Sustainaweekly - Opties voor het koolstofarm maken van de binnenvaart

Deze week in de SustainaWeekly:

Sector thema: De reductie van broeikasgasemissies in de binnenvaart volgt de bredere trend in de EU. Maar er zijn nog steeds mogelijkheden voor de binnenvaart om de uitstoot verder te verminderen. De binnenvaart heeft immers meer mogelijkheden om te decarboniseren dan de internationale scheepvaart. De binnenvaart zou kunnen kiezen voor brandstoffen met een lagere energiedichtheid, het ontwerp kunnen aanpassen of kunnen kiezen voor schepen met batterijen (als de problemen met het verwisselen van batterijen kunnen worden overwonnen).

Economie thema: Verschillende exogene schokken hebben de BKG-reductietrend in Nederland de afgelopen jaren sterk beïnvloed. Twee BKG-reductiepaden op basis van de historische trend laten duidelijk zien dat het tempo van de BKG-reductie sterk achterblijft bij de gestelde klimaatdoelen in 2030 en 2050. Er is nog steeds een grote hoeveelheid publieke en private duurzame klimaatinvesteringen nodig om de klimaatdoelen te halen en de broeikasgasreductie op schema te krijgen.

ESG in cijfers: In een vast onderdeel van onze Weekly presenteren we enkele grafieken met de belangrijkste indicatoren voor ESG-financiering en de energietransitie.

Opties voor het koolstofarm maken van de binnenvaart

• Om klimaatneutraliteit te bereiken, moet de uitstoot door transport in 2050 met 90% zijn afgenomen

• De scheepvaartsector is verantwoordelijk voor ongeveer 2% van de uitstoot van broeikasgassen; de internationale scheepvaart is de grootste uitstoter en de binnenvaart heeft slechts een zeer klein aandeel

• De reductie van broeikasgasemissies in de binnenvaart volgt de bredere trend in de EU. Maar er zijn nog steeds mogelijkheden voor de binnenvaart om de uitstoot verder te verminderen

• De binnenvaart zou kunnen kiezen voor brandstoffen met een lagere energiedichtheid, het ontwerp kunnen aanpassen of kunnen kiezen voor schepen met accu's (als ze meer vermogen hebben en als de problemen met het verwisselen van accu's kunnen worden overwonnen)

In 2021 werd er wereldwijd 54.590 megaton aan broeikasgassen (CO2 en andere emissies) uitgestoten. Om klimaatneutraliteit te bereiken, moeten de transportemissies tegen 2050 met 90% zijn verminderd. Alle vervoerswijzen, inclusief de scheepvaart, zouden moeten bijdragen aan de reductie-inspanningen om dat scenario vorm te geven. De totale scheepvaart (binnenlands en internationaal en visserij) is verantwoordelijk voor ongeveer 2% van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen. De internationale scheepvaart neemt het grootste deel voor haar rekening. In 2021 was voor de EU 27 de internationale scheepvaart goed voor 129 megaton (0,24% van de wereldwijde broeikasgasemissies) van de broeikasgasemissies en de binnenlandse scheepvaart voor 16 megaton (0,03% van de wereldwijde emissies).

Voor Nederland is de binnenvaart goed voor 3% van de transportemissies en 0,4% van de BKG-emissies van Nederland. De binnenlandse scheepvaart omvat de emissies van schepen van alle vlaggen die niet in de internationale scheepvaart actief zijn. De verdeling binnenlands/internationaal wordt bepaald op basis van vertrekhaven en aankomsthaven en niet op basis van de vlag of nationaliteit van het schip. In het geval van de EU omvat het de scheepvaart van en naar havens binnen de Unie. Binnenvaartschepen zijn doorgaans veel kleiner dan diepzee- en oceaanschepen. De reizen zijn korter dan bij internationale vaart. Bovendien zijn er meer mogelijkheden om te tanken of op te laden. In eerdere rapporten hebben we ons gericht op de decarbonisatie-opties van de zeevaart. In dit rapport zoemen we in op de binnenvaart, waarbij we de emissietrends en decarbonisatie-opties nader bekijken.

Recente trends in emissions

Sinds 1990 zien we contrasterende trends in emissies tussen de binnenlandse scheepvaart in de EU 27 en de internationale scheepvaart. Tussen 1990 en 2021 daalden de emissies van de EU 27-binnenvaart met gemiddeld 1% per jaar, terwijl de internationale scheepvaart met gemiddeld 0,9% steeg. In 2021 lagen de broeikasgasemissies van de internationale scheepvaart 20% hoger dan in 1990, terwijl de binnenlandse scheepvaart met 29% daalde, wat in overeenstemming is met de emissietrends voor de hele EU. Als percentage van de totale EU 27 bleef het aandeel van de binnenlandse scheepvaart in de emissies ongeveer gelijk (rond 0,45%), terwijl de internationale scheepvaart bijna verdubbelde tot 3,7% (Eurostat). De binnenlandse scheepvaart heeft de emissies dus in lijn met de EU 27 verminderd, maar de internationale scheepvaart ontwikkelt zich duidelijk niet in de goede richting.

De EU Stage V-wetgeving, die in 2020 van kracht werd, scherpt de maatregelen aan voor motoren en apparatuur die niet in wegtransport gebruikt worden. Het stelt strengere limieten aan de uitstoot, met name aan de uitstoot van fijnstof (PM) en stikstofoxide (NOx). Fase V-certificering is vereist voor motoren die de Europese binnenvaartschepen aandrijven. De Stage V-wetgeving geldt vanaf 2022 voor nieuwbouwschepen. De wetgeving geldt ook voor het vervangen van een motor. Maar het repareren van bestaande motoren is toegestaan. Wanneer deze bestaande motoren in de toekomst worden vervangen, is een grotere emissiereductie waarschijnlijk. Op het gebied van emissieregelgeving zijn er twee belangrijke normen om rekening mee te houden: IMO tier III en EU stage V. Het belangrijkste verschil is dat IMO tier III van toepassing is op zeeschepen, terwijl EU stage V dieselemissies van toepassing zijn op binnenvaartschepen.

Nederland heeft als doel om in 2050 een emissieloze binnenvaart te hebben en de uitstoot met 50% te verminderen. Er is een subsidie om oude motoren sneller te vervangen door nieuwe die voldoen aan de Stage V wetgeving. Het bedrag is niet meer beschikbaar voor dit jaar, maar in 2024 is er weer geld beschikbaar.

Decarbonisatie-opties voor de binnenvaart

Om de scheepvaart (internationaal en binnenlands) koolstofvrij te maken zijn er verschillende opties. In onze ESG Economist – Decarbonizing International Shipping, richtten we ons op de opties voor internationale scheepvaart. In dit stuk richten we ons op de opties voor de binnenlandse scheepvaart. Er zijn verschillende manieren om dit te bereiken: verander de energiedrager, pas het ontwerp van het schip aan, optimaliseer de reis, upgrade de machines aan boord en gebruik nabehandelingsmaatregelen.

Verandering van energiedrager

De eerste en belangrijkste manier om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen is de keuze van energiedrager. De meeste binnenschepen hebben verbrandingsmotoren die fossiele brandstoffen zoals gasolie verbranden die broeikasgassen uitstoten. Maar de EU Stage V wetgeving heeft al geleid tot schonere emissies door de nabehandeling (katalysator).

De sector werkt aan andere alternatieven zoals methanol, ammoniak, waterstof en biobrandstoffen. Alle alternatieve brandstoffen voor de scheepvaart hebben te maken met uitdagingen en belemmeringen - hoewel de ernst van elke belemmering per brandstoftype zal verschillen. In de onderstaande tabel geven we enkele van de belangrijkste kenmerken van de belangrijkste brandstoftypen.

Wat verschilt van de internationale scheepvaart is dat de binnenvaart gemiddeld kortere reizen heeft en meer stops om bij te tanken of op te laden. Door de lagere actieradius en de lagere behoefte aan brandstofopslag heeft de binnenvaart meer mogelijkheden om te decarboniseren dan de internationale scheepvaart. Naast LNG zouden methanol, ammoniak en waterstof goede opties kunnen zijn voor de binnenvaart, ondanks de lagere energiedichtheid. Het is echter belangrijk om te vermelden dat de hogere benodigde opslagcapaciteit voor een brandstof met een lagere dichtheid een grotere impact kan hebben op een binnenvaartschip in vergelijking met een internationaal schip. Een binnenvaartschip moet vaker tanken om dit op te lossen.

Naast de benodigde energiedichtheid en extra opslag zijn er ook andere uitdagingen. Het gebruik van ammoniak gaat gepaard met veiligheidsproblemen, zoals ontvlambaarheid, corrosie en toxiciteit, lachgas (N2O) en mogelijk ammoniakslip. Ammoniakslip verwijst naar de niet gereageerde ammoniak die in de atmosfeer terechtkomt. Vanwege de giftigheid creëert de introductie van ammoniak als brandstof nieuwe uitdagingen met betrekking tot veilig bunkeren, opslag, levering en verbruik. En last but not least is de infrastructuur voor het bunkeren van ammoniak beperkt tot afwezig. Voor ammoniak is ook een ander type motor nodig, dat naar verwachting in 2024 commercieel klaar zal zijn voor de internationale scheepvaart (meer hierover hieronder).

Groene waterstof is de schoonste scheepsbrandstof zonder koolstofuitstoot omdat het voornamelijk wordt geproduceerd met behulp van hernieuwbare energie. Waterstof (niet alleen groene) kan op vele manieren worden geproduceerd, zoals door elektrolyse van water en door de reforming van aardgas. Aardgas bevat methaan (CH4) dat kan worden gebruikt om waterstof te produceren met thermische processen, zoals stoom-methaanreformatie (geavanceerd en volwassen proces) en gedeeltelijke oxidatie.

Samengeperst waterstof (H2) voor binnenschepen zal waarschijnlijk ~300 of 500 bar zijn. Duitse scheepseigenaren werken toe naar 500 bar. In NL ligt de focus op 300 bar. 700 bar werkt in termen van volume, maar de kosten zijn erg hoog als je ze vergelijkt met de kosten per kg bruikbaar H2. In de meeste scenario's is het niet de moeite waard om naar 700 bar te gaan gezien de huidige kostenprognoses (zelfs op schaal). Deze bevinden zich momenteel ook op een laag Technical Readiness Level-niveau. Systemen onder lagere druk zijn al commercieel beschikbaar voor scheepvaarttoepassingen.

H2 als scheepsbrandstof kan worden opgeslagen als samengeperst gas of als cryogene vloeistof, of het kan worden gebruikt om e-brandstoffen te produceren, zoals e-ammoniak of e-methanol (wat een synthetische power-to-liquid-brandstof is, zie ook onze ESG Economist – No easy road to decarbonizing road mobility voor meer details). De huidige belemmeringen voor het gebruik van waterstof als scheepsbrandstof zijn onder andere het gebrek aan ontwerpregels en -richtlijnen, de geringe rijpheid van de technologie en de hoge investeringskosten.

Het wordt onwaarschijnlijk geacht dat biobrandstoffen in de toekomst de belangrijkste brandstof voor de scheepvaart zullen zijn. Dit komt omdat de sector enorme volumes nodig zou hebben en andere sectoren zoals de luchtvaart en het wegvervoer waarschijnlijk beter in staat zijn om de kosten te betalen (bron: Shell). De productiekosten van biomethaan zijn sterk afhankelijk van de beschikbaarheid van grondstoffen en de prijs op de grondstoffenmarkt, wat leidt tot grote kostenverschillen. Hernieuwbaar methanol, zoals biomethanol en hernieuwbaar e-methanol, kan de koolstofuitstoot aanzienlijk verminderen in vergelijking met conventionele brandstoffen. Methanol vereist verschillende soorten motoren voor optimale prestaties. Deze zijn nog in ontwikkeling. En de traditionele fase V binnenvaartmotor kan niet gemakkelijk worden omgebouwd om op methanol te lopen. Het grootste voordeel van methanol is dat het vloeibaar is bij kamertemperatuur en daarom vergelijkbaar met fossiele brandstoffen wat betreft hantering en bunkering.

Ontwerp van het schip

Het kiezen van de juiste brandstofstrategie is een van de belangrijkste beslissingen die een eigenaar moet nemen voor een nieuwbouwschip. Het gaat erom de brandstofopslag en het voortstuwingssysteem van het schip te optimaliseren om te voldoen aan de huidige en toekomstige brandstofvereisten. De vraag is hoe het potentieel om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen kan worden gemaximaliseerd. Een diepzeeschip heeft een technische levensduur van ongeveer 25 jaar. Voor binnenschepen is dit meer dan 50 jaar en een motor gaat ongeveer 15 jaar mee. Bij de beslissing om een nieuw binnenvaartschip te kopen moet dus rekening worden gehouden met deze langere technische levensduur.

Naast het kiezen van de juiste brandstofstrategie zijn er nog andere manieren om de efficiëntie van het schip te verbeteren. Een schip moet zo worden ontworpen dat de nodige upgrades of brandstofveranderingen later in de levensduur mogelijk zijn. Fuel Ready verwijst naar een Class Notation en geeft aan dat in het nieuwbouwontwerp rekening is gehouden met en gecontroleerd is op een omschakeling naar een alternatieve brandstof, zoals Fuel Ready LPG, LNG, ammoniak, waterstof en/of methanol/ethanol. Er zijn monobrandstof verbrandingsmotoren (ICE's) of dual fuel ICE's die LNG, LPG of methanol als brandstof gebruiken en dan klaar zijn voor ammoniak.

Vanuit het oogpunt van ontwerp is de grootste uitdaging met minder koolstofintensieve brandstoffen in de meeste gevallen het vinden van ruimte om een geschikte hoeveelheid brandstof op te slaan zonder de laadcapaciteit van het schip in onaanvaardbare mate aan te passen. Het veilig beheren van brandstofeigenschappen zoals hoge ontvlambaarheid en toxiciteit is ook een uitdaging, zowel voor het ontwerp als tijdens het gebruik.

Lichtgewicht bouwmaterialen, optimalisatie van de rompvorm, propellers met een hoger rendement, geoptimaliseerde roerconfiguraties, geavanceerde coatings voor de romp en andere dergelijke maatregelen kunnen worden gebruikt om het brandstofverbruik van schepen te verminderen.

Optimalisatie van de reis

Reisoptimalisatie is hoe je van A naar B komt met zo min mogelijk energie en zo efficiënt mogelijk. De makkelijkste en goedkoopste manier om de uitstoot te verminderen is de snelheid van het schip te verminderen. Langzaam varen is een zeer efficiënte manier om brandstof te besparen, want een snelheidsvermindering van 3% zorgt voor een vermindering van het brandstofverbruik van 10%. In de binnenvaart is langzaam varen meer standaard dan in de diepzeevaart.Machines

Op dit moment domineren verbrandingsmotoren nog steeds de vloot. In de toekomst moeten deze motoren op twee of meer brandstoffen kunnen werken, of op een toekomstige brandstof. Accupacks en brandstofcellen kunnen ook worden gebruikt in plaats van verbrandingsmotoren.

Brandstofcellen zullen naar verwachting de komende jaren in energiesystemen worden geïntegreerd. Brandstofcellen produceren, net als batterijen, elektriciteit met een hoge frequentie via een elektrochemisch proces. Ze bieden een hoger elektrisch rendement met minder lawaai. Brandstofcellen hebben naast zuivere waterstof ook waterstofrijke brandstoffen nodig, zoals aardgas, methanol en diesel, met behulp van chemische reactoren voor de cellen. Tegenwoordig zijn brandstofcellen aanzienlijk duurder dan verbrandingsmotoren.

Accu's zijn ook een optie voor kleinere schepen die op korte routes varen. De lagere vermogensdichtheid en het grotere gewicht van accu's beperken het gebruik ervan in scheepvaarttoepassingen. Batterij gerelateerde infrastructuur, zoals oplaadstations of de mogelijkheid om lege batterijcontainers om te wisselen voor opgeladen batterijcontainers, moet worden ontwikkeld en opgeschaald om batterijen op grote schaal te kunnen toepassen. Momenteel kan het batterijpakket dat beschikbaar is voor een binnenvaartschip twee tot vier uur of 50 tot 100 km varen. Dit bereik is niet voldoende. Accu's moeten dus worden verbeterd om een haalbare optie te worden. Deze batterijen kunnen worden opgeladen met hernieuwbare bronnen in de buurt van windmolenparken en/of zonneparken. In de mobiliteit over de weg zijn er uitdagingen voor het verwisselen van accu's, namelijk de hoge kosten voor het opzetten van een station om accu’s te verwisselen en het gebrek aan standaardisatie van de accu's. Het gebruik van batterijen voor binnenschepen bevindt zich nog in een vroeg stadium, vooral in vergelijking met batterijen in voertuigen. Als de batterijen voor binnenschepen vroeg in het proces worden gestandaardiseerd, dan heeft deze technologie veel meer potentieel. Bovendien zou subsidie de kosten voor het bouwen van een batterijwisselstation en de infrastructuur kunnen verlagen. Accu's zouden een oplossing kunnen zijn voor veerboten die op korte, vaste routes varen, voor walstroom in gebieden waar weinig ruimte is om elektriciteitsleidingen door te trekken, of voor persoonlijke navigatie.

Een andere manier om de koolstofvoetafdruk te verkleinen is warmteterugwinning. Systemen voor het terugwinnen van restwarmte winnen de thermische energie uit het uitlaatgas terug en zetten die om in elektrische energie, terwijl de restwarmte verder kan worden gebruikt voor scheepsdiensten (zoals warm water en stoom). Het systeem kan bestaan uit een uitlaatgasketel (of een combinatie met een olie gestookte ketel), een krachtturbine en/of een stoomturbine met alternator. Door de lay-out van het schip aan te passen, kunnen de ketels op het schip efficiënter worden geplaatst zodat deze systemen beter passen. Terugwinning van afvalwarmte heeft zich bewezen aan boord van schepen, maar het potentieel kan variëren afhankelijk van de grootte, het aantal, het gebruik en de efficiëntie van de motoren aan boord. Maar de kosten voor het herontwerpen van het schip zijn hoog (bron IMO). Dit verkleint de koolstofvoetafdruk omdat alleen de hoofdmotor brandstof verbruikt.

Conclusie

De trend in de emissiereductie van de binnenlandse scheepvaart in de EU 27 is in lijn met de EU 27 als geheel en de Stage V-wetgeving heeft deze trend versterkt. Dit in tegenstelling tot de internationale scheepvaart. Maar de binnenvaart kan meer doen om de emissies te verminderen. Er zijn verschillende opties, zoals het veranderen van de energiedrager, het ontwerp van het schip en de apparatuur en machines aan boord. De binnenvaart heeft meer mogelijkheden om te decarboniseren dan de internationale scheepvaart. De binnenvaart zou kunnen kiezen voor brandstoffen met een lager well-to-wake emissieprofiel, het ontwerp kunnen aanpassen of batterijen kunnen gebruiken (indien van toepassing). Dit komt door kortere reizen, kleinere schepen en meer mogelijkheden om bij te tanken/op te laden omdat de schepen dicht bij de wal liggen. Voor de binnenvaart is de belangrijkste uitdaging de kosten, de productieschaal van technologieën, de capaciteit van scheepswerven (voor retrofits of nieuwbouw) en de beschikbaarheid van koolstofarme brandstof en infrastructuur.