Die Oriana ist ein Kreuzfahrtschiff von P&O Cruises. Das Schiff fährt unter der Flagge des britischen Überseegebietes Bermuda. Heimathafen ist Hamilton.

Das Schiff wurde 1995 unter der Baunummer 636 auf der Meyer Werft in Papenburg gebaut und im April von P&O Cruises in Dienst gestellt. Getauft wurde das Schiff von Elisabeth II. in Southampton.


Länge                                                                  260,00 m (Lüa)
Breite                                                                   32,20 m
Tiefgang                                                              max. 7,90 m
Vermessung                                                       69.840 BRZ
Besatzung                                                           800
Maschinenleistung                                            47.750 kW (64.922 PS)

Geschwindigkeit                                                 max. 24 kn (44 km/h)
Tragfähigkeit                                                       6260 tdw
Passagierzahl                                                     1928
PassagierKabinen                                             909
Klassifizierung                                                     Lloyd’s Register of Shipping
IMO-Nr.                                                                   9050137

Energieeinsparungen im Hotelbetrieb großer Passagierschiffe

Dr. Ing. K.-H. Hochhaus, TUHH

 

Dieser Beitrag wurde von mir im Mai 2007 in der Fachzeitschrift Schiff und Hafen veröffentlicht. Seither sind die Brennstoffpreise auf gut den doppelten Wert angestiegen. Das bedeutet, rund 650 $/t für Schweröl und rund 1000 $/t für Marinr Diesel Öl (MDO). Auch die spezif. Stromkosten haben sich auf den Schiffen seither verdoppelt

 

1. Einführung

Extrem angestiegene Brennstoffkosten von rund 60 $/t (2001) auf 300 $/t (2007) für Schweröl zwingen Reeder, Werften und die Zulieferindustrie zum Handeln. Die lange verharmloste, verdrängte oder gar geleugnete Klimaproblematik steht in Europa ganz oben auf der Agenda und wird inzwischen auch von den USA ernst genommen. Nach der jüngsten Veröffentlichung des Klimarats wird allerorten, im Haushalt, Straßen- und Luftverkehr, in der Industrie aber auch in der Schifffahrt das Thema CO2-Reduzierung diskutiert [1]. Bei den Schiffen gilt das Dritte-Potenz-Gesetz. Wird die Geschwindigkeit verdoppelt, erhöhen sich die Leistung, damit der Brennstoffverbrauch und der CO2-Ausstoß um den Faktor „acht“.

 

Das Institut für Elektrische Energiesysteme und Automation der TUHH in Hamburg-Harburg hat in den vergangenen 30 Jahren verschiedene, in der Tabelle 1 aufgeführte, Themengruppen mit Schwerpunkt Energieeinsparung bearbeitet [2]. Der Beleuchtung wurde bisher wenig Beachtung geschenkt, obwohl auch hier, besonders bei den Passagierschiffen, Einsparpotenzial vorhanden ist. Passagierschiffe sind fast ausschließlich in der Kreuzschifffahrt tätig, hier gelten verglichen mit Frachtschiffen ganz andere Maßstäbe, da die Schiffe vorwiegend nachts fahren und tagsüber im Hafen oder auf Reede liegen.

 

2. Rückblick

Vor 125 Jahren, also 1882, wurde die erste elektrische Schiffsbeleuchtung mit Glühbirnen geplant und auf den Schiffen COLOMBO (Hapag) und WERRA (Norddeutscher Lloyd, NDL) 1883 und 1884 installiert.

 

Erste Patente auf Glühlampen wurden 1841 (F. de Poleyns, Paris) und 1845 (E. A. King, London) erteilt. T. A. Edisons Kohlefadenglühlampe wurde in Deutschland 1879 patentiert (Bild 1), sie galt als erste brauchbare Glühlampe. In Amerika erhielt Edison das Patent erst ein Jahr später [3]. Bogenlampen wurden bereits vorher als Scheinwerfer oder Straßenbeleuchtung genutzt, hatten jedoch den Nachteil, dass die Kohlestifte sehr häufig ausgetauscht werden mussten.

 

Mit der elektrischen Beleuchtung wurden Öl-, Petroleum- und Gaslampen abgelöst und die Feuer- und Explosionsgefahr erheblich reduziert. Dieser Vorteil kam anfangs nur den Schiffen mit Passagierbeförderung zu Gute, setzte sich ab 1900 jedoch zunehmend auch auf anderen Schiffen durch. Mit der Beleuchtung kam die Elektrizität an Bord, die sich dann schrittweise auch andere Maschinen und Hilfssysteme eroberte. Der Dampf, der vorher Lüfter, Pumpen und Kältemaschinen antrieb, wurde vom elektrischen Strom verdrängt, wodurch die Maschinen kleiner, leichter und billiger wurden und auch der Personalbedarf stark reduziert werden konnte. Diese Entwicklung begann mit der Glühbirne, die auf Schiffen inzwischen zum Teil von Leuchtstofflampen ersetzt wurde und jetzt, nach 125 Jahren, von Energiesparlampen und Leuchtdioden (LED) verdrängt werden.

 

3. E-Erzeugung auf Schiffen

Auf Frachtschiffen erfolgt die E-Erzeugung mit 3 – 4 Dieselgeneratoren, die ebenso wie die Hauptdieselmotoren mit Schweröl als Treibstoff arbeiten. Als Hauptdiesel werden bei größeren Frachtern langsam laufende Zweitaktmotoren eingesetzt, die besonders wirtschaftlich sind, geringen Verschließ haben und mit vergleichsmäßig wenig Wartung auskommen. Das hohe Gewicht (ca. 30 kg/kW) und der große Platzbedarf werden in Kauf genommen.

 

Ganz anders verlief die Entwicklung bei den Passagierschiffen, hier spielte der Dampfturbinenantrieb lange Zeit eine wichtige Rolle, bis er wegen der niedrigen Wirkungsgrade von den mittelschnelllaufenden Dieselmotoren mit Schwerölbetrieb verdrängt wurde. Über Getriebe wurden die Propeller angetrieben, zur E-Erzeugung wurden kleinere Dieselmotoren und Wellengeneratoren verwendet. Mit dem dieselelektrischen Antrieb wurden die Getriebe überflüssig und mit dem Podantrieb (Bild 2) wurde auch der Platz für den elektrischen Antriebsmotor nach außenbords verlagert. Damit gab es praktisch keine Hilfs- und Hauptdiesel mehr. Je nach Bedarf (Tag, Nacht) und Betrieb (Hafen-, See- und Revierbetrieb) laufen wenig, viel oder alle Dieselgeneratoren. Die Frequenz beträgt in der Regel 60 Hz und die Energieerzeugung erfolgt bei Mittelspannung von 6.000 – 10.000 V.

 

Auf den acht von Chantier Atlantique (Frankreich) und der Meyer Werft von 2000 – 2004 abgelieferten Kreuzfahrtschiffen der Millenium - Klasse für Celebrity Cruises und RCL wurden zwei Gasturbinen mit je 25.000 kW Nennleistung zum Generatorantrieb eingesetzt [4]. In nach geschalteten Abgaskesseln wird Dampf erzeugt, der einen Dampfturbogenerator mit einer Nennleistung von 7.800 kW antreibt. Als Vorteil wurde der geringe Platzbedarf der Gasturbogeneratoren gesehen. Die Gasturbinen haben niedrige Teillastwirkungsgrade und sind mit MDO zu betreiben. Die Beschränkung auf MDO ist der Nachteil, denn das verursacht heute extrem hohe Brennstoffkosten (ca. 40 Mio. $ /a). Diese Schiffe werden daher voraussichtlich 2007 umgebaut und erhalten zusätzliche Dieselmotoren zur E-Erzeugung.

 

4. E-Bedarf

Zur Ermittlung des E-Bedarfs wird eine E-Bilanz erstellt, in der alle E-Verbraucher abhängig von der Betriebsart aufgelistet werden. Mit Hilfe des Gleichzeitigkeitsfaktors, Erfahrung der Werft und des Zulieferbetriebs ergeben sich die notwendigen Leistungen zur Auslegung des Bordnetzes, der Generatoren und der Schaltanlage. Bei der Auswahl der Dieselgeneratoren wird viel Wert darauf gelegt, dass sie möglichst immer in einem wirtschaftlichen Lastbereich betrieben werden können.

 

Die Fahrmotoren (häufig POD`s) nehmen je nach Schiffsgeschwindigkeit hohe E-Leistungen auf, die im See- und Revierbetrieb berücksichtigt werden. Andere große Verbraucher sind die Querstrahlruder, die im Revierbetrieb benötigt werden. Die Verdichter zur Kälteerzeugung für die Klimaanlage zählen ebenfalls zu den großen E-Verbrauchern. Ihr Betrieb ist abhängig vom Fahrtgebiet und der Tages- bzw. Nachtzeit. Im Bild 3 wird das Schaltbild eines 2.500 Pax-Kreuzfahrtschiffes gezeigt. Zur E-Erzeugung stehen 6 Dieselgeneratoren mit rund 41.000 kW zur Verfügung. Die Fahrmotoren benötigten rund 28.000 kW für die Dienstgeschwindigkeit von 20 Knoten. Die als Hotellast bezeichnete Auslegung der restlichen Verbraucher beträgt rund 10.000 kW, im betrachteten Seebetrieb sind es 7.600 kW (2 Kälteverdichter in Betrieb).

 

5. Reduzierung E-Bedarf

In der Tabelle 1 wurden einige Themengruppen zur Energie- und damit auch zur CO­2-Einsparung aufgeführt. Dabei verfügt besonders die Abgasnutzung noch über ein hohen Potenzial [4, 5]]. Da viele Kreuzfahrtschiffe nur nachts fahren und tagsüber im Hafen oder auf Reede liegen, wird häufig argumentiert, dass sich die Investitionen nicht lohnen. Andererseits wird gerade im Seebetrieb die höchste E-Leistung benötigt und etwa 40 – 50 % wird davon mit dem Abgas durch den Schornstein geblasen. Bisher wird nur ein Teil der ausnutzbaren Abgasenergie zur Dampferzeugung genutzt, vorwiegend zur Brennstoffvorwärmung, Heizung und teilweise zur Trinkwassererzeugung. Die E-Erzeugung aus dem Abgas (Gasturbo-Dampfturbogeneratoren) ist die Ausnahme und wurde nur im Notfall (Gasturbinen-Kreuzfahrtschiffe der Millenium Klasse) angewendet [4, 5, 6]. Dieses Thema wird derzeit bearbeitet und es ist spannend, welche Reederei vorprescht.

 

Die Kühlwassernutzung erfolgt vielfach im Seebetrieb zur Trinkwassererzeugung, da auf großen Kreuzfahrern pro Tag 600 – 1.000 t Trinkwasser benötigt werden. Mehrstufige Seewasserverdampfer heizen mit Kühlwasser, und bei Unterdruck wird das Seewasser bei 35 – 60 °C verdampft und kondensiert (Bild 4). Aus verschiedenen Gründen erfolgt die Trinkwassererzeugung nicht im Revier und Hafen, sondern vorwiegend auf See, d. h. im Hafenbetrieb könnten je nach E-Bedarf 2.000 – 3.000 kW Kühlwasserwärme genutzt werden. Hier bieten sich Absorptionsklimaanlagen an, die sich derzeit bei der Marine in der Erprobung befinden. Die E-Einsparung durch Frequenzabsenkung wurde ausführlich in [7, 8] beschrieben, sie ergibt eigentlich immer Einsparungen, da das Schiff nie oder extrem selten mit den Nennbedingungen (100 % Antriebsleistung, 32 °C Seewasser- und 40 °C Lufttemperatur)betrieben wird (Bild 5).

 

Die E-Einsparung bei der Beleuchtung fand bisher wenig Beachtung, da der Anteil auf Handelsschiffen gering ist. Auf Passagierschiffen haben die Architekten, Designer und Lichtkünstler den E-Verbrauch für die Beleuchtung stark beeinflusst. Der spezifische E-Bedarf pro Person beträgt heute etwa 10 – 12 kWh pro Tag, das entspricht etwa dem gesamten E-Bedarf eines 2-Personen-Haushaltes an Land.

 

6. Beleuchtung

Der Lichtstrom ist die von einer Lichtquelle in allen Richtungen insgesamt abgestrahlte Lichtleistung. Der Lichtstrom wird in Lumen gemessen. Die spez. Lichtausbeute in Lumen pro Watt entspricht dem Wirkungsgrad und sagt aus, wie viel Lichtstrom mit der zugeführten elektrischen Leistung erzeugt wird.

 

Die Tabelle 2 [8] gibt Auskunft über die Lichtausbeute der verschiedenen Lichtquellen. Daraus wird deutlich, dass die Glühbirnen mit 13 – 15 Lumen pro Watt verglichen mit den Leuchtstofflampen mit elektronischem Vorschaltgerät (80 – 110 Lumen/Watt) sehr schlecht abschneiden. Die Natriumdampf-Hochdruck und –Niederdrucklampen mit 150 – 200 Lumen/Watt nutzen den elektrischen Strom am Besten, und sind um den Faktor 10 besser als die Glühlampen. Die 1962 erfundenen Leuchtdioden (LED) befinden sich noch in der Entwicklung, haben eine hohe Lichtausbeute bis 100 Lumen pro Watt, versprechen eine hohe Lebensdauer und sind sehr unempfindlich gegen Erschütterung (Bild 6).

 

Kreuzfahrtschiffe haben je nach Größe 30.000 – 80.000 Brennstellen und es werden je nach Reederei und Designer 100 – 500 verschiedene Leuchten verwendet. Da fast alle Brennstellen 24 Stunden in Betrieb sind, ergeben sich pro Jahr im Mittel rund 8.000 Betriebsstunden (Bild 7). Bei insgesamt 50.000 Brennstellen ergeben sich 400 Mio. Lampenbetriebsstunden. Bei einer mittleren Lebensdauer von 10.000 Betriebsstunden pro Lampe sind im Jahr rund 40.000 Lampen auszuwechseln.

 

6.1 Vorschaltgeräte

Die sparsamen Leuchtstofflampen benötigen ein Vorschaltgerät zur Strombegrenzung und zum Starten. Die anfangs verwendeten konventionellen Vorschaltgeräte (KVG) mit einem induktiven Widerstand verursachen Leistungsverluste von 25 – 30 % und werden in Europa nicht mehr hergestellt. Stattdessen werden die verlustarmen Vorschaltgeräte (VVG) mit rund 20 % Leistungsverluste eingesetzt. Die heute verfügbaren teureren elektronischen Vorschaltgeräte (EVG) haben praktisch keine Leistungsverluste und erzeugen daher weniger Wärme. Sie werden als Energiesparlampen auch mit Schraubsockel hergestellt, ermöglichen einen Sofortstart der Lampe, sind geräuschlos im Betrieb, benötigen keinen Starter mehr und defekte Lampen werden ausgeschaltet ( Tabelle 3).

 

 

In der Tabelle 4 wird ein Ergebnis der Untersuchung eines 2.500 Pax Kreuzfahrtschiff gezeigt [9]. Im Rahmen von Studienarbeiten haben zwei Studenten der TU Hamburg-Harburg und der TU Berlin eine einwöchige Karibik-Kreuzfahrt durchgeführt, um die Beleuchtung zu analysieren. Dabei wurden die Brennstellen Deck für Deck gezählt, Art und Typ der Lampe dokumentiert und auch fotografiert. Würden auf diesem Schiff elektronische Vorschaltgeräte verwendet, können 258 kW eingespart werden. Damit würde rund 258 kW weniger Verlustwärme entstehen, d. h. die Klimaanlage würde um Wärmezufuhr entlastet. Bei den Kälteverdichtern rechnet man mit Leistungszahlen von 3 – 4, d. h. der Kälteverdichter kann mit 1 kW elektrischer Antriebsleistung 4 kW thermische Kälteleistung erbringen.

 

Somit ergibt sich insgesamt eine elektrische Leistungseinsparung von 320 kW, die bei spez. Kosten von 0,08 US$/kWh (0,16 US$/kWh bei den Millenium Schiffen) eine jährliche Einsparung von rund 226.000 $/a (450.000 $/a) erbringen.

 

7. Klimatisierung

Mit der Einführung des elektrischen Stromes auf Schiffen wurde neben der Beleuchtung auch die Belüftung verbessert. Die Verbindung der Kältetechnik und Belüftung führte um 1900 zu Anlagen, die Heizen und Kühlen konnten. Mit der zusätzlichen Be- und Entfeuchtung wurde wenig später daraus die Klimatisierung, die das Reisen auch in tropischen Fahrtgebieten erträglich machte. Heutige Kreuzfahrtschiffe sind mit aufwändigen Klimaanlagen ausgestattet, die einen hohen elektrischen Strombedarf haben. In unserem Beispiel versorgen insgesamt 72 Klimazentralen in 32 Lüfterräumen das gesamte Schiff. Die Kälteversorgung übernehmen fünf Kälteverdichter im Maschinenraum, die als Kaltwassersätze ausgebildet sind mit einer Nennleistung von rund 4.000 kW. Das Kaltwassersystem mit einer Vorlauftemperatur von 4 °C versorgt die Luftkühler in den Klimazentralen. Die Frischluft wird mit Verwendung der Abluft um 3 °C abgekühlt, dafür sorgen die in der Klimaanlage integrierten Regeneratoren, langsam drehende Wärmetauscher.

 

8. Einsparungen

Das betrachtete 2.500 Pax Kreuzfahrtschiff benötigt für die Beleuchtung 1.470 kW. Werden die Beleuchtung und die Vorschaltgeräte optimiert, sinkt die benötigte Beleuchtungsleistung auf rund 1.100 kW, d. h. 370 kW werden eingespart. Bei einem Neubau würden sich durch weitere Maßnahmen insgesamt 447 kW einsparen lassen. Das sind 25 % (Nachrüstung) bzw. 30 % Einsparungen bezogen auf die ursprüngliche Beleuchtungsleistung.

 

Bei angenommenen Stromkosten von 0,08 $/kWh ergeben sich pro Jahr rund 237.000 $ Einsparungen. Die Maßnahmen beanspruchen Investitionskosten von 360.000 $, sind also in rund 1,6 Jahren durch die Einsparungen bezahlt. Bei einem Neubau erhöhen sich die Einsparungen auf rund 235.000 $/a. Bei gründlicher Planung ohne Investitionskosten, da die Dieselgeneratoren, die Schaltanlagen entsprechend kleiner und billiger ausfallen würden. Die CO2-Reduzierung beträgt rund 1.900 t/a bei der Modifizierung und rund 2.300 t/a bei einem Neubau (Tabelle 5). Bei diesen Betrachtungen wurden die Einsparungen durch die geringere E-Leistung der Klimaanlagen nicht berücksichtigt.

 

Würde die Klimaanlage umgestellt und zu rund 50 % als Absorptionsklimaanlage ausgeführt, ließen sich hier je nach Anordnung weitere 1.000 – 1.500 kW elektrische Leistung einsparen. Da das Abwärmeangebot des Kühlwassers nur auf See für die Trinkwassererzeugung genutzt wird, steht es im Hafen oder auf Reede für die Klimaanlage zur Verfügung. Auf See herrscht andererseits ein Überangebot an Abwärme aus dem Abgas, dann nutzbar in der Absorptionsklimaanlage. Bisher wird nur ein Teil der nutzbaren Abgaswärme in Abgaskesseln zur Dampferzeugung verwendet.

 

9. Zusammenfassung

Die extrem gestiegenen Brennstoffpreise und die CO2-Problematik erfordern eine bessere Nutzung der Primärenergie. Es werden verschiedene Maßnahmen aus dem Bereich der Hilfssysteme auf Schiffen angesprochen, die Möglichkeiten zur energetischen Optimierung beinhalten. Die Beleuchtung auf Kreuzfahrtschiffen ist der Schwerpunkt dieser Betrachtungen. Die Optimierung bei gleicher Lichtstärke ergibt für ein 2.500 Pax Kreuzfahrtschiff mit 370 – 400 kW rund 20 – 30 % Einsparungen im E-Verbrauch. Die dazu notwendigen Investitionen haben sich nach rund einem Jahr amortisiert. Die dabei reduzierte E-Leistng führt zu verringerter Wärmelast der Klimaanlage, wodurch auch hier E-Leistung gespart wird. Der Einsatz von Klimaanlagen ist der nächste Schritt, da die zum Betrieb notwendige Leistung jetzt als Abwärme ungenutzt die Umwelt belastet.

 

Literatur 

1]    N. N.: Climate Change 2007,IPPC 4. Assesment Report 2007

[2]    Verschiedene Verfasser: Berichte zu systemtechnischen Analysen von Anlagen und

Maschinen auf Schiffen, in Energieversorgungen und Industriebetrieben, 1993 TUHH Institut

für Elektrische Energiesysteme und Autiomation

[3]   Pahl, M.: Emil Rathenau und die AEG, ISBN 3-7758-1190-7, Verlag Hase&Koehler,

Mainz 1988 (S. 36)Erfinder

[4]    N. N.: Radiance of the Seas- das bisher größte in Deutschland gebaute

Passagierschiff, Schiff & Hafen Nr. 5/2001

[5]    Hochhaus, K.-H.; Abwärmenutzung auf Motorschiffen; Hansa Nr. 9/2006

[6]    Witthohn, R.: Emma Maersk, größtes Containerschiff der Welt in Fahrt; Schiff & Hafen

Nr.11/2006

[7]    Droste, W., Hochhaus, K.-H.: Reduzierung des elektrischen Energiebedarfs auf

Handelschiffen; Hansa Nr. 21/1987

[8]    Hochhaus,.K.-H., Gregor, W.: Beitrag zur Energieeinsparung im Hotelbetrieb großer

Passagierschiffe, STG Vortrag am 22.3.2007 in Hamburg, STG-Jahrbuch 2007

[9]   Dühnforth, Malte: Energieeinsparungen im Schiffsbetrieb durch Anwendung von

neuartigen Leuchtmitteln; 2006, Große Studienarbeit an der TUHH, Institut für elektrische

Energiesysteme und Automation

Bild 1: Edisons Skizze zur Glühlampe
Bild 1: Edisons Skizze zur Glühlampe
Bild 2: Pod, Kombination von E-Motor und Propeller (Foto: Schichau Seebeck Shipyard GmbH)
Bild 2: Pod, Kombination von E-Motor und Propeller (Foto: Schichau Seebeck Shipyard GmbH)
Bild 3: Schaltbild der E-Anlage eines Kreuzfahrtschiffes [8,9]
Bild 3: Schaltbild der E-Anlage eines Kreuzfahrtschiffes [8,9]
Bild 4: Entspannungsverdampfer für 750 t/d zur Trinkwassererzeugung auf Passagierschiffen (Foto Fa. Serck Como GmbH)
Bild 4: Entspannungsverdampfer für 750 t/d zur Trinkwassererzeugung auf Passagierschiffen (Foto Fa. Serck Como GmbH)
Bild 5: Schaltraum für Hochspannung (Foto: Prof. Ackermann)
Bild 5: Schaltraum für Hochspannung (Foto: Prof. Ackermann)
Bild 6:  LED mit Schraubfassung
Bild 6: LED mit Schraubfassung
Bild 7: Leistung 5 mal geringer, der Wartungsaufwand ist im Vergleich 10 – 15 mal geringer
Bild 7: Leistung 5 mal geringer, der Wartungsaufwand ist im Vergleich 10 – 15 mal geringer