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LNG – neue Energie für den Straßengüterverkehr?

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Insbesondere im Bereich der schweren Lkw und Sattelzugmaschinen hat der Energieträger LNG ein erhebliches Potenzial.

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Bislang war verflüssigtes Erdgas (Liquefied Natural Gas, kurz: LNG) vor allem ein Transportmedium für den internationalen Gastransport. Es wurde in Großanlagen verflüssigt, mit großen Schiffen über die Weltmeere transportiert und am Zielort rückvergast und als Pipelinegas genutzt. In der jüngeren Vergangenheit kommt LNG jedoch auch im Transportsektor immer stärker als Endprodukt, sprich Kraftstoff, zur Anwendung.

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Verkehrsforschung im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt sowie der Arbeitsgruppe Schiffsmaschinenbau der Technischen Universität Hamburg hat Shell eine Studie zum Thema „Verflüssigtes Erdgas – neue Energie für Schiff und Lkw? Fakten, Trends und Perspektiven“ erstellt.

In dem Beitrag werden die wichtigsten Ergebnisse zum aktuellen Stand der LNG-Bereitstellung sowie die Perspektiven im Verkehrsbereich, insbesondere im Straßengüterverkehr mit schweren Lkw, dargestellt.

von Dr. Jörg Adolf, Dr. Max Kofod (beide: Shell Deutschland), Andreas Lischke & Gunnar Knitschky (beide: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt)

LNG wird durch technische Verfahren aus Erdgas (Natural Gas) hergestellt. Erdgas hat eine geringe Dichte und pro Volumeneinheit einen geringeren Energiegehalt als flüssige Kraftstoffe wie Diesel. Für den Transport, aber auch für Anwendungen insbesondere im mobilen Bereich muss das Erdgas „verdichtet“ werden, z. B. durch die Erdgasverflüssigung (Liquefaction). Um ein Produkt (LNG) mit konsistenten technischen Produkteigenschaften hervorzubringen, sind mehrstufige Be- und Verarbeitungsprozesse erforderlich: Zunächst muss das Rohgas gereinigt und aufbereitet werden. Am Ende der Erdgas-Aufbereitung steht ein Gas, welches hauptsächlich – in der Regel zu etwa 90 Prozent – nur noch aus Methan besteht.

LNG wird als siedendes Kryogen (tiefkalte Flüssigkeit) bei -161,5 °C gespeichert und transportiert. Flüssiges Methan hat bei 1 bar ein um den Faktor 600 kleineres Volumen als bei Umgebungstemperatur und -druck. Bezogen auf den gravimetrischen Heizwert besitzt LNG mit bis zu 50 Megajoule pro Kilogramm (MJ/kg) einen höheren Energiegehalt als z. B. Dieselkraftstoff (43 MJ/kg). In Bezug auf die volumetrische Energiedichte erreicht LNG etwa 60 Prozent des Energiegehaltes von einem Liter Dieselkraftstoff, das heißt etwa 21 MJ/l LNG zu ca. 36 MJ/l Diesel. Bezogen auf die Verkaufseinheit weist der Kraftstoff LNG (in Kilogramm) gegenüber Dieselkraftstoff (in Liter) einen höheren Energiegehalt von fast 40 Prozent auf.
 


Ein weiterer Vorteil von Erdgas/Methan ist, dass es klopffester als Benzin ist und Oktanzahlen von bis zu 130 erreichen kann; darüber hinaus weist verflüssigtes Erdgas nur einen geringen Schwefelanteil von etwa 2 ppm auf.

LNG-Wirtschaft

Weltweit wurden im Jahr 2017 rund 770 Mrd. m3 Erdgas international gehandelt, knapp 60 Prozent des interregionalen Erdgashandels erfolgt über Pipelines. Über LNG werden ca. 40 Prozent abgewickelt; das waren zuletzt (2017) gut 330 Mrd. m3 bzw. umgerechnet ca. 230 Mio. t LNG. Insgesamt wird der LNG-Import von asiatischen Ländern dominiert. Europa importiert in Summe rund 47 Mio. t LNG.
 


Im Trend wächst die Nachfrage nach verflüssigtem Erdgas deutlich schneller als diejenige nach Erdgas insgesamt. Die Internationale Energieagentur (IEA) geht in diesem Zusammenhang davon aus, dass der globale Erdgashandel bis zum Jahr 2040 um rund zwei Drittel wachsen wird und dass über 80 Prozent dieses Zuwachses durch LNG abgedeckt werden. Die Verfügbarkeit des Energieträgers würde sich folglich in weniger als 25 Jahren etwa verzweieinhalbfachen. Demnach fänden fast 60 Prozent des globalen Erdgashandels in 2040 in Form von LNG statt und ca. 14 Prozent des weltweit konsumierten Erdgases wäre LNG – heute sind es 8 bis 9 Prozent.

Supply-Chain und Infrastruktur

Zurzeit dominiert in der LNG-Versorgung das sogenannte „Hub and Spoke“-Modell mit zentraler Verflüssigung in industriellen Großanlagen (LNG Trains), Transport und Weiterverteilung. Weltweit existieren Erdgas-Verflüssigungskapazitäten für LNG (Liquefaction Plants) in Höhe von nominal rund 370 Mio. t LNG. Das LNG wird in großen Spezialschiffen, sogenannten LNG-Carriern (LNGC), vom Erdgas-Verflüssigungsterminal zu einem Aufnahme-Terminal transportiert. Aktuell gibt es weltweit rund 230 dieser LNG-Carrier, die insgesamt eine Transportkapazität von 76,6 Mio. m3 LNG haben.
 


Am Zielort wird das Erdgas in speziellen Rückvergasungsterminals (Regasification Units), von denen es weltweit rund 140 Stück gibt, wieder in gasförmigen Zustand gebracht. Meist handelt es sich um größere, fest installierte Anlagen. Die weltweiten LNG-Rückvergasungskapazitäten liegen zurzeit bei 850 Mio. t. Sie sind damit mehr als doppelt so groß wie diejenigen für die Erdgas-Verflüssigung. Allein die europäischen Rückvergasungs-Anlagen mit einer Kapazität von rund 160 Mio. t LNG könnten rein rechnerisch über die Hälfte des globalen LNG-Angebotes aufnehmen.
 


Im Gegensatz zu den Large-Scale-LNG-Anlagen erfordern neue LNG-Endverbraucheranwendungen im Mobilitätsbereich deutlich kleinteiligere Einheiten für die Verteilung und Versorgung mit dem Energieträger. Die Verkleinerung (Miniaturisierung) der bisher großskaligen LNG-Aktivitäten wird auch Small-Scale-LNG oder Retail-LNG bezeichnet.Die EU-Staaten verfügen zurzeit über rund 150 LNG-Tankstellen, zudem gibt es eine größere und wachsende Anzahl von Small-Scale LNG-Import-, LNG-Export- und LNG-Verflüssigungsanlagen sowie über 1.000 LNG-Kleinlager. Für Schiffe gibt es in Europa zurzeit 40 bis 50 LNG-Bunkerstationen.

LNG für schwere Lkw

Zu den potenziellen Haupt-Anwendungsfeldern von LNG gehört – neben der Seeschifffahrt – der Straßengüterfernverkehr mit schweren Lkw. Die als Nutzer in Frage kommenden Fahrzeuge sind mit 350.000 Lkw zum einen der Größenklasse über 16 t zulässigem Gesamtgewicht zuzuordnen, zum anderen mit 1,8 Mio. Einheiten den Sattelzugmaschinen. Die jüngsten Expertenschätzungen gehen von derzeit etwa 4.000 LNG-Fahrzeugen in der EU aus, hierbei handelt es sich hauptsächlich um Lkw und Sattelzugmaschinen sowie einige Busse. Weitere nennenswerte Flotten an LNG-Lkw existieren insbesondere in China (über 200.000 Fahrzeuge) sowie in Nordamerika (über 4.000 Fahrzeuge).

Für die schweren LNG-Lkw gibt es derzeit zwei unterschiedliche Arten von Motortechnologien, die die aktuellen europäischen Abgas-Emissionsstandards EURO VI erfüllen. Das stöchiometrische „Spark Ignition“-Motorenkonzeptlässt sich aufgrund der hohen Methanzahl von Erdgas bzw. LNG sehr gut realisieren. Der SI-Motor ermöglicht durch den Einsatz von Drei-Wege-Katalysatoren eine kostengünstige Abgasnachbehandlung. Der Wirkungsgrad des SI-Motors ist geringer als bei einem Dieselmotor, ein LNG-Lkw mit SI-Motor würde folglich im Mittel bis zu 18 Prozent mehr Energie als ein Diesel-Lkw benötigen.

Die Idee des Hochdruck-Direktinjektions-Motors (High Pressure Direct Injection, HPDI) ist es, mit einer kleinen Menge Dieselkraftstoff die Selbstzündung zu initiieren und dann in die entstehende Flamme das Methan einzudüsen; der Dieselanteil am Kraftstoffverbrauch liegt dabei zwischen 5 und 10 Prozent des Gesamtverbrauchs. Die Abgasnachbehandlung erfolgt in gleicher Weise wie bei einem normalen Dieselmotor. Da ein HPDI-Motor wie ein Dieselmotor arbeitet, benötigt ein Lkw mit HPDI-Motor lediglich ca. 3 bis 4 Prozent mehr Energie als ein konventioneller Dieselmotor.

Alle LNG-Lkw erfüllen die Euro VI-Norm und haben daher auch keine relevanten Methanemissionen (Grenzwert 0,5 g/kWh). SI-Motoren würden jetzt schon eine weitere Verschärfung der Abgas-Emissionslimits erfüllen und sind zudem deutlich leiser als Diesel-Lkw.

Die EU-Kommission bereitet eine verbindliche CO2-Regulierung für Nutzfahrzeuge ab 3,5 t zulässigem Gesamtgewicht vor. Zur Berechnung von CO2-Emissionen schwerer Lkw hat sie ein Simulationstool VECTO (Vehicle Energy Consumption Tool) entwickeln lassen. Die Verwendung von LNG bzw. Erdgas als Kraftstoff wird in VECTO mit 23 Prozent niedrigeren Treibhausgas-Emissionen berücksichtigt. Bei gleicher Motoreffizienz (HPDI-Motor) könnten bis zu 17 Prozent CO2-Emissionen (Tank-to-Wheel) mit rein fossilem LNG gegenüber Diesel B7 eingespart werden; bei Verwendung eines aktuellen SI-Motors verbleiben etwa 5 Prozent Einsparung.

Pro-LNG-Szenarien

Mithilfe von Szenariotechnik kann aufgezeigt werden, wie sich LNG als Kraftstoff für schwere Lkw in der EU bis zum Jahr 2040 etablieren und welche differenziellen Auswirkungen sich hieraus für Kraftstoffverbrauch und Treibhausgas-Emissionen ergeben könnten. Unterstellt wird ein ambitioniertes antriebs-/kraftstoffspezifisches Alternativszenario (Pro-LNG-Szenario). Es wird angenommen, dass der LNG-Anteil bei den Neuzulassungen im Jahr 2040 EU-weit auf 75.000 Einheiten ansteigt. Am Ende ergibt sich ein Bestand von rund 480.000 schweren LNG-Lkw in 2040, bestehend aus 20.000 Lkw und 460.000 Sattelzugmaschinen. Rund 17 Prozent aller rund 2,8 Mio. schweren Lkw wären 2040 dann Fahrzeuge mit LNG-Antrieb.
 


Wird ein Otto-/Gasmotor unterstellt, steigt der LNG-Bedarf auf etwa 9,7 Mio. t im Jahr 2040 an. Ein Lkw mit HPDI-Motor verbraucht aktuell etwa 11 Prozent weniger Endenergie als ein Lkw mit Otto-/Gasmotor. Bei der HPDI-Variante fällt die LNG-Nachfrage folglich mit 8,2 Mio. t im Jahr 2040 geringer aus. Die 480.000 Diesel-Lkw hätten im Jahre 2040 ansonsten 11,5 Mrd. l (SI-Motor) bzw. 10,9 Mrd. l (HPDI-Motor) Dieselkraftstoff verbraucht. Zusätzlich benötigt der HPDI-Motor noch Dieselkraftstoff als Zündgeber – im Jahr 2040 wären dies 644 Mio. l.
 


Bei Verwendung von rein fossilem LNG in SI-Motoren ergeben sich im Jahr 2040 Einsparungen von EU-weit 3,7 Mio. t bei den direkten CO2-Emissionen (Tank-to-Wheel), davon abzuziehen ist ein Methanschlupf von umgerechnet etwa 0,5 Mio. t Treibhausgas. Über die gesamte LNG-Kraftstoff­kette (Well-to-Wheel) werden 1,2 Mio. t Treibhausgase weniger emittiert gegenüber schweren Diesel-Lkw. Durch die Verwendung von HPDI-Motoren erhöht sich dieses THG-Einsparpotenzial im Jahre 2040 auf 6,2 Mio. t CO2 Tank-to-Wheel abzüglich etwa 0,5 Mio. t durch Methanschlupf. Well-to-Wheel ergeben sich Einsparungen von 4,7 Mio. t Treibhausgas.

Durch den Einsatz einer 30-prozentigen Bio-LNG-Quote lassen sich die Treibhausgas-Einsparungen von LNG über die gesamte LNG-Kraftstoffkette noch einmal je nach Motorvariante auf 8,4 Mio. t bzw. 10,7 Mio. t im Jahr 2040 erhöhen; dies entspricht einer zusätzlichen Treibhausgas-Einsparung von etwa 20 Prozent. Durch noch höhere Bio-LNG-Beimischungen könnten noch höhere Treibhausgas-Einsparungen gegenüber fossilem LNG und somit auch gegenüber Dieselantrieben erreicht werden; dies entspricht beim HPDI-Antrieb maximal 29 Prozent Emissionseinsparungen gegenüber der gleichen Anzahl schwerer Diesel-Lkw.

Die vollständige LNG-Studie kann hier eingesehen werden: www.shell.de/lngstudie

 

Kontakt:
Dr. Jörg Adolf
Shell Deutschland
joerg.adolfshellcom
www.shell.com