Warum Ammoniak als Kraftstoff?

Schiffe sind mit großem Abstand das energieeffizienteste Transportmittel. Weltweit transportieren sie über 90% aller gehandelten Waren. Allein in Deutschland laufen rund 60% aller Im- und Exporte über den Seeweg [1]. Die internationale Schifffahrt ist jedoch auch für ca. 2,6 Prozent der weltweiten CO2-Emissionen – abhängig vom Welthandel mit steigender Tendenz – verantwortlich [2]. Die Internationale Seeschifffahrtsorganisation (IMO) hat mit ihrer „Revised Green House Gas Strategy” die Zielstellung definiert, die internationale Schifffahrt bis 2050 oder kurz danach vollständig klimaneutral zu gestalten [3]. Auch die Europäische Union (EU) hat 2023 eine entsprechendeVerordnung (2023/1805) eingeführt [4].Aktuell setzt die Schifffahrt nahezu ausschließlich fossile Kraftstoffe (Schweröl, Marinediesel oder Flüssigerdgas) ein. Da eine direkte Elektrifizierung aufgrund des hohen Energiebedarfs seegehender Schiffe nicht generell möglich ist, müssen klimaneutrale Kraftstoffeeingeführt werden, um die maritime Energiewende sicherzustellen.Grüner Wasserstoff kann aufgrund der aufwendigen, teuren und energetisch nicht effizienten Speichertechnik nicht direkt in der Schifffahrt genutzt werden, sondern dient als Basis für einzusetzende synthetische Kraftstoffe (E-Fuels bzw. Power-to-X). Dies ist Konsens bei allen Stakeholdern in Industrie, Wissenschaft, Politik und bei den NGOs. Die Europäische Kommission fördert ab 2025 technologieoffen die Einführung solcher E-Fuels [5]. 

Grünes Ammoniak und seine Vorteile

Grünes Ammoniak (NH3) bietet eine Vielzahl an wichtigen Vorteilen für eine Nutzung in der Schifffahrt: eine energieeffiziente Synthese aus grünem Wasserstoff und Luftstickstoff (Haber-Bosch-Verfahren) sowie die Lagerung in flüssiger Form bei deutlich niedrigerem Druck (ca. 10 bar) mit vergleichsweise hoher volumetrischer Speicherdichte. Ammoniak als kohlenstofffreier Kraftstoff verringert die Gesamt-THG- Emissionen im Vergleich zu herkömmlichen Schiffskraftstoffen um etwa 85% und ermöglicht eine erhebliche Reduzierung anderer Emissionen wie SO₂, CO, Schwermetalle, Feinstaub und PAK - in einigen Fällen auf nahezu null [5]. Ammoniak ist ein bekannter Grundstoff in der Industrie und wird seit Jahrzehnten großtechnisch und sicher transportiert, gelagert und verarbeitet.

So importiert der Hafen Rostock seit über vierzig Jahren in großem Umfang Ammoniak über Tankschiffe und weiter über Pipelines vorrangig für die Produktion von Dünger. Weiterhin wird Ammoniak international in großem Umfang als Kältemittel für die Kühlung von Kühlhäusern, Flughäfen, Bürogebäuden, Produktionshallen und Sportanlagen verwendet [6]. Die grundsätzliche Eignung von Ammoniak als Kraftstoff für moderne, effiziente und schadstoffarme Großmotoren wurde in einer Reihe aktueller nationaler und internationaler Forschungsprojekte erfolgreich nachgewiesen [7][8][9][10]. Um einen langfristig zuverlässigen und sicheren Betrieb von Schiffsmotoren mit Ammoniak unter Realbedingungen zu ermöglichen, sind jedoch eine Reihe wichtiger Forschungsfragen ungeklärt.

Wissenschaftliche Fragestellungen, Forschungsbedarf und Forschungsziele

Neben geänderten Prozessbedingungen aufgrund der Nutzung von Ammoniak in Motoren, führen die von den bekannten Kraftstoffen deutlich abweichenden chemischen und physikalischen Eigenschaften des Ammoniaks zu grundsätzlich anderen Beanspruchungen relevanter Motorkomponenten. Daraus resultieren veränderte und auch grundsätzlich neuartige Alterungs- und Verschleißeffekte, die zu frühzeitigen Schädigungen und Versagen von mit NH3 in Kontakt kommenden Motorbauteilen führen können. Um ein systematisches Verständnis über die durch veränderte Beanspruchungen hervorgerufenen, neuartigen Schädigungs- und Alterungsmechanismen aufzubauen, ist eine detaillierte Analyse und Charakterisierung der Schädigungen an den Motorkomponenten unter NH3-Betriebsbedingungen notwendig.

Umsetzungskonzept

Zu diesem Zweck wird das Konsortium für den Ammoniakbetrieb angepasste Laborversuche und Analysemethoden entwickeln, sowie Methoden für die Vorhersage der Schädigung und die Korrelation zu Motorversuchen ableiten. So können zukünftig innovative Komponenten für einen Motorbetrieb mit Ammoniak effizient und zuverlässig gestaltet und praxisrelevant getestet werden.

Basierend auf dem erlangten Verständnis der Schädigungsmechanismen sollen Maßnahmen zur Verlängerung der Lebensdauer von Motorkomponenten erforscht und damit ein sicherer und wartungsarmer Langzeitbetrieb von NH3-Motoren realisiert werden. Ausgewählte relevante Motorkomponenten, die dem Ammoniak direkt oder indirekt ausgesetzt sind, sollen einer systematischen Analyse unterworfen werden. Neben den kraftstoffführenden Komponenten des Einspritzsystems sind dies das Schmieröl und damit in Kontakt stehende Gleitlager sowie Bauteile im Abgasstrang (Auslassventile, Abgaskatalysatoren). Darauf aufbauend muss die Abgasnachbehandlung eine effiziente Minderung von NH3-Schlupf und NOX-Emissionen sicherstellen.

Arbeitspakete und Themenschwerpunkte

Das Projekt untergliedert sich in einem koordinierenden Arbeitspaket (AP 1) und vier Themenschwerpunkten

• Innovative Werkstoffe und Beschichtungen für NH3-Motoren (AP 2, Themenschwerpunkt I)
• Innovative Prüfmethoden für die NH3-Interaktion mit Komponenten und Schmierstoffen (AP 3, Themenschwerpunkt II)
• Auswirkungen des NH3-Betriebs auf Abgasnachbehandlungskomponenten (AP 4, Themenschwerpunkt III)
• Anwendungsbezogene Konzeptentwicklung für Prüfmethoden an NH3-Großmotoren (AP 5, Themenschwerpunkt IV)

In diesen sollen die Auswirkungen des Ammoniakbetriebes auf Komponentenwerkstoffe untersucht und innovative Konzepte für den Schiffsbetrieb mit Ammoniak entwickelt werden. Das Projektkonsortium besteht aus acht Partnern von verschiedenen Forschungseinrichtungen aus MV. Der Forschungsverbund wird vom Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren (LKV) unter Leitung von Prof. Bert Buchholz koordiniert. Weitere Verbundpartner der Universität Rostock (URo) sind die Lehrstühle Werkstofftechnik (LWT), Fügetechnik (LFT), Data- Driven Analysis and Design of Materials (CDMA) der Fakultät Maschinenbau und Schiffstechnik (MSF) sowie Analytische Chemie (LAC) aus der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät.

Hinzu kommen Verbundpartner vom Anwendungszentrum Wasserstoff des Fraunhofer-Instituts für Großstrukturen in der Produktionstechnik (IGP) in Warnemünde, vom Leibniz-Institut für Katalyse e.V. (LIKAT) aus Rostock und vom Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e. V. (INP) aus Greifswald.
Das Alleinstellungsmerkmal des Forschungsverbundes ergibt sich aus der im nationalen, aber auch im internationalen Vergleich einzigartigen Vernetzung der interdisziplinären Fachexpertisen zu Verbrennungsmotoren, Kraft- und Schmierstoffforschung, Werkstoffen und Beschichtungen, Deep Learning Methoden für die Werkstoffwissenschaft, analytischer Chemie und Katalyse aus Mecklenburg-Vorpommern.

Beitrag des Projekts zu den Förderzielen

Im neuen Verbund erweitern die Forschungsinstitutionen aus MV im Rahmen der interdisziplinären Zusammenarbeit ihre Kompetenzen bei der Verwendung von Ammoniak als Kraftstoff. Weiterhin werden durch die Zusammenarbeit mit den außeruniversitären Forschungseinrichtungen LIKAT, INP Greifswald, Fraunhofer IGP Rostock (Wasserstoffanwendungszentrum) die Vernetzung der Forschungsinfrastruktur in MV gefördert und neue Impulse für gemeinsame Projekte gesetzt. Auf diese Weise werden die Förderziele der Ausschreibung „Anwendungsorientierte Exzellenzforschung in Mecklenburg-Vorpommern” auf ideale Weise umgesetzt. Es wird die vorhandene wissenschaftliche und technologische Exzellenz sowie die Vernetzung der Forschungskapazitäten der Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen des Landes gestärkt, es werden Verwertungspotentiale und potenzielle wirtschaftliche Anwendungen der Forschungsergebnisse aufgezeigt, sowie technologiespezifische Maßnahmen und Transfermaßnahmen in die Gesellschaft entwickelt. Dabei wird exzellente Grundlagenforschung der einzelnen Partner hinsichtlich eines Wissens- und Technologietransfers für eine gesellschaftliche und wirtschaftliche Anwendung weiterentwickelt. Das stärkt die Wettbewerbsfähigkeit der beteiligten Forschungseinrichtungen und ermöglicht zukünftig verstärkt Partnerschaften und anwendungsorientierte Forschungsvorhaben mit regionalen sowie überregionalen Industriepartnern. Großes Augenmerk gilt im Verbund der Förderung von NachwuchswissenschaftlerInnen in der interdisziplinären Zusammenarbeit und bei der Entwicklung von Transferwissen und anwendungsorientierten Forschungsansätzen.