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Auf Schiffen wird mittlerweile eine Vielzahl an Maschinen, Apparaten und Systemen eingesetzt. Sie spielen für den Schiffsbetrieb und die Einhaltung unterschiedlichster Regularien eine große Rolle.
1. Einführung

Schiffe sind die größten von Menschen hergestellten beweglichen Bauwerke. Als solche sind sie mit einer aufwendigen[ds_preview] technischen Infrastruktur ausgestattet, um über Wochen autark zu funktionieren. Die Maschinenräume beinhalten neben den Antriebsmaschinen Generatoren zur Stromerzeugung, viele Hilfsmaschinen und umfangreiche Hilfssysteme, um den Ansprüchen des Schiffsbetriebes, der Ladung und den Bedürfnissen der Menschen gerecht zu werden[Wilde, C. (Hrsg.): Leidenschaft: Schiffbau, Geschichte und Zukunft im Modell; Koehler 2000, ISBN 3 7822 07912

]. Damit die Schiffe bei jedem Wetter zuverlässig ihren Dienst versehen können und für andere Schiffe, Landanlagen und die Umwelt keine Gefahr darstellen, sind die für den Betrieb wichtigen Einrichtungen, Systeme und Maschinen auf der Brücke (Abb. 1) und im Maschinenraum doppelt vorhanden. Diese als Redundanz bezeichneten Eigenschaften der Anlagen verhindern folgenschwere Ausfälle oder Notsituationen.

2. Schiffshilfssysteme

Zu den wichtigsten Schiffshilfssystemen zählen neben der E-Versorgung die Luft-, Brennstoff-, Schmieröl- und Kühlwasser- sowie Abgassysteme für die Haupt- und Hilfsdieselmotoren. Dem allgemeinen Schiffsbetrieb dienen die Navigationssysteme, die Rudermaschinen, das Feuerlösch-, Ballast- und Lenzsystem. Für die Menschen werden die Lüftungs- und Klimatisierungsanlagen, die Proviantkälteanlagen, die Trinkwassererzeugung und -versorgung, die Abwasseraufbereitung und Einrichtungen zur Müllentsorgung bzw. -verbrennung benötigt. Seit etwa 50 Jahren kommen neue Schiffshilfssysteme hinzu, deren Entwicklung vorwiegend umweltrechtlichen Ansprüchen geschuldet ist. Ende der 1960er Jahre wurden Abwasseranlagen (s. a. Abb. 2) vorgeschrieben, außerdem traten Vorschriften zur Müllentsorgung und für Entöler der Lenzsysteme in Kraft. Die Vorschriften zum Einbau und Betrieb von Ballastwasserbehandlungsanlagen wurden 2004 verabschiedet. Nach ihrer weltweiten Ratifizierung werden sie für alle Schiffe gültig. Die Schiffsrecycling-Konvention schreibt weltweit die Standards der umweltgerechten Entsorgung von Schiffen vor. Die für Häfen und Sondergebiete (SECAs) geltenden Regelungen für schwefelhaltige Abgase müssen in einigen Regionen bereits eingehalten werden. In Europa treten sie 2015 in Kraft und zeigen, dass die Schifffahrt auch in Umweltfragen vorankommt.

3. Elektrische Energieversorgung

Mit der E-Bilanz wird vor dem Bau eines neuen Schiffes sein Strombedarf für verschiedene Betriebszustände wie See-, Revier- und Hafenbetrieb abgeschätzt. Abhängig von dieser Bilanz werden die Spannung, die Struktur des Bordnetzes sowie die Generatoren zur Stromerzeugung nach Größe und Art ausgewählt [Kranert, K.: Verbundsystem zwischen Vortrieb, Antrieb und elektrischer Versorgung; Jahrbuch der STG 83 (1989)/

Droste, W.; Härer, H.: Wellengeneratoren; Handbuch der Werften, Band 20, 1990 Schiffahrtsverlag »Hansa«]. In der Regel werden drei bis vier Hilfsdiesel-Generatoraggregate geplant, häufig wird ein Wellengenerator und selten Abgas- und/oder Dampfturbogeneratoren eingesetzt. Als Spannung für das Bordnetz wird bei Nennleistungen über 6.000kW die Mittelspannung mit 6.600 oder 11.000 Volt (s. Abb. 3) gewählt, bei Leistungen darunter die Niederspannung mit 450 bzw. 690 Volt [Ackermann, G.; Hochhaus, K.-H.: Elektrische Anlagen auf Fähr- und Kreuzfahrtschiffen, in: Hansa 3/2012]. Die Nennfrequenz beträgt in der Regel 60 Hz, seltener 50 Hz.

Die größten Stromverbrauchergruppen stellen bei Frachtschiffen – abgesehen von den Kühlcontainern – die Pumpen und Lüfter dar. Bei den vorwiegend dieselelektrisch angetriebenen Kreuzfahrtschiffen sind die größten E-Verbraucher natürlich die Fahrmotoren. Dann folgen die Klimaanlage und die nur im Revierbetrieb benötigten Bug- und Heckstrahlruder.

4. Systeme für Haupt- und Hilfsdieselmotoren

4.1 Brennstoff- und Schmierölsysteme

Als Kraftstoffe der Haupt- und Hilfsdieselmotoren wird seit ca. 1960 das vorher nur in Kesseln von Turbinenschiffen verfeuerte zähflüssige Schweröl genutzt. Das war der Anfang vom Ende der Dampfturbinenschiffe, da Dieselmotoren einen im Vergleich zum Dampfantrieb höheren Wirkungsgrad aufweisen. Der große Preisunterschied zwischen dem Schweröl und Dieselöl rechtfertigte den technischen Aufwand für die zum Schwerölbetrieb notwendigen zusätzlichen Systeme zur Kraftstoffreinigung und Vorwärmung auf 120 – 130 °C [Diederichs, H. O.: Kraftstoffsystem; Handbuch Schiffsbetriebstechnik, 2. Auflage 2012 ISBN 978-3-87743-829-9/

Breyer, H.; Hochhaus K.-H.; Mehrkens, J. D.; Meyer, M.; Müller, W.: Brennstoff-Systeme, Handbuch der Werften, Band 24, 1998, Schiffahrtsverlag »Hansa«]. Erst bei der Begehung der auf Dieselmotorschiffen eingesetzten Anlagen zur Schwerölaufbereitung (Abb. 4) mit ihren zahlreichen Filtern, Separatoren und Vorwärmern wird die Komplexität dieser Systeme deutlich.

Auch die Schmierölsysteme zur Verminderung der Reibung und zur Wärmeabfuhr wurden für schweröltaugliche Dieselmotoren aufwendiger, da der Reinigung und Fähigkeit zur Neutralisation eine größere Bedeutung zukam [Hochhaus, K.-H.; Matzat, F.: Schmieröl-Systeme, Handbuch der Werften, Band 24, 1998, Schiffahrtsverlag »Hansa«]. Die Hauptschmierölpumpe saugt das Schmieröl über einen Vorfilter aus dem Schmierölablauftank unter dem Motor, fördert es durch den Ölkühler, den Automatik- und Indikatorfilter bevor es zu den Schmierstellen des Motors fließt. Die ständige Reinigung erfolgt über den im Hauptstrom befindlichen Automatikfilter (Abb. 4), der Schmierölseparator befindet sich im Nebenstrom. Die Zylinderlaufbuchsen der als Hauptmaschinen vorwiegend eingesetzten Zweitaktmotoren wurden mit einem speziellen Zylinderöl geschmiert, dies ist im Gegensatz zum Schmieröl eine reine Verlustschmierung. Zur Vermeidung von Schädigungen durch den im Schweröl enthaltenen Schwefel werden basische Zylinderöle verwendet.

4.2 Luftsysteme

Die heute auf Schiffen zum Antrieb und zur Stromerzeugung eingesetzten Dieselmotoren werden mit Abgasturboladern aufgeladen. Die Luft wird im Maschinenraum über den Luftfilter angesaugt, komprimiert und im Ladeluftkühler hinter dem Turboverdichter mit See- oder Frischwasser auf etwa 40 – 50 °C abgekühlt. Damit wird erreicht, dass im Vergleich zum atmosphärischen Betrieb viel mehr Luftmasse zur Verbrennung in den Zylinder strömt. Es kann mehr Kraftstoff eingespritzt werden und eine gute Verbrennung mit ausreichend Sauerstoff ermöglicht die 2 – 3-fache Leistung im Vergleich zum nicht aufgeladenen Motor.

Zur Luftversorgung und Wärmeabfuhr des Maschinenraumes wird die natürliche Ventilation nur noch in Ausnahmen auf sehr kleinen Schiffen angewendet. Üblicherweise erfolgt die Luftversorgung des Maschinenraumes mit dem Einsatz von elektromotorischen Lüftern [Witt, K.C.: Risiken beim Komponentenkauf in Billiglohnländern, in: Hansa 7,1996/ Hochhaus, K.-H.: Schiffsbe- und Entlüftungsanlagen, Handbuch Schiffsbetriebstechnik, 2. Auflage 2012 ISBN 978-3-87743-829-9] als Überdruckbelüftung. Dazu wird die Zuluft über Schalldämpfer und Luftfilter in den Maschinenraum gefördert und auf die verschiedenen Ebenen verteilt. Sie kühlt hier die Maschinen und Anlagen und versorgt Motoren und Kessel mit Verbrennungsluft. Im oberen Abgasschacht wird die erwärmte Abluft dann durch Klappen oder Jalousien nach außen geleitet. Nur in hoch belasteten Räumen, in denen sich häufig Menschen aufhalten, z. B. in Separatorräumen (Abb. 4) und Werkstätten (Abb.6), wird eine Ventilation durch Zu- und Abluft angewendet.

Zum Anlassen der Schiffsdieselmotoren dient die von den Anlassluftkompressoren (Abb. 7) auf 30 bar komprimierte Anlassluft, die in den Anlassluftflaschen gespeichert wird. Über die vom Anlasssteuerstern jeweils geöffneten Luftanlassventile strömt die Druckluft in die entsprechenden Zylinder, dreht den Motor und nach der Kraftstoffzugabe startet der Motor.

4.3 Kühlwassersysteme

Mit dem Seekühlwassersystem werden außer der Abgaswärme und der Strahlungswärme alle an Bord von Schiffen anfallenden Verlustwärmen abgeführt. Bezogen auf die Hauptmotorleistung sind das etwa 25 %. Die heute überwiegend eingesetzten zentralen Kühlwassersysteme sind aus der Forderung nach möglichst wenig und kurzen Seewasser führenden Leitungen entstanden. Sie arbeiten mit elektrisch angetriebenen Kreiselpumpen, welche das Seewasser im Primärsystem ansaugen und in einem Umwälzkreislauf über Plattenkühler anschließend nach aussenbord befördern. Das Sekundärsystem besteht aus zwei Frischwasserkreisläufen, die je nach Hauptdieselmotor von angehängten Pumpen oder von Elektromotoren angetrieben werden. Diese Kreisläufe werden zur effektiven weiteren Wärmeausnutzung in das Hoch- und Niedrigtemperatursystem (HT, NT) aufgeteilt. Das HT-System wird zur Beheizung der Kraftstoffbunker und des Frischwassererzeugers genutzt. Über die Plattenkühler (Abb. 8) sind die Frischkühlwassersysteme mit dem Seekühlwassersystem verknüpft. Andere stromsparende Möglichkeiten zur Versorgung des Seekühlwassersystems (Scoopkühler, Seekasten-, oder Außenhautkühlung) wurden in der Juli-Ausgabe der HANSA bereits [Hochhaus, K.-H. : Hilfssysteme auf kleinen Schiffen, in: Hansa 7/2014] beschrieben.

4.4 Dampfsysteme

Auf Schiffen erfolgt eine Abgasnutzung durch ein Dampf- oder seltener durch ein Thermoölsystem. Der an Bord von Motorschiffen benötigte Sattdampf dient als Heizmedium zur Vorwärmung und Aufbereitung des Schweröls. Dieser Sattdampf wird im Abgaskessel gewonnen, welcher dem Hauptmotor (seltener den Hilfsdieseln) nachgeschaltet ist (Abb. 9). Auf einigen Schiffen mit größeren Motorleistungen wird der Sattdampf im Abgaskessel überhitzt und in einem Dampfturbogenerator zur elektrischen Stromerzeugung genutzt. Diese Anlagen werden häufig mit einem Abgasturbogenerator kombiniert und u. a. von MAN (Abb. 10), Siemens und Mitsubishi angeboten [Abel-Günther, K.; Scharfetter, C.: Einsatz von Abgaswärmenutzungs­anlagen auf Schiffen, in: Hansa 1/2012]. Sie wurden bisher jedoch nur von wenigen Reedereien wie z. B. Maersk eingesetzt.

Die Abgaskessel zur Sattdampferzeugung werden in der Regel im Druckbereich von 5 – 9 bar, vorwiegend als Rauchrohrkessel ausgeführt. Wasserrohrkessel finden ebenfalls eine breite Anwendung. Rippenrohrkessel (Abb. 11) werden aufgrund von Verschmutzungsproblemen durch den Schwerölbetrieb und Gefahr von Bränden im Abgaskessel seltener eingesetzt.

Eine interessante Entwicklung im Schiffskesselbau wird zur Zeit in Fachkreisen diskutiert: die Anwendung von oberflächenstrukturierten Rohren. Sie könnten die Baugrößen und Gewichte von Abgas- und Hilfskesseln verringern sowie die Investitionskosten reduzieren. Eine ungelöste Frage ist bisher die Heizflächenverschmutzung, die wie erwähnt auch beim Einsatz der Rippenrohrkessel große Probleme bereitet. Für die schwefelhaltigen Brennstoffe sollten die Abgastemperaturen hinter dem Kessel die Taupunkttemperatur (Anhaltswerte 150 – 180 °C) nicht unterschreiten [Hochhaus, K.-H.; Mehrkens, J. D.: Abwärmenutzung und Klimatisierung auf Passagierschiffen, in: Hansa Nr. 3/2008].

. Ballastwassersystem

Für den Umgang mit Ballastwasser hat die Internationale Seeschifffahrts-Organisation IMO 2004 ein Ballastwasserabkommen verabschiedet, dessen Inkrafttreten für alle Seeschiffe zu erwarten ist. Hintergrund ist die mit dem Ballastwasser erfolgte Verschleppung von Organismen in fremde Lebensräume. Pro Jahr werden je nach Quelle 10Mio. bis 12Mrd. Tonnen Ballastwasser von Schiffen transportiert [Mehrkens, C.; Hochhaus, K.-H.: Ballastwasseraufbereitung auf Seeschiffen – eine Übersicht, Schiff & Hafen 3/2007]. Bei jährlich rund 8Mrd. t Ladung über See sollte man von 10 – 20% Ballast, also von 0,8 – 1,6 Mrd. t ausgehen. Mit diesem Wasser wurden und werden weltweit pflanzliche und tierische Organismen ausgetauscht und verbreitet, was u. a. zu einer Verdrängung der ursprünglichen Wasserflora und -fauna führt.

Die unterschiedlichen Prozesse zur Aufbereitung von Ballastwasser lassen sich in mechanische, physikalische und chemische Verfahren klassifizieren. Diese Verfahren werden vorwiegend in geeigneter Kombination zur Ballastwasseraufbereitung eingesetzt. Dabei werden mechanische Trennprozesse mit physikalischen und chemischen Verfahren kombiniert. Die Klassifizierung der unterschiedlichen Verfahren wird in Abb. 12 grafisch dargestellt. Es sind weltweit mehr als 70 Hersteller zur Aufbereitung von Ballastwasser auf dem Markt, die z. B. in der März-Ausgabe der HANSA [vom Baur, Michael: Get prepared for ballast water treatment now, in: Hansa Nr. 3/2014] aufgeführt wurden. Die Abb. 13 zeigt eine typische auf einem Schiff installierte Anlage.

. Schiffsklimaanlagen

Schiffsklimaanlagen [Hochhaus, K.-H.: Umweltfreundliche Klimaanlagen auf Seeschiffen, in: Hansa 6/2012] bestehen aus dem Klimagerät zur Behandlung und Einstellung der Zuluftparameter sowie aus den Luftkanälen und den Ventilatoren, welche den Luftvolumenstrom antreiben. Die Klimageräte werden aus sieben bis neun Einzelkomponenten zusammengesetzt, die in einem Gesamtrahmen integriert sind.

In der Mischkammer werden die von außen angesaugte Frischluft- und der aus dem Schiffsinneren abgesaugte Umluftanteil über eintrittsseitige Jalousieklappen miteinander gemischt. Staubteilchen werden anschließend im Filter aus der Luft entfernt. Die gefilterte Luft gelangt in den Luftkühler und wird zur Entfeuchtung auf Temperaturen von ca. 12 – 14° C heruntergekühlt.

Das entstehende Kondensat wird unterhalb des Kühlers in einer Sammelwanne aus Edelstahl aufgefangen und entsorgt bzw. für andere Zwecke genutzt. Im Winterbetrieb erfolgt im Erhitzer eine Beheizung mit Warmwasser, Thermalöl, Dampf oder elektrisch mit Strom. Wenn die Luft den Erhitzer verlässt, hat sie eine relative Feuchte von ca. 20 – 30% und wird im Befeuchter auf 50 – 60% relative Feuchte angereichert.

Im Tropfenabscheider werden die aus dem Luftkühler mitgerissenen oder von der Luftbefeuchtung herrührenden Wassertropfen abgetrennt. Der vorwiegend als Radialtyp ausgeführte Lüfter ist das einzige bewegte Teil des Klimagerätes. Er wird von einem frequenzgeregelten oder polumschaltbaren Elektromotor angetrieben. Der den Lüfter verlassende Luftstrom wird in der Verteilerkammer den unterschiedlichen Zuluftkanälen zugeführt. Neben diesen Standardbauteilen können optional Aktivkohlefilter zur Geruchsbindung und rotierende Wärmtauscher zur Wärmrückgewinnung installiert werden.

Die Luftkühler werden direkt (über Verdampfer mit Kältemittel) oder indirekt (Luftkühler mit Kaltwasser) von Kältesystemen mit elektrisch angetriebenen Kälteverdichtern versorgt. Zur energetischen Optimierung wurden auf einigen Schiffen Absorptionskälteanlagen zur Kälteerzeugung angewendet [Hochhaus, K.-H.; Mehrkens, J. D.: Abwärmenutzung und Klimatisierung auf Passagierschiffen, in: Hansa Nr. 3/2008

/Hochhaus, K.-H.: Umweltfreundliche Klimaanlagen auf Seeschiffen, in: Hansa 6/2012]. Diese werden mit Abwärme aus dem Kühlwassersystem (HT) oder Dampf aus dem Abgaskessel betrieben und benötigen im Gegensatz zu den Kälteverdichtern sehr wenig elektrische Leistung. Erste Anwendungen auf Schiffen erfolgten auf dem Rotorschiff »E-Ship 1«, den RWE-Errichterschiffen, der »Aidamar« (Abb. 14) und der neuen »Sonne«.

. Frischwasser- und Trinkwassersysteme auf Schiffen

Mit der einfachen und kostengünstigen Frischwassererzeugung aus Seewasser, die durch Unterdruckverdampfung (Verdampfer Abb. 15) mit Abwärmebeheizung erfolgt, wurden die Frachtschiffe unabhängiger von den Häfen. Im Trinkwassersystem erfolgt die Aufbereitung des Frischwassers zu Trinkwasser. Der Reeder spart dadurch die Kosten für das Bunkern von Trinkwasser, auf dem Schiff wird weniger Platz benötigt und ein geringeres Gewicht erreicht.

Das ursprünglich zweite, mit Seewasser betriebene und durch starke Korrosionen sehr störanfällige System für die WC-Spülung wurde überflüssig. Auf heutigen Schiffen befindet sich daher nur noch ein Frischwassersystem für Trink- und Brauchwasser. Zusätzliche Rohrleitungen, Pumpen, Armaturen und Vorratstanks werden eingespart. Auf Kreuzfahrtschiffen mit hohem Trinkwasserbedarf werden mehrstufige Verdampfer und außerdem Umkehrosmose-Anlagen (Abb. 16) eingesetzt.

Im Trinkwassersystem ist die Kalt- und Warmwasserversorgung zusammengefasst [Hesse, T.; Hochhaus, K.-H.; Mehrkens, J. D.: Trinkwassersysteme, Handbuch der Werften, Band 26, 2002, Schiffahrtsverlag »Hansa«]. Das Trinkwasser wird auf Frachtschiffen aus dem Frischwasservorratstank in den Trinkwasser-Drucktank gefördert. Hier wird mit Hilfe eines Luftpolsters ein Überdruck gehalten, der abhängig von der Größe des Schiffes und rohrseitigen Ausdehnung des Trinkwassersystems vier bis 7 bar beträgt. Von diesem Drucktank werden die Trinkwasserzapfstellen versorgt, dabei strömt das Wasser durch eine UV-Wasserentkeimung.

Große Passagierschiffe, wie Kreuzfahrt- und Fährschiffe mit hohen Aufbauten, verfügen über ausgedehnte Trinkwassersysteme, die in der Regel keine Drucktanks mehr enthalten. Hier ist die Trinkwasserdruckpumpe ständig in Betrieb. Die Entkeimung erfolgt über eine Chlor-Pufferung, da organische Inhaltsstoffe im Trinkwassersystem ständig Chlor verbrauchen (Chlorzehrung). Die von der Tageszeit und Betrieb abhängigen Volumenströme werden im einfachsten Fall über eine druckgesteuerte Bypassleitung in den Vorratstank zurückgeleitet. Häufig werden jedoch Parallelschaltungen von mehreren Pumpen mit gleichen oder verschiedenen Volumenströmen gewählt. Eine andere technisch reizvolle Möglichkeit zur Anpassung der Volumenströme an den Verbrauch sind polumschaltbare oder drehzahlverstellbare E-Antriebsmotoren der Pumpen. Auf Passagierschiffen werden außerdem Umwälzpumpen eingesetzt, um stehendes Trinkwasser in den Leitungen zu vermeiden.

Im Warmwassersystem befindet sich ein mit Dampf, seltener mit Thermoöl oder elektrisch beheizter Wärmetauscher. Die gewünschte Temperatur (ca. 60 – 80° C) wird an einem Thermostaten eingestellt, der die Beheizung beeinflusst. Dazu wird mit einem Regelventil der Zudampf- oder Thermoölmassenstrom geregelt, bei elektrischer Beheizung erfolgt die Zu- und Abschaltung der Heizelemente. Auch die Ausnutzung des Kühlwassers aus dem Hochtemperaturkreislauf wird angewendet.

. Zusammenfassung

Der bezogen auf die Tonnenmeile extrem niedrige CO2-Ausstoß weist auf einen umweltfreundliche Schiffsbetrieb hin. Auch in den zu Recht kritisierten Bereichen Schwefel- und Stickoxydemissionen sowie den mit Ballastwasser verschleppten Organismen in fremde Lebensräume hat sich viel getan. Die entsprechenden weltweiten Regeln wurden von der IMO verabschiedet und werden zur Zeit ratifiziert. Die zur Einhaltung dieser Vorschriften notwendigen Systeme und Anlagen wurden entwickelt, geprüft und zertifiziert. Auf neuen Schiffen werden sie bereits eingebaut, auf den Schiffen der Bestandstonnage werden sie nachgerüstet. Sie erhöhen die Vielfalt und Komplexität der Schiffshilfsanlagen und stellen an die für den Betrieb zuständigen Besatzungsmitglieder hohe Anforderungen.


Karl-Heinz Hochhaus