1. Einführung

 Nach der Erfindung des Dieselmotors von Rudolf Diesel begann in der Schifffahrt ab 1900 ein etwa 100-jähriger Wettlauf zwischen dem Dieselmotor und dem Dampfantrieb. Anfangs wurden zur Leistungssteigerung von Junkers und AG Weser Gegenkolbenmotoren und von MAN und Blohm & Voss doppeltwirkende Dieselmotoren entwickelt und ab 1912/13 gebaut. Einsatzreif wurden sie erst nach dem Ersten Weltkrieg. Danach setzte ein Evolutionsprozess ein, der bei den großen, den Propeller direkt antreibenden, langsam laufenden Zweitaktmotoren nach fast 100 Jahren zu sehr identischen Motoren mit Abgasturboaufladung geführt hat. Die größten dieser gigantischen Motoren haben 10 bis 14 Zylinder, eine Nenndrehzahl von 60 bis 80 U/min und treiben mit mehr als 100.000 PS riesige Containerschiffe an.

Abbildung 1: Der erste amerikanische Dieselmotor entstand im September 1898 und leistete 60 PS. (im Kreis A. Busch, und E. D. Meyer, Quelle Wikipedia/ Dr. Hochhaus)

2. Diesels Ammoniak Motor

Nach dem Studium erhielt Rudolf Diesel seine  erste Anstellung in der Firma „Lindes Eismaschinen“, und er konstruierte hier Kältemaschinen. Bei der Beschäftigung mit den Kreisprozessen und dem Kältemittel Ammoniak konstruierte und baute er von 1883-89 mit einem kleinen Team in Erinnerung an seine Studienzeit einen Ammoniak Motor, um den Carnot-Prozess zu verwirklichen. Dies Ammoniaksystem nach dem Prinzip einer Dampfmaschine bestand aus dem Motor, einem Kondensator, einer Pumpe und einem Sammelbehälter. Auf der von ihm besuchten Weltausstellung 1889 in Paris erkannte er jedoch, dass sein Ammoniak Motor gegenüber den hier ausgestellten Gasmotoren nicht wettbewerbsfähig war, und er beendete die Arbeiten am Ammoniak Motor und entwickelte den nach ihm benannten „Dieselmotor“. Heute geht die Fachwelt davon aus, dass der Dieselmotor jetzt mit „grünen“ Kraftstoffen wie Ammoniak, Methanol oder Methan die Zukunft darstellt.

3. Albert Ballin bestellte zwei Schiffe mit Dieselmotoren

Der Carnot-Prozess ließ Rudolf Diesel nicht mehr los und führte 1897 zur Erfindung und Realisierung des Dieselmotors mit einem Wirkungsgrad von 26,5 % [1]. Das war eine technische Sensation verglichen mit den Wirkungsgraden von 9 – 10 % damaliger Dampfmaschinenanlagen. Viele ausländische Firmen und Unternehmer wie auch der amerikanischen Bierbrauer Adolphus Busch (s. Abb. 1) erhielten Lizenzen. Busch und Diesel haben am 9. Oktober 1897 einen Lizenzvertrag für Nordamerika und Kanada unterzeichnet. Dafür zahlte Busch eine Million Mark sowie 5 % Lizenzgebühren für jeden hier verkauften Dieselmotor.

  Die erste Generation der Diesel Motoren, besonders für den Schiffseinsatz, hatten jedoch verglichen mit den Dampfmaschinen eine geringe absolute Leistung. Nur wenige Reeder zeigten Interesse an diesem neuen Antrieb. Daher wurden nach dieser ersten Periode der Erfindung von mehreren Herstellern und Werften verschiedene Maßnahmen ergriffen, um die Leistung besonders der Zweitaktmotoren zu steigern. Dabei entstanden in der 2. Periode interessante technische Konstruktionen, die im Laufe der Zeit vergleichbar mit der Evolution zu den heutigen optimierten Bauformen mit Auslassventil und Abgasturbo-Aufladung geführt haben. Auf der Reederseite tat sich besonders der Generaldirektor Albert Ballin der Hapag hervor, denn auf dem Höhepunkt der Dampfantriebe erkannte er bereits die immensen Vorteile des neuen Motors als zukünftigen Schiffsantrieb. Statt der bisherigen Antriebsanlage bestehend aus Dampfmaschine und Kessel wurde jetzt nur noch der Motor gebraucht, der außerdem auch noch einen viel höheren Wirkungsgrad hatte. Daher gab Ballin frühzeitig nicht nur ein, sondern gleich zwei Schiffe mit Motorantrieb bei verschiedenen deutschen Werften in Auftrag. Er wollte, dass die HAPAG als weltweit erste Reederei mit der zukunftsträchtigen Motorschifffahrt Erfahrungen sammelt. Die AG Weser sollte den Frachter Primus (Bau Nr. 184, 6.650 tdw) mit zwei Gegenkolbenmotoren und Blohm & Voss den Frachter Secundus (Bau Nr. 210, 7.750 tdw) mit zwei doppeltwirkenden Motoren bauen.

Abbildung 2: Zweitakt-Gegenkolbenmotoren in Tandembauart Patent Junker (Quelle [2])

3.1 Gegenkolbenmotor für die Primus

Eine besonders technisch aufwändige Motorkonstruktion hatte Hugo Junkers vorgeschlagen, entwickelt und konstruiert [2]. So entstanden bei der AG Weser in Bremen zwei 800 PS Zweitakt-Gegenkolbenmotoren in Tandembauart mit drei Zylindern, bei denen in jedem Zylinder 4 Kolben wirkten (s. Abb. 2). 1912 erfolgte der Stapellauf. Die aufwändige Verbindung der Kolben mit der Kurbelwelle war kompliziert und für den Praxisbetrieb ungeeignet. Die Motoren bewährten sich nicht. Die beiden Dieselmotoren wurden ausgebaut und stattdessen zwei Dreifach-Expansionsmaschinen mit einer Leistung von insgesamt 1.800 PS eingebaut. Das Schiff wurde in Kribi umbenannt.

     Die Werft und Maschinenfabrik William Doxford & Sons (England) erhielt 1912 von Junkers eine Motorlizenz für Großbritannien und bauten 1912 den Prototyp einer einfachen Gegenkolbenmaschine. Nach ersten Versuchen mit wenig Erfolg sandte Junkers einige seiner Mitarbeiter nach England, um Doxford zu unterstützen. Der zweite Motor wurde 1913 getestet und hatte bei 130 U/min eine Nennleistung von 450 PS. Der Krieg stoppte die weiteren Entwicklungen und ab 1918 wurde die Zusammenarbeit wieder aufgenommen. Den ersten Junkers-Doxford Gegenkolbenmotor mit vier Zylindern und 3000 PS Nennleistung erhielt die Ygaren der schwedischen Trans-Atlantic Steamship Co. 1921. Die Motoren bewährten sich und wurden bis Ende der 1980ger Jahre gebaut, auch in Lizenz von Borsig in Berlin.

3.2 Doppeltwirkender Motor der Secundus

Der doppeltwirkende Zweitaktmotor für die Secundus wurde gemeinsam von MAN und Blohm & Voss, gebaut. Hier war der Zylinder sowohl nach oben wie nach unten durch einen Zylinderdeckel abgeschlossen und ergaben zwei durch den Kolben voneinander getrennte Brennräume. Die Kolbenstange führte gasdicht durch den unteren Zylinderdeckel und war über einen Kreuzkopf mit dem Pleuel und der Kurbelwelle verbunden. Aufgrund von kurzzeitig nicht lösbaren technischen Problemen wurde die Secundus jedoch umgebaut und erhielt zwei einfach wirkende Zweitakt-Dieselmotoren.

   Der Konstrukteur Fritz Nordhausen [3] war jedoch von seiner Lösung überzeugt, und Blohm und Voss baute danach auf eigene Rechnung den Frachter Fritz mit doppeltwirkendem Zweitaktmotor (s. Abb. 3). Dieses Schiff kam 1917 in Fahrt und musste nach dem ersten Weltkrieg an England abgeliefert werden. Diese Motorbauart war erfolgreich und wurde von 1925 bis Ende der 1960ger Jahre gebaut. Einfachwirkende Zweitaktmotoren mit Abgasturbo-Aufladung kamen inzwischen in vergleichbare Leistungsbereiche, waren im Betrieb einfacher und haben die doppeltwirkenden Motoren abgelöst.

Abbildung 3: Doppeltwirkender Zweitaktmotor für die 1914 von Blohm & Voss gebaute FRITZ (Quelle [3]) Legende: a Abdeckplatte der Ständer und Träger der Arbeitszylinder; b Auspuffleitung; c Brennstoffventile; d Spülventil; e Anlassventil; f.a.h Steuerwellen; 1 Anlassluftleitung; m Spülluftpumpe;  n Kühlwasserpumpe.

4. Schwerölbetrieb

Da Schweröl deutlich billiger als Dieselöl oder Gasöl ist, hatte der Betrieb von Dampfanlagen mit Schweröl lange einen Preisvorteil. Ab den 1950ger Jahren begannen in der Motorenindustrie erfolgreiche Versuche, Zweitaktmotoren mit dem billigen hochviskosen Schweröl zu betreiben. Zur Brennstoffaufbereitung und Reinigung wurden Separatoren und Filter installiert, in den Bunker- Setz- und Tagestanks Heizschlangen installiert und Endwärmer mit Viskositätsreglern vorgesehen. Die auftretenden Korrosionsprobleme durch die hohen Schwefel- und Vanadiumanteile im Schweröl konnten schrittweise durch verbesserte Schmieröle gelöst werden.

   Mit den Leistungssteigerungen der Zweitaktmotoren und dem Schwerölbetrieb von Pier zu Pier wurde der Wettkampf zu Gunsten der Dieselmotoren beendet. Auch die Viertaktmotoren haben in dieser Beziehung eine erstaunliche Entwicklung vollzogen. Dies wurde besonders deutlich beim 1987 durchgeführten Umbau der Queen Elizabeth 2 auf der Lloyd-Werft. Hier wurde die Dampfanlage gegen neun Viertaktmotoren mit je 10.625 kW ersetzt.

5. Umwelt

Die größten Herausforderungen werden in den kommenden 25 Jahren nicht nur auf die Schifffahrt zukommen. Auch in der Luftfahrt werden wichtige Umstellungen erforderlich, um die von beiden verursachten jeweils rund 2% der globalen CO2 Emissionen zu vermeiden. Die großen Motorhersteller wie MAN B&W und WinGD (Winterthur Gas & Diesel) arbeiten bereits daran, um die Schiffsmotoren zukünftig mit „grünen“ Brennstoffen wie Methanol oder Ammoniak zu betreiben (s. a. Abb. 4 aus [4]). Ein kleiner Schritt in diese Richtung erfolgte bereits durch die Anwendung von LNG, also von Flüssiggas.

5.1 Wärtsilä

Ein Konsortium aus Schifffahrtsunternehmen und Motorherstellern entwickelt Demonstratoren für Zweitakt- und Viertakt-Schiffsmotoren mit Ammoniak als Kraftstoff [5]. Das Projekt „Ammonia 2-4“ wird vom Technologiekonzern Wärtsilä koordiniert. Von der Europäischen Union wurde das Projekt im Rahmen des Programms Horizon Europe mit € 9,8 Mio. unterstützt. Es zielt darauf, praktikable Konzepte für Ammoniak-Kraftstoff voranzutreiben und hatte die Entwicklung und Demonstration von zwei Dual‑Fuel-Schiffsmotoren mit Ammoniak beantragt. Dazu soll ein Viertaktmotor als Neuentwicklung mit rund 10 MW im Labormaßstab entstehen und ein Zweitaktmotor als Nachrüstplattform für bestehende Motoren, als Labordemonstrator sowie als Retrofit auf einem MSC‑Containerschiff installiert werden.

Als Ergebnisse werden die Reduktion der Treibhausgasemissionen um mindestens 80 %, die Erfüllung der IMO Tier III NOₓ-Grenzwerte und ein Ammoniak‑Rückstand < 10 ppm erwartet. Damit werden potenzielle jährliche CO₂-Einsparungseffekte von 2,3 Mio. t durch Hochseeschiffe in EU‑Häfen und weniger SOₓ-Emissionen ermöglicht.

Abbildung 4: Künftige Kraftstoffe der Schifffahrt,  Ausblick bis 2050  (Quelle: DNV GL 2019)

5.2 MAN B&W (jetzt Everllence, Methanol und Ammoniak)

Die ersten Motortests der ME-LGI (Liquid Gas Injection)-Plattform begannen 2015 im Research Centre Copenhagen (RCC), gefolgt von der ersten Seeerprobung für den ME-LGIM (Methanol)-Motor im Jahr 2016 [6]. Der Produktentanker Lindanger fährt seit 2016 mit Methanol [7], er wurde von Hyundai Mipo Dockyard Co. Ltd für den norwegischen Reeder Westfal-Larsen gebaut und von dem Dual-Fuel-Hauptmotor vom Typ MAN B&W 6G50ME-9.3 LGIB mit einer Nennleistung von 10.320 kW bei 100 U/min angetrieben.

Versuche zum Ammoniakbetrieb begann MAN 2019 mit der Entwicklung eines Zweitaktmotors im RCC an zwei Motoren in Originalgröße.

     Zu diesem Zweck wurde in Zusammenarbeit mit Klassifikationsgesellschaften, Reedern, Werften und Systemlieferanten eine Vorstudie zum Kraftstoffversorgungs- und Einspritzkonzept durchgeführt. Im Jahr 2021 wurden das Ammoniak-Kraftstoffversorgungssystem und die Hilfssysteme spezifiziert. 2022 begann die Installation der Systeme beim RCC mit der Instrumentierung für den Testmotor Nr. 1 mit einem Zylinder. Im Jahr 2023 wurden Ammoniak-Bunker- und Servicetankanlagen mit allen Hilfssystemen gebaut, um im Fall eines Lecks eine vollständige Eindämmung des Ammoniaks zu gewährleisten. Ebenso wurden alle Hilfssysteme mit Ammoniak und anschließend der Versuchsmotor Nr. 2 mit drei Zylindern bis 100% Last erfolgreich getestet.

     MITSUI E&S hat im Februar 2025 den Beginn der Testphase für den ersten kommerziellen, mit Ammoniak betriebenen Dual-Fuel-Zweitaktmotor bekannt gegeben [8]. Der Prototyp des MAN B&W 7S60ME-LGIA Mk 10.5-Motors (Liquid Gas Injection Ammonia) hat im Tamano-Werk von MITSUI E&S in Japan seinen Testlauf mit Ammoniak als Kraftstoff begonnen (s. Abb. 5).

Abbildung 5: Der MITSUI-MAN B&W 7S60ME-10.5-LGIA Motor wird von Imabari Shipbuilding in einen Massengutfrachter mit 200.000 DWT eingebaut (Quelle MAN)

6. Zusammenfassung  

In dem vergangenen Jahrhundert entstanden interessante Schiffsmotorkonstruktionen, die im Laufe der Zeit vergleichbar mit der Evolution in der Natur zu den heutigen optimierten Bauformen geführt haben. Der Wettlauf mit den Dampfanlagen wurde gewonnen, als auch die Dieselmotoren mit Schweröl betrieben wurden. Damit die Schiffe bis 2050 klimaneutral werden, gibt es abhängig von der Schiffsgröße und Fahrtgebiet mehrere Optionen. Fähren können batterieelektrisch fahren, Hochseeschiffe benötigen „grüne“ Brennstoffe wie Wasserstoff, Methanol oder Ammoniak. Erste Methanolschiffe sind in Betrieb und Viertakt- und Zweitaktmotoren mit Ammoniakverbrennung befinden sich kurz vor der Marktreife auf den Prüfständen der Motorhersteller. Alternative Kraftstoffe spielen laut Clarkson [9] inzwischen eine wichtige Rolle und machen im Jahr 2024 rund 50 % aller bestellten Tonnagen aus. Es wurden Neubauten gemeldet, die entweder LNG (390), Methanol (118), LPG (72), Ammoniak (25) oder Wasserstoff (12 Bestellungen) als Brennstoff nutzen werden.

Literatur und Quellen

[1] Diesel, Rudolf: Die Entstehung des Dieselmotors, in STG-Band 14, Seite 267

[2] Junkers, H.: Studien und experimentelle Arbeiten zur Konstruktion meines Dieselmotors, in STG-Band 13, Seite 264

[3] Prager, Hans-Georg: Blohm & Voss. Schiffe und Maschinen für die Welt. Koehlers Verlagsgesellschaft, Herford 1977.

[4] Mehrere Verfasser: Zukünftige maritime Treibstoffe und deren mögliche Importkonzepte, Kurzstudie DLR  in https://elib.dlr.de/186857/2/kurzstudie-maritime-treibstoffe.pdf

[5] Demonstrating a 2-stroke and 4-stroke large scale ammonia marine engine; https://cordis.europa.eu/project/id/101056835/reporting

[6] https://www.man-es.com/de/unternehmen/pressemitteilungen/press-details/2022/11/02/zweitakt-dual-fuel-motorenportfolio-mit-niedriger-drehzahl-knackt-die-tausender-marke

[7] Hochhaus, Karl-Heinz: Umwelt-und Energiewende in der Schifffahrt;  2018 Schiffsbetriebstechnik Flensburg

[8] https://www.man-es.com/de/unternehmen/pressemitteilungen/press-details/2025/02/17/mitsui-e-s-startet-test-eines-ammoniakmotors

[9] https://www.clarksons.com/home/news-and-insights/2025/green-technology-tracker-record-investments-in-alternative-fuel/