Elektrische Anlagen auf Fähr- und Kreuzfahrtschiffen

Der Strom kam vor rund 130 Jahren mit der Beleuchtung an Bord von Spezial- und Passagierschiffen, danach wurden die Hilfsmaschinen und auch die Schiffe selbst elektrisch angetrieben. Über die Entwicklung und den heutigen Stand

Einführung, Rückblick

Der Kabelleger »Faraday« erhielt 1877 von Siemens Brothers (eine englische Siemens-Tochter) als erstes Schiff eine[ds_preview] Generator-Anlage zum Betrieb von Bogenlampen [1]. 1880 wurde die »Columbia« mit einer aus 144 Glühbirnen bestehenden elektrischen Beleuchtung ausgestattet, der Strom wurde mit Dampfmaschinen (Borsig) und Gleichstrom-Dynamos (Siemens) erzeugt [1]. Etwa 25 Jahre später löste der Strom auch den Dampf zum Antrieb der meisten Hilfsmaschinen ab. Mit der Funktelegrafie wurde die Kommunikation auf See über große Entfernungen möglich. Sie entwickelte sich zum dritten wichtigen Feld der Elektrotechnik auf Schiffen. Der bisher eingesetzte Gleichstrom wurde auf Neubauschiffen ab 1950 vom Drehstrom ersetzt [2].

1.1 Erste elektrische Antriebe

Werner von Siemens ließ 1886 in Harburg das Boot »Elektra« bauen, das, wie der Name schon erahnen lässt, einen elektrischen Antrieb besaß. Die Energieversorgung erfolgte durch umschaltbare Akkumulatoren mit 160, 80 und 40 Volt, die den Gleichstrom­motor speisten. Die Akkumulatoren wurden an Land anschließend wieder aufgeladen. Wenn diese Technologien der Pionierzeit wie auch die Oberleitung für Schlepper (Abb. 1) vor über 125 Jahren zunächst einmal primitiv erscheinen, ist festzustellen, dass sie heute wieder aktuell werden. Die Automobil­industrie hat begonnen, E-Autos mit Akkumulatoren zu bauen, die an Stationen oder zu Hause aufgeladen werden. Rückblickend ist festzustellen, dass es im Handelsschiffbau vier zeitlich unscharf abgegrenzte Phasen gab, in denen die Vorteile des elektrischen Antriebes höher bewertet wurden als seine Nachteile [3].

1.2 Von der »Vandal« zur »Oasis of the Seas« (1903–2009)

Damit Schiffe mit Festpropeller vorwärts und rückwärts fahren konnten, musste der Dieselmotor umgesteuert werden. In der ersten Phase bis 1910 übernahmen elektrische Antriebe die Aufgabe der Rückwärtsfahrt, denn die Rückwärtsfahrt der Schiffe mit dem Dieselmotor war in der Pionierphase technisch noch nicht gelöst. Erste einfache dieselelektrische Anlagen wurden ab 1903 in Russland von den Gebrüdern Nobel in den russischen Binnentankern »Vandal« und »Sarmat« eingesetzt (Abb. 2).

Dampfturbinen erfordern zur Erzielung guter Wirkungsgrade hohe Drehzahlen, Propeller dagegen große Durchmesser und niedrige Drehzahlen. Diesen Widerspruch nannte man das »Turbinenproblem«, denn bordtaugliche Getriebe gab es noch nicht. In der zweiten Phase von 1920–1940 übernahmen daher der E-Generator und der E-Motor, aber auch der von Hermann Föttinger 1909 vorgestellte hydrodynamische Föttinger-Transformator die Aufgabe des Getriebes, bis leistungsfähige und langlebige Zahnradgetriebe gebaut werden konnten. In diesem Zeitraum wurden z. B. auf der auch als »Elektroschiff« bezeichneten »Potsdam« erste Erfahrungen mit der Drehstromtechnik bei 6.000 Volt gesammelt. Die zwei Dampfturbogeneratoren hatten eine Nennleistung von je 13.000 PS und die Frequenz von 50 Hz. Die Propellermotoren waren Synchron­motoren mit asynchronem Anlauf, der Wirkungsgrad wurde von den Siemens-Schuckert Werken mit 98 % angegeben [4]. Mit der Drehstromtechnologie wurde der Wartungsaufwand verringert und mit der hohen Spannung wurden die Kurzschlüsse beherrschbar. Das restliche Bordnetz hatte eine Gleichspannung von 230 Volt und wurde von vier Turbogeneratoren à 600 kW und zwei Dieselgeneratoren mit je 420 kW versorgt.

Die dritte Phase (1950–1970) ist gekennzeichnet von schnellen Passagierschiffen mit riesigen Antriebsleistungen aus Turbinen und Motoren, die ihre Kraft über Zahnradgetriebe oder elektrisch auf die Propeller übertrugen (wie etwa »Queen Elizabeth II« mit einer E-Leistung von 95.000 kW). Allmählich wurden diese Fahrgastschiffe als Reiseverkehrsmittel von den Flugzeugen verdrängt [2, 3].

In der vierten Phase befinden wir uns derzeit. Große elektrische Außenbordmotoren, die in drehbaren Gondeln, sogenannten ­»Pods«, außerhalb des Schiffes angebracht sind, ermöglichen den Kreuzfahrtschiffen in der Hochseeschifffahrt eine extrem gute Manövrierfähigkeit. Sie befinden sich im Seewasser, werden von diesem gekühlt und sparen im Schiff Platz. Sie erfordern zur Speisung mit Strom Generatoren, die von Dieselmotoren oder seltener von Gasturbinen angetrieben werden [2, 3]. Seit rund zehn Jahren werden in der Binnenschifffahrt Kreuzfahrtschiffe eingesetzt, die mit innovativen permanent erregten E-Maschinen arbeiten, deren Läufer mit speziellen Magneten bestückt sind. Sie benötigen weniger Raum, sind leichter und arbeiten mit geringeren Verlusten [5, 6, 7].

2. Strombedarf

Beim Neubau des Schiffes stehen seitens des Reeders oft nur Grobdaten fest, wie z. B. Zahl der Passagiere, Ausstattung (Standard-, gehobene- oder Luxus-Ausstattung), Tiefgang, Art des Antriebs (Dieselmotoren direkt, dieselelektrisch mit Welle-Propeller oder dieselelektrisch-Pod, gasturboelektrisch-Pod). Alle diese und weitere Parameter habe auch einen Einfluss auf den Strombedarf (Abb. 3), der in die E-Bilanz einfließt.

2.1 Energiebilanz

Der voraussichtliche Bedarf an elektrischer Energie (E-Bedarf) einer neuen Kreuzfahrtschiffserie wird mit einer groben ersten ­Energiebilanz von der Werft für verschiedene Betriebszustände wie See-, Revier-, Hafenbetrieb, Sommer- und Winterbetrieb abgeschätzt [4]. Mit dieser Grundlage werden die Antriebsaggregate, die heute in der Regel aus Dieselgeneratoren bestehen, bezüglich der Leistung, Größe und Anzahl ausgewählt. Da in den letzten Jahren gerade die großen Kreuzfahrtschiffe mit dieselelektrischen Antriebsanlagen abgeliefert wurden, ergaben sich im Bordnetz sehr hohe E-Leistungen. Daher wurde die Mittelspannung mit 6,6 oder 11 kV eingesetzt [4, 5], als Nennfrequenz wird 60 Hz gewählt. In diesem Schritt der Entwurfsspirale fällt auch die Entscheidung für die Wahl der Struktur des Bordnetzes [5, 7].

Bei dieselelektrisch angetriebenen Schiffen sind die größten ­E-Verbraucher natürlich die Fahrmotoren. Es folgt die Klima­anlage, wenn die Kälteverdichter, die Kaltwasserumwälzpumpen und alle der Klimatisierung zugeordneten Zu- und Ablüfter betrachtet werden. Der Energieverbrauch dieser Anlagen ist abhängig von den Umgebungsbedingungen [8, 9, 10, 11]. Die Bug- und die Heckstrahlruder (letztere werden nur bei Schiffen ohne Pod installiert) sind große E-Verbraucher, sie sind jedoch nur im Revierbetrieb zu berücksichtigen.

2.2 Elektrische Fahrmotoren und Pod-Antrieb

Bezüglich der Elektrotechnik ist es ohne Bedeutung, wo der Elektromotor für den Propellerantrieb untergebracht ist. Bei sehr vielen gebauten Anlagen treibt der Motor einen üblichen Propeller über eine im Stevenrohr gelagerte Welle an (Abb. 4). Seit 1995 werden auch für Propellerleistungen bis 20 MW Pod-Antriebe eingesetzt, also Antriebe, bei denen der Propeller zusammen mit dem Elektromotor in einer meist drehbaren Gondel unter dem Schiff angebracht ist (Abb. 5, Tab. 1). Über die Vor- und Nachteile dieses Systems gibt es unterschiedliche Meinungen [12]. Unumstritten kann mit drehbaren Pods ein ausgezeichnetes Manövrierverhalten besonders in engem Fahrwasser erreicht werden.

Bei Leistungen oberhalb einiger MW werden typisch Synchronmaschinen mit Schleifringen als Motoren eingesetzt. Eine Besonderheit sind permanent erregte Synchronmaschinen (Abb. 4, 5). Bei diesen gibt es keine Verluste in einer Erregerwicklung. Dieser Gewinn kann für eine höhere Ausnutzung des Materials und einen besseren Wirkungsgrad der Maschine genutzt werden. Für einen Pod-Antrieb mit dieser Maschinenart bedeutet die schlankere Bauform wegen der günstigeren hydrodynamischen Verhältnisse einen Wirkungsgradgewinn.

Wegen der geringeren Komplexität ist zwar die Zuverlässigkeit von permanent erregten Maschinen größer als von Maschinen mit Erreger. Dem steht aber gegenüber, dass die Fehlerbeherrschung als schwieriger gilt, weil bei drehender Maschine immer Spannung induziert wird. Bei Maschinen mit Erreger kann bei Störungen der Erregerstrom abgeschaltet und so die Ausweitung eines Schadens z. B. bei einem Kurzschluss erheblich vermindert werden.

Die aktuell verfügbare Leistungselektronik ermöglicht auch den Einsatz von Asynchronmaschinen, die im Vergleich zu Synchronmaschinen einfacher aufgebaut sind. Sie sind somit auch zuverlässiger und haben einen mindestens gleichen Wirkungsgrad. Einzelne Anlagen mit Leistungen bis 10 MW wurden gebaut.

Für die Versorgung der Fahrmotoren mit einer der gewünschten Drehzahl entsprechenden Frequenz wurden in der Vergangenheit verschiedene Arten von Frequenzumrichtern eingesetzt. Die Technik war bestimmt durch die Entwicklung der Leistungshalbleiter. Die auf Thyristoren beruhenden Gleichstromzwischenkreis-­Umrichter (Synchro-Converter) und Direktumrichter (Cyclo-Converter) wurden in den letzten Jahren durch pulsweiten-modulierte Umrichter (PWM) abgelöst. In diesen Umrichtern steuern spezielle Transistoren (Insulated-Gate Bipolar Transistor, kurz IGBT) den Strom zu den Fahrmotoren. Nur diese Umrichter sind in der Lage, auch Asynchronmotoren zu versorgen. Im Vergleich von Umrichtern mit Thyristoren sind auch die störenden Rückwirkungen der IGBTs auf das Bordnetz geringer.

2.3 Beleuchtung

Bei der Reduzierung des Strombedarfs wurden in den vergangenen fünf Jahren mit Energiesparleuchten und besonders mit der LED (light-emitting diode) große Fortschritte erzielt [9, 13]. Da LED-Leuchten (Abb. 6) etwa 80–90 % weniger Wärme abstrahlen als Glühlampen, ist in den klimatisierten Bereichen auch weniger Wärme abzuführen. Dadurch wird bei der Kälterzeugung für die Klima­anlage der Strombedarf reduziert. Neben der Energieersparnis ist durch geschickte Auswahl der Leuchten eine erhebliche Vereinfachung bei der Bevorratung von Ersatzleuchtmitteln erreichbar [13]. Zudem reduziert die deutlich längere Haltbarkeit den Arbeitsaufwand beim Austausch der Leuchten. So wurden auf der von der Meyer Werft abgelieferten »Solstice«-Klasse (ab 2008) durch Einsatz von LED-Beleuchtung rund 30 % an Strom im Beleuchtungssystem gespart. Auf der ­»Aida Blu« sind beispielsweise 36.250 Beleuchtungskörper und 186.500 LEDs installiert worden.

3. Antriebsaggregate zur Stromerzeugung

Zur Stromerzeugung gibt es verschiedenen Möglichkeiten. Bewährt haben sich auf Passagierschiffen in der Vergangenheit dabei Dampfturbogeneratoren, Dieselgeneratoren und Gasturbogeneratoren. In der Regel werden heute vier bis acht Diesel­generator-Aggregate (Viertaktmotoren) geplant, Gasturbogeneratoren wurden selten gewählt. Sie fanden vor allem dann Verwendung, wenn das Schiff sowohl als Kreuzfahrtschiff als auch als Passagierlinienschiff Einsatz finden sollte und dafür zwei unterschiedliche Geschwindigkeitsbereiche eingeplant worden sind.

Als die Treibstoffpreise um das Jahr 2000 sehr niedrig waren, wurden die Serien der insgesamt acht »Millenium«-Kreuzfahrtschiffe für die Reedereien Celebrity Cruises und Royal Caribbean International mit Gasturbogeneratoren ausgestattet (Tab. 1). Von der Meyer Werft wurden mit diesem Antriebskonzept vier Kreuzfahrtschiffe abgeliefert. Zwei Gasturbogeneratoren speisen das Bordnetz. Außerdem werden die Abgase der zwei Gasturbinen in einem Abgaskessel zur Dampferzeugung genutzt. Der Dampf dient neben dem Antrieb eines Dampfturbogenerators auch für Heizzwecke. Diese auch als GuD bezeichnete Kombination der Gas- und Dampfturbinenanlage ermöglicht eine den Dieselmotoren vergleichbar gute Brennstoffausnutzung von etwa 50 % für den Schiffsantrieb und weiteren 10–20 % für die Klimatisierung, Trinkwassererzeugung und Warmwasserversorgung. Das GuD-Prinzip wurde als Schiffsantrieb immer wieder vorgeschlagen, projektiert und diskutiert, fand in der zivilen Schifffahrt bisher jedoch wenig Anwendungen. Den Vorteilen der geringeren Geräusche, Vibrationen und günstigeren Emissionswerten stehen die Nachteile erhöhter Brennstoffkosten gegenüber, denn die Gasturbinen vertragen nur das teurere Dieselöl. Bisher kommen im Gegensatz zu Containerschiffen vom Abgas oder Abgaskessel gespeiste Gas- oder Dampfturbogeneratoren nicht zum Einsatz. Ausnahmen waren die »Millenium«-Kreuzfahrtschiffe; hier wurden den Gasturbinen ein Abgaskessel und ein Dampfturbogenerator nachgeschaltet.

4. Energieverteilung

Bei den Kreuzfahrtschiffen mit elektrischer Fahranlage, die in den vergangenen 20 Jahren gebaut wurden, speisen alle Generatoren in eine gemeinsame Sammelschiene ein. Die Systemspannung beträgt meistens 6,6 kV oder 11 kV.

4.1 Bordnetz

Diese Sammelschiene versorgt sowohl das Bordnetz als auch die elektrischen Propellerantriebe. Die Sammelschiene ist immer durch einen Leistungsschalter etwa in der Mitte getrennt (Abb. 7, 8, 9), so dass auch nach einem Kurzschluss an der Sammelschiene der nicht betroffene Teil in kurzer Zeit wieder mit Spannung versorgt werden kann und der Schiffsantrieb zum Erhalt der Manövrierfähigkeit des Schiffes wieder einsatzbereit ist.

An die Sammelschiene sind Transformatoren angeschlossen, die in üblicher Weise die allgemeinen Verbraucher an Bord and dabei insbesondere auch den Passagier­bereich mit Niederspannung versorgen. Vorteilhaft ist es dabei, die Transformatoren in den einzelnen Brandabschnitten des Schiffes zu installieren. Für die langen Wege zwischen der Hauptschalttafel wird dann Mittelspannung eingesetzt, was geringere Kupferquerschnitte für die Kabel bedeutet als bei Niederspannung. Vielfach wurden die Transformatoren aus einer logischen Ringleitung beginnend an der Sammelschiene, dann von Transformator zu Transformator weiter und zurück zur Sammelschiene versorgt. Zwischen den Transformatoren sind Schalter installiert, damit wird der Ring an einer Stelle immer geöffnet. Ebenso wie bei einem direkten Anschluss an die Sammelschiene sind nach einem Kurzschluss an einem Transformator oder in einem Kabelabschnitt alle anderen Transformatoren weiterhin versorgt, weil die Schalter es ermöglichen, selektiv nur den vom Fehler betroffenen Bereich abzutrennen. Demgegenüber erfordert eine Verteilung mit Niederspannung von zwei zentralen Transformatoren aus wesentlich längere und dickere Kabel, die zudem auch feuergeschützt verlegt werden müssen.

Die Drehzahlen der elektrischen Antriebsmotoren für die Propeller (Festpropeller) müssen veränderlich sein, deshalb werden die Motoren immer über Frequenzumrichter von der Sammelschiene versorgt.

4.2 Redundanz

Durch die Aufteilung auf verschiedene Einheiten kann bei mäßigen Mehrinvestitionen eine Redundanz erreicht werden. Im einfachsten Fall (Abb. 8a) ist alleine schon durch die den zwei Propellern zugeordneten Antriebseinheiten sichergestellt, dass das Schiff bei einem beliebigen Ausfall in den Frequenzumrichtern oder Fahrmotoren mit 50 % Leistung fahren kann. Vielfach gebaut werden Fahranlagen mit Motoren, die zwei elektrisch getrennte, Wicklungen enthalten. (Abb. 8b–d). Somit sind bei den in Abb. 8 dargestellten Alternativen b) und c) bei Ausfall eines Umrichters noch 75 % der Nennleistung verfügbar – bei erträglich ungleichmäßiger Verteilung der Leistung auf die beiden Propeller. Es ist allerdings ein Trugschluss, dass bei dieser Variante auch eine Redundanz bezüglich Fehlern in der Wicklung gegeben ist. Bei einem Kurzschluss innerhalb einer Wicklung könnte möglicherweise auch die andere Wicklung in Mitleidenschaft gezogen werden. Auf jeden Fall würde aber das Polrad die fehlerhafte Wicklung mit Leistung versorgen und so an der Fehlerstelle zu einer Ausweitung des Schadens führen. Um auch bei Fehlern an der Sammelschiene noch einen symmetrischen Betrieb der beiden Propeller zu ermöglichen, werden die Antriebe über Kreuz (Abb. 8c) an die trennbare Sammelschiene angeschlossen. Die so einfach aussehende Kreuzverbindung ist mit einem erheblichen Aufwand an Mittelspannungskabeln und Steuerungstechnik verbunden. Es wurden einzelne Schiffe mit mehr als zwei Pod-Antrieben gebaut, die Redundanz ist dabei evident.

5. Zukünftige Entwicklungen bei Kreuzfahrtschiffen

Die innovativen permanent erregten Maschinen zum Schiffsantrieb, aber auch für Bugstrahlruder (Abb. 10, 11) wurden unter 2.2 kurz angesprochen. Weitere technische Entwicklungen bzw. Weiterentwicklungen sind vor dem Hintergrund des Komforts (Lärm, Schwingungen) und besonders der steigenden Brennstoffpreise zu erwarten. Auch das ist der Grund für intensive Untersuchungen zum Einsatz von Brennstoffzellen, der Photovoltaik und Absorptionsklimaanlagen.

5.1 Brennstoffzellen

Bis auf die Brennstoffzelle (Abb. 12) wurden Passagierschiffe mit allen denkbaren Antriebsmaschinen ausgestattet. Bei den Kreuzfahrtschiffen ist zukünftig nun auch der Einsatz von Brennstoffzellen geplant. Diese werden in der Schifffahrt bereits erfolgreich eingesetzt – allerdings nicht in der Handelsschifffahrt, sondern von der Marine, die in der Vergangenheit häufig die Rolle des Pioniers und des Schrittmachers spielte. So fahren die neuen U-Boote (Klasse 212) der deutschen Marine im Unterwasserbetrieb mit Brennstoffzellen. Vielleicht zeichnet sich die Wasserstofftechnologie als einer der Auswege ab, mit dem die Menschheit den Weg der fossilen Brennstoffe verlassen kann, wenn diese erschöpft sind oder das CO2-Problem nicht gelöst wird.

5.2 Photovoltaik

Auf der »Solstice«-Klasse wurde eine Photovoltaik-Anlage mit einer Nennleis­tung von 10 kW für die Beleuchtung der Crew-Unterkünfte installiert [14]. Das bedeutet einen weiteren Schritt in eine nachhaltige Stromerzeugung auf Kreuzfahrtschiffen. Einen interessanten Test unternimmt derzeit das auch als Solarschiff bezeichnete Versuchsboot »Turanor Planetsolar« (Abb. 13) mit einer Länge von 31 m, einer Breite von 15 m und einer Verdrängung von 95 t. Die Decks- und ausfahrbaren Flächen sind mit einer Gesamtkollektorfläche von 535 m2 ausgestattet. Die Solarpanele bestehen aus 825 Solarmodulen mit 38.000 Photovoltaik­zellen. Die Gesamtleistung der Photovoltaik­anlage beträgt 93,5 kW; sie speist das Bordnetz und den Antrieb der zwei Propeller. Letztere werden von vier elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotoren mit insgesamt 240 kW angetrieben. Damit kann eine Geschwindigkeit von maximal 14 kn erreicht werden. Das Solarschiff befand sich zur Zeit der Manuskripterstellung auf einer Weltumrundung und hatte bereits mehr als 25.000 sm zurückgelegt.

5.3 Absorptionsklimaanlagen

Diese »uralte« Technik – die ersten erfolgreichen Kühlschiffe waren vor über 100 Jahren mit Absorptionskälteanlagen ausgestattet – kommt nun zurück auf die Schiffe. Die mit einem Gemisch aus Lithiumbromid und Wasser arbeitenden Kälteanlagen erzeugen das Kaltwasser für die Klimatisierungsanlagen. Sie sind größer und schwerer als elektrisch angetriebene Turboverdichter. Da sie die Abwärme der Dieselmotoren nutzen, sparen sie Strom und damit Primär­energie. Bei Kreuzfahrtschiffen ist dies besonders lohnend, weil die Klimatisierung den zweithöchsten Stromverbrauch hat. So wird die »Aida Mar« mit einer Prototypanlage ausgestattet, die für eine Kälteleistung von rund 1.300 kW ausgelegt wurde [16].

6. Zusammenfassung

Der Rückblick zeigt, dass der Strom vor rund 130 Jahren mit der Beleuchtung auf die Überseeschiffe kam und seither eine ständig steigende Bedeutung erhielt. Heute werden die Kreuzfahrtschiffe und viele Fährschiffe dieselelekrisch angetrieben. Werden als Pod bezeichnete elektrische Fahrmotoren eingesetzt, übernehmen sie neben dem Antrieb auch die Funktion des Ruders. Grundlage zur Auslegung und Wahl des Bordnetzes, der Aggregate zur Stromerzeugung und des Schiffsantriebes ist die Energiebilanz mit allen E-Verbrauchern. Aufgrund der hohen E-Leistungen wird die Mittelspannung zur Stromerzeugung und Stromverteilung an die leistungsstarken ­Energieverbraucher gewählt. Über Transformatoren werden die anderen E-Verbraucher versorgt. Die Redundanz bei der Strom­erzeugung und -verteilung ist sehr wichtig, und moderne Netze werden als Ringnetz ausgeführt. Man darf vor dem Hintergrund des steigenden Ölverbrauchs und der versiegenden Ölquellen auf die kommenden Entwicklungen gespannt sein. Welche Rolle werden die Brennstoffzellen und die Photovoltaik zukünftig auf den Kreuzfahrtschiffen übernehmen?

Prof. Dr. Günther Ackermann, Dr. Karl-Heinz Hochhaus