Energieeffiziente Klimatisierung von Schiffen

Vorgestellt wurden auf dem STG-Sprechtag zum Thema unter anderem optimierte

Abwärme Kälte erzeugen.

Im Deutschen Schiffahrtsmuseum in Bremerhaven fand Mitte Oktober der STG-Sprechtag »Energieeffiziente Klimatisierung von Schiffen« statt. Dr. Yves Wild, Leiter[ds_preview] des Fachausschusses »Lüftung, Klima, Kälte«, führte durch die Veranstaltung. Die organisatorische Vorbereitung erfolgte durch Andrea Bohn-Möller und Petra Lau.

Energetische Simulation von Klimaanlagen auf Kreuzfahrtschiffen

Bei der Auslegung, Regelung, und Optimierung komplexer Klimaanlagen auf Kreuzfahrtschiffen (Abb. 1) arbeitet Imtech erfolgreich mit den Werkzeugen der stationären und dynamischen Simulation. Georg Bieler (Imtech Deutschland) beschrieb die Vorteile dieser Werkzeuge. Als Programmiersprache wird Modelica / Dymola benutzt, damit lassen sich die einzelnen spezifischen Module der Komponentenbibliothek zu einem Gesamtsystem zusammensetzen. Simulationsmodelle unterschiedlicher technischer Systeme werden miteinander verknüpft, ihre Interaktionen untersucht und bei Bedarf erfolgen mit dem Modell erste Optimierungen.

Als Beispiel wurde die Regelstrategie bei der Zu- und Abschaltung der Kaltwassersätze vorgestellt. Als interessante Anwendungen wurden neben Untersuchungen zur energetischen Nachbildung von Außen- und Innenkabinen auch Simulationen durchgeführt, um die Kabinen-Klimatisierung abhängig von der zeitlichen Benutzung und der Umgebung zu optimieren. Über die heute üblichen Key-Cards wird die jeweilige Kabinenbelegung und zeitliche Benutzung erfasst, um die Ventilatorenkonvektoren (Fan Coils) gezielt zu- oder abzuschalten. Um die realistischen Wetterdaten im Tages- und Jahresverlauf in den betrachteten Fahrtgebieten zu berücksichtigen, wurde mit der Datenbank »Meteonorm« gearbeitet. Sie liefert für jeden beliebigen Ort der Erde die Wetterdaten eines typischen Jahresverlaufs.

Der auf die Passagiere bezogene spezifische Energieeinsatz für die Schiffsklimatisierung wurde durch die technische Weiter­entwicklung und steigenden Schiffs­größen stark reduziert. Dies zeigt die Abb. 2, die den täglichen Energiebedarf des Lidos 1990, 2000 und 2010 systemabhängig darstellt. Eine große Rolle spielen dabei die Energierückgewinnung und der Einsatz drehzahlvariabler Lüfter, deren Lüfterleistung sich mit der dritten Potenz zur Drehzahl (Frequenzumrichter) ändert. Eine weitere Optimierung könnte mit der Regelung des Frischluftbedarfs anhand von CO2-Messungen realisiert werden.

Energieeffiziente Klimatisierung von Frachtschiffen

Vor dem Hintergrund ansteigender Brennstoffpreise in der Seeschifffahrt verwies Gyrd Mortensen (Novenco A/S) auf die Vorgabe, bis 2025 laut IMO (Marpol Annex VI) eine auf den EEDI (Energy Efficiency Design Index) basierende Energieeinsparung von 30 % zu realisieren. Die Systeme zur Belüftung und Klimatisierung wurden optimiert und bei der Kälteerzeugung wurden neue Wege beschritten. Ein interessantes Beispiel sind die Klimaanlagen auf den Errichterschiffen vom Typ »Seabreeze« für RWE Innogy [3] (Abb. 3). Diese Klimaanlagen erhalten ihr Kaltwasser zur Klimatisierung aus einer auf Schiffen neuartigen Absorptionsanlage, die in einem der folgenden Vorträge vorgestellt wird.

Weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Klimatisierung für Frachtschiffe sind der Einsatz von Einrohranlagen, die Energierückgewinnung durch rotierende Wärmetauscher, die Wirkungsgradverbesserung der eingesetzten Axiallüfter mit Leistungen über 2 kW und »Fan Coils« zur Klimatisierung des Maschinenkontrollraums (MKR) sowie der Werkstatt (Abb. 4). Bei den Kaltwassersätzen wird die Kombination aus einer mechanischen Verdichter- und einer Absorptionsanlage angeboten. Bei Leistungen über 2 kW (z. B. Anwendung in der schiffsseitigen Wohnraumklimatisierung) liegt der Wirkungsgrad von energetisch optimierten Axialventilatoren über 85 %, bei deutlich größeren Leistungen der vorwiegend für die Maschinenraum- und Laderaumbelüftung eingesetzten Ventilatoren werden Wirkungsgrade bis zu 92 % erreicht.

Energieeinsparpotenzial bei Küchenlüftungsanlagen

Hohe Energiekosten entstehen insbesondere im Küchenbereich von Kreuzfahrtschiffen. Am Beispiel der Kreuzfahrtreederei Carnival Corporation wird deutlich, wie groß die Einsarpotenziale sind. Die 93 Schiffe der Reederei haben 2009 Brennstoff für 1,16 Mrd. $ gebunkert. Fabric Deldreve (Halton Klimatechnik) nahm eine Aufteilung der Kosten vor und ermittelte die erstaunliche Summe von rund 100 Mio. $ Brennstoffkosten für die Lüftung und Klimatisierung im Küchenbereich (Abb. 5). Anschließend stellte er die Entwicklung einer energiesparenden Technologie (Capture Jet) vor, die in den Dunstabzugshauben integriert wird. Mit Infrarotsensoren und Thermoelementen werden die notwendigen Daten ermittelt, um den Luftvolumenstrom durch Drehzahlsteuerung der Lüfter anzupassen (Abb. 6). Die Messung der Druckdifferenz ermöglicht Aussagen über den Verschmutzungszustand der Filter.

Anschließend erläuterte Deldreve die Funktion der übergeordneten Automation mit der Bezeichnung Marvel [4] zur Küchenbe- und entlüftung. Ein Produkt, das gemeinsam mit der Firma Current Energy für Küchen von Hotels entwickelt wurde und sich auch für Kreuzfahrtschiffe eignet.

Erste Betriebserfahrungen mit einer LiBr-Absorptionskälteanlage

Yves Wild (Dr.-Ing. Yves Wild Ingenieurbüro) erläuterte das Prinzp und die Vorteile von LiBr-Absorptionsanlagen zur Klimatisierung [5], die bei vorhandener Abwärme den Treibstoffverbrauch und die CO2-Emissionen reduzieren (Abb. 7). Die weltweit erste Absorptionsanlage auf einem Schiff befindet sich, wie auch in [6] berichtet, auf dem von der Lindenau-Werft gebauten Rotorschiff »E-Ship 1« von Enercon (Abb. 8). Zwei weitere dieser Anlagen zur Erzeugung von Kaltwasser für die Klimaanlage wurden auf den zwei Windenergieanlagen-Errichterschiffen von RWE Innogy (Projekt »Seabreeze« [3]) eingebaut. Diese Spezialschiffe mit einer Länge von über 100 m, einer Breite von 40 m, ausfahrbaren Stahlbeinen und einem Kran mit 1.000 t Hebekraft sind für die Errichtung von Offshore-Windkraftanlagen optimiert und gehören zu den leistungsfähigsten ihrer Klasse. Das erste Schiff, die »Friedrich Ernestine«, ist vor England in Betrieb, das zweite wurde bei Redaktionsschluss in Bremerhaven erwartet und soll hier getauft werden.

Die Absorptionsanlagen wurden von der EAW Energieanlagenbau Westenfeld GmbH unter Beratung von Wild gebaut und in Betrieb genommen. Die Anlagen haben eine Kälteleistung von 140 kW und benötigen pro kW Kälteleistung etwa 1,35 kW Wärmeleistung in Form von Dampf oder Warmwasser (Abb. 9). Sie sind mit einer mechanischen Kälteanlage parallel geschaltet, um den Revier- und Hafenbetrieb abzudecken, wenn wenig oder keine Abwärme zur Verfügung steht.

Im Vortrag wurde deutlich, dass derartige Anlagen nur dann wirklich effizient genutzt werden können, wenn sie systemtechnisch optimal in die gesamte Maschinenanlage integriert werden. Daher wurde anhand von Kennlinien dargestellt, wie sich Abweichungen von der Heizwasser- bzw. Kühlwassertemperatur auf die Kälteleistung auswirken.

LiBr-Absorptionsanlage für die Abwärmenutzung

Da die Lüftung und Klimatisierung auf Passagierschiffen nach der Hauptmaschine den höchsten Energiebedarf hat, wird diese Technologie zukünftig eine wachsende Bedeutung erfahren. Dipl.-Ing. Gerhard Untied, Meyer Werft, und Dr. J. Scharfe, Inhaber von Inven, ein Ingenieurbüro, das im April 2008 aus der 1995 gegründeten Entropie GmbH hervorgegangen ist [7], stellten eine 1,3-MW-LiBr Absorptionsanlage vor. Schwerpunkte des Büros sind die Konzeption und der Bau von Absorptionskälteanlagen, Absorptionswärmepumpen und Wärmetransformatoren aus den Bereichen Industriekälte und Energierückgewinnung. Aufbauend auf dem vorhergehenden Vortrag ging Scharfe auf Konstruktion und Daten dieser auf Schiffen neuartigen Anlage ein, die zurzeit auf dem Aida-Neubau »Aida Mar« der Meyer Werft installiert wird. Im März 2012 wird dieser Neubau das Baudock verlassen.

Es sind die typischen Anforderungen des Schiffbaus, wenig Platz, niedrige Deckshöhen und kompakte Modulbauart, die hohe Ansprüche an die Konstrukteure von Inven stellen. Die als Kaltwassersatz fungierende Absorptionsanlage ist für den Nennpunkt auf 1.300 kW Kälteleistung bei 26 °C Kühlwassertemperatur ausgelegt und wurde in die vorhandenen Systeme integriert (Abb. 10). Die Nennwärmeleistung von 2.000 kW wird in Form von Warmwasser aus dem Kühlwassersystem mit 88 °C Eintrittstemperatur bereitgestellt und wird mit 78 °C austreten. Zur Kühlung wird aufgrund der Edelstahlausführung die direkte Seewasserkühlung angewendet. Bei höheren Kühlwassertemperaturen (max. 32–35 °C) sinkt die Kälteleistung entsprechend.

Die Anlage mit der Leistungszahl (COP, Coefficient of Performance) von 0,75 besteht materialseitig aus Chrom-Edelstahl mit sehr wenig Nickelanteilen (Abb. 11). Die Rohre wurden auf einer Laseranlage geschweißt, da die Dichtigkeit eine hohe Priorität genießt. Da Korrosion und Lochfraß die seewasserführenden Bauteile der Anlage gefährden, ist eine Kugelreinigungsanlage vorgesehen; außerdem wird bei Stillstand der Anlage ein Seewasserumlauf durchgeführt.

Reduzierung des Kältebedarfs durch wärmereflektierende Farben

Wärmereflektierende Farben (ZIRC) bei Kühlschiffen, Kühlcontainern und Aufbauten von Schiffen sorgten auch schon in der Vergangenheit für ein strahlendes Weiß und geringere Kälteleistung. Siegfried Kaltwasser und Valreio Mantegazza, Daikin Europe Hamburg Marine Office, beschrieben die konsequente Weiterentwicklung mit Farben auf Fluorpolymer-Basis. Sie enthält Pigmente mit hohem Reflexionsgrad für die Infrarotstrahlen und wird in drei Schichten aufgetragen. Diese Beschichtung bewirkt, dass sich die Außenhautflächen deutlich weniger aufheizen (Abb. 12) und auch die Innentemperaturen niedriger bleiben.

Das Prinzip und die Ergebnisse dieser Beschichtung mit ZIRC wurden anhand mehrerer Grafiken verdeutlicht (Abb. 13). Als entscheidend für den erfolgreichen Einsatz in der Schifffahrt wurden die weiteren Eigenschaften wie Beständigkeit gegen Chemikalien, Korrosion, Seeluft und Wellenschlag angeführt [8]. In Japan wurden diese Farben inzwischen bei 14 Schiffen angewendet, dabei ergaben sich auf der Sonnenseite Temperaturdifferenzen im dahinterliegenden Raum bis 5 K (Abb. 14). Inzwischen wurden auch erste Versuche mit Kühlcontainern begonnen. 2009 erhielt Dai­kin für dieses Produkt den Lloyd’s List Global Award, rund 20 dieser Auszeichnungen werden jährlich von Lloyd’s List vergeben.

Einsatz von magnetgelagerten ölfreien Kompressoren

Johnson Controls Systems Marine, die in der Vergangenheit die Kältetechnikfirmen Sabroe, York, ABB und Stal übernommen hat, liefert Klima-, Kälte- und Proviantkühlanlagen für alle Typen von Schiffen. Helmut Rau berichtete über die Nachrüstung von magnetgelagerten ölfreien Turboverdichtern für die Kaltwassererzeugung auf den in den 80er Jahren in Dienst gestellten Fregatten F122 (Abb. 15). Damit verbunden waren eine Erhöhung der zulässigen Kühlwassertemperatur von 30 °C auf 32 °C, eine Steigerung der Nennkälteleistung von 465 kW auf 530 kW und eine Umstellung der Kältemittel von R 11 auf das umweltfreundlichere R 134a (Abb. 16). Die kompakte Bauweise der Kaltwassersätze mit verringertem Gewicht, minimierter Geräuschentwicklung und schwingungsarmem Betrieb der magnetgelagerten Verdichter ist für Marineschiffe und Yachten von großer Bedeutung. Durch die magnetische Lagerung kann auf die Ölschmierung verzichtet werden. Dadurch ergeben sich höhere mechanische Wirkungsgrade, bessere Wärmeübergänge und höhere Leistungszahlen (COP). Der durch Frequenzumformer in der Drehzahl verstellbare E-Motor vermeidet störende Stromspitzen beim Anlauf und ermöglicht eine energetisch vorteilhafte Leistungsregelung.

Energieeffiziente Automation auf Schiffen

Moderne integrierte Automationssysteme sind aus vielen dezentralen Modulen aufgebaut, wodurch eine fehlertolerante Gesamtanlage mit mehreren autarken Anlagen entsteht. Die früher üblichen wandgroßen Flussdiagramme der Maschinenkontrollräume wurden von Bildschirmen abgelöst (Abb. 17). Aufgrund der gestiegenen Speicherkapazitäten von heutigen Automa­tionsanlagen werden wichtige Daten in kurzen Zeitabständen abgespeichert, wodurch das Bordpersonal weit in die Vergangenheit blicken kann.

Heino Salge und Stefan Demelt von Siemens gaben als Beispiel einen Überblick zum gesamten Energieverbrauch einer einwöchigen Reise eines modernen Kreuzfahrtschiffes (Abb. 18). Daraus wurde unter anderem sichtbar, dass die nur in der Nacht laufende Propulsionssanlage in diesem Zeitraum etwa 55 % der Gesamtenergie benötigt. Sehr interessant waren die Ausführungen zu den Möglichkeiten der zukünftigen energetischen Optimierung auf Kreuzfahrtschiffen insgesamt und besonders bei der Steuerung der Systeme zur Lüftung und Klimatisierung. Mit dem Automationskonzept EcoMain [9], eine Art Expertensystem, erfolgt mit Hilfe der dokumentierten Betriebsdaten eine Verdichtung, Auswertung und Darstellung auf einer gemeinsamen Datenplattform. Die Schiffsleitung und die Reedereiinspektion erhalten damit wichtige und aussagekräftige technische und organisatorische Informationen, die zur nachhaltigen Optimierung des Schiffsbetriebes, aber besonders zum Flottenmanagement benötigt werden.

Rotationswärmetauscher – höchste Form der Energierückgewinnung

Nach einem Überblick der Luft-Luft-Energierückgewinnung nach DIN EN 308 erläuterte Wilfried Stolle, Klingenburg GmbH, die Unterschiede der Systeme (Abb. 19) und ging ausführlich auf die Funktionsweise der rotierenden Wärmetauscher ein. Nicht hygroskopische Rotoren übertragen Energie, jedoch keine Feuchte. Es sei denn, es findet eine Taupunktunterschreitung und damit eine Kondensation statt. Im Gegensatz dazu werden hygroskopische Rotoren mit spezieller Beschichtung verbaut, wenn neben Wärme bzw. Kälte auch Feuchte übertragen werden soll. Bei der typischen Anwendung dreht sich der Rotor zwischen dem warmen Abluft- und dem kalten Außenluftstrom (Abb. 20). Die wabenartig aufgebaute Rotormasse wird von der Abluft erwärmt, sie überträgt bis zu 80 % der in der Abluft enthaltenen Wärme und Feuchtigkeit auf die kalte Zuluft.

Sorptionsrotoren, die auch als Rotationsentfeuchter bezeichnet werden, finden besonders in den Tropen und in vielen Spezialfällen zur Trocknung Anwendung [10]. Dabei spielt die richtige Auswahl der hygroskopischen Beschichtung der Räder aufgrund der unterschiedlichen Hygieneanforderungen eine wichtige Rolle.

Mehrfachfunktionale Hochleistungs-WRG-Systeme

Kreislaufverbund-Systeme (KV-Systeme) sind für die Wärmerückgewinnung (WRG) in Klimasystemen auf Schiffen dann interessant, wenn die Wärme tauschenden Luftströme örtlich getrennt sind [11]. KV-Systeme sind unter den WRG-Systemen ein Sonderfall, da sie nicht aus einem Wärmeüberträger, sondern aus zwei durch einen Umlaufstrom gekoppelten Wärmeüberträgern bestehen. Anhand eines Beispiels verdeutlichte Dr.-Ing. Christoph Kaup, geschäftsführender Gesellschafter der Howatherm Klimatechnik, dass neben der Energierückgewinnung auch zusätzliche und sekundäre Funktionen wie Nacherwärmung und Kühlung sich vorteilhaft in den Systemen integrieren lassen.

Für Hochleistungssysteme der WRG-Anwendung sind hohe Systemübertragungsgrade (Gesamtübertragungsgrade) von etwa 80 % erforderlich. Hierfür errechnen sich Wärmeübertragungsgrade pro Wärmetauscher (Zu- und Abluft) von 90 %. Dies bedeutet, dass pro Wärmetauscher 90 % der eingespeisten Wärme auch tatsächlich an die Luft abgegeben werden. Abschließend sprach Kaup die Nutzung der Wärmetauscher als Befeuchtungskörper (Hybridsystem) an. Damit können die Kälteleistungen erhöht und gleichzeitig die Druckverluste verringert werden.