Schone kracht vooruit: alternatieve brandstoffen in de scheepvaart

Klimaatprobleem van zware stookolie en scheepsdiesel op zee

Eind 2021 was er al driekwart van gereed: de "Uthörn II", het nieuwe onderzoeksschip van het Alfred Wegener-instituut in Bremerhaven, Duitsland. De "Uthörn II" zal binnenkort het eerste Duitse zeeschip zijn dat methanol gebruikt als klimaatvriendelijke brandstof op de oceanen van de wereld en vooral in het Noordpoolgebied en Antarctica. Het nieuwe onderzoeksschip zal de in 1982 te water gelaten "Uthörn I" vervangen. En met een goede reden: de "Uthörn I" stoot jaarlijks ongeveer 250 ton CO2 uit met zijn dieselmotoren – ongeveer zoveel als 26 mensen jaarlijks in Duitsland produceren. Dit zal binnenkort eindigen.

De "Uthörn II" kan worden beschouwd als een symbool van een nieuw begin: de wereldwijde scheepvaartsector wordt momenteel geconfronteerd met de taak om de uitstoot van verontreinigende stoffen drastisch te verminderen en zo een bijdrage te leveren aan de strijd tegen klimaatverandering. En dat is ook dringend nodig: de circa 90.000 vrachtschepen en passagiersschepen verbranden momenteel ongeveer 370 miljoen ton brandstof per jaar op de wereldzeeën. De verbranding van fossiele brandstoffen, zoals zware stookolie of scheepsdiesel, genereert talloze emissies die schadelijk zijn voor het klimaat, zoals zwaveloxiden, stikstofoxiden, kooldioxide, roetdeeltjes of zelfs fijnstof. Daarnaast bevatten uitlaatgassen van schepen ook zware metalen, as en bezinksel. 

Wereldwijd is de scheepvaart verantwoordelijk voor een jaarlijkse uitstoot van ongeveer 1 miljard ton kooldioxide, wat overeenkomt met ongeveer 3 procent van de totale door de mens veroorzaakte CO2-uitstoot. Met andere woorden, als de scheepvaart een staat zou zijn, zou deze op de zevende plaats in de ranglijst van de mondiale koolstofuitstoot staan. Al in 2018 stelde de internationale maritieme organisatie (IMO) het doel dat de CO2-uitstoot in de scheepvaartsector in 2050 met ten minste 50 procent moet zijn verminderd in vergelijking met 2008. Dit gaat niet ver genoeg voor de wereldwijde vereniging van reders, de internationale kamer van scheepvaart ICS: deze vereniging, die 80 procent van de branche vertegenwoordigt, eist dat de scheepvaartsector in 2050 volledig klimaatneutraal is.

Alternatieve brandstoffen voor de scheepvaart

Alternatieve en koolstofvrije brandstoffen zijn aantrekkelijke oplossingen voor de decarbonisering van de scheepvaart, maar er zijn nog steeds enkele uitdagingen. Omdat elk type brandstof voor- en nadelen heeft, gebaseerd op de kenmerken ervan en de beschikbaarheid van technologieën en de aanwezigheid van regels voor opslag en gebruik aan boord van schepen.Hieronder presenteren we de belangrijkste alternatieve energiebronnen die momenteel worden besproken.

Aardgas (LNG)

Aardgas (of ook: methaan, CH4) wordt voornamelijk in de industrie in vloeibare vorm gebruikt: als zogeheten Liquefied Natural Gas (LNG). Het gebruik van vloeibaar aardgas voorkomt vrijwel volledig de uitstoot van zwaveloxide en deeltjes op schepen. Een ander voordeel van LNG is dat het gasvolume door het gas vloeibaar te maken bij een temperatuur van -162 graden Celsius met 600 keer wordt verminderd, wat het transport en de opslag vereenvoudigt. LNG heeft echter ook nadelen. Niet alleen omdat de kosten voor de technologie aan boord relatief hoog zijn en er speciaal personeel nodig is om deze techniek te gebruiken. LNG-schepen zijn onder andere zo'n 20 procent duurder dan conventioneel aangedreven schepen, alleen al vanwege het complexe tankontwerp. Als LNG ontsnapt (bijvoorbeeld door een lek), is het ontsnappende methaan ongeveer 25 keer zo schadelijk voor het klimaat als CO₂. 

Bovendien is de CO₂-vriendelijkheid van aardgas onlangs in twijfel getrokken door de International Council of Clean Transportation (ICCT): in tegenstelling tot de langetermijnaanname dat de CO₂-uitstoot van LNG 20 tot 25 procent lager ligt dan die van diesel, tonen ICCT-gegevens aan dat LNG, als scheepsbrandstof, zelfs leidt tot een hogere uitstoot van broeikasgassen in vergelijking met de ruwe olie die tot op heden wordt gebruikt. Desondanks: LNG zou meer kunnen zijn dan een overgangstechniek, omdat het gas ook kan worden geproduceerd uit biologisch afval of langs synthetische weg.

LPG

LPG is een variabel mengsel dat voornamelijk bestaat uit propaan en butaan. Vanwege de slechtere koolstof-waterstofverhouding veroorzaakt LPG hogere CO2-emissies dan aardgas. LPG wordt in vloeibare vorm opgeslagen, hetzij bij een druk van 8 tot 10 bar, hetzij bevroren bij omgevingsdruk, waarbij het kookpunt afhankelijk is van de mengverhouding van het butaan met het propaan. De calorische waarde van het LPG hangt ook af van deze mengverhouding: de calorische waarde van propaan is 12,9 kWh/kg en die van butaan is 12,7 kWh/kg. 

De belangrijkste voordelen van LPG zijn de klimaat- en opslagvriendelijkheid ervan. Aangezien de energievereisten voor de synthetische productie van LPG echter hoger zijn dan voor methaan, mag LPG geen permanent of algemeen alternatief zijn voor dieselbrandstof.

Methanol

Methanol oftewel methylalcohol (CH₃OH)

is een relatief eenvoudig synthetisch te vervaardigen energiebron. Met behulp van elektrische energie uit regeneratieve bronnen (bijvoorbeeld windenergie) kan methanol zelfs klimaatneutraal worden gewonnen en gebruikt. Een ander pluspunt voor de alternatieve brandstof is dat methanol vloeibaar is bij normale temperatuur en daarom niet onder druk hoeft te worden gezet of in een diepvriesomgeving hoeft te worden opgeslagen. Ook kan methanol zowel aan boord als aan wal even gemakkelijk worden gehanteerd, omdat de alcohol gemakkelijk te vervoeren en op te slaan is bij atmosferische druk en omgevingstemperatuur. Er zijn ook geen problemen met de verbranding in motoren. Verbranding werkt echter alleen bij het benzineproces met elektrische ontsteking of ontstekingsstraal.

Het grootste nadeel van methanol in vergelijking met dieselbrandstof is de aanzienlijk lagere calorische waarde: met dezelfde hoeveelheid methanol kan slechts de helft van de afstand worden afgelegd als met dieselbrandstof. Daarom hebben methanolschepen in aanbouw tevens een aantal speciale kenmerken, omdat er veel ruimte moet worden gepland voor de tanks - ook al om veiligheidsredenen. Bij de bouw van de "Uthörn II" van het Alfred Wegener-instituut betekent dit dat de zogenaamde ventilatiemast, die de machinekamer en andere delen van het schip be- en ontlucht, 15 meter hoger is dan normaal. Deze hoogte voorkomt wanneer er onverwacht toch methanol ontsnapt, dat de methanol te dicht bij het schip begint te branden. Dergelijke extra's kunnen ertoe leiden dat een methanolschip ongeveer 1,5 miljoen euro meer kost dan een vergelijkbaar dieselschip.

Waterstof

Waterstof (H₂) wordt op aarde alleen in gebonden vorm aangetroffen, waarvan het grootste deel in water (H2O). Om H2 te produceren en als energiedrager te gebruiken, moet H2 uit chemische verbindingen worden afgescheiden, bijvoorbeeld uit koolwaterstoffen of water. Als er hernieuwbare energiebronnen zoals windenergie, waterkracht of zonne-energie worden gebruikt voor elektrolyse (het splitsen van water, zuurstof en waterstof), wordt dit "groene" waterstof genoemd omdat deze op een CO2-neutrale manier wordt geproduceerd.

Volgens de beknopte studie "Maritime Treibstoffe" (brandstoffen voor de scheepvaart) van het Duitse centrum voor lucht- en ruimtevaart, Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR), kan waterstof een praktische oplossing zijn voor de scheepvaart: de efficiëntie van waterstof is goed, omdat er alleen water wordt uitgestoten. Daarnaast kunnen er bestaande technieken (bijvoorbeeld van voertuigen met brandstofcellen) worden benut. Waterstof heeft echter ook nadelen: waterstof is licht ontvlambaar, heeft een hoog gewicht en vereist een groot laadvolume. En vooral bij vloeibare waterstof vereist de hantering ervan specialistische kennis.

Ondanks de nadelen zouden waterstof-brandstofcellen een alternatief kunnen zijn voor de huidige verbrandingsmotoren, er rekening mee houdend dat waterstof alleen dan een emissievrije optie is als deze uit hernieuwbare energiebronnen wordt geproduceerd.

Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC)

Liquid Organic Hydrogen Carriers (vloeibare organische waterstofdragers, LOHC) zijn vloeistoffen op oliebasis die waterstof kunnen opslaan door middel van een chemische reactie met de olie. Ze kunnen worden behandeld als normale dieselolie en de bestaande infrastructuur gebruiken. Omdat waterstof chemisch aan de dragervloeistof is gebonden, worden de meeste gevaren ervan beperkt.

LOHC voor schepen bestaat uit een organische olie verrijkt met waterstof (LOHC+). Dit wordt gedaan in een installatie aan wal. LOHC gedraagt zich vergelijkbaar met diesel wat betreft opslag, transport en hantering, en heeft ongeveer hetzelfde risiconiveau als normale diesel voor wat betreft brandgevaar en toxiciteit, en kan ook op dezelfde manier worden gebunkerd. Aan boord van het schip komt de waterstof vrij uit de LOHC+. De waterstof wordt vervolgens gebruikt in een brandstofcel of een in verbrandingsmotor, terwijl de verbruikte LOHC (LOHC-) in een andere tank aan boord wordt opgeslagen. De volgende keer dat LOHC+ wordt gebunkerd, wordt de LOHC- uit het schip geladen. Deze LOHC- wordt vervolgens voor hergebruik ervan in de productie-installatie opnieuw verrijkt met waterstof.
Er zijn momenteel verschillende projecten (waaronder een samenwerkingsproject tussen H2-Industries en Lloyd's Register), die ten doel hebben om een algemene vergunning te verkrijgen voor het gebruik van LOHC-technologie op schepen, en die betrekking hebben op het bijtanken van schepen, de opslag van LOHC aan boord en de opwekking van elektriciteit aan boord.

Ammoniak

Het enige voordeel van ammoniak ten opzichte van de bovengenoemde energiebronnen is het gebrek aan koolstof in de samenstelling ervan: bij verbranding wordt geen kooldioxide of koolmonoxide geproduceerd. Ammoniak is een zeer giftig gas, zelfs in de kleinste hoeveelheden, en vereist daarom speciale voorzorgsmaatregelen tijdens transport en opslag. Het kookpunt van ammoniak is -33 graden Celsius, waardoor ammoniak in speciale drukvaten moet worden opgeslagen. Een ander nadeel: de calorische waarde van ammoniak is minder dan de helft dan die van methaan.

Belangrijke aanwijzing: Alternatieve brandstoffen bevinden zich momenteel nog in de ontwikkelingsfase voor wat betreft technieken en voorschriften voor transport, levering, opslag en gebruik aan boord van binnenschepen en zeeschepen.

Expertise in alle brandstofaspecten: vraag het aan KSB!

De regels voor het verminderen van de uitstoot door de scheepvaart worden steeds strenger. Met het oog op de doelstelling van de IMO voor 2050 moeten schepen binnenkort overstappen op alternatieve brandstoffen. Veel onderwerpen met betrekking tot de productie, het transport, de opslag en het bunkeren van de nieuwe brandstoffen worden momenteel intensief onderzocht en ontwikkeld.

Of het nu gaat om scheepsbouwers, motorfabrikanten of ook toeleveranciers: met KSB kunt u nu reeds vertrouwen op een partner die aanzienlijk betrokken is bij de ontwikkelingen in de sector voor alternatieve brandstoffen en die actief deelneemt aan de vormgeving ervan. KSB is al vele jaren een betrouwbare partner in de scheepvaartsector als het gaat om pompen, afsluiters, automatiseringsoplossingen en bijbehorende servicediensten. 

Al vele jaren profiteren scheepvaartmaatschappijen, scheepswerven en ingenieurs van de hoge kwaliteit van KSB-producten, hun brede scala aan toepassingen, de goed gefundeerde KSB-knowhow en de beste service. Als leverancier van een volledig assortiment is KSB goed op de hoogte van de chemische productie en heeft gedetailleerde kennis van de productie, het transport en de opslag van nieuwe alternatieve brandstoffen en energiebronnen.

Hebt u vragen over het onderwerp of over onze producten? Dan kijken we uit ernaar dat u contact met ons opneemt.