Gestiegenen Brennstoffpreise und Umweltauflagen waren Gründe für einige Reedereien, in nachhaltige Technologien investieren. Über innovative Klimaanlagen berichtete Karl-Heinz Hochhaus
1. Einführung
Es gibt in Deutschland etwa 10 Schiffe, die den seit 2002 existierenden „Blauen Engel für Umwelt schonenden Schiffsbetrieb“ (RAL-UZ 110) tragen. Es sind überwiegend Behördenschiffe. Die „Cellus“, ein Frachtschiff des Reeders Rörd Braren aus Kollmar bekam 2002 als erstes Handelsschiff dieses Umweltzeichen [1]. Die „Frisia VIII“ der Reederei Norden-Frisia ist das erste Schiff, welches den seit 2010 existierenden „Blauen Engel für Umweltfreundliches Schiffsdesign“ (RAL – UZ 141) tragen darf. Ein weiteres Zeichen des Umdenkens ist das „E-Ship 1“. Auf diesem Pionierschiff mit Flettner-Rotoren wird der Wind als Zusatzantrieb untersucht. Um den Wind 100 – 500 m über der Meeresoberfläche auszunutzen, wird von mehreren Schiffen ein anderes System unter dem Namen Skysails getestet.
Abb. 1: Windanlagen-Errichterschiffe mit Absorptions-Kälteanlagen zur Klimatisierung (Foto: Dr. Hochhaus)
In Zeiten hoher Ölpreise, die sich aufgrund fehlender Steuern in der Luftfahrt und Schifffahrt unmittelbar auswirken, sinken die Schiffsgeschwindigkeiten und steigen die Anstrengungen, um die Brennstoffe besser auszunutzen. Dabei wurden alle technischen Bereiche der Schiffe unter die Lupe genommen, da hier die Erzeugung von mechanischer und elektrischer Energie sowie die Nutzung der Abwärme in einer Hand liegen. In Zeiten sinkender Ölpreise bis zum Jahr 2000 „rechneten“ sich einige dieser Maßnahmen zur Optimierung des Brennstoffverbrauches nicht mehr und kamen bei den folgenden Neubauten nicht mehr zum Einsatz. Eine neue Maßnahme ist die Klimatisierung mit innovativen Absorptions-Kälteanlagen mit extrem geringen Primärenergiebedarf. Zur Kühlung und Entfeuchtung der Luft wird üblicherweise Kaltwasser eingesetzt. Dieses wird mit Strom sparenden Absorptions-Kälteanlagen zurückgekühlt. Bisher wurden sie auf vier Schiffen eingesetzt, darunter auch auf den neuen Windenergie-Anlagen-Errichterschiffen von RWE-Innogy (Abb. 1).
2. Auslegung und Vorschriften
Auf dieselelektrischen Kreuzfahrtschiffen sind die Klimaanlagen nach den Fahrmotoren die größten Stromverbraucher. Daher kann beim Einsatz von Absorptions-Kälteanlagen die Auslegung der E-Bilanz deutlich reduziert werden. Das Wohlbefinden der Besatzung und besonders der Komfort der Passagiere auf Schiffen wird stark durch die Umgebungsbedingungen in den Arbeitsräumen, Messen, Kabinen und anderen klimatisierten Bereichen beeinflusst. Daher haben die klima- und lüftungstechnischen Verhältnisse auf den Schiffen und besonders den Passagierschiffen eine große Bedeutung. Aber auch für den störungsfreien Betrieb von sensiblen elektrischen und elektronischen Einrichtungen dürfen die in Vorschriften vorgegebene Grenzen der Temperatur und des Feuchtegehaltes nicht überschritten werden. Daher werden Bereiche wie die Brücke und der Maschinenkontrollraum mit viel elektronischer Ausrüstung und Computern klimatisiert. Schiffe unter deutscher Flagge werden häufig vom Germanischen Lloyd (GL) klassifiziert und unterliegen den Bestimmungen der Berufsgenossenschaft Transport und Verkehrswirtschaft (BG Verkehr, früher Seeberufsgenossenschaft SBG). Bei der Klimatisierung schreiben sie für die Besatzungsmitglieder 100% Frischluft vor. Klima- und Lüftungssysteme sind innerhalb der Feuerzonen bzw. wasserdichten Abteilungen als autarke Systeme zu projektieren. Dabei sind die Parameter wie Lufttemperatur, Feuchte, Luftmenge, Luftgeschwindigkeit, CO2– bzw. O2-Gehalt und Wärmeeinstrahlung zu berücksichtigen
Abb. 2: Schematische Darstellung eines Klimagerätes (Quelle Dr. Hochhaus)
3. Klimatisierung auf Schiffen
Von Klimatisierung spricht man, wenn neben der Heizung und Kühlung auch eine Regelung der Feuchte möglich ist. Die Feuchteregelung erfolgt je nach Fahrtgebiet durch Zugabe oder Abfuhr von Wasser in die zu klimatisierenden Luftvolumenströme [2, 3]. Auf Frachtschiffen befindet sich die Klimaanlage im Deckshaus mit kurzen Wegen zum Wohnbereich. Der Maschinenkontrollraum hat häufig eine eigene unabhängige Klimaanlage. Auf Fähr- und Kreuzfahrtschiffen hängt die Anzahl der Klimaanlagen von der Unterteilung in Feuerzonen ab, da die Luftkanäle nicht von einer Feuerzone in die andere geführt werden. Die Kälteerzeugung für die Klimaanlage erfolgt in der Regel zentral und die Klimaanlagen in den einzelnen Feuerzonen werden durch „Kaltwasser“ mit Temperaturen von 4 – 6 °C versorgt. Eine Klimaanlage besteht aus dem Klimagerät, den verbindenden Luftkanälen, dem Austrittsgerät in den Kabinen und der Kälteanlage.
3.1 Klimasysteme (Ein-Kanal-, Zwei-Kanal- und Fan-Coil-Anlage)
Zur Klimatisierung von Schiffen werden neben dem Ein- und Zwei-Kanal-System auch Fan-Coil-Anlagen installiert [2, 3]. Bei der Ein-Kanal-Anlage (Abb. 2) wird vom zentralen Klimagerät ein Luftkanal zu den einzelnen Luftaustrittsöffnungen in den Räumen geführt. Die Luftbehandlung (Filterung, Luftkühlung/-erwärmung, Befeuchtung) erfolgt nur im Zentralgerät. In den Kabinen kann im Austrittsgerät eine elektrische Nachheizung erfolgen, um die Temperatur je nach Tageszeit und persönlicher Vorliebe wieder anzuheben.
Bei der Zwei-Kanal-Anlage werden je ein Luftkanal für Kalt- und Warmluft von den Klimazentralen zu den Kabinen geführt. Die Grundkonditionierung erfolgt ebenfalls im Zentralgerät, die Kalt- und Warmluftströme werden jedoch getrennt. Der Warmluftstrom wird im Nacherhitzer aufgeheizt, der Kaltluftstrom wird dagegen unbehandelt zu den Austrittsgeräten der Kabinen geleitet. Hier werden der Warm- und Kaltluftstrom je nach individuellen Einstellung über einen Raumtemperaturregler in der Kabine gemischt. Bei beiden Systemen wird die Abluft über Korridore und Treppenhäuser entfernt und bei Passagierschiffen z. T. als Umluft der neu zugeführten Frischluft beigemischt. Die Abluft der Nasszellen, Sanitär- und Küchenbereiche wird gesondert nach außen abgeführt.
Abb. 3: Bei den modernen Klimageräten auf Kreuzfahrtschiffen befindet sich ein Rotationswärmetauscher zwischen dem kalten Abluft- und dem warme Außenluftstrom (Quelle Klingenberg)
Bei der Fan-Coil-Anlage erfolgt eine dezentrale Luftaufbereitung. In dem verkleinerten zentralen Klimagerät wird nur noch die Filterung, Luftkühlung/-erwärmung und Befeuchtung der Luft durchgeführt. Über eine Ein-Kanal-Anlage wird die Luft zu den Kabinen geführt und strömt dort über ein Fan-Coil-Gerät in den Raum. Das Fan-Coil-Gerät besteht aus einem Ventilator mit Filter für die angesaugte Kabinenluft, einem Luftkühler mit Regelventil und einem elektrischen Nacherhitzer. Damit kann die Luft erwärmt oder gekühlt werden, wodurch ein Komfortgewinn erreicht wird. Andererseits ist der Montage- und der Serviceaufwand erheblich höher, da die Austrittsgeräte in jeder Kabine einen Kaltwasser- sowie Kondensatanschluss besitzen.
Abb. 4: Klimagerät, Ein- und Austritt der Dampf- (links) und Kaltwasserleitungen (Mitte) in die Wärmetauscher (Foto Dr. Hochhaus).
3.2 Klimagerät
Die Klimageräte (auch als Zentralgeräte bezeichnet (Abb. 2, 3) sind die Kernkomponenten jeder Klimaanlage und bestehen aus sieben bis zehn modular aufgebauten Einzelkomponenten. Hier erfolgt die Behandlung der Luft (Frischluft und Umluft) und die Einstellung der Zuluftparameter. Vom Klimagerät aus führen die Zuluftkanäle in die klimatisierten Bereiche.
Mischkammer: Die von außen kommende Frischluft- und der aus dem Schiffsinneren abgesaugte Umluftanteil werden in der Mischkammer entsprechend dem vorgegebenen Verhältnis miteinander gemischt. Das Mischungsverhältnis wird durch Jalousieklappen der Eintrittsseite geregelt.
Filter: Schmutz- und Staubteilchen der Luft werden im Filter nach der Mischkammer entfernt, dafür werden Taschenfilter oder Filtermatten eingesetzt.
Luftheizung: Im Winterbetrieb mit niedrigen Umgebungstemperaturen erfolgt eine Heizung der Luft mit Warmwasser, Thermalöl oder Dampf, seltener mit elektrischen Heizstäben (Abb. 4).
Luftkühler: Im Sommerbetrieb wird die Eintrittsluft im Luftentfeuchter (oder Luftkühler) im Temperaturbereich von ca. 25 – 40 °C auf Temperaturen bis etwa 12 – 14° C abgekühlt. Dabei findet aufgrund der Taupunktunterschreitung eine Entfeuchtung statt und die dabei entstehenden Wassertropfen fallen nach unten in die Abtropfwanne(Abb. 4).
Abb. 5: Verteilerkammer (rechts) mit den Luftkanälen zu den einzelnen Bereichen (Foto Dr. Hochhaus).
Luftbefeuchter: Die im Winterbetrieb die Luftheizung verlassende Luft besitzt eine relative Feuchte von ca. 20 – 30 %. Die notwendige Anreicherung der relativen Feuchte erfolgt mit Wasserdampf oder Sprühbefeuchtung auf 50 – 60 %. Zur Befeuchtung sollte aus hygienischen Gründen Wasserdampf vorgezogen werden.
Tropfenabscheider: Aus dem Luftkühler aufgrund der hohen Luftgeschwindigkeiten mitgerissene oder von der Luftbefeuchtung herrührenden Wassertropfen werden hier abgeschieden.
Lüfter: Der von dem Elektromotor angetriebene Lüfter fördert die klimatisierte Luft in die Verteilerkammer. Um den Luftvolumenstrom entsprechend den Anforderungen und Umgebungsbedingungen einzustellen, sollte der Antriebsmotor des Lüfters frequenzgeregelt oder mindestens polumschaltbar ausgeführt sein.
Verteilerkammer: In der Verteilerkammer wird der Luftstrom den unterschiedlichen Zuluftkanälen zugeführt (Abb. 5). Die Regelung kann über fest einstellbare Klappen erfolgen.
Zusätzliche Einbauten: Bei starker Geruchsbeladung des Zuluftstromes können zusätzliche Aktivkohlefilter installiert werden. Zur energetischen Optimierung werden rotierende Wärmetauscher(Abb. 3) eingesetzt, die je nach Umgebungsbedingungen Wärme, Kälte und Feuchtigkeit zurückgewinnen.
4. Klimakälteanlagen
Die Kälteerzeugung für Klimaanlagen erfolgt in der Regel zentral mit elektrisch angetriebenen Kompressions-Kälteverdichtern. Auf Frachtschiffen werden Kolbenverdichter, auf Passagierschiffen Schrauben- oder bei sehr großem Kältebedarf Turboverdichter eingesetzt. Neu in der Anwendung auf Schiffen sind Absorptionskälteanlagen, die statt elektrischer Energie Wärme zur Kälteerzeugung nutzen. Da im Seebetrieb auf Schiffen große Abwärmemengen zur Verfügung stehen, kann mit dem Einsatz von Absorptionskälteanlagen der Verbrauch an Primärenergie reduziert werden, wodurch der CO2-Ausstoß sinkt. Die Wärmeversorgung erfolgt mit Kühlwasser aus dem Hochtemperatursystem (HT) und/oder Dampf aus dem Abgaskessel.
4.1 Absorptionskälteanlagen
Da derartige Anlagen bisher nur in Landanlagen Verwendung fanden, wurden die Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie auf Schiffen für die Bundesmarine in einer Studie theoretisch untersucht [4]. Dabei sollten primär die mögliche Abwärmenutzung und die Energieeinsparung betrachtet werden. Von der Wehrtechnischen Dienststelle (WTD 71) wurden anschließend praktische Untersuchengen in Kiel durchgeführt und erfolgreich abgeschlossen [5].
Abb. 6: Prinzipielle Darstellung der 140 kW Absorptionsanlage auf der „E-Ship 1“ und den Windanlagen-Errichterschiffe für RWE-Innogy (Graphik EAW)
Da derartige Anlagen bisher nur in Landanlagen Verwendung fanden, wurden die Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie auf Schiffen für die Bundesmarine in einer Studie theoretisch untersucht [4]. Dabei sollten primär die mögliche Abwärmenutzung und die Energieeinsparung betrachtet werden. Von der Wehrtechnischen Dienststelle (WTD 71) wurden anschließend praktische Untersuchengen in Kiel durchgeführt und erfolgreich abgeschlossen [5].
Das Grundprinzip einer Absorptionskälteanlage wurde in [6] beschrieben und beruht darauf, dass ein Stoffpaar (hier Lithiumbromid und Wasser) eingesetzt wird, bei dem sich das Wasser durch Zufuhr von Wärme im Generator (Austreiber) bei höherem Druck austreiben lässt. Unter Abgabe von Wärme wird es bei niedrigem Druck wieder absorbiert (Absorber Abb. 6). Die ausgetriebene Komponente, das ist hier das Kältemittel Wasser, wird wie bei höherem Druck kondensiert (Kondensator) und bei niedrigem Druck verdampft (Verdampfer). Die dazu notwendige Verdampfungswärme wird dem Kaltwassersystem entzogen, wodurch die beabsichtigte Abkühlung entsteht.
Die Leistungszahl bei den Bedingungen für Klimaanlagen beträgt bei Kompressionskältemaschinen etwa 4, d. h. es werden für es werden 1 kW elektrische Leistung benötigt, um 4 kW Kälteleistung für die Klimaanlage zu erzeugen. Zur elektrischen Energieerzeugung werden im Dieselgenerator mit etwa 40% Gesamtwirkungsgrad zur Erzeugung von 1 kWh elektrischer Arbeit 2,5 kWh Brennstoffenergie benötigt. Daher liegt die auf die Primärenergie (Brennstoff) bezogene Leistungszahl der Kompressionsmaschine auf Schiffen in Wirklichkeit statt bei 4 nur bei 1,6. Die Leistungszahl bei der Klimatisierung mit der Absorptionskältemaschine liegt je nach Beheizung (Dampf 1, Heizwasser 0,75) zwar viel niedriger, ist jedoch energetisch sehr vorteilhaft. Statt Primärenergie Brennstoff (Schweröl oder MDO) wird Abwärme (Kühlwasser, Dampf aus dem Abgaskessel) eingesetzt, wodurch Betriebskosten reduziert werden.
4.2 Der Prototyp befindet sich auf dem Rotorschiff „E-Ship 1“
Die 1. Anlage wurde auf dem innovativen energetisch optimierten „E-Ship 1“ (Bild 7) installiert [8]. Weitere Absorptionsanlagen zur Klimatisierung kamen auf den in Südkorea gebauten Spezialschiffen „Victoria Mathias“ und „Friedrich Ernestine“ (Abb. 1) zum Bau von Windenergie- Anlagen zum Einsatz [7, 8]. Eine Betrachtung des Abwärmepotenzials für ein typisches dieselelektrisches Kreuzfahrtschiff mit 60.000 kW Nennleistung und 3.000 Pax wurde in [9] durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass im Seebetrieb mit 8.000 kW ausreichend Abwärme für die Klimatisierung zur Verfügung steht. Im Hafenbetrieb sind es deutlich weniger, da hier die elektrischen Fahrmotoren nicht in Betrieb sind. Daher wurde vorgeschlagen, jeweils 60% der benötigten Kälteleistung mit üblichen Kompressions- und den innovativen Absorptionsanlagen zu erzeugen.
Abb. 7: Auf dem Rotorschiff E-Ship 1, hier an der Pier der Cassenswerft, wurde die 1. Absorptionskälteanlage installiert (Foto: Dr. Wild)
4.3 Absorptionskälteanlage auf dem Kreuzfahrtschiff „Aidamar“
In [9] wurde über eine Versuchsanlage berichtet, die auf der im Mai 2011 abgelieferten „Aidamar“ installiert wurde. Diese als Kaltwassersatz fungierende Absorptionskälteanlage ist für den Nennpunkt auf 1300 kW Kälteleistung bei 26 °C Kühlwassertemperatur ausgelegt. Die Nennwärmeleistung von 2000 kW wird in Form von Warmwasser aus dem Kühlwassersystem mit 88 °C Eintrittstemperatur bereitgestellt und tritt mit 78 °C wieder aus. Zur Kühlung wird aufgrund der Edelstahlausführung die direkte Seewasserkühlung genutzt. Bei höheren Kühlwassertemperaturen (max. 32 °C) sinkt die Kälteleistung entsprechend. Die Absorptionskälteanlage wurde in die vorhandenen Systeme integriert (Abb. 7) und ist mit einer Frischwasserzeugungsanlage verknüpft.
Abb. 8: Die aus Chrom-Edelstahl bestehenden Absorptionskälteanlage mit einer Kälteleistung von 1300 kW (links) und der nachgeschaltete Frischwasserverdampfer (rechts) für die „Aidamar“ der Meyer Werft (Quelle Inven)
5. Zusammenfassung
Die CO2-Problematik ist inzwischen ins allgemeine Bewusstsein vorgedrungen, auch Schiffe werden demnächst CO2-Abgaben zahlen [10]. Die Primärenergiequelle Rohöl sprudelt in den kommenden Jahren weniger, denn Rohöl und damit auch die Schifffahrtsbrennstoffe werden immer kostbarer und teurer. Auch wenn es nur wenigen bewusst ist – es ist an der Zeit, über die Technologie der Antriebs- und Hilfsanlagen der Handelsschiffe der übernächsten Schiffsgeneration nachzudenken.
Abb. 9: „Aidamar“ der Meyer Werft (Foto Dr. Hochhaus)
Neben vielen Einzelmaßnahmen zum nachhaltigen Schiffsbetrieb werden heute Absorptionskälteanlagen zur Klimatisierung auf Schiffen erprobt. Hier ist es wieder das Pionierschiff „E-Ship 1“, das erstmals
die Abwärme zur Kälterzeugung nutzt. Neben den Windanlagen-Errichterschiffen für RWE Innogy wird diese Technologie auch auf dem im Mai 2012 abgelieferten Kreuzfahrtschiff „Aidamar“ erprobt.
6. Literatur:
[1] Isensee, J.; Hochhaus, K.-H.: Blauer Engel für die Cellus – Umweltaspekte im weltweiten Schiffsverkehr;. Mensch & Technik (VDI/VDE) Nr. 2/2003
[2] Behrens, V.; Hochhaus, K.-H.; Wild, Y.: Schiffsbelüftung und Klimaanlagen; (S. 49-114) im Handbuch der Werften, Band 25, Schiffahrtsverlag Hansa
[3] Hochhaus, K.-H., Wild, Y.: Kälte – Klima – Lüftung; in Handbuch Schiffsbetrieb, Kapitel , S. 789-832 (Hrsg. Meier-Peter, H.; Bernhardt, F.; Seehafen Verlag, 1. Auflage 2006
[4] Hochhaus, K.-H., Wild, Y.: Studie über die Realisierbarkeit des Einsatzes von Absorptionskältemaschinen an Bord von Marineschiffen, 2001 TB 5/2001 TUHH, Institut für Elektrische Energiesysteme und Automation
[5] Weber, C.: Systemuntersuchung an einer für die Verwendung an Bord adaptierten Absorptionskälteanlage; Vortrag vor dem Fachausschuss Klima – Kälte – Lüftung der STG, Warnemünde 2006
[6] Wild, Y.: Absorptionskälteanlagen – Neue Wege in der Schiffsklimatechnik; STG Jahrbuch 2007
[7] Hochhaus, K.-H.: STG Sprechtag „Energieeffiziente Klimatisierung von Schiffen“; Hansa 12 2011
[8] Wild, Y.: Erste Betriebserfahrungen mit 140kW LiBr-Absorptionsanlagen auf Schiffen; STG-Jahrbuch 2011
[9] Hochhaus, K.-H.; Mehrkens, J. D.: Abwärmenutzung und Klimatisierung auf Passagierschiffen; Hansa Nr. 3/2008
[10] Hochhaus, K.-H.: Umweltbetrachtungen zur Schifffahrt; Hansa Nr. 6/2007
