Mission 7

Gasmotoren spielen eine zunehmend wichtige Rolle, insbesondere in der Schifffahrt und der stationären Strom- und Wärmeerzeugung. Im letztgenannten Anwendungsfall kommt den Gasmotoren gerade im Rahmen der Energiewende und des beschlossenen Kohleausstiegs eine zentrale Bedeutung zu, denn sie können besonders flexibel betrieben werden. So sind sie in der Lage, bei konstanter Stromnachfrage die fluktuierende Strombereitstellung aus erneuerbaren Energien gezielt zu ergänzen (siehe Mission 2). Bezogen auf eine Einheit produzierter Energie sind dabei die direkten CO₂ Emissionen von Erdgas etwa 40% geringer als die von Kohle.

In der Schifffahrt könnte Flüssigerdgas (Liquefied Natural Gas, kurz LNG) kurz- und mittelfristig das heute noch gebräuchliche Schweröl umwelt- und klimafreundlich ersetzen. Bei einer Lebenszyklusbetrachtung (Well-to-Wake) verursacht LNG dabei je nach Motorentechnologie bis zu 21% weniger Treibhausgase als konventionelle fossile Schiffskraftstoffe und auch deutlich weniger Schademissionen wie Stickoxide (NOx), Feinstaub (PM) oder Schwefel.

Unabhängig davon, wo Gas als Treib- oder Brennstoff eingesetzt wird, ist sein Hauptbestandteil stets Methan (CH₄), ein farb- und geruchloses, brennbares Gas. Methan hat im Vergleich zu CO₂ ein deutlich höheres Treibhauspotenzial und muss daher genau unter die Lupe genommen werden. Um zu vermeiden, dass der mit dem Einsatz von Gas verbundene Klimavorteil ins Negative kippt, müssen Methanemissionen entlang der gesamten Gas-Wertschöpfungskette - von der Gewinnung im Gasfeld über den Transport in Pipelines sowie Verteilungsnetzwerken und die Lagerung bis hin zur Nutzung - so weit wie irgend möglich minimiert bzw. vollständig vermieden werden.

Die Industriemotorenbranche steht als Teil dieser Wertschöpfungskette zu ihrer Mitverantwortung zur Reduktion der Methanemissionen. Beim Verbrennungsmotor sind es verschiedene konstruktive Ursachen, die dazu führen, dass unverbranntes Gas und somit Methan aus dem Motor entweichen kann (sogenannter Methanschlupf). Dieser Schlupf kann dabei abhängig vom Motorenkonzept vernachlässigbar klein sein oder aber relevante Größenordnungen erreichen. Schon aus Effizienzgründen – Methanschlupf bedeutet schließlich auch den Verlust wertvollen Brennstoffs – ist es ein zentrales Ziel eines jeden Motorenherstellers, diesen Schlupf zu minimieren. Zu den innermotorischen Maßnahmen, die den konstruktionsbedingten Methanschlupf so weit wie möglich reduzieren, zählen eine optimierte Ventilsteuerung, konstruktiv optimierte Brennräume sowie optimierte Brennverfahren, die eine möglichst vollständige Verbrennung des Brennstoffes zum Ziel haben. Hier wurden in den vergangenen Jahrzehnten bereits erhebliche Fortschritte erreicht, was sich u.a. in den stetig steigenden Wirkungsgraden der Motoren widerspiegelt. Künftig könnte die Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas, dem auf dem Weg zu einer Wasserstoffwelt eine wichtige Bedeutung zukommt (mehr dazu in Mission 8), weiter deutlich zur innermotorischen Methanreduktion beitragen, denn das reaktionsfreudige Gas kann die vollständige Verbrennung im Motor begünstigen.

Für jene Fälle, in denen sich der Methanschlupf durch innermotorische Maßnahmen nicht bis auf ein Niveau reduzieren lässt, von dem keine relevanten klimaschädlichen Effekte mehr ausgehen, forscht die Motorenindustrie intensiv an außermotorischen Maßnahmen, die den Methanschlupf dann auf ein unbedenkliches Maß reduzieren. Die vielversprechendste Lösung, die auch den Einsatzbedingungen moderner Gasmotoren in der Schifffahrt und in den stationären Anwendungen gerecht werden, ist hier der Methanoxidationskatalysator.  Den besonderen chemischen Eigenschaften von Methan ist es geschuldet, dass zur Oxidation von Methan besonders hohe Temperaturen notwendig sind. Die Katalysatorentwicklung und die Auswahl eines geeigneten Katalysatormaterials gestalten sich daher deutlich schwieriger, als dies für andere Schadstoffe der Fall ist (siehe Mission 6) Dennoch scheint nach langen Jahren intensiver Forschung, und zwar sowohl in der vorwettbewerblichen Gemeinschaftsforschung als auch in unternehmenseigener F&E, der Durchbruch greifbar. Die Unternehmen der Motorenbranche werden dafür sorgen, den Methanschlupf bis zum Ende des Jahrzehnts so weit minimiert zu haben, dass sich daraus keine relevanten klimaschädlichen Effekte mehr ergeben.