so Wirz. Für eine Schifffahrt, die auch in Zukunft wirtschaftlich und zugleich klimaverträglich betrieben werden kann, und deren Forschung dazu im Labor zwischen Reagenzgläsern, Metallstäben und Öltests beginnt.
Weitere Informationen:
https://www.tuhh.de/asm/willkommen
