Die heutigen Frachtschiffe nutzen riesige Dieselmotoren, die große Mengen an Luftschadstoffen ausstoßen, zur Klimaveränderung beitragen und die menschliche Gesundheit beeinträchtigen. Der Seeverkehr macht fast 3 Prozent der globalen Kohlendioxidemissionen aus, und die negativen Auswirkungen der Industrie auf die Luftqualität verursachen jedes Jahr etwa 100.000 vorzeitige Todesfälle.

Die Dekarbonisierung der Schifffahrt zur Reduzierung dieser schädlichen Auswirkungen ist das Ziel der Internationalen Seeschifffahrts-Organisation (IMO), einer Agentur der Vereinten Nationen, die den Seeverkehr reguliert. Eine mögliche Lösung ist der Umstieg der globalen Flotte von fossilen Brennstoffen auf nachhaltige Brennstoffe wie Ammoniak, der nahezu kohlenstofffrei sein könnte, wenn man seine Produktion und Nutzung berücksichtigt.

In einer neuen Studie warnt jedoch ein interdisziplinäres Forscherteam des MIT und anderer Institutionen davor, dass das Verbrennen von Ammoniak als Schiffskraftstoff die Luftqualität weiter verschlechtern und verheerende Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit haben könnte, es sei denn, es werden verstärkte Emissionsvorschriften eingeführt.

Das Verbrennen von Ammoniak erzeugt Distickstoffoxid (N2O), ein Treibhausgas, das etwa 300-mal stärker ist als Kohlendioxid. Es emittiert auch Stickstoff in Form von Stickoxiden (NO und NO2, bekannt als NOx), und unverbrannter Ammoniak kann austreten, was letztlich feine Partikel in der Atmosphäre bildet. Diese feinen Partikel können tief in die Lungen eingeatmet werden und gesundheitliche Probleme wie Herzinfarkte, Schlaganfälle und Asthma verursachen.

Die neue Studie zeigt, dass der Umstieg der globalen Flotte auf Ammoniak unter den aktuellen Gesetzen bis zu etwa 600.000 zusätzliche vorzeitige Todesfälle pro Jahr verursachen könnte. Mit stärkeren Vorschriften und saubererer Motortechnologie könnte dieser Umstieg jedoch zu etwa 66.000 weniger vorzeitigen Todesfällen führen als derzeit durch Emissionen aus dem Seeverkehr verursacht werden, mit weit geringeren Auswirkungen auf die globale Erwärmung.

“Nicht alle Klimaschutzlösungen sind gleich. Es gibt immer einen Preis zu zahlen. Wir müssen das Problem ganzheitlich angehen und alle Kosten und Vorteile verschiedener Klimaschutzlösungen betrachten, nicht nur ihr Dekarbonisierungspotential,” sagt Anthony Wong, Postdoktorand am MIT-Zentrum für Wissenschaft des globalen Wandels und Hauptautor der Studie.

Zu seinen Mitautoren gehören Noelle Selin, Professorin am MIT am Institut für Daten-, System- und Gesellschaftswissenschaften und am Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS); Sebastian Eastham, ehemaliger Hauptforscher, jetzt Senior Lecturer am Imperial College London; Christine Mounaïm-Rouselle, Professorin an der Universität Orléans in Frankreich; Yiqi Zhang, Forscher an der Universität für Wissenschaft und Technologie in Hongkong; und Florian Allroggen, Forscher am MIT-Department für Luft- und Raumfahrt. Die Forschung wurde diese Woche in den Environmental Research Letters veröffentlicht.

Grünerer, sauberer Ammoniak
Traditionell wird Ammoniak hergestellt, indem Wasserstoff aus Erdgas extrahiert und dann bei extrem hohen Temperaturen mit Stickstoff kombiniert wird. Dieser Prozess ist oft mit einem erheblichen CO2-Fußabdruck verbunden. Die Schifffahrtsindustrie setzt auf die Entwicklung von "grünem Ammoniak", der mit erneuerbarer Energie zur Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse und zur Erzeugung von Wärme hergestellt wird.

“Theoretisch sind die CO2-Emissionen fast null, wenn man grünen Ammoniak in einem Schiffsmotor verbrennt,” sagt Wong.

Aber selbst der grünste Ammoniak erzeugt Distickstoffoxid (N2O), Stickoxide (NOx) bei der Verbrennung, und ein Teil des Ammoniaks kann unverbrannt entweichen. Dieses Distickstoffoxid würde in die Atmosphäre entweichen, wo das Treibhausgas über 100 Jahre verweilen würde. Gleichzeitig fällt Stickstoff, der als NOx und Ammoniak emittiert wird, auf die Erde und schädigt empfindliche Ökosysteme. Während diese Emissionen von Bakterien verarbeitet werden, entsteht zusätzliches N2O.

NOx und Ammoniak vermischen sich auch mit Gasen in der Luft, um feine Partikel zu bilden. Als primärer Beitrag zur Luftverschmutzung töten feine Partikel jährlich geschätzte 4 Millionen Menschen.

“Zu behaupten, Ammoniak sei ein ‘sauberer’ Brennstoff, ist ein wenig übertrieben. Nur weil er kohlenstofffrei ist, bedeutet das nicht unbedingt, dass er sauber und gut für die öffentliche Gesundheit ist,” sagt Wong.

Mehrfachmodell
Die Forscher wollten das vollständige Bild präsentieren und die Umwelt- und Gesundheitsauswirkungen des Übergangs der globalen Flotte zu Ammoniak erfassen. Dazu entwarfen sie Szenarien, um zu messen, wie sich die Auswirkungen von Schadstoffen entsprechend bestimmten technologischen und politischen Annahmen ändern.

Auf der technologischen Seite betrachteten sie zwei Arten von Schiffsmotoren. Der erste verbrennt reinen Ammoniak, der mehr unverbrannten Ammoniak erzeugt, aber weniger Stickoxide emittiert. Die zweite Motorentechnologie beinhaltet das Mischen von Ammoniak mit Wasserstoff, um die Verbrennung zu verbessern und die Effizienz des Katalysators zu optimieren, der sowohl Stickoxide als auch unverbrannten Ammoniak kontrolliert.

Sie betrachteten auch drei politische Szenarien: aktuelle Vorschriften, die NOx-Emissionen nur in bestimmten Teilen der Welt begrenzen; ein Szenario, das Ammoniak-Emissionsgrenzen über Nordamerika und Westeuropa hinzufügt; und ein Szenario, das globale Emissionsgrenzen für Ammoniak und NOx hinzufügt.

Die Forscher nutzten ein Modell von Schiffsrouten, um zu berechnen, wie sich die Schadstoffemissionen in jedem Szenario ändern, und speisten die Ergebnisse dann in ein Luftqualitätsmodell ein. Das Luftqualitätsmodell berechnet die Auswirkungen von Schiffsabgasen auf die Partikel- und Ozonverschmutzung. Schließlich bewerteten sie die Auswirkungen auf die globale öffentliche Gesundheit.

Einer der größten Herausforderungen war der Mangel an realen Daten, da noch keine Ammoniak-betriebenen Schiffe die Meere befahren. Stattdessen stützten sich die Forscher auf experimentelle Daten zur Ammoniakverbrennung von Mitarbeitern, um ihr Modell zu erstellen.

“Wir mussten einige clevere Wege finden, um diese Daten nützlich und informativ für technologische und regulatorische Situationen zu machen,” sagt Wong.

Ergebnisspektrum
Am Ende fanden sie heraus, dass ohne neue Vorschriften und mit Schiffsmotoren, die reinen Ammoniak verbrennen, der Übergang der gesamten Flotte 681.000 zusätzliche vorzeitige Todesfälle pro Jahr verursachen könnte.

“Während ein Szenario ohne neue Vorschriften nicht sehr realistisch ist, dient es als gute Warnung davor, wie gefährlich Ammoniakemissionen sein könnten. Und im Gegensatz zu NOx sind Ammoniakemissionen aus der Schifffahrt derzeit nicht geregelt,” sagt Wong.

Selbst ohne neue Vorschriften würde die Verwendung saubererer Motortechnologie jedoch die Anzahl der vorzeitigen Todesfälle auf etwa 80.000 reduzieren, was etwa 20.000 weniger ist als derzeit den Emissionen aus dem Seeverkehr zugeschrieben wird. Mit stärkeren globalen Vorschriften und saubererer Motortechnologie könnte die Anzahl der durch Luftverschmutzung aus der Schifffahrt sterbenden Menschen um etwa 66.000 reduziert werden.

“Die Ergebnisse dieser Studie zeigen die Bedeutung der Entwicklung von Richtlinien zusammen mit neuen Technologien,” sagt Selin. “Es gibt das Potenzial, dass Ammoniak in der Schifffahrt sowohl für das Klima als auch für die Luftqualität von Vorteil ist, aber das erfordert Vorschriften, die so gestaltet sind, dass sie das gesamte Spektrum der potenziellen Auswirkungen abdecken, einschließlich Klima und Luftqualität.”

Die Auswirkungen von Ammoniak auf die Luftqualität würden nicht überall auf der Welt gleichermaßen zu spüren sein, und eine vollständige Lösung dieser Probleme würde koordinierte Strategien in sehr unterschiedlichen Kontexten erfordern. Die meisten vorzeitigen Todesfälle würden in Ostasien auftreten, da die Luftqualitätsvorschriften in dieser Region weniger streng sind. Höhere Niveaus bestehender Luftverschmutzung führen dazu, dass aus Ammoniakemissionen mehr feine Partikel entstehen. Zusätzlich ist das Volumen des Schiffsverkehrs über Ostasien weit größer als anderswo auf der Erde, was die negativen Auswirkungen verstärkt.

In Zukunft hoffen die Forscher, ihre Analyse weiter zu verfeinern. Sie hoffen, diese Ergebnisse als Ausgangspunkt zu nutzen, um die Schifffahrtsindustrie zu ermutigen, Motordaten zu teilen, die für bessere Luftqualitäts- und Klimaauswirkungsbewertungen verwendet werden können. Sie hoffen auch, politische Entscheidungsträger über die Bedeutung und Dringlichkeit der Aktualisierung von Emissionsvorschriften für die Schifffahrt zu informieren.

Diese Forschung wurde vom MIT Climate and Sustainability Consortium finanziert.

Quelle: Massachusetts Institute of Technology