Perspektive Zukunft – Alternative Antriebsenergien im Transportwesen

Alternative Antriebsenergien im Transportwesen

Begriffe wie „Peak Oil“, „Energiewende“ und der Hype um Elektroautos sind in der medialen Berichterstattung allgegenwärtig. Daraus ging in den letzten Jahren der Wettlauf um möglichst vielversprechende alternative Antriebskonzepte hervor, die eine Fortbewegung mit Autos, Flugzeugen und Co. auch unabhängig von der Ölförderung ermöglichen sollen. Elektro- und Gasantriebe in der Automobilbranche sind dabei nur ein Teil der technologischen Entwicklungen. Auch im Bereich der Schiff- und Luftfahrt gibt es Innovationen, die allerdings in der öffentlichen Wahrnehmung weniger präsent sind als die Fortbewegung mit Kraftfahrzeugen. Dieser Ratgeber widmet sich verstärkt diesem Feld und gibt einen Überblick über die neuesten Entwicklungen auf dem Markt.

Historischer Abriss über Antriebstechnologien

Ein Antrieb ist ein System, das durch Kraftübertragung Bewegung erzeugt. Der Antrieb selbst ist dabei in der Regel Teil eines Antriebsstranges oder einer komplexen Anlage, die der Energieübertragung bzw. Umwandlung der einen Energieform in eine andere dient. Unterscheiden lassen sich dabei verschiedene Antriebsarten:

• manueller Antrieb (mittels Muskelkraft)
  Für den manuellen Antrieb ist ein großer Kraftaufwand notwendig, sodass die Menschen in den vergangenen Jahrhunderten immer neue Hilfsmittel entwickelt haben, welche die Reibung und damit den benötigten Kraftaufwand verringern. In der Landwirtschaft dienten beispielsweise Tiere schon frühzeitig der Unterstützung bei der Feldarbeit; im Haushalt ist bis heute häufig noch Handarbeit beim Bügeln und Nähen notwendig; auf dem Wasser sind Ruder- und Tretboote noch immer gängige Fortbewegungsmittel. Andere Maschinen wie Spinnräder oder Webstühle nutzen heute Motoren für den Antrieb, wobei teilweise menschliche Kraft mittels eines Seilzug- oder Kickstarters vonnöten ist, um den Motor zu starten.

Zu unterscheiden sind Antriebe

• mit der Hand (entweder direkte Betätigung oder mithilfe eines Bedienelementes wie einer Türklinke, einer Kurbel mit oder ohne Übersetzung, eines Flaschenzuges oder eines Handrads), z. B. bei Ruderbooten, Handhebeldraisinen, Rollstühlen
• mit den Füßen (Pedale ohne Übersetzung, Tretkurbel mit Pedalen, Tretmühle), z. B. bei Nähmaschinen, Fahrrädern, Muskelkraft-Hubschraubern, -Flugzeugen
• mithilfe von Tieren (Zugtiere mit Jochgeschirr)

• Mechanischer Antrieb
  Antrieb mit Spannvorrichtung und Entspann-Mechanismus, zum Beispiel Antrieb mit einer Drehfeder.
• Elektrischer Antrieb
  Elektrische Antriebe ersetzten bereits in der frühen Industrialisierung die Dampfmaschine und die Energieerzeugung über Wassermühlen. Die Energie wurde dabei zunächst von einem einzigen Zentralmotor aus auf die einzelnen Maschinen verteilt; erst später hatte jede Maschine ihren eigenen Motor.

• Fluidtechnischer Antrieb

Hier übertragen Gase oder Flüssigkeiten die Energie.

• Pneumatischer Antrieb: Die Übertragung der Energie erfolgt per Druckluft.
• Hydraulischer Antrieb: Spezielle Hydraulikflüssigkeiten geben die Energie weiter.
• Düsenstrahlantrieb
• Turbinenantrieb

Zu differenzieren sind hier die verschiedenen Arten der Krafterzeugung:

Verbrennungskraftmaschinenantriebe: Es handelt sich um eine Wärmekraftmaschine mit fluidtechnischem Antrieb. Die innere Verbrennung eines Treibstoffes erzeugt dabei die Energie, d. h., alle Prozesse finden innerhalb eines Arbeitszylinders statt, in dem sich chemische Energie aus einem Kraftstoff-Luft-Gemisch über die Temperatur in Druck und Ausdehnung und damit in mechanische Energie umwandelt. Das Prinzip ist dabei immer das gleiche: Ansaugen – Verdichten – Arbeiten – Ausstoßen, wobei sich Strömungsmaschinen (Gasturbinen und Stahltriebwerke, sogenannte Düsentriebwerke) sowie Verbrennungsmotoren (Hub- und Kreiskolbenmotoren) unterscheiden lassen:

• Stahltriebwerke saugen die Umgebungsluft an und stoßen die Verbrennungsprodukte und meist zusätzliche Luft als heißen Antriebsstrahl wieder aus, wobei der Rückstoß eine Schubkraft erzeugt. Der hauptsächliche Einsatzort von Stahltriebwerken ist die Luftfahrt, darüber hinaus kommen die Triebwerke nur selten vor. Im Gegensatz dazu führen nicht-luftatmende Raketenantriebe den benötigten Sauerstoff in flüssiger Form mit.
• Im Raketentriebwerk führt die Verbrennung von zwei Chemikalien zu starker Expansion, die sich gezielt in eine Richtung ausbreitet, die Reaktion treibt den Flugkörper in die entgegengesetzte Richtung. Dabei gibt es mehrere Gruppen und viele Varianten von Raketentriebwerken: chemische, solarthermische, nukleare, elektrische Raketentriebwerke, Feststoff-, Hybrid- und Flüssigkeitsraketen, Ionentriebwerke sowie thermische Lichtbogentriebwerke.
• Verbrennungsmotoren, beispielsweise eingesetzt in Kraftfahrzeugen

Dampfkraftmaschinenantriebe: Hierbei wandelt eine Maschine den mittels eines Dampfdruckerzeugers hergestellten Dampf durch Kolben, d. h. Druckenergie in mechanische Arbeit um. Als Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verdrängung unterscheiden sich Dampfmaschinen von Verbrennungsmotoren.

Gängige Antriebskonzepte im Straßenverkehr

Im Straßenverkehr sind in letzter Zeit zahlreiche Innovationen bei den Antriebsarten zu verzeichnen. Nachdem die Hersteller an verschiedenen Konzepten gearbeitet haben, hat sich aktuell vor allem der Hybridantrieb als zukunftsträchtige Technologie herausgehoben: Die Produzenten bringen immer mehr Modelle in einer zusätzlichen Variante zum Standardmodell oder gar ausschließlich als Hybridvariante auf den Markt. Neben den Hybriden ist auch Erdgas, vor allem aber auch Strom immer beliebter – das Flüssiggas hingegen erlebte im Vergleich bei den Neuzulassungen in der ersten Jahreshälfte 2013 einen Einbruch von mehr als einem Drittel gegenüber dem Vorjahr.

Elektroantrieb

Reine Elektroautos beziehen ihre Energie ausschließlich aus dem Stromnetz. Die Reichweite ist damit automatisch durch die Kapazität der Batterie begrenzt. Dies führt in der Praxis zum Einbau weitaus größerer Batterien als bei Hybrid-Fahrzeugen. Die Reichweite beträgt aufgrund der größeren Motoren allerdings auch etwa das Dreifache der Batterien von Hybriden, bei denen der Elektromotor die gespeicherte Energie nur nutzt, um den Verbrennungsmotor bei Beschleunigungsvorgängen zu unterstützen.

Elektroautos haben unterschiedliche Einsatzgebiete. Sie sind als Industriefahrzeuge, Stadtfahrzeuge, autobahntaugliche E-Autos, Sportwagen, Studien- und Experimentalfahrzeuge sowie als Anpassungen und Umbauten von Serienfahrzeugen zu finden.

Hybride

Einen Siegeszug scheinen derzeit die Gas-Benzin/Diesel-Hybride zu erleben. Diese weisen ein hohes Einsparpotenzial hinsichtlich der Emissionen und des Kraftstoffverbrauches auf, haben jedoch den Nachteil, dass die Akkupacks aufwendig recycelt werden müssen. Das Ziel von Hybridautos ist das Nutzen der Vorteile von beiden Antrieben (Diesel, Benzin, Brennstoffzelle sowie der Elektrizität), um damit die Schwächen des jeweils anderen zu kompensieren.

Brennstoffzellentechnik

Die 1839 erstmals angewandte Brennstofftechnologie basiert im Gegensatz zum Verbrennungsmotor, bei dem der Wasserstoff direkt verbrannt wird, auf der Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff, dem ein Elektromotor nachgeschaltet ist. Demzufolge ist die Brennstoffzelle kein Energiespeicher, sondern ein Energiewandler, der nicht reversibel arbeitet. Die Reaktion erfolgt dabei durch einen Fluss von Wasserstoff und Sauerstoff auf zwei Seiten einer mit Platin beschichteten, als Katalysator dienenden Auflage, durch die Protonen hin zum Sauerstoff wandern und dort als Wasserverbindung zum Auspuff geleitet werden. Die zurückbleibenden Elektronen bilden einen Plus- und Minuspol, durch dessen Verbindung Strom fließt. Dieser speist eine Lithium-Ionen-Batterie, welche wiederum das Auto betreibt. Der Wirkungsgrad ist dabei doppelt so hoch wie bei einem herkömmlichen Verbrennungsmotor, allerdings weitaus geringer als bei einem Elektroauto, da der Zwischenschritt der Elektrolyse anfällt.

Dabei gestaltet sich nicht nur die Speicherung des Wasserstoffs problematisch, da diese entweder bei kalten Temperaturen oder gasförmig unter hohem Druck erfolgen muss, auch ist die technische Umsetzung komplex und kostenintensiv – insbesondere aufgrund des erforderlichen Platins für die Elektrode, der mit einem Bedarf von 60 g/Motor wesentlich höher und damit teurer ist als bei einem herkömmlichen Motor.

Der Tank, der Platz für etwa 4 kg Wasserstoff in Gasform bietet, hat eine Reichweite von ca. 400 km und ist im Unterhalt billiger als ein herkömmliches Auto.

Alternative Kraftstoffe

Längst scheint unausweichlich, dass die Ölvorräte der Erde irgendwann zur Neige gehen, weswegen Ersatzlösungen notwendig sind, um Produktion und Fortbewegung weiterhin zu gewährleisten. Alternative Kraftstoffe können helfen, die Abhängigkeit von Öl und die Netto-Emissionen von Kohlenstoffdioxid (CO2) im Transportverkehr zu verringern. Dies sind beispielsweise:

• Wasserstoff
• Biodiesel
• Ethanol
• BtL (Nutzung der gesamten Pflanze, nicht wie bei Biodiesel nur der ölhaltigen Pflanzenteile)
• Erdgas
• Flüssiggas / Autogas

Anforderungen und Nutzen alternativer Antriebskonzepte im Transportwesen

Vor allem im Transportwesen sind Reichweiten und Kraftstoffverbrauch vielfach entscheidende Kriterien bei der Wahl des Fahrzeugs. Gerade wenn zahlreiche Langstrecken auf der Tagesordnung stehen, muss das Fahrzeug über eine ausreichende Reichweite verfügen, zumal die alternativen Antriebstechnologien oft lange Ladezeiten aufweisen und den Fahrer damit bei jeder zusätzlichen Tankpause wertvolle Zeit kosten. Diesen Faktor muss die Autoindustrie weiterhin verstärkt berücksichtigen, um die Fahrzeuge attraktiv für die Logistikbranche zu gestalten.

Darüber hinaus müssen Nutzfahrzeuge bis 3,5 Tonnen laut eines neuen Beschlusses des EU-Parlamentes ab dem Jahr 2017 analog zu Personenkraftwagen den CO2-Ausstoß auf 175 g/km reduzieren. Das ist sinnvoll, da bis zu 20 % der vom Menschen verursachten Stickstoffdioxid-Emissionen auf Transport und Verkehr zurückfallen, davon auf Lkws und Busse 33 %, auf Pkws 29 %, auf den Flugverkehr 21 %, den Schienenverkehr 11 % und die Schifffahrt 6 %. Nachdem jede Überschreitung der zulässigen Grenzwerte mit einer Geldbuße einhergeht, rüsten die national und international agierenden Logistikunternehmen nach und nach auf alternative Antriebe um. So hat beispielsweise DHL in Manhattan seine Flotte von ca. 80 Fahrzeugen auf Hybrid- oder Elektroantrieb umgerüstet, auch in deutschen Städten wie Bonn gibt es zwischenzeitlich erste Aktionen dieser Art, in denen Transportunternehmen komplette Flotten auf alternative Antriebe umstellen. Darüber hinaus sind bei Post Logistics, der Schweizerischen Post sowie dem DPD gas- und elektrobetriebene Antriebe im Einsatz.

Fahrzeuge und Entwicklung

Mercedes-Benz hat seine Nutzfahrzeugsparte beispielsweise im Jahr 2010 um einen 12-Tonner-Hybrid-Antrieb erweitert, der im Vergleich zum Dieselmodell ca. 350 kg schwerer ist, jedoch dank der Kombination aus Elektro- und Dieselmotor Kraftstoff sparen hilft. Der bereits als „Truck of the year“ ausgezeichnete Mercedes-Benz Atego ist zudem mit dem Deutschen Nachhaltigkeitspreis ausgezeichnet worden. Das On-Board-System Fleetboard soll dabei helfen, den angekündigten Minderverbrauch von 15 % zu überwachen. Weitere Modelle im Mietfuhrpark sind neben dem Atego Hybrid zehn Sprinter LGT mit Flüssiggasantrieb und zehn Sprinter NGT mit Erdgasantrieb (Quelle: http://www.verkehrsrundschau.de/atego-hybrid-in-der-vermietung-1056157.html).

Auch Volvo arbeitet am Ausbau der Hybridtechnologie auf dem Segment der Nutzfahrzeuge. Die Baureihe FE mit Trucks, die ein Gesamtgewicht zwischen 18 und 26 Tonnen aufweisen, versprechen Spriteinsparungen von bis zu 30 % (Quelle: http://www.mm-logistik.vogel.de/distributionslogistik/articles/312451/index2.html).

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik hingegen forscht an der Entwicklung von Batterie- und Brennstoffzellenantrieben:

„Viele große Hersteller arbeiten bereits an Hybridkonzepten. Mit unserer Studie gehen wir einen Schritt weiter und haben in unterschiedlichen Szenarien die technologischen, betriebswirtschaftlichen und politischen Bedingungen für emissionsfreie Lastwagen, sogenannte Zero-Emission-Trucks, untersucht.“ (Quelle: Florian Kleiner, wissenschaftlicher Mitarbeiter beim DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte in Stuttgart, zit. nach http://www.ingenieur.de/Branchen/Verkehr-Logistik-Transport/Grosse-Potenziale-fuer-alternative-Antriebe-in-Lkw).

Insbesondere im Stadtverkehr mit zahlreichen Brems- und Beschleunigungsvorgängen haben Elektrofahrzeuge Effizienzvorteile gegenüber den Verbrennungsmotoren. Die Batterien seien vor allem für Kurzstreckentransporte innerhalb von Städten einsetzbar, da hier Fahrleistungen abschätzbar sind und Batterien über Nacht an Ladestationen gehängt werden können.

Vor allem durch die seitens der Bundesregierung geförderten und seitens der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) GmbH überwachten Modellprojekte erscheint die Elektromobilität im öffentlichen Raum eine Alternative zu sein. Sie wird vielerorts in Raum- und Stadtentwicklungs- sowie Nahverkehrskonzepte wie beispielsweise die Umstellung der Busse auf den Elektrobetrieb integriert. So spielt neben der öffentlichen Wahrnehmung auch der Ausbau der Infrastrukturen eine bedeutende Rolle, wobei auch die Energieversorger am Prozess teilhaben.

Veränderung des Straßenbildes durch innovative Designs

Während bei Hybriden neben dem herkömmlichen Antriebssystem ein zusätzlicher Tank für das Gas montiert ist, verfügen Elektroautos nicht über den klassischen Motor, der die Anordnung der Komponenten bestimmt. Hiernach ergibt sich eine neuartige visuelle Erscheinung der Fahrzeuge:

• kleinerer Motor
• aerodynamischere Frontpartie aufgrund kleinerer Lufteinlässe für Kühler
• Platz für eine Crash-freundliche Ausgestaltung des Vorderwagens
• tieferer Schwerpunkt durch schweres Akkusystem im Unterboden
• keine Getriebetunnel bei Hinterradantrieb nötig, da der Motor dabei nicht vorne sein muss
• bessere Isolierung bzw. Rückgewinnung von Wärme aus der Abluft aufgrund fehlender Abwärme
• die Elektrifizierung der Aggregate (Bremsen, Lenkung) erleichtert es, einen automatischen Betrieb bzw. Assistenzlösungen zu verwirklichen
• kein Ölwechsel nötig

Alternative Antriebe in der Luftfahrt

Die Luftfahrt trägt nur mit 2 % zum weltweiten Ausstoß von CO2 bei. Trotz allem ist die Entwicklung innovativer Antriebe erforderlich, da die Spritpreise bereits jetzt ca. ein Drittel der Gesamtkosten einer Fluggesellschaft betragen, Tendenz weiter steigend. Dementsprechend hat sich die Branche selbst das Ziel gesetzt, den Stickstoffdioxid-Ausstoß bis 2050 zu halbieren, seitens der EU besteht die Vorgabe, bis 2020 etwa 3,5 % des europaweiten Kerosin-Verbrauches aus erneuerbaren Energien zu gewinnen

Quelle: http://www.berliner-zeitung.de/wirtschaft/luftfahrt-branche-der-antrieb-der-zukunft,10808230,23418094.html

Anforderungen an Antriebe im Luftverkehr

Durch die Globalisierung steigen die Passagierzahlen weiter, die Flugdichte nimmt zu. Eine Prognose geht von der 4,5-fachen Menge im Jahr 2040 gegenüber 2006 aus. Gleichzeitig steigen die Ansprüche der Kunden und somit der Entwickler an Sicherheit, Komfort und Service. Dies stellt neue Anforderungen an die Größe der Flugzeuge, die Flugverkehrskontrollen und die baulichen Voraussetzungen der Flughäfen selbst, welche eine höhere Auslastung bewältigen müssen (Quelle: http://www.fraport.de/content/fraport/de/misc/binaer/nachhaltigkeit/nachhaltigkeit/07-kappmeyer-luftfahrtantriebe/jcr:content.file/7-fraport-zukunft-der-luftfahrtantriebe-final.pdf).

Problematischer als bei Landfahrzeugen ist die alternative Antriebsenergie bei Flugzeugen. Diese arbeiten mit einem Antrieb, der durch die Beschleunigung des Luftstroms Schubkraft erzeugt, indem mittels Kerosin-Verbrennung eine Luft ansaugende Turbine betrieben wird. Überschüssige, zu viel angesaugte Luft wird am Triebwerk entlanggeführt und hinten ausgestoßen, was zusätzlichen Schub erzeugt. Moderne Triebwerke erzielen mit dem Nebenstrom den Hauptschub des Fahrzeugs.

Eine Alternative zu dieser Technik muss im Wesentlichen das Betreiben der Turbine bewerkstelligen. Hierzu sind Elektroantriebe oder Brennstoffzellen denkbar, Solarzellen fallen aufgrund der geringen Fläche zur Energieerzeugung weg, Generatoren benötigen ihrerseits Treibstoff. Sowohl für Brennstoff als auch Strom gibt es einen Nachteil: Die Akkus sind zu schwer. Die einzig denkbare Veränderung derzeit ist, den Biospritanteil zu steigern, um den Verbrauch fossiler Kraftstoffe zu senken.

Neue Triebwerkkonzepte

Wenngleich innovative Technologien wie beim A380 inzwischen einen Kraftstoffverbrauch von 2,9 l/Passagier auf 100 km ermöglichen – 70 % weniger als noch vor 50 Jahren – und sich auch die Lärmbelästigung zwischen einer Boeing 747-200 und einem A340-600 auf ein Viertel reduzierte, sind weitere umweltfreundliche Konzepte erforderlich, um den Flugverkehr langfristig zu sichern. Das lassen sich die Fluggesellschaften einiges kosten: Lufthansa investiert beispielsweise aktuell ca. 14 Milliarden Euro in neue, umweltfreundliche Flugzeuge, zudem befasst sich die Forschung mit unterschiedlichen, regenerativen Formen alternativer Antriebe.

Algenantrieb, Zuckerrohrtreibstoff

Die Treibstoffkonzerne testen verschiedene Nutzpflanzen auf ihre Eignung als Rohstofflieferant. So eröffnete Total im vergangenen Jahr eine Raffinerie, die aus Zuckerrohr Diesel und Kerosin erzeugt, wobei in Europa analog hierzu Zuckerrüben und Mais denkbar erscheinen. Allerdings nur, solange zu deren Anpflanzung keine Nutzflächen für den Nahrungsmittelanbau verwendet werden. Deshalb bestehen bereits Bestrebungen, den Anbau nach Russland zu verlagern, da hier ausreichend Flächen vorhanden sind. Für die Gewinnung eignet sich beispielsweise die Jatropha-Pflanze, auch Purgiernuss genannt (Quelle: http://www.berliner-zeitung.de/wirtschaft/luftfahrt-branche-der-antrieb-der-zukunft,10808230,23418094.html). In der Praxis testete Air New Zealand erstmals ein Gemisch aus Kerosin und einem Extrakt der Jatropha-Pflanze. Dieser weist eine höhere Dichte bei gleichzeitig geringerem Gewicht als Kerosin auf und ist demnach äußerst vielversprechend.

Auch Algen gelten als Trend der Zukunft: „Für den Bedarf der gesamten Luftfahrt bräuchte man nur Anbauflächen, die der Größe Belgiens entsprächen; zudem kann man Algen alle 24 Stunden ernten.“ (Quelle: Ross Walker, bei Airbus in Toulouse zuständig für alternative Treibstoffe, zit. nach http://www.sueddeutsche.de/auto/bio-fuers-flugzeug-auf-gruenem-kurs-1.492881) Darüber hinaus lassen sich Algen im Meer züchten und benötigen keinerlei zusätzliche Anbauflächen, die dann nicht mehr für die Nahrungsmittelproduktion zur Verfügung stünden.

Hybrid- und Elektroflugzeuge

Der Luft-, Raumfahrt- und Rüstungskonzern EADS plant, im regionalen Flugverkehr Elektroantriebe zu nutzen, was den Ausstoß von CO2 im Vergleich zum Jahr 2000 um 75 %, den von Stickstoff um 90 % sowie gleichzeitig die Lärmbelastung senken könnte. Die leeren Batterien ließen sich dann am jeweiligen Zielflughafen durch neue ersetzen. Allerdings gibt es hierzu bislang nur Studien, die Realisierung derartiger Flugobjekte im Serienbetrieb ist laut EADS erst ab 2036 denkbar (Quelle: http://www.3sat.de/page/?source=/nano/technik/164698/index.html).

Prototypen von kleinen Propellermaschinen mit Elektromotor gibt es hierzu bereits. EADS hat gemeinsam mit Siemens und dem Flugzeugbauer Diamond Aircraft auf der Air Show in Paris-Le Bourget 2013 einen 95 PS starken Zweisitzer mit Verbrennungsmotor vorgestellt, der Strom über einen Generator erzeugt, welcher eine Batterie speist, die ihrerseits den Propeller antreibt. Damit lassen sich etwa 25 % des Kraftstoffes im Vergleich zu herkömmlichen Antrieben einsparen. Die Antriebe sind zugleich leiser, weniger störungsanfällig und haben eine höhere Laufruhe. Allerdings ist das Konzept nicht auf große Flugzeuge anwendbar und eine Serienreife in weiter Ferne. Dennoch bestehen seitens einiger Anbieter Bestrebungen, hybride Antriebe auch auf die Luftfahrt zu adaptieren, weshalb EADS, Siemens und Diamond Aircraft die strategische Partnerschaft fortsetzen. Damit wäre eine Reduktion fossiler Kraftstoffe durch zusätzlich verbaute Elektromotoren denkbar.

„Heute elektrifizieren wir die Luftfahrt und begeben uns auf die Reise zu den Antrieben der Zukunft. Elektroflugzeuge sind ein zentrales Element unserer Forschung für die Zukunft der Luftfahrt. Erst in den nächsten Jahrzehnten werden wir erfahren, wohin der Weg uns führt, welche Gestalt und Form der Elektroantrieb annehmen wird. Aber wir wissen, dass wir bei der Erprobung von Alternativen zu fossilen Treibstoffen keine Zeit verlieren dürfen.“ (Quelle: EADS-Cef Tom Enders, zit. nach http://www.n24.de/n24/Wissen/Technik/d/3024636/forscher-entwickeln-elektrischen-jet-antrieb-.html)

Es zeichnet sich ein ständiger Zielkonflikt ab zwischen:

• Anzahl der Teile in einem Triebwerk,
• Wirkungsgrad,
• Treibstoffverbrauch,
• Abgasemissionen,
• Geräuschemissionen,
• Gewicht und
• Wartungsfreundlichkeit.

Bis in der Luftfahrt also mit wesentlichen Innovationen zu rechnen ist, die eine Emanzipation von fossiler Energie erlauben, vergehen noch einige Jahre, da die maßgeblichen Probleme bislang nicht ansatzweise gelöst sind. Denkbar sind hingegen Beimischungen von alternativen Kraftstoffen, die den Kerosinverbrauch begrenzen.

Schifffahrt

Der Kraftstoffverbrauch eines modernen Containerriesen mit etwa 100.000 PS ist mit 12,5–14,5 Tonnen Kraftstoff pro Stunde enorm. Aufgrund des Transportes von hohen Stückzahlen bei einer Ladung von bis zu 12.000 Containern sei der Schadstoffausstoß jedoch pro Tonne und Kilometer gar nicht so hoch (Quelle: http://www.spiegel.de/wirtschaft/antrieb-ohne-oel-reeder-planen-das-hochsee-schiff-der-zukunft-a-569312.html). Wenngleich der CO2-Ausstoß im Vergleich zum Transport via Flugzeug oder Auto relativ gering ist, sind Ruß- und Schwefelausstöße wesentlich höher. Dies liegt nicht zuletzt an den strengeren Auflagen, die an Land gelten: Während Katalysatoren hier die Schadstoffe filtern, gelangen sie bei Schiffen ungefiltert in die Luft.

Antriebskonzepte heute und morgen

So wie auch Fahrzeuge lassen sich Schiffe als Hybride betreiben. Aktuell erfolgt dies meist nur in der Form des wechselnden Einsatzes von Schweröl und Schiffsdiesel, um in Hafennähe die Richtwerte der Schwefelemissionen zu erfüllen, doch sind gleichermaßen Lösungen mit dem parallelen Betreiben von Diesel und Flüssiggas denkbar. Einen ersten Einsatz hat hier die AIDA angekündigt, die ab 2016 Hybridtechnologie in einigen Kreuzfahrtschiffen der Flotte standardmäßig einsetzen will (Quelle: http://www.tagesspiegel.de/weltspiegel/reise/schmutzige-schifffahrt-der-markt-ist-noch-nicht-auf-nachhaltigkeit-eingestellt/7371006-3.html).

Elektroantriebe

Auch bei Schiffen sind Elektroboote denkbar, die ihre Akkumulatoren entweder am Stromnetz des Hafens aufladen oder aber über Wind- oder Schleppgeneratoren verfügen. Darüber hinaus können Solarzellen zum Laden der Akkus beitragen.

Dabei dienen Propeller oder Schaufelräder wie auch bei den meisten anderen Schiffsformen der Erzeugung der Vortriebskraft, wobei Größe und Form der Propeller entscheidend für dessen Effizienz sind: Ein großer Propeller ist besser als zwei kleine, da damit nur ein Motor benötigt wird und das Schiff leichter ist. Je weniger Flügel, desto höher die Effizienz, desto höher aber auch die auf das Schiff übertragene Vibration. Zu unterscheiden sind unterschiedliche Typen von Elektrobooten:

• historische Elektroboote
• Elektroboote für Binnengewässer
• offene Motorboote im klassischen Stil, die mit Lithium-Akkus und leistungsstarken Elektromotoren hohe Gleitgeschwindigkeiten erreichen
• Elektroaußenborder
• Segeljachten, heute fast immer mit Hilfsmotor
• Hybridboote
• Solarboote
• Oberleitungsfähren, die ihre Energie aus einer Oberleitung ähnlich den O-Bussen beziehen
• elektrisch betriebene Kettenschiffe
• militärisch genutzte Unterseeboote, die im getauchten Zustand elektrisch fahren, zivile U-Boote meist sogar rein elektrisch

Brennstofftechnik

Bei Brennstoffzellen erfolgt der Antrieb mithilfe von Wasserstoff. Der leise und luftunabhängige Betrieb macht die Technologie für den Bau von U-Booten bestens geeignet, wobei derzeit die Anschaffungskosten noch relativ hoch sind. Die Zelle wandelt die Energie aus der Reaktion von Wasser- und Sauerstoff in elektrische Energie um, mit der sich ein Motor betreiben lässt. Ein erstes Modell fährt Touristen in Hamburg die Alster hoch und runter.

Für einen Einsatz bei Frachtschiffen existiert bislang noch keine Technologie, Forschungen gibt es jedoch bereits zahlreich.

Solarantriebe

Solarboote vereinen die theoretisch unbegrenzte Reichweite von Segelbooten mit der Manövrierfähigkeit eines Motorbootes. Im Gegensatz zu Elektrobooten nutzen Solarboote die Sonnenstrahlung als direkte Energiequelle. Dabei besteht ein nahtloser Übergang zwischen reinen Elektro- und reinen Solarbooten. Geeignet erscheinen die Antriebe für den Einsatz in der Linienschifffahrt. Für Containerschiffe und die Frachtbeförderung sind die Solarzellen jedoch zu leistungsschwach.

Atomantrieb

Mit der „Otto Hahn" gab es nur ein einziges deutsches Schiff, das jemals mit Nuklearantrieb zur See fuhr. Das in Kiel 1968 offiziell in Betrieb genommene Forschungsschiff legte bis 1979 insgesamt 650.000 Seemeilen zurück und transportierte nebenbei Eisenerz. Neben der „Otto Hahn“ gab es nur wenige Ausnahmen in der internationalen zivilen Schifffahrt, die mit Atomreaktoren an Bord betrieben wurden.

Schiffsexperten prophezeien dem Atomantrieb keine Zukunft, d. h., die Nutzung erstreckt sich vermutlich weiterhin ausschließlich auf den militärischen Bereich: Wegen der Strahlung ist eine komplexe Abschirmung erforderlich, die Umweltbelastung durch den Atommüll ist ein ungelöstes Problem.

Windkraft (Segel, Zugdrachen)

Segel dienten jahrhundertelang als Antriebskraft auf dem Meer. Erst mit dem Aufkommen von Motorschiffen verlor das Segel an Bedeutung bzw. beschränkte sich die Anwendung fortan auf die Nische des Segelsports. Künftig ist jedoch auch der Einsatz von Segeln im Frachtbetrieb wieder denkbar, eventuell als zusätzliche Unterstützung des Antriebs.

Wind hat den Vorteil, den Vortrieb über das Segel ohne Verluste durch Energieumwandlung direkt auf das Schiff zu übertragen. Allerdings winken die meisten Reeder bei herkömmlichen Segeln ab, da damit eine Abhängigkeit von der Witterung entstehe, eine größere Crew benötigt werde sowie Masten und Takelage die potenziell zuladbare Frachtmenge reduzierten (Quelle: http://www.spiegel.de/wirtschaft/antrieb-ohne-oel-reeder-planen-das-hochsee-schiff-der-zukunft-a-569312-7.html).

Naheliegend ist die Nutzung von Zugdrachen als Antrieb für Frachter. Die Firma Sky Sails verspricht eine Einsparung von bis zu zwei Megawatt der Antriebsleistung bei der zusätzlichen Nutzung des Schirms. Dennoch investieren Reedereien nur selten in die Drachen. Bislang konnte das Unternehmen erst zehn der ca. eine Million Euro teuren Drachen, die dem Prinzip eines Gleitschirms gleichen, verkaufen (Quelle: http://segelreporter.com/panorama/skysails-muss-entlassen-windantrieb-fuer-grossschifffahrt-in-der-krise/). Dabei soll das System den Motor nicht ersetzen, kann jedoch einen Beitrag dazu leisten, diesen zu entlasten und bei günstigen Windverhältnissen zu unterstützen.

Wasserkraft

Ähnlich einem Düsenantrieb im Luftverkehr gibt es auch bei der Fortbewegung auf dem Wasser einen entsprechenden Antrieb, den sich beispielsweise Jet-Skis zunutze machen: Die meist mit Diesel oder Gas betriebene Turbine saugt Wasser an und stößt dieses mit hohem Druck wieder aus. In der Frachtschifffahrt sehen Experten für den Jetantrieb wegen des enormen Energieaufwands keinen Nutzen.

Als Seefahrernation haben die Briten 1850 das erste Boot entwickelt, das komplett ohne Segel oder Motor auskam, sondern sich lediglich der Strömungen des Meeres bediente, um sein Ziel zu erreichen. Zwei Flügelblätter am Bug wandeln dabei die Wellenkraft in Antriebsenergie um. Dieses Prinzip baute nun der Japaner Kenichi Horie nach: In einem Versuch benötigte er für eine Strecke von 7.000 km etwa drei Monate, d. h. etwa neunmal so lang wie ein dieselbetriebener Frachter, und verdeutlichte dabei das geringe Tempo des Prinzips. Nichtsdestotrotz: Die Branche hat Interesse an der Technologie, die gegebenenfalls eine Unterstützung der Dieselmotoren darstellen könnte.

Luftkissenboote

Luftkissenboote stellen keine ernsthafte Alternative zum Antrieb mit Diesel oder Öl dar, da es einer großen Menge Energie bedarf, um das Luftkissen zu erzeugen. Das Boot, das auf ebenen Flächen auch auf dem Land gleiten kann, wurde in den fünfziger Jahren durch einen Briten entwickelt. Zwischen 1959 und 2000 fand ein Fähr-Linienbetrieb zwischen Großbritannien und dem europäischen Festland statt, der ein jähes Ende fand, da der Betrieb zu teuer war.

Ein ähnliches Prinzip haben Forscher jedoch inzwischen adaptiert: Kleine Luftbläschen unter dem Rumpf sollen die Reibung durch Verringern der Kontaktfläche mit dem Wasser reduzieren und nicht nur den Kraftstoffverbrauch senken, sondern auch ein Schiff schneller durchs Wasser gleiten lassen. Die niederländische DK Group arbeitet an einem Kompressorsystem, das Druckluft unter den Rumpf von großen Frachtern und Tankern pumpt und damit den Transport effizienter gestaltet.

Umweltfreundliche Häfen

Vor allem große Binnen- und Seehäfen haben mit der wachsenden Problematik der Abgase durch den Schiffsverkehr zu kämpfen. Dabei lag der durch Schiffe verursachte Anteil der Stickoxide und Staubpartikel in Hamburg bereits vor 15 Jahren bei 20 % des Gesamtaufkommens.

Die immer größer werdenden Kreuzfahrt- und Containerschiffe lassen während ihrer Liegezeiten vielfach die Motoren laufen, um die Stromversorgung an Bord zu gewährleisten. Ein Kreuzfahrtschiff wie die Queen Mary benötigt dabei die Strommenge von ca. 15.000 Haushalten. Dabei emittieren die Dieselmotoren Unmengen an Feinstaub und Schwefel, der die Luft der Städte verschlechtert, zumal eine Begrenzung des Schwefelgehaltes im Treibstoff der Schiffe erst seit 2010 besteht. Mit 0,1 % Maximalanteil ist die Höchstgrenze jedoch noch immer um ein Vielfaches höher als bei Landfahrzeugen (0,001 %). Aufgrund der höheren Kosten des Schiffsdiesels im Vergleich zu Schweröl schalten die Frachter auf offener See meist auf den Ölbetrieb um – Nord- und Ostsee schreiben Schwefelwerte von 1 % vor, auf den Weltmeeren liegt der Grenzwert bei 4,5 % (Quelle: http://www.heise.de/tp/artikel/34/34966/1.html).

Wesentlich zur Verringerung der Schadstoffausstöße beitragen kann die landseitige Stromversorgung der Schiffe, d. h. den Bau eines Kraftwerkes an Land, das die Schiffe während ihrer Liegezeiten mit Strom versorgt und so das Abschalten der Schiffsmotoren ermöglicht. Die Kraftwerksproduktion des am Kai benötigten Stroms würde beispielsweise etwa 2,25 Tonnen Stickoxid erzeugen, bei einer Generierung des Stroms durch die Hilfsdiesel der Kreuzfahrer fallen dagegen satte 54,4 Tonnen an (Quelle: http://www.heise.de/tp/artikel/34/34966/1.html). Die Kosten für die Städte sind jedoch hoch, da die Versorgung nicht über das bestehende Netz erfolgen kann, sondern die Bereitstellung zusätzlicher Kapazitäten erfordert.

So setzt die Flotte der Aida seit Kurzem ein schwimmendes Gaskraftwerk ein, um beim Anlegen der Schiffe vor Ort die notwendige Energie zu gewährleisten, sodass diese den Motor nicht laufen lassen müssen (Quelle: http://parkenundmeer.de/kreuzfahrtschiffe-bekommen-lng-hybrid-barge.html).

Weitere Verbesserungen hinsichtlich des Umweltschutzes ließen sich laut Jörg Feddern von Greenpeace durch die Verringerung der Höchstgeschwindigkeiten erzielen und auch alternative Kraftstoffe wie Erdgas oder Segelantriebe könnten die Emissionen verringern (Quelle: http://www.heise.de/tp/artikel/34/34966/1.html). Die Reeder verweigern sich bislang jedoch einer Umrüstung auf LNG-Flüssiggas und auch bei Schiffs-Neubauten schrecken die Mehrkosten von 20 % ab. Aufgrund fehlender Vorschriften zeigen sie sich außerdem unzugänglich für den Einbau von Katalysatoren und Filtern, da auch dies hohe Kosten verursachen würde.

Erst wenn zeitgleich ein Anstieg der Kraftstoffpreise und ein Absenken der zulässigen Emissionswerte erfolgt sind oder die Liegegebühren an Umweltstandards gekoppelt würden, ist mit einem Einlenken der Reedereien zu rechnen. So lange werden vornehmlich Alternativen des Spritsparens vollzogen – beispielsweise durch Spezialanstriche, exakte Routenplanungen und einen sogenannten „Entenschwanz“, der für Auftrieb sorgt und den Strömungswiderstand verringert (Quelle: http://www.tagesspiegel.de/weltspiegel/reise/schmutzige-schifffahrt-reedereien-werfen-sich-gruene-maentelchen-ueber/7371006-2.html).