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Sep 22, 2023

Der rasche Rückgang der Batteriekosten beschleunigt die Aussichten aller

Nature Energy Band 7, Seiten

Nature Energy Band 7, Seiten 664–674 (2022)Diesen Artikel zitieren

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Die internationale Seeschifffahrt, die mit Schweröl betrieben wird, trägt maßgeblich zu den weltweiten CO2-, SO2- und NOx-Emissionen bei. Die direkte Elektrifizierung von Seeschiffen wurde als emissionsarme Option trotz ihres erheblichen Effizienzvorteils gegenüber Elektrokraftstoffen bisher kaum erforscht. Frühere Studien zur Schiffselektrifizierung stützten sich auf veraltete Annahmen zu Batteriekosten, Energiedichtewerten und verfügbarem Bordraum. Wir zeigen, dass bei Batteriepreisen von 100 kWh-1 die Elektrifizierung intraregionaler Handelsrouten von weniger als 1.500 km wirtschaftlich ist und nur minimale Auswirkungen auf die Schiffstragfähigkeit hat. Unter Einbeziehung der Umweltkosten erhöht sich die wirtschaftliche Reichweite auf 5.000 km. Wenn Batterien einen Preis von 50 kWh−1 erreichen, verdoppelt sich die wirtschaftliche Reichweite nahezu. Wir beschreiben einen Weg für die Batterieelektrifizierung von Containerschiffen innerhalb dieses Jahrzehnts, der über 40 % des weltweiten Containerschiffverkehrs elektrifiziert, die CO2-Emissionen für in den USA ansässige Schiffe um 14 % reduziert und die gesundheitlichen Auswirkungen der Luftverschmutzung auf Küstengemeinden mildert.

Mit einem jährlichen Transport von 11 Milliarden Tonnen wickelt die Seeschifffahrtsindustrie fast 90 % des weltweiten Massenhandels ab1,2. Das kometenhafte Wachstum der Branche wurde durch den Zugang zu billigem, energiedichtem Schweröl (HFO) gestützt. Die Schifffahrtsindustrie verbraucht jährlich 3,5 Millionen Barrel minderwertiges HFO, verursachte 2,5 % der gesamten anthropogenen Kohlendioxidäquivalente (CO2e)-Emissionen im Jahr 20182,3 und verursacht enorme Schäden durch Meereseutrophierung und Ökotoxizität, Luftverschmutzung und Auswirkungen des Klimawandels4. Bis 2050 werden die Emissionen der Seeschifffahrt voraussichtlich bis zu 17 % der weltweiten CO2e-Emissionen ausmachen5,6. Der übergroße Beitrag der Branche zu den Kriterien Luftschadstoffe – 12 % bzw. 13 % der weltweiten jährlichen anthropogenen SO2- und NOx-Emissionen – verursachte im Jahr 2020 schätzungsweise 403.300 vorzeitige Todesfälle durch Lungenkrebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen3,7.

Der zunehmende politische Druck hat die Internationale Seeschifffahrtsorganisation (IMO) dazu veranlasst, regulatorische Maßnahmen zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen im Einklang mit dem Pariser Abkommen zu ergreifen. Zu den Maßnahmen gehören die Resolution MEPC.302(72), die darauf abzielt, die jährlichen CO2e-Emissionen bis 2050 gegenüber dem Niveau von 2008 um 50 % zu reduzieren8, sowie empfohlene Änderungen des Internationalen Übereinkommens zur Verhütung der Meeresverschmutzung durch Schiffe (MARPOL), dessen Mitglieder 99,4 % der Umweltverschmutzung durch Schiffe abdecken Weltschifffahrtstonnage – Verbot der Verwendung oder Beförderung von HFO in arktischen Gewässern nach 20249,10. Gleichzeitig reduzierten die Emissionsnormen der IMO für 2020 den zulässigen Schwefelgehalt von Schiffskraftstoffen von 3,5 Massen-% auf 0,5 Massen-%11.

Angesichts dieser sich verschärfenden Regulierungslandschaft bemüht sich die Seeschifffahrtsbranche darum, kommerziell einsetzbare emissionsfreie Alternativen zu HFO zu finden, und zwar in einem Tempo, das ausreicht, um die Emissionen des Sektors erheblich einzudämmen und einen katastrophalen Klimawandel abzuwenden. Optimistische Aussichten für emissionsfreie Alternativen für Schiffsanwendungen deuten darauf hin, dass Elektrokraftstoffe (E-Fuels) die Gesamtbetriebskosten für Massengutfrachter im Vergleich zu HFO12 um 200–600 % erhöhen würden. Eine solche Analyse führt zu weiteren Untersuchungen darüber, welche bestehenden Antriebstechnologien in naher Zukunft mit HFO gleichziehen könnten, insbesondere batterieelektrische Antriebe. Maersk, die volumenmäßig größte Reederei, testet bereits die Batteriehybridisierung auf einem Containerschiff, das zwischen Ostasien und Westafrika verkehrt13. Ein vollelektrisches 80-Meter-Containerschiff, die Yara Birkeland, soll Anfang der 2020er Jahre in Norwegen den autonomen Betrieb aufnehmen. Ähnliche Projekte für batterieelektrische Schiffe laufen in Japan, Schweden und Dänemark14,15. Eine systematische Analyse des Einsatzpotenzials batterieelektrischer Containerschiffe muss jedoch noch durchgeführt werden. Mit Ausnahme dieser ersten Pilotprojekte wurde der batterieelektrische Antrieb als potenzielle emissionsarme Alternative im Seeschifffahrtssektor trotz seines erheblichen Potenzials zur Emissionsreduzierung kaum erforscht; jüngster Rückgang der Batteriekosten; Verbesserungen der Batterieenergiedichten; zunehmende Verfügbarkeit von kostengünstigem, regenerativ erzeugtem Strom; und sein erheblicher Effizienzvorteil gegenüber E-Fuels wie grünem Wasserstoff und Ammoniak.

Anhand der besten verfügbaren Batteriekosten und Energiedichten untersuchen wir die technischen Aussichten, die wirtschaftliche Machbarkeit und die Umweltauswirkungen batterieelektrischer Containerschiffe. Wir definieren zwei Szenarien: erstens ein Basisszenario unter Verwendung der aktuell besten verfügbaren Batteriekosten, HFO-Kosten, Batterieenergiedichten und Preise für erneuerbare Energien; und zweitens ein Szenario für die nahe Zukunft, das die Auswirkungen der für 2030 prognostizierten Verbesserungen dieser Variablen testet. Im Gegensatz zu den meisten früheren Studien betrachten wir das für die Unterbringung des Batterieenergiespeichersystems (BES) umfunktionierte Volumen als Opportunitätskosten und nicht als feste technische Einschränkung. Wir spezifizieren acht Größenklassen von Containerschiffen und modellieren deren Energiebedarf, ihre CO2-, NOx- und SO2-Emissionen sowie die Gesamtantriebskosten (TCP) auf 13 großen Welthandelsrouten. So erstellen wir 104 einzigartige Szenarios der Schiffsgröße und Routenlänge, die mit denen verglichen werden können fast jedes Containerschiff, das heute in Betrieb ist. Wir konzentrieren uns auf batterieelektrische Containerschiffe und untersuchen kurz die Auswirkungen unserer Ergebnisse auf die Elektrifizierung anderer Schiffstypen. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass über 40 % des weltweiten Containerschiffverkehrs mit der aktuellen Technologie kostengünstig elektrifiziert werden könnten, wodurch die CO2-Emissionen für in den USA stationierte Schiffe um 14 % gesenkt und die gesundheitlichen Auswirkungen der Luftverschmutzung auf Küstengemeinden abgemildert würden.

Kurzfristig haben sich die meisten Schiffsbetreiber Energieeffizienzmaßnahmen wie Slow Steaming (bewusste Reduzierung der Reisegeschwindigkeit eines Schiffes zur Senkung des Treibstoffverbrauchs), Routenoptimierung und Rumpfverschmutzungsmanagement zugewandt, um die IMO-Vorgaben zu erfüllen16. Allerdings reichen die durch diese Maßnahmen erreichbaren Emissionsreduktionen von 10–15 % nicht aus, um die kommenden IMO-Effizienzvorschriften einzuhalten17,18. Die Hybridbatterietechnologie wurde als praktikable kurzfristige Lösung erforscht, um die Emissionen aus fossilen Energiequellen zu reduzieren, aber nicht zu beseitigen. Eine Studie legt nahe, dass ein Best-Case-Szenario für Hybridsysteme nur eine Reduzierung der Emissionen von Massengutfrachtern um 14 % (was 2 % der weltweiten Flottenemissionen ausmacht)19 bedeutet, was nicht wesentlich besser ist als die bestehenden Energieeffizienzmaßnahmen. Kleine modulare Kernreaktoren, die seit Jahrzehnten in militärischen und U-Boot-Anwendungen eingesetzt werden20, sind eine praktikable Alternative, werden aber angesichts der regulatorischen Herausforderungen im Zusammenhang mit der nuklearen Proliferation, Sicherheit und Abfallentsorgung wahrscheinlich nicht weit verbreitet in kommerziellen Schiffen eingesetzt. Schiffsgasöl, Flüssiggas, Flüssigerdgas, Methanol und ihre Bioderivate haben als mittel- bis langfristige Optionen große Aufmerksamkeit erhalten, doch neuere Forschungen haben das Potenzial dieser Kraftstoffe in Frage gestellt, Kostenparität zu erreichen und die Treibhausgasemissionen im Lebenszyklus erheblich zu reduzieren Emissionen21,22,23. Nicht alle Verkehrsträger sind geeignete Kandidaten für eine sofortige und direkte Elektrifizierung; Verkehrsflugzeuge können vernünftigerweise erst dann elektrifiziert werden, wenn die spezifische Energie des Batteriesatzes auf das Drei- bis Zehnfache ihrer derzeitigen Werte ansteigt24. In diesem Zusammenhang haben Antriebstechnologien, die mit erneuerbarem Strom erzeugt werden, die größte Aufmerksamkeit erhalten. Beispielsweise wird erwartet, dass blauer Wasserstoff (Wasserstoff, der aus Erdgas mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung hergestellt wird) die Treibhausgasemissionen im Vergleich zur Verbrennung von Erdgas nur um 20 % reduziert25. Obwohl erneuerbar erzeugtes Ammoniak und Wasserstoff zu betrieblichen Emissionsreduzierungen führen, ist es aufgrund der Ineffizienz des Produktionsprozesses im Vergleich zu HFO unwahrscheinlich, dass sie hinsichtlich der Kosten wettbewerbsfähig genug werden, um fossile Brennstoffe zu ersetzen26,27. Im Gegensatz dazu ist die direkte Elektrifizierung im Verkehrssektor in der Regel fünfmal effizienter als E-Fuels, ohne Berücksichtigung der Verluste durch Transport und Lagerung von E-Fuels27.

Im Gegensatz zu anderen Verkehrsträgern, bei denen das Gewicht der Batterie die Nutzlastkapazität oder -reichweite dramatisch reduziert, wie etwa bei leichten Nutzfahrzeugen und Flugzeugen, bedeutet die schiere Größe von Containerschiffen, dass das zusätzliche Gewicht der Batterie möglicherweise durch einen geringeren Prozentsatz an Ladungsverlusten ausgeglichen werden kann. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass die Batterieelektrifizierung von Schiffen aufgrund der geringen Energiedichte von Batterien im Vergleich zu Kohlenwasserstoffkraftstoffen ungünstig ist28,29,30,31. Ihre Annahmen zur Batterieenergiedichte und -kosten sind jedoch veraltet und weichen in einigen Fällen um ein bis zwei Größenordnungen von den heute besten verfügbaren Werten von 210 Wh kg−1 spezifischer Energie32 und 100–134 kWh−1 (Ref. 33) ab ). Darüber hinaus gingen diese Studien davon aus, dass die maximale Batteriekapazität durch den vorhandenen Platz an Bord für mechanische Antriebssysteme und Treibstoffspeicher begrenzt ist. Ihre Ergebnisse deuten daher darauf hin, dass batterieelektrische Schiffe mehrere Aufladungen erfordern würden, um selbst kurze Strecken zurückzulegen.

Die wichtigste technische Einschränkung für die batterieelektrische Containerschifffahrt ist das Volumen des Batteriesystems und des Elektromotors im Verhältnis zum Volumen, das von den vorhandenen Motoren, der Treibstofflagerung und dem mechanischen Raum eines Schiffes eingenommen wird. Das zusätzliche Gewicht des BES-Systems ist jedoch nicht unerheblich bei der Bestimmung des Energiebedarfs eines Schiffes. Im Betrieb können Containerschiffe ihre Tragfähigkeit erhöhen, indem sie auf der Grundlage des Archimedes-Prinzips den Tiefgang (d. h. den vertikalen Abstand zwischen der Wasserlinie und dem Kiel) erhöhen. Ein höherer Tiefgang erhöht den Rumpfwiderstand und somit ist mehr Leistung erforderlich, um die gleiche Geschwindigkeit zu erreichen. Auf Reisen unter 5.000 km stellen wir fest, dass die notwendige Leistungssteigerung weniger als 10 % des ursprünglichen Leistungsbedarfs beträgt. Beispielsweise schätzen wir für ein kleines Neo-Panamax-Schiff mit einer Reichweite von 5.000 km, dass eine 5-GWh-Batterie mit Lithium-Eisenphosphat-Chemie (LFP) und einer spezifischen Energie von 260 Wh kg−1 (Lit. 34) 20.000 t wiegen wird und erhöhen Sie den Tiefgang um 1 m – ein kleiner Bruchteil der Gesamthöhe des Schiffes und deutlich innerhalb der Grenzen des Scantling-Tiefgangs (maximal) des Schiffes. Bei Reisen über 5.000 km übersteigt die Erhöhung des Tiefgangs den Scantling-Tiefgang des Schiffes.

Die Verteilung des zusätzlichen Gewichts wirkt sich auch auf die Hydrodynamik, Aerodynamik, Stabilität und den Energieverbrauch eines Schiffes aus35. Schiffe mit Verbrennungsmotor (ICE) verwenden ein Ballastsystem, bei dem sich Wassertanks je nach Ladungslast laden und entladen, um das Gewicht zu verteilen und dem Auftrieb entgegenzuwirken. Fallstudien zu vollelektrischen oder hybriden Antriebssystemen legen nahe, dass Ballastsysteme teilweise oder vollständig durch BES-Systeme ersetzt werden können, ohne wesentliche Auswirkungen auf die Symmetrie (Trimmung) und das Gleichgewicht, indem Batteriekomponenten über vorhandene Hohlräume, mechanische Räume und Ballasträume verteilt werden35. Darüber hinaus müssen BES-Systeme nicht um eine zentrale Antriebswelle herum angeordnet werden und können flexibler im Inneren des Schiffes konfiguriert werden12,36. Das Volumen eines BES-Systems an Bord hängt vom Energiebedarf des Schiffes, der Reisegeschwindigkeit, der Reisedauer, dem elektrischen Wirkungsgrad und der Energiedichte der Batterie ab. Der Energieverbrauch von Containerschiffen kann mit dem Admiralitätsgesetz angenähert werden, einer Version des Propellergesetzes, die häufig bei Schätzungen erster Ordnung des Schiffsstrombedarfs und des Treibstoffverbrauchs verwendet wird37,38. Obwohl ein Bottom-up-Ansatz zur Schätzung des Energiebedarfs zusätzliche Begriffe beinhalten würde, besteht unser Ziel darin, die relativen Änderungen des Energiebedarfs zwischen den beiden Antriebsmethoden zu erfassen. Unter der Annahme eines identischen Schiffs- und Betriebsprofils unterscheidet sich der Energiebedarf von ICE- und batterieelektrischen Schiffen nur durch die Motoreffizienz und -masse, was sich direkt auf den Schiffstiefgang auswirkt.

Gleichung (1) beschreibt den Energiebedarf eines Schiffes mit einem langsamen Zweitakt-Schiffs-ICE, das mit IMO-konformem HFO mit niedrigem Schwefelgehalt gespeist wird, wobei PSMCR die maximale Dauerleistungsnennleistung ist (wobei SCMR die angegebene maximale Dauernennleistung ist). , Vaverage ist die durchschnittliche Reisegeschwindigkeit, Vmax ist die maximale Auslegungsgeschwindigkeit, tvoyage ist die Zeit zum Durchqueren der Route und ηICE ist der ICE-Tank-zu-Wake-Wirkungsgrad.

Gleichung (2) beschreibt den Energiebedarf eines gleichwertigen batterieelektrischen Schiffs, einschließlich einer Korrektur für den erhöhten Tiefgang aufgrund des Gewichts des Batteriesystems, wobei Tloaded der Tiefgang bei Beladung mit dem Batterieenergiesystem ist, Treference der typische Betriebstiefgang ist und ηMotor und ηWechselrichter sind Motor- bzw. Wechselrichter-Wirkungsgrade.

Nickel-Mangan-Kobaltoxid, LFP, Nickel-Kobalt-Aluminium und Lithiumtitanatoxid sind kommerziell erhältliche Lithium-Ionen-Chemikalien mit der erforderlichen Zyklenlebensdauer, spezifischen Leistung, Laderaten und Betriebstemperaturen, um Anwendungen in der Containerschifffahrt zu unterstützen39,40. Die Wahl der Batteriechemie hängt von den spezifischen Betriebseigenschaften ab. Schiffe mit kürzeren, häufigeren Fahrten, geringerem Strombedarf und Ladezeitbeschränkungen würden die hohen Laderaten und langen Lebenszyklen von LFP-Batterien bevorzugen41,42. Für Schiffe mit größerer Reichweite und weniger häufigem Batteriewechsel sind die relativ kurze Lebensdauer und die hohe Energiedichte von Nickel-Mangan-Kobaltoxid-Batterien möglicherweise besser geeignet. Da die Elektrifizierung wahrscheinlich auf kleine Schiffe mit geringer Reichweite beschränkt sein wird, bis die Batteriekosten weiter gesenkt werden, modellieren wir den Einsatz von LFP-Batterien.

Wir stellen fest, dass die minimale Tragkapazität für die meisten Schiffsgrößenklassen und auf kurzen bis mittellangen Strecken zur Unterbringung des Batteriesystems umgewidmet werden muss. Für ein kleines Neo-Panamax-Containerschiff, das ein durchschnittliches Containerschiff der globalen Flotte darstellt, ist das vom Batteriesystem benötigte Volumen geringer als das Volumen, das derzeit für den ICE und die Treibstofftanks für Strecken unter 3.000 km vorgesehen ist. Für die längste modellierte Route von 20.000 km für diese Schiffsklasse würde die Batterie 2.500 TEU-Stellplätze (Twenty Foot Equivalent Unit) oder 32 % der Tragfähigkeit des Schiffes belegen. Ergänzende Tabelle 1 enthält die für jede Schiffsklasse verwendeten Basiswerte. Abbildung 1 zeigt den Prozentsatz der Schiffstragfähigkeit, die dem BES-System für die acht modellierten Schiffsklassen auf Strecken von 0 bis 22.000 km entfällt, mit aktuellen und zukünftigen Batterieenergiedichten. Wir stellen fest, dass mit zunehmender Tragfähigkeit der Anteil der Batterien an der gesamten Tragfähigkeit abnimmt, da größere Schiffe typischerweise einen geringeren Energiebedarf pro Tragfähigkeitseinheit haben43,44.

Wir modellieren das Volumen des kombinierten Motor- und Mechanikraums des ICE-Schiffes unter der Annahme eines Batteriepackungsanteils von 0,76 und einer Entladetiefe von 80 %. Die Linienstärken kennzeichnen eine zunehmende Schiffstragfähigkeit. Ein kleiner Feeder mit einer TEU-Kapazität von rund 1.000 ist das kleinste modellierte Schiff, während das ultragroße Containerschiff mit einer TEU-Kapazität von rund 18.000 das größte ist. a, Es ergibt sich das Basisszenario mit einer Batterieenergiedichte von 470 Wh l−1. In diesem Szenario ist das Batterievolumen bei Reiselängen von weniger als 1.300–2.000 km geringer als das des vorhandenen ICE-Mechanikraums. Die Auswirkungen des Batteriesystemvolumens auf den TEU-Verfall nehmen mit zunehmender Schiffskapazität ab, was Innovationen im Design ultragroßer Containerschiffe widerspiegelt, die die Tragfähigkeit und den Energieverbrauch besser optimieren als Feederschiffe. b, Die Ergebnisse bei einer Batterieenergiedichte von 1.200 Wh l−1. In diesem Szenario der nahen Zukunft ist die Nettoveränderung der Tragfähigkeit je nach Schiffstyp für Reisen von bis zu 2.000–5.000 km positiv.

Um den großen Energiebedarf batterieelektrischer Containerschiffe (zum Beispiel 6.500 MWh für ein kleines Neo-Panamax-Containerschiff über eine 5.000 km lange Strecke) zu decken, ohne den normalen Hafenbetrieb zu stören, ist eine Ladeinfrastruktur im Megawatt-Maßstab erforderlich. Die durchschnittliche Wartezeit plus Liegezeit in einem Hafen beträgt 31 Stunden für Containerschiffe mit 1.000–3.000 TEU und 97 Stunden für die größten Containerschiffgrößenklassen mit 10.000–20.000 TEU45. Die erforderliche Ladekapazität zum Laden innerhalb der verfügbaren Hafenzeit beträgt für alle Schiffsklassen auf Reisen unter 10.000 km weniger als 300 MW. Wir schätzen, dass ein 220-MW-Ladegerät ein kleines Neo-Panamax-Containerschiff mit 7.650 TEU in 24 Stunden aufladen könnte. Für längere Reisen, die größere Batteriekapazitäten erfordern, könnte die Offshore-Ladeinfrastruktur strategisch an globalen Schifffahrtsengpässen wie der Straße von Hormus, dem Panamakanal und der Straße von Malakka platziert werden, wo Schiffe regelmäßig tagelang auf die Durchfahrt warten.

Für die Land-zu-Schiff-Schnittstelle sind bereits eine Reihe kontaktbasierter Optionen kommerziell erhältlich, darunter manuelle und automatisierte Stecker von ABB, Cavotec, Mobimar, Zinus und Stemmann-Technik; kontaktlose induktive Ladelösungen befinden sich derzeit in der Entwicklung46. Ladestationen können an Hafenterminals oder vor der Küste aufgestellt werden, um Schiffen das Aufladen zu ermöglichen, während sie für die Zuweisung von Liegeplätzen anstehen.

Der optimierte und durchsatzstarke Charakter des Hafenbetriebs (die durchschnittliche Liegeplatzauslastung liegt in der Regel bei über 50 %) unterstützt eine hohe Auslastung der Ladeinfrastruktur und damit verbundene Kostensenkungen45. Durch die Anpassung der für Lastkraftwagen40 und Züge47 verwendeten Methoden schätzen wir die gestaffelten Kosten einer 300-MW-Ladestation, die auf der Übertragungsebene miteinander verbunden ist, auf 0,03 kWh−1 bei 50 % Auslastung, einschließlich Hardware, Installation, Netzverbindung sowie jährlichen Betriebs- und Wartungskosten über die gesamte Systemlebensdauer48.

Wir testen die wirtschaftliche Machbarkeit eines batterieelektrischen Containerschiffs im Vergleich zu einem langsam fahrenden Zweitakt-ICE-Schiff, das mit sehr schwefelarmem Heizöl (VLSFO) – einem Schwefelgehalt von 0,5 % – betrieben wird, indem wir seinen TCP pro Kilometer pro Reiselänge berechnen. Für beide Schiffstypen berechnen wir Treibstoff-, Betriebs- und Wartungskosten sowie die Umweltkosten von NOx-, SO2- und CO2-Emissionen aus direkter Verbrennung oder Netzstrom. Bei batterieelektrischen Schiffen berücksichtigen wir die Kosten für einen Original- und Ersatzbatteriesatz, die Opportunitätskosten für den Verlust von TEUs an das Batteriesystem und die pauschalierten Kosten für Ladegeräte. Da wir die zusätzlichen Kosten des Batterieenergiesystems separat berücksichtigen, lassen wir die Kapitalkosten des Schiffes weg, da Antriebssysteme nur einen kleinen Teil der Schiffsneubaukosten ausmachen und der Kostenvorteil von Elektromotoren gegenüber Schiffs-ICEs besteht.

Im Basisszenario ist der TCP eines batterieelektrischen Schiffs nur für Schiffsklassen mit mehr als 8.000 TEU auf Reisen von weniger als 1.000 km niedriger als der des etablierten ICE-Schiffs (Ref. 5,40,47,49,50). . Bei längeren Reisen überwiegen die zusätzlichen Kosten für das Batteriesystem, den erhöhten Strombedarf und die Ladeinfrastruktur die Einsparungen durch den Kraftstoffwechsel und die Effizienzgewinne durch die direkte Elektrifizierung. Wenn jedoch die Umweltkosten von NOx, SO2 und CO2 berücksichtigt werden, erhöht sich die kosteneffiziente Reichweite angesichts der hohen Emissionsraten von HFO im Verhältnis zur Emissionsintensität des US-Netzes über alle Größenklassen hinweg auf 5.000 km.

Im Szenario der nahen Zukunft ist der TCP der batterieelektrischen Schifffahrt mit Reichweiten um 3.000 km für alle Schiffsklassen niedriger als der des etablierten ICE-Schiffs. Einschließlich der Umweltkosten erweitert sich diese Reichweite auf 6.500 km für Schiffe mit geringerer Kapazität und auf bis zu 12.000 km für die größten Schiffsklassen. Obwohl diese größeren Reichweiten kosteneffektiv sind, führt das Gewicht der Batterien jedoch dazu, dass der Schiffstiefgang über die sicheren Betriebsparameter hinausgeht, und daher ist es unwahrscheinlich, dass sie ohne wesentliche Änderungen im Schiffsdesign für eine vollständige Elektrifizierung in Frage kommen. Die Tatsache, dass Massengutfrachter wie Eisenerzfrachter viel höhere Gewichts- und Tiefgangsgrenzen haben als Containerschiffe, deutet darauf hin, dass das zusätzliche Gewicht und der Tiefgang durch eine Änderung des Schiffsdesigns ausgeglichen werden können.

Abbildung 2 zeigt die TCP-Analyse im Basisszenario und im Szenario der nahen Zukunft für ein kleines Neo-Panamax-Schiff mit 7.650 TEU, das ein durchschnittliches Schiff der globalen Flotte auf einer 1.565 km langen Reise von Hongkong nach Shanghai darstellt. Abbildung 3 zeigt die Beziehung zwischen TCP und Reiselänge für ein kleines Neo-Panamax-Schiff. Die Ergebnisse zeigen Verbesserungen beim TCP und Gewinne bei der erreichbaren Reichweite durch Verbesserung der Ladeinfrastrukturauslastung, der Batteriepaketkosten und der Batterieenergiedichte vom Ausgangswert bis zu den Werten der nahen Zukunft. Abbildung 4 zeigt den TCP-Unterschied zwischen ICE- und batterieelektrischen Schiffen für alle Schiffsgrößenklassen und alle modellierten Reiselängen, ohne Berücksichtigung der Umweltkosten.

Ein Neo-Panamax-Schiff mit 7.650 TEU wird über eine 1.565 km lange Reise modelliert. a, Der TCP eines ICE-Schiffes im Basisszenario. b, Der TCP des batterieelektrischen Äquivalents im Basisszenario. c,d, Der TCP von ICE- (c) und batterieelektrischen (d) Schiffen im Szenario der nahen Zukunft. Farbige Balken (rot für ICE, blaugrün für batterieelektrisch) zeigen nicht-ökologische Kosten. Graue Balken und gestrichelte Linien erfassen Umweltschäden, die auf NOx, SO2 und CO2 zurückzuführen sind. Ohne Berücksichtigung von Umweltschäden überwiegen im Basisszenario die Kosten des Batteriesystems und der Ladeinfrastruktur die wirtschaftlichen Vorteile der Kraftstoffumstellung, was zu einem batterieelektrischen TCP führt, der 39 US-Dollar über dem ICE-TCP liegt. Das Basisszenario geht von Batteriekosten von 100 kWh−1, einer volumetrischen Energiedichte der Batterie von 470 Wh·l−1, einer Ladestationsauslastung von 50 %, einem Großhandelspreis für Strom von 0,035 kWh−1 und HFO-Kosten von 0,048 US$ aus kWh−1 (entspricht 538 US$ t−1); Im Szenario der nahen Zukunft belaufen sich die HFO-Kosten auf 840 US-Dollar pro Tonne (was einer CO2-Steuer von 100 US-Dollar pro Tonne entspricht), die Batteriekosten auf 50 kWh-1, die Energiedichte der Batterie auf 1.200 Wh pro Stunde und eine Ladeinfrastruktur Eine Auslastung von 70 % führte zu einem batterieelektrischen TCP, der 52 US$ km-1 niedriger ist als der ICE-TCP. Die Berücksichtigung von Umweltschäden erhöht den TCP-Vorteil des batterieelektrischen Schiffs erheblich.

Rote und blaugrüne Linien zeigen den TCP eines ICE bzw. batterieelektrischen Schiffes an. Gestrichelte Linien stellen das Szenario der nahen Zukunft dar. Sterne zeigen den Punkt an, an dem batterieelektrische Schiffe sowohl im Basisszenario als auch im Szenario der nahen Zukunft die Gleichstellung mit ICE-Schiffen erreichen. Im Basisszenario ist der TCP des batterieelektrischen Schiffes bei Entfernungen von weniger als 1.000 km geringer als der des ICE-Schiffes. Im Szenario der nahen Zukunft ermöglichen Erhöhungen der HFO-Kosten um 0,027 kWh−1 Kostenparität über Reichweiten bis zu 3.300 km. Ohne Erhöhung der HFO-Preise erhöht sich die Reichweite im Szenario der nahen Zukunft auf 2.000 km. Verbesserungen der Batterieenergiedichte führen zu geringfügigen Verbesserungen des TCP von batterieelektrischen Schiffen, indem sie das Volumen verringern, das von der Tragfähigkeit des Schiffes zur Unterbringung des Batteriesystems verloren geht. Kapitalkosten von 64 km-1 werden als graues Band dargestellt, um die Höhe der Betriebskosten in einen Kontext zu bringen79. Die vertikalen gestrichelten Linien stellen Beispielrouten dar und zeigen, dass Schiffe, die kürzere, intraregionale Routen befahren, selbst im Basisszenario vor allem für die Elektrifizierung geeignet sind.

a,b, Das Basisszenario (a) und das Szenario der nahen Zukunft (b). TCP schließt Umweltkosten aus. Ein positiver Wert zeigt an, dass der TCP des batterieelektrischen Schiffs niedriger ist als der des ICE-Äquivalents, während ein negativer Wert einen niedrigeren ICE-TCP darstellt. Der TCP-Unterschied ist bei größeren Schiffsklassen größer, was auf die Schwierigkeit hindeutet, große Containerschiffe auf interkontinentalen Routen kosteneffektiv zu elektrifizieren, aber auch auf den potenziellen wirtschaftlichen Nutzen der schrittweisen Einführung batterieelektrischer Schiffe auf kurzen bis mittleren intraregionalen Routen.

Die Hauptbeschränkung für die Kostenparität von batterieelektrischen Schiffen mit ICE-Schiffen über größere Reichweiten sind die Batteriekosten. Damit ein batterieelektrisches Schiff mit einer Reichweite von 10.000 km den Atlantik oder den Pazifischen Ozean überqueren kann, müssen die Batteriepreise 20 kWh-1 erreichen, um ohne Aufladen kosteneffizient zu sein. Aktuelle kommerzielle Lithiumbatterietechnologien und neue Technologien wie Festkörperbatterien werden angesichts der Kosten der in diesen Batterien verwendeten Materialien voraussichtlich nicht in diesem Ausmaß zurückgehen51. Allerdings sind Batterietechnologien für Langzeitspeicheranwendungen aus kostengünstigen Materialien in der Entwicklung. Eisen-Luft-Batterien bieten beispielsweise eine vergleichbare Energiedichte zu einem Bruchteil der Kosten aktueller Lithium-Ionen-Batterien und könnten Möglichkeiten für einen kostengünstigen Langstreckentransport bieten52.

Im Jahr 2019 wurden schätzungsweise 42,3 Billionen TEU (40 % des Welthandels) auf intraregionalen Routen befördert53. Dieser Anteil dürfte jedoch aufgrund der jüngsten Trends in der Containerschifflogistik und der Regionalisierung des Handels54, einschließlich eines Anstiegs der durchschnittlichen Containerschiffkapazität um 1.100 % zwischen 1968, unterschätzt werden und 201555. Der Trend des Sektors zum Containerschiff-Gigantismus hat ein Hub-and-Spoke-Handelsmodell gefördert, bei dem Megacontainerschiffe mit hoher Kapazität Güter über weite Strecken von einem Hub zum anderen transportieren54. Vom Zielhub aus transportieren zahlreiche kleinere Feederschiffe die Container zu ihren endgültigen Bestimmungsorten in kleineren Regionalhäfen. Fast alle dieser Zubringerschiffe legen kurze Strecken zurück, die elektrifiziert werden könnten, was die Akzeptanz batterieelektrischer Containerschiffe weit über das Potenzial steigern würde, das die intraregionalen Handelszahlen vermuten lassen. Abbildung 5 zeigt die zehn am besten angebundenen Häfen der Welt, bei denen es sich allesamt um intraregionale Routen mit einer Länge von weniger als 5.000 km handelt2. Darüber hinaus sind Feederschiffe im Durchschnitt älter als ihre Pendants mit größerer Kapazität, und viele erreichen das Ende ihrer Nutzungsdauer56. Die IMO-Verordnung von 2020 zur Begrenzung des Schwefelgehalts wird wahrscheinlich zur vorzeitigen Verschrottung dieser treibstoffineffizienten Schiffe führen und eine Chance für batterieelektrische Modelle schaffen, in die Flotte einzusteigen57.

Der bilaterale Konnektivitätsindex für die Linienschifffahrt der UNCTAD quantifiziert das Ausmaß, in dem Häfen in zwei Ländern durch Seehandel verbunden sind. Der Index basiert auf Handelsindikatoren, zu denen die Mindestanzahl der Umladungen, die erforderlich sind, um von Land A nach B zu gelangen, die Anzahl gemeinsamer direkter Drittlandverbindungen zwischen dem Länderpaar, die Anzahl der Direktverbindungen und das Wettbewerbsniveau gehören Anzahl der Schifffahrtsdienste, die das Länderpaar verbinden, und die Größe des größten Schiffs, das das Länderpaar verbindet92. Die Konnektivität ist auf kurzen, intraregionalen Strecken von weniger als 5.000 km am stärksten.

Obwohl Containerschiffe mit ihrer standardisierten Fracht- und Volumenabhängigkeit für das Verständnis der Technoökonomie der batterieelektrischen Schifffahrt nützlich sind, machen sie nur 23 % der gesamten Emissionen der Seeschifffahrt aus58. Um größere Emissionsreduzierungen zu erreichen, müssen weitere Schiffstypen elektrifiziert werden, darunter Öltanker, Massengutfrachter, Stückgutfrachter und Kreuzfahrtschiffe. Von diesen scheinen Massengutfrachter und Öltanker den größten Emissions-Fußabdruck zu haben. Im Gegensatz zu Containerschiffen sind einige dieser Schiffstypen in erster Linie durch das Gewicht und nicht durch das Volumen eingeschränkt41. Die Energiedichte pro Gewicht ist daher der entscheidende technische Parameter für die Batterien, die diese Schiffe antreiben würden. Gleichzeitig sind einige Massengutfrachter und Öltanker für den Transport von bis zu 400.000 t ausgelegt – mehr als das Doppelte des Gewichts der größten Containerschiffe59.

Für einen Trockenmassengutfrachter mit einer Reichweite von 5.000 km schätzen wir, dass das Batteriesystem bei aktueller Batterietechnologie 5–6 % des Schiffsgewichts ausmachen wird und bei prognostizierten Steigerungen der Energiedichte bis 2030 3–4 %28,41,60. Faktoren wie das Ausmaß, in dem Schiffe an ihrer Gewichtsgrenze betrieben werden, die Opportunitätskosten der entgangenen Gewichtstragfähigkeit und die Kosten einer geringfügigen Erhöhung der Gewichtstragfähigkeit der Schiffe bestimmen den Einfluss des Batteriegewichts auf die Wirtschaftlichkeit dieser Schiffstypen.

Die batterieelektrische Containerschifffahrt würde alle direkten Verbrennungsemissionen eliminieren und die lokale Luftverschmutzung und die damit verbundenen gesundheitlichen Auswirkungen in Gemeinden in der Nähe von Häfen und globalen Handelsrouten erheblich verringern61. Die Reduzierung der Lebenszyklusemissionen hängt jedoch von der Verschmutzungsintensität der Stromquelle sowie den Übertragungs-, Verteilungs- und Ladeverlusten ab. Wir vergleichen die CO2-, NOx- und SO2-Emissionsintensitäten eines kleinen Neo-Panamax-Containerschiffs mit einem langsam laufenden Dieselmotor, der mit HFO oder VLSFO betrieben wird, mit einem batterieelektrischen Schiff über einen Bereich realistischer Well-to-Wake-Emissionsintensitäten (Abb. 6). Die Input-Tank-to-Wake-Emissionsfaktoren (g kWh-1) umfassen nachgeschaltete Verluste, die auf Übertragung, Stromumwandlung, landseitige Speicherung und Verluste von Elektromotoren zurückzuführen sind. Batterieelektrische Schiffe würden auch die direkten Emissionen von Ruß vermeiden, was angesichts seiner nachgewiesenen Rolle bei der Reduzierung der Schneealbedo und der Beschleunigung der Eisschmelze ein besonderes Problem für den großen Prozentsatz der in arktischen Gewässern operierenden Schiffe darstellt62.

Die x-Achsen beschreiben die Well-to-Wake-Intensitäten des Stromnetzes, das das batterieelektrische Schiff versorgt. Die Y-Achsen stellen die Emissionsintensitäten eines kleinen Neo-Panamax-Schiffes mit 7.650 TEU dar. Die roten und orangefarbenen Linien stellen HFO- bzw. VLSFO-betriebene Containerschiffe dar. Blaue Keile stellen die Emissionen eines batterieelektrischen Schiffs dar, die je nach Intensität der Netzemissionen variieren. a: Wir zeigen, dass die Reduzierung der CO2-Emissionen von der Kohlenstoffintensität des Netzes abhängt. Ein batterieelektrisches Schiff, das über das kohlenstoffintensive Netz Saudi-Arabiens geladen wird, führt zu einem Anstieg der CO2-Emissionen um 46 % gegenüber einem mit HFO betriebenen Schiff. Die saubereren Netze in den USA und im Vereinigten Königreich führen zu einer Reduzierung der CO2-Emissionen um 14–16 % bzw. 51–52 % gegenüber HFO und VSLFO. b) Wir zeigen, dass ein batterieelektrisches Schiff, das in den USA aufgeladen wird, gegenüber VLSFO und HFO eine Reduzierung der SO2-Emissionen um 86 % bzw. 97 % erzielen würde. Ein batterieelektrisches Schiff, das mit Chinas kohleabhängigem Netz geladen wird, würde eine SO2-Reduktion von 4 % gegenüber VLSFO und 77 % gegenüber HFO bringen. c: Bei NOx führt ein in den USA aufgeladenes batterieelektrisches Schiff zu einer Reduzierung von 83 % bzw. 96 % gegenüber VLSFO und HFO. Ein in China aufgeladenes Schiff würde zu einer Reduzierung der NOx-Emissionen um 42 % gegenüber VLSFO und 88 % gegenüber HFO führen. Mit der Durchdringung erneuerbarer Energien verbessert sich die Emissionsreduzierung rasch. Ein Schiff, das zu 100 % mit erneuerbarer Energie betrieben wird, würde nachgelagerte Emissionen vermeiden.

Die Reduzierung von Kohlenstoffemissionen und Luftschadstoffen hängt in hohem Maße von der Erzeugungsmatrix des Netzes ab, in dem das Schiff aufgeladen wird. Geht man von einer durchschnittlichen Netzkohlenstoffintensität von 535 g CO2 kWh−1 aus (einschließlich Getriebe-, Umwandlungs- und Motorineffizienzverlusten), erzeugt ein batterieelektrisches Containerschiff, das in einem US-Hafen aufgeladen wird, etwa 0,78 g CO2 km−1 (Lit. 63). Dies entspricht einer Reduzierung um 16 % gegenüber HFO und VLSFO, die etwa 0,93 bzw. 0,91 CO2 km−1 produzieren. Die Batterieelektrifizierung führt im Vergleich zu VLSFO zu einer Reduzierung der SO2-Emissionen pro Kilometer in den USA um 86 %, in China jedoch nur um 4 %64. Die NOx-Emissionen werden im Vergleich zu VLSFO für Schiffe, die in US-amerikanischen bzw. chinesischen Häfen aufgeladen werden, um etwa 83 % bzw. 42 % reduziert. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Ladeinfrastruktur mit der gemeinsamen Erzeugung erneuerbarer Energien gekoppelt werden muss, um das Potenzial der Batterieelektrifizierung zur Emissionsreduzierung voll auszuschöpfen65.

Wir zeigen, dass batterieelektrische Schiffe, die mit erneuerbarem Strom betrieben werden, eine kurzfristige Möglichkeit bieten, die Emissionen der Schifffahrt auf intraregionalen und Binnenrouten zu senken. Bei Batteriepreisen von 100 kWh-1 liegt der TCP eines batterieelektrischen Containerschiffs auf Strecken von weniger als 1.000 km unter dem eines ICE-Äquivalents – ohne Berücksichtigung der Kosten für Umwelt- und Gesundheitsschäden. Mit politischer Unterstützung zur Internalisierung der Umweltkosten von HFO und Batteriepreisen von 50 kWh-1 in naher Zukunft können Strecken über 5.000 km kosteneffizient elektrifiziert werden. Zukünftige Forschungen sollten untersuchen, wie sich Möglichkeiten für Zwischenaufladungen auf die Gesamtwirtschaftlichkeit der Batterieelektrifizierung auswirken. Wenn Schiffe in der Lage wären, an bestimmten Punkten auf der Route aufzuladen, würden die Batteriekosten, die verlorenen TEUs und der zusätzliche Energiebedarf aufgrund des Batteriegewichts sinken, was möglicherweise Fahrten über größere Entfernungen wirtschaftlich machbar machen würde.

Ein direkter Elektrifizierungspfad kann eine höhere Effizienz im Vergleich zu E-Fuels sowie zukünftige Kostensenkungen und Verbesserungen in der Batterietechnologie ermöglichen, die durch den großflächigen Einsatz von Batterien im Straßenverkehr und in der stationären Speicherung vorangetrieben werden66. Strategische Anpassungen der Containerschifffahrtslogistik könnten eine Teillösung für die Reichweitenprobleme batterieelektrischer Schiffe darstellen und die Elektrifizierung von transozeanischen Langstreckenrouten erleichtern. Große maritime Engpässe – wie der Suezkanal, die Straße von Gibraltar, die Straße von Malakka und das Kap der Guten Hoffnung – bieten Langstreckenschiffen die Möglichkeit, vor der Küste aufzuladen, während sie für die Durchfahrt anstehen. Die Aufteilung der längsten Reisen in Abschnitte könnte die Elektrifizierung eines viel größeren Prozentsatzes des globalen Seehandels erleichtern. Offshore-Ladevorgänge in Häfen und entlang von Schifffahrtsrouten könnten die Kombination von Ladestationen mit erneuerbaren Energiequellen erleichtern, direkte Emissionen eliminieren und Reichweitenbeschränkungen mildern. Zwei Drittel des weltweiten Schiffsverkehrs finden im Umkreis von 370 km um die Küste statt, wo das Windpotenzial am höchsten ist67,68. Darüber hinaus wird erwartet, dass die Kosten für Offshore-Windenergie bis 2050 um 37–49 % sinken werden, was die Prognosen von 201569 um 50 % übertrifft.

Die Elektrifizierung bietet neben der globalen Verfügbarkeit und Kostenwettbewerbsfähigkeit mehrere Vorteile gegenüber E-Fuel-Alternativen. Bei gleicher Nennleistung sind die Kapitalkosten und das Volumen von Elektromotoren typischerweise geringer als die Kapitalkosten und das Volumen von Verbrennungsmotoren29,70. Daher ist die Nachrüstung oder Hybridisierung bestehender Schiffe mit elektrischen Antriebssträngen im Zuge der Überholung des Antriebssystems technisch und wirtschaftlich sinnvoll und könnte die Elektrifizierung der globalen Flotte beschleunigen. Ein Vorteil der Dual-Fuel-Fähigkeit besteht darin, dass diese batterieelektrischen Schiffe bei immer häufiger auftretenden Extremereignissen, die zu Unterbrechungen der Stromversorgung führen, als große Notstromkraftwerke dienen könnten. Beispielsweise verfügen die in diesem Artikel modellierten batterieelektrischen Schiffe über eine Speicherkapazität von 5–10 GWh. Im Vergleich dazu betrug das Erzeugungsdefizit, das die Stromausfälle in Kalifornien im Jahr 2020 verursachte und während einer extremen Hitzewelle mehr als 800.000 Kunden ohne Strom zurückließ, weniger71 als 5 GWh.

Unsere Analyse legt nahe, dass die schnelle Verbesserung der Batterietechnologie dazu führen kann, dass die direkte Elektrifizierung eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung der Schifffahrtsindustrie spielt. Obwohl die direkte Elektrifizierung zu einem technisch machbaren und kostengünstigen Weg für die emissionsfreie Schifffahrt geworden ist, müssen für den kommerziellen Einsatz mehrere Herausforderungen bewältigt werden. Die Betriebskosten von batterieelektrischen Schiffen sind viel niedriger als die von konventionellen Schiffen, ihre Vorlaufkosten werden jedoch vor allem aufgrund der Kosten für die Batterien viel höher sein. Um die höheren Vorlaufkosten zu bewältigen, sind innovative Finanzierungs- und Geschäftsmodelle erforderlich. Um das Laden von Schiffen zu unterstützen, müssen übertragungsgebundene Ladestationen mit Kapazitäten von Hunderten von Megawatt gebaut werden – ähnlich wie große netzgebundene Speicheranlagen. Angesichts der Tatsache, dass die Umweltschäden durch konventionelle Schiffe die Antriebskosten dieser Schiffe um ein Vielfaches übersteigen, werden Maßnahmen wie finanzielle Anreize für Demonstrationen und Vorschriften eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung des Übergangs zur emissionsfreien Schifffahrt spielen.

Der energetische Bedarf eines ICE-Containerschiffs und seines batterieelektrischen Analogons hängt von der Schiffsgröße und der Reiseentfernung ab. Frühere Studien näherten sich dieser Analyse, indem sie bestimmte reale Schiffe entlang ihrer üblichen Routen untersuchten28,29,30. Obwohl dieser Ansatz hinsichtlich der Datenverfügbarkeit Vorteile bietet, besteht eine wichtige Einschränkung in der Übertragbarkeit der Ergebnisse auf ähnliche Schiffe mit unterschiedlicher Streckenlänge und Tragfähigkeit. Um die Empfindlichkeit der Modellierung gegenüber Schiffsgrößenklassen und Routenlängen zu verbessern, spezifizieren wir acht Containerschiff-Größenklassen und modellieren deren Energiebedarf, Emissionen und Wirtschaftlichkeit auf 13 großen Welthandelsrouten, die von einer 911 km langen Reise von Shanghai (China) nach Busan (Südkorea) reichen , zu einer 20.476 km langen interatlantischen Reise von Shanghai, China, nach Santos, Brasilien.

Wir definieren zwei technoökonomische Szenarien. Das Basisszenario berücksichtigt den Stand der Technik in der nahen Zukunft mit einer volumetrischen Batterieenergiedichte von 470 Wh l-1, Batteriekosten von 100 kWh-1, HFO-Kosten von 0,048 kWh-1 und einer Ladeinfrastrukturauslastung von 50 % auf 0,029 kWh−1 und einen Strompreis von 0,035 kWh−1. Das Szenario der nahen Zukunft geht von Batteriekosten von 50 kWh-1, einer volumetrischen Energiedichte von 1.200 Wh-l-1 und einer Auslastung der Ladeinfrastruktur von 70 % aus, bzw. von 0,021 kWh-1 gestaffelten Kosten der Ladeinfrastruktur

Die Nennenergie der Batterie muss groß genug sein, um die gesamte Hinfahrt mit Strom zu versorgen, vorausgesetzt, das Schiff kann sowohl am Herkunftshafen als auch am Zielort aufgeladen werden. Jeder Schiffsmotor ist mit einem SMCR ausgelegt, der seine maximale Leistungsabgabe im Dauerbetrieb beschreibt. Die durchschnittliche Leistungsabgabe ist niedriger als beim SMCR, da der Motor selbst im Reiseflug selten seine maximale Leistungsabgabe erreicht. Der Motorlastfaktor beschreibt das Verhältnis der durchschnittlichen Leistungsabgabe des Schiffes im Normalbetrieb zu seinem SMCR und kann als kubisches Verhältnis der durchschnittlichen Geschwindigkeit des Schiffes zu seiner maximalen Auslegungsgeschwindigkeit geschätzt werden. Der Schiffsmotorenhersteller MAN Diesel Turbo veröffentlicht SMCR- und maximale Auslegungsgeschwindigkeitswerte für Containerschiffe auf der Grundlage der Leistungsvorhersageberechnungsmethode von Holtrop und Mennen72. Zusätzlicher Energiebedarf beim Rangieren und Hotelieren sowie Energieeinsparungen durch Slow-Steaming-Praktiken werden vernachlässigt. Die Reisedauer variiert je nach Streckenlänge und Durchschnittsgeschwindigkeit. Die Durchschnittsgeschwindigkeit ist auf 80 % der Auslegungsgeschwindigkeit festgelegt, was 37 km/h (20 Knoten) für jedes Schiff mit 7.650 TEU oder mehr entspricht. Es wird davon ausgegangen, dass der Bedarf an Hilfsmaschinenleistung 22 % der Antriebsmaschinenleistung pro Hafen-Emissionsinventur beträgt73. Wir verwenden den Lastfaktor des Admiralitätsgesetzes, um den Widerstand zu berücksichtigen, der durch zusätzliche Verschiebung aus dem Gewicht des BES-Systems für die batterieelektrischen Schiffe gemäß Gleichung (2)38 entsteht. Entwurfstiefgang, maximaler Tiefgang, Schiffslänge und Schiffsbreite werden von MAN Diesel Turbo übernommen und zur Umrechnung vom Batteriegewicht in die Änderung des Tiefgangs verwendet, basierend auf dem Archimedischen Prinzip, das besagt, dass das Gewicht des verdrängten Wassers gleich dem Gewicht des Wassers ist Schiff72. Wir gehen von einem ICE-Tank-zu-Wake-Wirkungsgrad von 50 % und einem Elektromotor- und Wechselrichterwirkungsgrad von jeweils 95 % aus28. Batterien erzielen im Vergleich zu ihren ICE-Pendants eine Effizienzsteigerung von 80 %, was einer Reduzierung des Gesamtenergiebedarfs des batterieelektrischen Schiffs um 30 % entspricht.

Der tägliche HFO-Kraftstoffverbrauch wird aus einer empirischen Studie zum Kraftstoffverbrauch von Containerschiffen abgeleitet74. Wir gehen davon aus, dass ein Containerschiff genug Treibstoff für eine Tagesreise transportiert; in Wirklichkeit ist dieser Wert wahrscheinlich höher, da Schiffe nach dem Bunkern oft mehrere Tage lang Treibstoff transportieren. Die Masse und das Volumen von BES und Antriebssystemen sind der Gesamtenergiebedarf des Batteriesystems (einschließlich Effizienzsteigerungen durch Elektroantrieb), multipliziert mit der angenommenen volumetrischen oder spezifischen Energie der Batterie, je nach Szenario, mit einem Batteriepackungsanteil von 0,76 und 80 % Entladetiefe. Wir berechnen den TEU-Verfall, indem wir das BES-Systemvolumen, das über den vorhandenen mechanischen und Treibstofflagerraum hinausgeht, in Standard-TEUs mit den Maßen 2,6 m × 2,4 m × 6,1 m umwandeln. Die Nettogewichtsänderung, die zur Korrektur der Leistungsschätzungen für batterieelektrische Schiffe verwendet wird, ist das Gewicht des Batteriesystems und des elektrischen Antriebssystems (es wird angenommen, dass es 50 % des ICE-Antriebssystems wiegt), abzüglich des Gewichts des Kraftstoffspeichers und ICE-Motor, abzüglich des Gewichts der TEUs, die an das Batterieenergiesystem abgegeben werden, unter der Annahme eines durchschnittlichen beladenen TEU-Gewichts von 28,2 t (Ref. 75). Gewichte und Volumina des ICE-Systems basieren auf Korrelationen, die von29 entwickelt wurden.

Wir quantifizieren die wirtschaftliche Machbarkeit mithilfe eines TCP-Frameworks, bei dem ein batterieelektrisches Containerschiff mit einem Referenzschiff mit einem mit HFO betriebenen Zweitakt-ICE mit einem Bordwäschersystem verglichen wird, um die Einhaltung der Schwefelemissionsvorschriften der IMO zu gewährleisten. Zu den Kostentreibern für das traditionelle Schiff gehören HFO-Kosten, die je nach Szenario variieren, wie oben beschrieben, sowie Betriebs- und Wartungskosten, einschließlich regelmäßiger Reparaturen, regelmäßiger Wartung und Betrieb eines Wäschersystems zur Einhaltung der aktuellen Schwefelemissionsstandards der IMO (geschätzt auf 5 US-Dollar). MWh−1) und ohne sonstige Schifffahrtskosten wie Arbeitskosten, Versicherungen und Hafengebühren76. Diese Ausgaben werden anhand von Branchen-Benchmarks und akademischer Forschung ermittelt77,78.

Das batterieelektrische TCP-Modell berücksichtigt die Stromkosten, den TEU-Verfall, zusätzliche Kapitalkosten für die Original- und Ersatz-BES-Systeme, Betrieb und Wartung sowie die gestaffelten Kosten der Ladeinfrastruktur. Die Batteriekosten sind definiert als die einheitliche jährliche Zahlung für die Investitionskosten für die Batterie zuzüglich der Austauschkosten über die gesamte Lebensdauer des Schiffs (25 Jahre)79. Es wird davon ausgegangen, dass LFP-Batterien nach 5.000 Zyklen oder 20 Jahren ausgetauscht werden müssen, je nachdem, was zuerst eintritt39,40. Die Kosten für die Stilllegung von Batterien werden vernachlässigt, da davon ausgegangen wird, dass Batterien eine zweite Lebensdauer haben werden80. Es wird davon ausgegangen, dass die Kapitalkosten für Batterien zusätzlich zu den Kapitalkosten für Schiffsneubauten anfallen, sodass wir die Einbeziehung von Neubaukosten sowohl für batterieelektrische als auch für ICE-Schiffstypen vernachlässigen können. Angesichts der relativ niedrigen Kosten für Schiffsmotoren im Vergleich zu den Gesamtinvestitionskosten für Schiffsneubauten ist diese Annahme vernünftig und konservativ. Diese Studie geht nur vom Fall eines Neubaus aus und berücksichtigt nicht die Nachrüstkosten, obwohl die Wirtschaftlichkeit der Batterieelektrifizierung durch Schiffsnachrüstungen ein wichtiger Bereich zukünftiger Forschung ist.

Wir gehen davon aus, dass die Betriebs- und Wartungskosten des batterieelektrischen Schiffes 50 % des ICE-Äquivalents betragen, was den Einsparungen bei Elektrofahrzeugen entspricht und die Betriebskosten eines Bordwäschers ausschließt81. Eine wirtschaftliche Strafe oder Gutschrift, die als TEU-Verfall bezeichnet wird, wird in die TCP-Analyse einbezogen, um die gewonnene oder verlorene Tragfähigkeit basierend auf den Volumenanforderungen des Batteriesystems im Verhältnis zur Basislinie des ICE-Schiffes zu berücksichtigen. Die in TEU quantifizierte Volumendifferenz wird mit der Frachtrate für die Handelsroute multipliziert und durch die Hälfte dividiert, um die Ungleichheit der globalen Handelsströme zu berücksichtigen, die zu einer Unterauslastung der Transportkapazität für mindestens eine Etappe einer Hin- und Rückreise führt56,82. Ergänzende Tabelle 2 fasst die Dateneingaben in das TCP-Modell zusammen.

Wir adaptieren frühere Forschungsergebnisse zu elektrischen Zügen40 und LKW-Transporten47, um die gestaffelten Kosten der Ladeinfrastruktur im Megawatt-Maßstab und die Stromkosten abzuschätzen. Wir verwenden einen Strompreis von 0,035 kWh−1 in Übereinstimmung mit historischen Echtzeitpreisen, die vom California Independent System Operator (CAISO) für die Jahre 2017 bis 201983 veröffentlicht wurden. Dieser Preis beinhaltet die Erzeugungskosten und die Einhaltung der kalifornischen Standards für das Portfolio erneuerbarer Energien , geltende CAISO-Gebühren für einen Direktzugangskunden, Nachfragegebühren und geltende Liefergebühren. Die Kosten für die Ladeinfrastruktur umfassen Hardwarekosten, Netzanschlussgebühren, Betriebs- und Wartungskosten sowie die Installationskosten. Ergänzende Abbildung 1 bietet eine Zusammenfassung der Komponenten, aus denen sich die gesamten gestuften Ladeinfrastrukturkosten zusammensetzen.

Wenn Umweltkosten dargestellt werden, gehen wir von Grenzkosten für NOx und SO2 in Höhe von 13.000 US-Dollar bzw. 24.000 US-Dollar pro Jahr84 und von gesellschaftlichen Kohlenstoffkosten von 43 US-Dollar pro Jahr im Einklang mit den Angaben der US-Umweltschutzbehörde aus Regulierungsrichtlinien85. Bemerkenswert ist, dass dieser Wert etwa ein Drittel des Wertes beträgt, der als ausreichend angesehen wird, um unter 1,5 Grad Celsius zu bleiben86.

Um die potenziellen Umweltauswirkungen der batterieelektrischen Containerschifffahrt zu quantifizieren, verwenden wir veröffentlichte Tank-to-Wake-CO2-, NOx- und SO2-Emissionsfaktoren für ein langsam fahrendes Zweitakt-ICE-Schiff, wie in der Ergänzungstabelle 3 beschrieben. Die Emissionsintensitäten sind umgerechnet in Intensitäten pro Kilometer durch Multiplikation mit dem Energieverbrauch in Kilowattstunden eines batterieelektrischen kleinen Neo-Panamax-Containerschiffs87,88.

Um die Emissionen eines batterieelektrischen Schiffes abzuschätzen, berechnen wir die Emissionsintensität vom Tank bis zum Nachlauf anhand einer Reihe realer Netzemissionsfaktoren aus mehreren Ländern63. Zur Umrechnung von Netzintensitäten in Tank-zu-Wake-Emissionsintensitäten wenden wir 5 % Übertragungs- und Verteilungsverluste, 10 % AC/DC-Umwandlungsverluste89, 5 % DC/AC-Umwandlungsverluste28 und 5 % Wirkungsgradverluste bei Elektromotoren28 an. Die berechneten Kohlenstoffemissionen vom Tank bis zum Nachlauf für jedes Land sind in der Ergänzungstabelle 4 dargestellt. Wir schließen Emissionen aus der Batterieproduktion aus, da die Schätzungen stark schwanken und davon abhängen, wo Primärmaterialien gewonnen werden und welche Möglichkeiten es am Ende der Lebensdauer zum Recycling gibt90. Um einen direkten Vergleich mit alternativen Kraftstoffen zu gewährleisten, verwenden wir Tank-to-Wake-Emissionsfaktoren anstelle von Well-to-Wake-Emissionsfaktoren91.

Alle Daten und Annahmen, die zur Replikation der Analyse dieser Studie erforderlich sind, sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationen enthalten.

Der Quellcode und die Daten, die den in diesem Manuskript dargestellten Zahlen zugrunde liegen, sind unter https://doi.org/10.5281/zenodo.6594089 verfügbar.

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Wir danken J. Zuboy für seine Unterstützung bei der Erstellung des Manuskripts. Wir würdigen auch die Erkenntnisse unserer Kollegen vom US Department of Transportation Maritime Administration. NP und AP erhielten für diese Arbeit Fördermittel von der Hewlett Foundation unter der Fördernr. 2019–9467.

Energie- und Ressourcengruppe, University of California, Berkeley, CA, USA

Jessica Kersey

Abteilung für Energieanalyse und Umweltauswirkungen, Bereich Energietechnologien, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA

Natalie D. Popovich & Amol A. Phadke

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JK entwickelte das Modell, führte die Analyse durch und verfasste den Manuskriptentwurf. AP konzipierte das Projekt, sicherte die Finanzierung und überprüfte das Manuskript. NP lieferte Eingabedaten für die Ladeinfrastruktur und verfasste Teile des Manuskripts.

Korrespondenz mit Amol A. Phadke.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Energy dankt Stephen R. Turnock und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Ergänzende Tabellen 1–4, Abb. 1 und Referenzen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Kersey, J., Popovich, ND & Phadke, AA Der rasche Rückgang der Batteriekosten beschleunigt die Aussichten für die vollelektrische interregionale Containerschifffahrt. Nat Energy 7, 664–674 (2022). https://doi.org/10.1038/s41560-022-01065-y

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Eingegangen: 27. August 2021

Angenommen: 01. Juni 2022

Veröffentlicht: 18. Juli 2022

Ausgabedatum: Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-022-01065-y

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