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Atmosphärische Schadstoffemissionen der Seeschifffahrt

Erstellt am: 29.11.2010 | Stand des Wissens: 06.05.2019
Ansprechpartner
Technische Universität Hamburg, Institut für Maritime Logistik, Prof. Dr.-Ing. C. Jahn

Emissionen von Luftschadstoffen in der Seeschifffahrt fallen hauptsächlich beim Betrieb von Antriebsanlagen und Hilfsmaschinen an. Daneben emittieren auch Ladung (zum Beispiel Tankladungen) und Kühlmittel verschiedene atmosphärische Stoffe.
Hauptgruppen atmosphärischer Schadstoffemissionen der Seeschifffahrt sind:
  • Schwefeloxide (SOx)
  • Ruß, Feinstaub (PM)
  • Stickoxide (NOx)
  • Kohlenstoffoxide (COx)
Schwefeloxide sind gegenwärtig eine direkte Funktion des Schwefelgehalts des Treibstoffs, da die Abgase nur in Einzelfällen gereinigt werden. Die landseitigen SOx-Emissionen der Industriestaaten konnten in den letzten Jahrzehnten durch die Nutzung schwefelarmer beziehungsweise schwefelfreier Brenn- und Kraftstoffe stark reduziert werden. Für die Minderung der NOx-Emissionen kommen Verfahren der Verbrennungsführung und Rauchgasentstickung sowie Fahrzeugkatalysatoren zum Einsatz. Im Schiffsbetrieb dagegen gelangen schwefel- und rußhaltige Abgase aus den Motoren ungefiltert in die Luft. Destillate (MDO) enthalten im Mittel 0,3 bis 0,5 Prozent Schwefel, Rückstandsöle (Schweröl, HFO) 2,3 bis 3,0 Prozent bei einem weltweiten Mittelwert von 2,7 Prozent. SOx verbleibt normalerweise 4 bis 7 Tage in der Atmosphäre und kann so über weite Entfernungen transportiert werden und entfernte Gebiete beeinträchtigen.
Ruß und Feinstaub sind unterschiedlich große Partikel, wobei Schwerölmotoren einen geringeren Anteil feiner Partikel emittieren als die im Landverkehr üblichen Dieselmotoren. Primäre Partikel entstehen während des Verbrennungsprozesses im Motor, sekundäre aus chemischen Reaktionen mit den Abgasen und Ammoniak. Die primären Partikelemissionen in europäischen Gewässern wurden für 2000 auf 210.000 Tonnen geschätzt mit einem erwarteten Anstieg auf 330.000 Tonnen in 2020 [KaBH09, S.17f.]. Epidemiologische Studien verbinden Partikelemissionen mit erhöhten Gesundheitsrisiken wie Asthma und Herzinfarkten sowie einer verringerten Lebenserwartung. Nach einer Modellrechnung führen sie jährlich zu 60.000 Todesfällen aufgrund von Herz-Kreislauf- und Lungenkrebserkrankungen in den Küstengebieten Europas, Ost- und Südasiens [Cor07]. Über die Aerosolbildung haben die Partikelemissionen eine negative Klimawirkung [SeaK10].
Stickoxide als Mischung von NO, N2O und NO2 entstehen in Verbrennungsmotoren während des Verbrennungs- und Expansionsphase bei Temperaturen ab 1000 Grad Celsius. Die Emissionsrate hängt vom Motorentyp - langsam laufende Motoren erzeugen mehr NOx als Mittelschnellläufer  sowie von Betriebsweise und Wartungszustand des Motors ab. Die Stickoxide verbleiben bis zum Zerfall 1 - 3 Tage in der Atmosphäre. Die weltweiten NOx-Emissionen aus der Schifffahrt werden auf 10 Millionen Tonnen pro Jahr geschätzt entsprechend etwa 15 Prozent der globalen NOx-Emissionen aus fossilen Brennstoffen, der Anteil der Schifffahrt an den globalen Emissionen wächst beständig. NOx-Emissionen tragen zur Eutrophierung von Land- und Küstengewässern  besonders auch der Ostsee  bei und führen zur Entstehung von bodennahem Ozon, das Gesundheitsschäden sowie Vegetationsschäden verursacht. 
Bei der Verbrennung von Kohlenstoff in Motoren entstehen Kohlenstoffoxide  zuerst Kohlenmonoxid (CO) und bei einer vollständigen Verbrennung Kohlendioxid (CO2). Die Anreicherung des Treibhausgases CO2 in der Atmosphäre wird aufgrund der negativen Auswirkungen auf das Klima und einer Begünstigung des Klimawandels sehr kritisch bewertet. Maßnahmen zur CO2-Reduzierung sind demnach von hoher Relevanz, wobei zurzeit als Alternative nur die Reduzierung des Energie-/Kraftstoffverbrauchs zur Verfügung steht. CO2-Reduzierungspotential in der Seeschifffahrt liegt u.a. in verbesserten Schiffswartung, Änderungen bei den Antriebssystemen, verbesserter Routenplanung und Verringerung der Fahrgeschwindigkeit (sogenanntes Slow Steaming).  
Eine vielversprechende Maßnahme gegen die schädlichen Emissionen im Seeverkehr ist, Schiffe von Schweröl auf Flüssiggas, sogenanntes LNG, als Antrieb umzustellen. Bei einer solchen Antriebsart entstehen keinerlei Schwefeloxid-Emissionen, Stickoxid-Emissionen könnten um 90 Prozent, Partikel-Emissionen sogar um 98 Prozent gesenkt werden. Um diesen Umstieg voranzubringen, hat das Bundesamt für Verkehr und digitale Infrastruktur ein Förderprogramm entwickelt [BMVI19b]. Auch während der Liegezeit in den Häfen sollen die Emissionen reduziert werden. So kommen seit 2018 im Hamburger Container-Terminal Burchardkai LNG-PowerPacs zum Einsatz. Diese werden vom Terminal aus an Bord verbracht und versorgen das Schiff während des Hafenaufenthaltes mit Strom, um die Benutzung der Hilfsdieselmotoren zu vermeiden. Mit den vier geplanten PowerPacs könnten pro Jahr bis zu 400 Schiffsanläufe versorgt werden. Ebenso werden nicht nur die lokalen Luftschadstoffe reduziert, sondern auch bis 3.600 Tonnen CO2 pro Jahr eingespart [BMVI18w].

Ansprechpartner
Technische Universität Hamburg, Institut für Maritime Logistik, Prof. Dr.-Ing. C. Jahn
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Umwelt- und Klimaschutz im Seeverkehr (Stand des Wissens: 08.05.2019)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?408691
Literatur
[BMVI18w] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (Hrsg.) Umweltfreundliche Energie für Containerschiffe im Hafen, 2018/08/22
[BMVI19b] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (Hrsg.) LNG-Antriebe bei Seeschiffen: PSts Ferlemann übergibt weitere Förderbescheide, 2019/01/31
[Cor07] Corbett, James J. , Winebrake, James J. , Green, Erin H. , Kasibhatla, Prasad , Eyring,Veronika , Lauer, Axel Mortality from Ship Emissions: A Global Assessment, veröffentlicht in Environmental Science & Technology, Ausgabe/Auflage 41 (24), 2007
[KaBH09] Per Kageson, Christian Bahlke, Arnulf Hader, Andreas Hübscher Market Based Instruments for Abatement of Emissions from Shipping - A pilot project for the Baltic Sea, veröffentlicht in UBA TEXTE, Ausgabe/Auflage 25/2009, Dessau-Roßlau, 2009, ISBN/ISSN ISSN 1862-4804
[SeaK10] Eyring, Veronika SeaKLIM (Einfluss von Schiffsemissionen auf Atmosphäre und Klima), Final Report - Public version, 2011
Glossar
LNG Liquefied natural gas = Flüssigerdgas (CH4) wie es zum Beispiel in Fahrzeugen getankt werden kann. Durch Abkühlen auf -164C schrumpft das Volumen auf ein sechshunderstel des Normvolumens. Damit erhöht sich der Energiegehalt bezogen auf das Volumen und somit z.B. die Reichweite eines Fahrzeuges bei gleichem Tankvolumen. Für die aufwendige Verflüssigung werden ca 10 - 25 Prozent der im Erdgas gespeicherten Energie aufgewendet, daher findet man im Straßenverkehr hauptsächlich compressed natural gas (CNG).
LPG = Liquified Petroleum Gas. Flüssiggas (Propan, Butan und deren Gemische) ist ein Kohlenwasserstoff, der unter relativ geringem Druck verflüssigt und dann nur etwa 1/260 seines gasförmigen Volumens einnimmt.
CO2
Kohlenstoffdioxid. Ein Gas, welches zu ca 0,4% in der Erdatmosphäre vorkommt, bildet den Grundstock für pflanzliches Leben und pflanzliche Biomasse. Es entsteht z.B. bei der Verbrennung (Oxidation) von Kohlenstoff mit Sauerstoff. Durch seine Wirkung als Treibhausgas und der massiven Freisetzung bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe ist es mit hoher Wahrscheinlichkeit der wichtigste Auslöser des Klimawandels.
Kohlenstoff = Kohlenstoff. Er kommt in der Natur sowohl in reiner Form als auch in großer Vielfalt chemisch gebunden vor. Kohlenstoffverbindungen bilden die molekulare Grundlage allen irdischen Lebens. Elementarer Kohlenstoff ist nichtmetallisch und kommt in mehreren Modifikationen vor, die beiden wichtigsten sind Diamant und Graphit. Bei Zimmertemperatur sind die Kohlenstoffmodifikationen stabil, bei höheren Temperaturen verbrennen sie zu Kohlenstoffdioxid (CO2), bei unvollständiger Verbrennung bildet sich das giftige Kohlenstoffmonooxid (CO).
CO
= Kohlenstoffmonoxid. Eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und gehört damit neben Kohlenstoffdioxid zur Gruppe der Kohlenstoffoxide. Es ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Kohlenstoffmonoxid beeinträchtigt die Sauerstoffaufnahme von Menschen und Tieren. Schon kleine Mengen dieses Atemgiftes haben Auswirkungen auf das Zentralnervensystem.
Es entsteht bei der unvollständigen Oxidation von kohlenstoffhaltigen Substanzen. Dies erfolgt zum Beispiel beim Verbrennen dieser Stoffe, wenn nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht oder die Verbrennung bei hohen Temperaturen stattfindet. Kohlenstoffmonoxid selbst ist brennbar und verbrennt mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Hauptquelle für die CO-Belastung der Luft ist der Kfz-Verkehr.
NOx = Stickoxide. Ist die Sammelbezeichnung für die Oxide des Stickstoffs. Die wichtigsten Stickoxide sind Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid. Es sind gasförmige Verbindungen, die sich nur wenig in Wasser lösen. Die wichtigsten Stickoxid-Quellen sind natürliche Vorgänge, wie z. B. mikrobiologische Umsetzungen im Boden, sowie Verbrennungsvorgänge bei Kraftwerken, Kraftfahrzeugen und industrielle Hochtemperaturprozesse, bei denen aus dem Sauerstoff und Stickstoff der Luft Stickoxide entstehen. Stickstoffdioxid ist ein Reizstoff, der die Schleimhäute von Augen, Nase, Rachen und des Atmungstraktes beeinträchtigt.
SOx
= Schwefeloxide. Ist die Sammelbezeichnung für die Oxide des chemischen Elements Schwefel. Sie entstehen vor allem bei der Verbrennung schwefelhaltiger Brennstoffe oder bei natürlichen Vorgängen wie Vulkanausbrüchen. Die wichtigsten Schwefeloxide sind Schwefeldioxid SO2 und Schwefeltrioxid SO3. In Verbindung mit wässrigen Lösungen bilden beide Oxide Säuren, welche unter anderem für die Versauerung von Seen und das Waldsterben mitverantwortlich sind. Zudem sind die Schwefeloxide auch gasförmig giftig.
N2O = Distickstoffoxid (Lachgas). Ein farb- und geruchloses, leicht süßlich schmeckendes und chemisch reaktionsträges Gas. Lachgas ist ein Treibhausgas, dessen Treibhauswirksamkeit 298-mal so groß ist wie die von CO2. Menschenverursachte Emissionen stammen hauptsächlich aus der Landwirtschaft.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?334560

Gedruckt am Sonntag, 25. August 2019 02:18:09