Abbildung 3: Entwicklung des E-Bedarfs auf Passagierschiffen um 1900 und 100 Jahre später, dargestellt über der Tonnage in GT (Quellen STG, [2], Grafik Dr. Hochhaus)
Abbildung 3: Entwicklung des E-Bedarfs auf Passagierschiffen um 1900 und 100 Jahre später, dargestellt über der Tonnage in GT (Quellen STG, [2], Grafik Dr. Hochhaus)

Hallo

Elektrische Anlagen auf Fähr- und Kreuzfahrtschiffen

Dieser Beitrag von G. Ackermann und K.-H. Hochhaus erschien in der Hansa Nr. 3/2012

und wird hier wird als Kurzfassung wiedergegeben  

 


1. Einführung, Rückblick
Der Kabelleger „Faraday“ erhielt 1877 von Siemens Brothers (englische Siemenstochter) als erstes Schiff eine 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 hat der Strom auch den Dampf zum Antrieb der meisten Hilfsmaschinen abgelöst. Mit der Funktelegrafie wurde die Kommunikation auf See über große Entfernungen möglich. Sie entwickelte sich zum dritten wichtigen Feld der E-Technik auf Schiffen. Der bisher eingesetzte Gleichstrom wurde auf Neubauschiffen ab 1950 vom Drehstrom abgelöst [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 E-Versorgung 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 Jahre primitiv erscheint, ist festzustellen, dass sie heute wieder aktuell werden. Die Automobilindustrie hat begonnen, E-Autos mit aufladbaren 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 Gebrüder Nobel in den russischen Binnentankern „Vandal“ und „Ssarmat“ 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 asynchronen Anlauf, der Wirkungsgrad wurde von dem 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 a 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 (Queen Elizabeth II, E-Leistung 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, sparen im Schiff Platz und werden vom Seewasser gekühlt. Sie erfordern zur Speisung mit Strom Generatoren, die von Dieselmotoren oder seltener von Gasturbinen angetrieben werden [2, 3].
Seit rund 10 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

2.1 E-Bilanz

2.2 Elektrische Fahrmotoren, POD -Antrieb

2.4 Beleuchtung

3. Antriebsaggregate zur Stromerzeugung

4. Energieverteilung

4.1 Bordnetz

4.2 Redundanz

5. Zukünftige Entwicklungen bei Kreuzfahrtschiffen

5.1 Brennstoffzellen

5.2 Photovoltaik

5.3 Absorptionsklimaanlagen - mit Abwärme wird Kälte erzeugt

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 E-Bilanz mit allen E-Verbrauchern. Aufgrund der hohen E-Leistungen wird die Mittelspannung zur Stromerzeugung und Stromverteilung an die leistungsstarken E-Verbraucher 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 versiegenden Ölquellen auf die kommenden Entwicklungen gespannt sein. Welche Rolle werden die Brennstoffzellen und die Photovoltaik zukünftig auf den Kreuzfahrtschiffen übernehmen?

7. Literatur
[1] Wangerin, A.: Geschichte der Schiffsbeleuchtung; in 100 Jahre Schifffahrt, Schiffbau, Häfen; 1964 Hamburg, Schiffahrtsverlag „Hansa“ C. Schroedter& Co.
[2] Ackermann, G., Hochhaus, K.-H.: Hilfsmaschinen-Elektrische Versorgung; in Dampfer, Diesel und Turbinen - Die Welt der Schiffsingenieure. 2005 Convent Verlag, Hamburg
[3] Hochhaus, K.-H.: Antriebsanlagen, in Leidenschaft Schiffbau, 2000 Koehlers Verlagsgesellschaft
[4] Bleicken, B.: Die Maschinenanlage der Potsdam. STG Jahrbuch 1936 Band 37
[5]Ackermann, G., Planitz, W.: Elektrotechnik; in Handbuch Schiffsbetriebstechnik, Seehafen Verlag 2006
[6] Magens, K.: Permasyn - Ein permanent erregter Synchronmotor für den Schiffsbetrieb. STG Jahrbuch 1987 Band 81
[7] G. Ackermann: Elektrische Antriebsanlagen und Schiffsbordnetze. Hansa Nr. 7/2011
[8] Droste, W., Hochhaus, K.-H.: Reduzierung des elektrischen Energiebedarfs auf Handelschiffen. Hansa Nr. 21/1987
[9] Hochhaus, K.-H.: Energieeinsparungen im Hotelbetrieb großer Passagierschiffe. Schiff +Hafen Nr. 5/2007
[10] Mehrkens, J. D., Hochhaus, K.-H.: Abwärmenutzung und Klimatisierung auf Passagierschiffen. Hansa Nr. 3/2008
[11] Hochhaus, K.-H.: Schiffselektrotechnik und Hilfssysteme - Ein Überblick. Hansa Nr. 10/2011
[12] N. N.: STG-Hauptversammlung mit verschiedenen Vorträgen der POD-Hersteller, STG Jahrbuch 2002, Seite 477 ff.
[13] Ackermann, G., Gregor, P.: The importance illumination for the operational cost and the integration of lightning equipment with the ship network. Indien, World Maritime Technology Congress 2009
[14] Eckardt, C.: Modernste Technik für wachsende Ansprüche. Hansa Nr. 9/2011
[15] N. N.: Turanor PlanetSolar.  HANSA, Nr. 7/2010
[16] Hochhaus, K.-H.: Energieeffiziente Klimatisierung von Schiffen. Hansa Nr. 12/2011

Abbildung 1: Schlepper mit Oberleitung (Quelle STG)
Abbildung 1: Schlepper mit Oberleitung (Quelle STG)
Abbildung 2: 1903/04, dieselelektrischer Antrieb der „Vandal“  (oben) und der „Ssarmat“ (del Proposto) (Grafik Dr. Hochhaus)
Abbildung 2: 1903/04, dieselelektrischer Antrieb der „Vandal“ (oben) und der „Ssarmat“ (del Proposto) (Grafik Dr. Hochhaus)
Abbildung 5: Anbieter von POD-Antrieben (Quelle  Prof. Ackermann, Dr. Hochhaus)
Abbildung 5: Anbieter von POD-Antrieben (Quelle Prof. Ackermann, Dr. Hochhaus)
Abbildung 4: Auswahl der Antriebsanlage für Passagierschiffe (Quelle Dr. Hochhaus)
Abbildung 4: Auswahl der Antriebsanlage für Passagierschiffe (Quelle Dr. Hochhaus)