Saubere Schifffahrt? Forscher lösen großes Ammoniak-Problem
Forschende entwickeln neue Technik für Ammoniak-Motoren. Das Verfahren könnte die Schifffahrt deutlich klimafreundlicher machen.
Grünes Ammoniak gilt als Hoffnung für die Schifffahrt. Neue Forschung löst nun ein großes Problem bei der Verbrennung.
Foto: picture alliance/dpa | Marcus Brandt
Die internationale Schifffahrt steht unter Druck. Frachter transportieren zwar rund 90 % des Welthandels, verursachen aber auch enorme Mengen an Treibhausgasen. Schwerölmotoren gelten als robust, aber klimaschädlich. Deshalb suchen Reedereien und Motorenhersteller seit Jahren nach Alternativen. Eine davon heißt Ammoniak.
Der Stoff enthält kein Kohlenstoffatom. Bei der Verbrennung entsteht also kein CO₂. Genau deshalb gilt grünes Ammoniak als möglicher Kraftstoff der Zukunft für große Schiffe. Das Problem: Ammoniak lässt sich nur schwer kontrolliert verbrennen. Genau daran scheiterten bislang viele Konzepte.
Ein Forschungsteam der Tianjin University und der Lund University präsentiert nun einen neuen Ansatz. Die Forschenden entwickelten ein Verfahren namens „Thermal Atmosphere Compression Ignition“, kurz TACI. Damit soll sich Ammoniak deutlich stabiler und sauberer nutzen lassen. Grundlage ist eine aktuelle Studie im Fachjournal ENGINEERING Energy.
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Warum Ammoniak bisher problematisch war
Die Idee klingt zunächst logisch: Wenn kein Kohlenstoff im Kraftstoff steckt, entstehen auch keine direkten CO₂-Emissionen. In der Praxis bringt Ammoniak aber mehrere Nachteile mit:
- geringe Flammengeschwindigkeit,
- hohe Zündhemmung,
- schwierige Selbstentzündung,
- Risiko unverbrannter Ammoniakreste,
- Bildung von Lachgas (N₂O).
Vor allem Lachgas ist kritisch. Das Treibhausgas wirkt laut Forschenden fast 300-mal stärker als CO₂. Entsteht davon zu viel, verliert Ammoniak seinen Klimavorteil schnell wieder.
Hinzu kommt ein weiteres Problem: Flüssiges Ammoniak entzieht seiner Umgebung beim Verdampfen viel Wärme. Dadurch kühlt sich das Gemisch im Zylinder stark ab. Die Verbrennung wird instabil oder bricht ganz zusammen.
Die Forschenden setzen auf eine „thermische Atmosphäre“
Genau hier setzt der neue TACI-Ansatz an. Die Forschenden erzeugen zunächst im Motor eine hochreakive Umgebung mit hoher Temperatur und vielen chemisch aktiven Radikalen. Dafür nutzen sie n-Heptan, einen leicht entzündlichen Kraftstoff.
Dieser erste Verbrennungsschritt erzeugt laut Studie eine Art thermische Atmosphäre im Zylinder. Erst danach wird flüssiges Ammoniak eingespritzt. Das sorgt dafür, dass sich der Kraftstoff sofort entzündet und stabil abbrennt.
Die Forschenden schreiben: „Indem der Prozess durch die Kraftstoff-Luft-Mischung gesteuert wird, anstatt sich ausschließlich auf die Flammenausbreitung zu verlassen, überwindet die Diffusionsverbrennung effektiv die träge Verbrennungsgeschwindigkeit von Ammoniak.“
Das klingt technisch. Vereinfacht bedeutet es: Das System hilft dem schwer entzündlichen Ammoniak aktiv beim Verbrennen, statt darauf zu warten, dass sich die Flamme von allein ausbreitet.
Weniger Emissionen und höhere Effizienz
Besonders interessant sind die Messergebnisse. Unter stabilen Bedingungen erreichte das System laut Studie:
- einen hohen thermischen Wirkungsgrad,
- niedrige Stickoxid-Emissionen,
- extrem geringe Lachgaswerte,
- kaum unverbranntes Ammoniak.
Außerdem fanden die Forschenden heraus, dass die Temperatur im Zylinder entscheidend ist. Erst ab etwa 1500 Kelvin arbeitet die Verbrennung stabil genug. Diese hohe Temperatur gleicht den starken Kühleffekt des verdampfenden Ammoniaks aus.
Reicht das für klimafreundliche Schiffe?
Noch nicht vollständig. Der TACI-Modus benötigt weiterhin einen zusätzlichen Kraftstoff für die erste Zündung. Dennoch sehen die Forschenden darin einen wichtigen Schritt Richtung CO₂-armer Schiffsmotoren.
Relevant ist insbesondere der sogenannte Ammoniak-Substitutionsgrad. Er beschreibt, wie viel herkömmlicher Kraftstoff durch Ammoniak ersetzt wird. Laut Studie lag dieser Wert bei über 80 %. Gleichzeitig reduzierte das System die gesamten Treibhausgasemissionen um mehr als 70 %. Damit würden die Klimaziele der International Maritime Organization für 2040 erreicht.
Die Schifffahrt sucht weiter nach Lösungen
Ob sich Ammoniak langfristig durchsetzt, ist offen. Auch Methanol, Wasserstoff oder synthetische Kraftstoffe gelten als Kandidaten. Jeder Ansatz bringt jedoch eigene Nachteile mit.
Ammoniak besitzt trotzdem einen wichtigen Vorteil: Der Stoff lässt sich vergleichsweise gut speichern und transportieren. Genau das macht ihn für große Frachtschiffe interessant, die wochenlang auf See unterwegs sind.
Die neue Studie zeigt vor allem eines: Das zentrale Verbrennungsproblem scheint technisch lösbar zu werden. Bis aus Laborergebnissen jedoch serienreife Schiffsmotoren entstehen, dürften noch einige Jahre vergehen.
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