Methanschlupf in LNG-Motoren: Motortypen und Einfluss auf die Treibhausgasbilanz

Mit Gas betriebene Motoren verbrennen nicht das gesamte Methan: Ein kleiner Teil durchläuft den Brennraum unverbrannt und gelangt als sogenannter Methanschlupf (Methane Slip) in das Abgas. Da Methan ein starkes Treibhausgas ist, verschlechtert der Schlupf die Emissionsbilanz, auch wenn der Kraftstoff bioLNG ist. Die Größe des Schlupfes hängt vom Motortyp, von der Last, vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis und von der Einstellung ab. In der Verordnung FuelEU Maritime unterscheiden sich die Standardwerte je nach Typ des Schiffsmotors – von etwa 0,2% bis über 3% der Masse des verbrauchten Kraftstoffs.

Umrechnung des Schlupfes in gCO₂e/MJ

Methan hat einen Heizwert von ca. 50 MJ/kg. Ein Schlupf mit dem Wert s (als Bruchteil der Kraftstoffmasse) bedeutet s kg unverbranntes CH₄ je kg Kraftstoff, also s/50 kg je MJ. Emission in gCO₂e/MJ = s/50 × 1000 g × GWP. Für GWP₁₀₀ = 28:

Für einen 20-Jahres-Horizont (GWP ca. 80–84) wären die Werte etwa dreimal so hoch.

Motortypen

In FuelEU Maritime wurden mehrere Kategorien von LNG-Motoren herausgestellt, für die Standardwerte für den Schlupf festgelegt wurden (die Werte können aktualisiert werden; der aktuelle Anhang ist zu prüfen): u. a. mittelschnelllaufende Dual-Fuel-Motoren mit Fremdzündung (Schlupf im Bereich einiger Prozent), langsamlaufende Dual-Fuel-Motoren mit Fremdzündung (etwa 1,7%), langsamlaufende Dual-Fuel-Motoren mit Selbstzündung (etwa 0,2%) sowie Magermotoren mit Fremdzündung (etwa 2,6%). Im Straßenverkehr hängen die Werte von der Technologie ab: Stöchiometrische Motoren mit Dreiwegekatalysator haben in der Regel einen niedrigen Schlupf, Dual-Fuel-Motoren des Typs HPDI haben ein anderes Emissionsprofil, und Magermotoren ohne zusätzliche Systeme – einen höheren.

Woher der Schlupf kommt

1. Niedrige Last: schwächere Verbrennung, kalte Brennraumwände.
2. Spalten und Totvolumina im Brennraum: Das Gas erreicht die Flamme nicht.
3. Spülung des Zylinders bei Zweitakt- und Dual-Fuel-Motoren: Ein Teil des Gemischs entweicht.
4. Zu mageres oder zu fettes Gemisch.
5. Alterung des Katalysators und Verschmutzung.

Verringerung

• Wahl eines Motors mit niedrigem Schlupf (z. B. Dual-Fuel mit Selbstzündung, stöchiometrischer Motor mit Katalysator),
• Optimierung der Steuerung und Vermeidung längeren Betriebs bei niedriger Last,
• Einsatz von Methan-Oxidationskatalysatoren (schwierig wegen der Stabilität von CH₄ und der erforderlichen Temperatur),
• Abgasrückführung und konstruktive Änderungen,
• in der Schifffahrt – Wahl anderer Kraftstoffe oder Hybridsysteme.

Berechnungsbeispiel für ein Schiff

Annahmen: Ein Schiff verbraucht 10.000 t bioLNG pro Jahr (Energie 500 TJ bei 50 MJ/kg), Schlupf 3,1%. Unverbranntes Methan: 310 t. Bei GWP₁₀₀ = 28 sind das 8680 t CO₂e pro Jahr. Wird der Motor gegen einen Typ mit 0,2% Schlupf getauscht, sinken die Emissionen aus dem Schlupf auf 20 t CH₄ und 560 t CO₂e, also um mehr als 8000 t CO₂e pro Jahr. Zum Vergleich: Das CO₂ aus der Verbrennung dieser Kraftstoffmenge würde ca. 27.500 t betragen (10.000 × 2,75), ist aber biogen und wird nach den Regeln von FuelEU nicht in die Bilanz eingerechnet.

Schlussfolgerungen für Lieferanten und Reeder

• Allein die Wahl von bioLNG garantiert keine niedrige Emission; erforderlich ist ein geeigneter Motor.
• Die Bedingungen der Kraftstoffverträge sollten die Treibhausgasdokumentation und die Motorparameter berücksichtigen.
• bioLNG-Hersteller können über den Produktionsfußabdruck konkurrieren, kontrollieren aber den Schlupf beim Abnehmer nicht.
• Die Vorschriften werden die Methodik zur Berechnung des Schlupfes weiterentwickeln.

Wo aktuelle Werte zu finden sind

Die Standardwerte für den Schlupf in FuelEU Maritime sind in den Anhängen der Verordnung enthalten und können durch delegierte Rechtsakte aktualisiert werden, daher sollten Sie für Berechnungen die aktuelle Fassung des Textes aus EUR-Lex verwenden. Reeder können auch tatsächliche Werte auf Grundlage zertifizierter Messungen anwenden, sofern die Verifizierungsstellen sie anerkennen. Im Straßenverkehr bilden die Daten der Motorenhersteller und Untersuchungen unabhängiger Institute die Grundlage der Schlupfbewertung, und die Teststandards erfassen unverbranntes Methan nicht immer, daher lohnt es sich, bei den Lieferanten danach zu fragen.

Zusammenfassung

Der Methanschlupf in Motoren ist ein Faktor, der einen Teil des Nutzens von bioLNG zunichtemachen kann. Eine geeignete Wahl der Technologie und die Optimierung des Motorbetriebs begrenzen diesen Effekt.