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Antriebstechnik

Der heutige Standard-Schiffsantrieb ist der Dieselmotor, befeuert mit Schweröl. Dieses Öl, ausraffinierter hochgiftiger Raffinerieabfall, ist billig. Diese Schiffe sind eigentlich fahrende Sondermüllverbrennungsanlagen zur Billigentsorgung hochgiftigen Sondermülls, der sonst sehr teuer spezialentsorgt werden müsste. Die Politik hat das inzwischen erkannt und ist bemüht, insbesondere die EU, das Schweröl zu verknappen und schrittweise aus dem Markt zu nehmen. Die Raffinerien selbst tragen durch eine erweiterte Ölausnutzung dazu bei, den Heiz- und Nutzwert des Öls zu verschlechtern und im Angebot am Markt zu reduzieren. Betrachtet man die Preis- und Ressourcenentwicklung des Erdöls ist klar, dass hier in sehr naher Zukunft ein Austausch dieser hoch die Umwelt belastenden Technologie stattfinden muss und stattfinden wird.

In Deutschland wurden der Otto- und Dieselmotor erfunden. Heute ist Deutschland weltweit federführend in der Entwicklung neuer Technologien auf das Basis erneuerbarer Energieträger. Das gilt für Wasserstoff, Biokraftstoffe, neue Motorenkonzepte, die Brennstoffzelle. Aber die Konkurrenz schläft nicht, außerhalb Deutschlands ist man besser in der Nutzanwendung und Umsetzung solcher Konzepte. Man quält sich weniger mit Bedenken, entscheidet schneller, finanziert nachhaltiger und setzt schneller um.

Deutschland ist noch immer eine der führenden und wesentlichen Seefahrtsnationen nach Flottengröße, internationalen Partnerschaften, Beteiligungen und Präferenzen wie nach Innovation im Schiffbau. Im Antriebssektor setzten deutsche Motorenentwicklungen Maßstäbe, sind sie marktführender Standard gerade im Schiffs- und Großmotorenbau. Aber die Konkurrenz schläft nicht und steht dem kaum nach. Im Schiffbau hat die europäische Werftindustrie - und nicht nur diese - im Sektor Standardschiffbau wesentlichste Anteile an Korea verloren vor allem durch die koreanische Subventionspolitik, die ermöglicht, Standardschiffe bis unter den Gestehungspreis anzubieten. China will hier nun neuer Marktführer werden. Die koreanische Werftindustrie - federführend Hyundai - hat dadurch zugleich ein enormes Know-How erworben, das nicht unterschätzt werden darf. Europa hat sich dennoch starke Positionen im Spezialschiffbau erhalten und durch hohe Innovation und Ersteinsatz neuer Technologien wie der Lasertechnik u.a.m. Vorteile gesichert. Das gilt für deutsche wie britische, finnische, niederländische (Benelux), norwegische, französische, italienische aber auch spanische Werften. Dabei haben sich Schwerpunkte herausgebildet. Hochwertige Passagier- und Kreuzfahrtschiffe sind in Deutschland, Frankreich, Italien, auch Finnland angesiedelt. Spezialtanker z.B. in Deutschland und Finnland, den Niederlanden und Norwegen. Eisbrecher kommen vorrangig aus Finnland. Offshore-Spezialschiffe sind eine norwegische Domäne inzwischen (seit einiger Zeit im Portfolio von Rolls Royce), auch die dänischen Entwicklungen stehen dem nicht nach. Deutschland hat eine aktuell starke Stellung im Marineschiff- und U-Bootbau, wie die letzten Ablieferungen zeigten. Siehe dazu das MEKO-Konzept und das Brennstoffzellen-U-Boot. Der Megayachtbau profitiert davon, deutsche Werften haben hier eine starke Stellung. Das als unvollständiger Ausriss.

 Bei der technischen Konzeptplanung der Stiftungsflotte spielt das eine wesentliche Rolle. Wir gehen einen Schritt weiter und wollen ein neues Schiffs- und Antriebskonzept, das in den Schiffsentwürfen bereits implementiert und integriert ist, "the next Generation".

Wie schon vorgestellt ist eine hohe Geschwindigkeit Basis des S.A.R.-Konzepts. Das bedingt leichte Schiffe mit leichten und sehr leistungsfähigen Antriebs- und Propulsionsanlagen. Die Gasturbine, das Full-Elektro-Konzept und die Waterjetpropulsion stehen hier im Focus der Planungen. Das in maximalstmöglicher Effizienzausbeute. Dazu kommen weitere Energieträgeroptionen zum Ersatz vom Schweröl und fossilen teuren Marinedieselölen und Gasturbinenkraftstoffen. Wasserstoff erzeugt aus regenerierbaren Grundstoffen ist hier ein Thema unter anderen im Zuge der laufenden Entwicklungen und technologischen Sackgassen. Entscheidend für die Effizienz, die Sicherheit wie die Betriebskosten sind die verfügbaren Kraftstoffe und deren Optionen. Gasturbinen verbrennen grundsätzlich fast alles. Das ist ihr großer Vorteil. Sie können mit flüssigen wie gasförmigen Brennstoffen betrieben werden. Von der deutschen Forschung und der internationalen Autoindustrie gehen hier wesentliche Impulse aus, die inzwischen auch von den führenden international tätigen Energie- und Ölunternehmen aufgegriffen und weiterentwickelt werden.

Inzwischen gibt es hier mehrere Richtungen, die nicht alle marinetauglich sind. Einige sind sehr interessant.

• Wasserstoff wäre sehr interessant, hat aber erhebliche Lagerungs- und Volumenprobleme, die Herstellung aus derzeit Erdöl und Erdgas ist nicht effizient und verbraucht zuviel Energie. Die erforderlichen Mehrbedarfsbereiche an Maschinenraum und Hilfsanlagen macht den Wasserstoff für den Standardfahrbetrieb eher zum Problem. Etablieren wird sich die Brennstoffzelle zur Erzeugung von Hilfs- und Hafenstrom auch aus wirtschaftlichen Gründen der Gebührenvorteile. Es gibt jedoch tragfähige Weiterungsoptionen, mit denen wir uns befassen wollen. Diese gehören in den marinen Kraftwerksbereich und sind für die Autoindustrie insbesondere zur Zeit nicht interessant.

• Ungeesterter Biodieselkraftstoff ist wegen seiner chemischen und bakteriologischen Eigenschaften ein wenig problematisch, diese Probleme wären jedoch sicher auch für den Gasturbinenbetrieb lösbar. Das sein Hauptvorteil, der Preis weggesteuert werden soll in Deutschland kann das Ende dieser Möglichkeit in Deutschland bedeuten. Das wäre politisch extrem unklug.

• Es bieten sich weitere Treibstoffentwicklungen an, von denen eine besonders interessant erscheint, die BTL-Treibstoffe, also Kraftstoff nicht nur aus Kernölen, sondern aus der gesamten Pflanze, aus Holz und Abfällen. Dieser ist schnell und billig zu raffinieren, steht nahezu unbegrenzt zur Verfügung, ist handhabbar wie Dieselöl und hat einige bessere technische Werte als dieses. Zudem sind sie wie Biodieselöl - ökologisch mit vergleichbaren Vorteilen - weniger gefährlich und von daher sicherer. Er kann in Motoren verbrannt werden ohne Probleme, also auch in Gasturbinen. MTU/General Electric haben inzwischen Biokraftstoffe in ihren Gasturbinen getestet und als Gasturbinenbrennstoffe lizensiert und zertifiziert.

• Nicht uninteressant ist "Autogas", also ein Derivat aus Methan- und Butangas. Allerdings sind Gase immer mit einem höheren Explosions- und Brandgefahrenpotienzial belastet vor allem, wenn man Großanlagen betreiben muss und eventuell Hochdrucktankanlagen benötigt. Das ist für die maritime Nutzung ein Sicherheitsproblem.

• Der in diesem Sinn effizienteste Treibstoff ist lebensmitteltaugliches "Salatöl", also Biodieselöl gleich welcher "Bauart". Das kann auch auf See notfalls über Bord gepumpt werden oder im Havariefall ins Meer laufen ohne solche Schäden zu bewirken wie fossile Öle und insbesondere Schweröl. Das wäre ein gewaltiger ökologischer Fortschritt und würde sich auf die Versicherungsrisiken und -prämien nachhaltig auswirken müssen. Anders als Wasserstoff haben diese Öle noch Restrückstände an Ruß, obwohl sie sonst an Stickoxyden neutral sind, sie setzen lediglich frei, was zuvor gebunden wurde in den Pflanzen und fügen nichts hinzu wie die fossilen Brennstoffe (Kohle und Öl).

• Die maritime Abgastechnik mit Wärmenachnutzung, Filterung und Abgasführung erlaubt anders als im Auto eine weitere massive Emissionsreduktion und Abgasnachnutzung (Abwärmenutzung in Abdampfturbinen, Wärmetauschung u.a.m.). Gerade die hohen Abgastemperaturen der Gasturbinen bis 800 ° Celsius bieten hier hervorragende effiziente Abhitze - und Kraftnachnutzungskoppelungen. Das mindert spürbar den Kraftstoffverbrauch zur schnelleren Amortisation solcher Investitionen für Schiffe: Eine Gasturbine von ca. 30.000 kW Leistung wiegt ca. 15 Tonnen, mißt ca. 2,5 x 2,5 x 7 Meter, ohne Generator und alternativ Getriebe. Ein Dieselmotor gleicher Leistung ist um ein mehrfaches größer und wiegt um 250 Tonnen und mehr. Eine Masse, die bewegt werden muss, daher zusätzlichen Treibstoff benötigt und mehr Raum im Schiff verbraucht. Der gleiche Raum kann für Hilfs- und Ergänzungsaggregate und ggf. eine zweite Turbinenlage genutzt werden, sodass im umbauten Raum des Motors etwa die doppelte Kraftleistung und mehr installiert werden kann. Der wirtschaftliche Vorteil einer Gasturbinenanlage liegt daher auf der Hand, einen preisgünstigen nebenkostenreduzierten Treibstoff vorausgesetzt und nicht den teuerstmöglichen Marine-Turbinendieselkraftstoff wie bisher.

Dazu kommt:

• In der Anfangsphase der Einführung von Gasturbinen - also Flugzeugtriebwerken - in den marinen Antriebsbereich war insbesondere der Treibstoffverbrauch dieser Turbinen noch hoch und sehr teuer. Daher spielten Gasturbinen zuerst im Bau schneller Marineeinheiten eine begrenzte Rolle als Zusatzantrieb für hohe Geschwindigkeiten. Inzwischen haben sich die Kg-Treibstoff-Verbräuche je kW  Leistung zwischen Motoren und Gasturbinen so weit angenährt, dass dieser Punkt nicht mehr im Zentrum steht. Sie liegen bei 180 bis 210 g/kW/h bei Motoren je nach Auslegung und Fahrstufe und um 200 bis 260 g/kW/h bei Gasturbinen. Insbesondere die Abgasnachverbrennung und Wassereinspritzverfahren (Overspray-Verfahren) erhöhen die Effizienz und Betriebsdauern der Heißteile wesentlich. Entscheidend ist heute nicht mehr der Volumenverbrauch allein, sondern die Gesamteffizienz, der Gesamtwirkungsgrad der Anlage relativ zum Verbrauch. Hier gehen alle Teilkomponenten ein, auch die Hydrodynamik des Rumpfes (Kasko) und der Propulsionsanlage (Fahrtwiderstände von Schrauben, Ruder, deren Wirkungsgrad neben denen von z.B.Waterjets). Bei schnellen Schiffen tritt die Aerodynamik des Überwasserschiffs hinzu. Höhere Geschwindigkeiten kosten Treibstoff, erhöhen aber auch die Umläufe und damit die Transportleistungen. Nicht umsonst werden große Containerschiffe wieder schneller.

• Gasturbinen zeichnen sich gegenüber Motoren durch eine große vibrationsarme Laufrufe und eine gute Lärmdämmbarkeit aus direkt verknüpfbar mit besonderem Explosions- und Brandschutz. Es fallen lange Wellen, deren Lager, Widerstandswerte und Vibrationen fort insbesondere in Full-Elektrokonzepten mit Waterjets, in denen die Turbine und der Generator einen "Powerplant" bilden wie der Fahrmotor und der Jet als "Propulsionsplant" mit zwischenlagerlosen Kurzwellen und inzwischen noch weitergehenden Lösungen. Die Stromanbindung erfolgt über fest verlegte Stromschienen und ein stufenlos phasen- und spannungsregelndes Steuerwerk.

• Gasturbinen sind kaltstartfähig und können binnen weniger Minuten auf volle Leistung hochgefahren werden. Bei Stromerzeugung steht damit sofort volle Leistung auch für die Propulsion zur Verfügung. Die Schiffe können daher "von der Pier weg" auf Höchstfahrt gehen, ohne die Motoren erst über teils stundenlangen Teillastbetrieb auf volle Betriebstemperatur durchwärmen zu müssen, um auf 90 bis 100% Leistung hochfahren zu dürfen. Ein solcher Kaltstart ist mit Dieselmotoren nicht möglich. Es ist auch nicht mehr erforderlich, die Motoren in einem vorgewärmten Sofort-Anlassbereitschaftszustand zu halten und sie dafür mit unökonomischer und motorenverschleißender Minimallast zwischen den Einsätzen auf Station durchlaufen zu lassen. Das verringert auch die Schadstoffemissionen, den Treibstoffverbrauch dafür auf Null und reduziert die Hafengebührten und Liegegelder, wo solche erhoben werden. Es gibt inzwischen für Emissionsarmut Rabatte.

• Waterjets haben gegenüber Schraubenantrieben eine höhere Leistungseffizienz und einen höheren Wirkungsgrad. Sie sind wie Ruder steuerbar und in der Steuerwirkung nicht mehr von Wassertiefe, Ruderfläche und Anströmung aus Fahrt und Strom abhängig, sie erzeugen ihren Steuerstrom und damit den Wirkungsgrad der Ruderwirkung selbst und unabhängig vom Außenstrom. Sie können hart umgesteuert werden ohne Leistungs- und Richtungsänderung der Powerplants durch mechanisches Umlenken des Fahrwasserstroms. Dazu braucht man sonst Verstellpropeller oder neuerdings 360 ° drehbare Motorgondeln "Azipods" unter dem Schiff. Die größten wiegen bis 300 Tonnen das Stück, und wenn  man damit irgendwo anschlägt hat man ein gewaltiges Problem. Die Technik darin ist auf Zehntelmillimeter genau justiert und eingemessen/eingeschliffen. Macht man da eine Beule hinein bedeutet das einen längeren Aufenthalt im Dock. Mit einem Waterjet kann das Schiff selbst aus voller Fahrt auf Kurzdistanz innerhalb einer bis weniger Schiffslängen aufstoppen durch mechanische Schubumkehr. Das ist überlebenswichtig beim Fahren und Hochgeschwindigkeitsfahren in schwerer See sowie beim Surfen auf und vor der See. Es erlaubt den Schiffen nicht nur "Wellengeschwindigkeit" zu fahren, sondern auch sehr schnell und präzise schwere Seen ausmanövrieren zu können. Zusammen mit einer dynamischen 3-D-Steuermatrix kann sich das Schiff in jede Manöverposition fahren, dort halten und sicher arbeiten auch bei schwerem Wetter. Das ist nebenbei eine wesentliche Voraussetzung für die Herstellung einer Schleppverbindung und das Schleppen, die Personenbergung aus dem Wasser und den Flugbetrieb. Es gibt noch einen wesentlichen Vorteil. Die Jets sind flachwasserfähig. Überfährt ein Schiff einmal ein Hindernis im Wasser, werden nicht mehr Schrauben und Ruder durch Beschädigung und Abriss gefährdet. Das Hineintörnen von Leinen und Schleppdrähten in die eigene Schraube ist hier kaum noch möglich. Es können auch keine Menschen mehr in die Schrauben gezogen und dort zerfetzt werden, ein hohes Risiko beim Verlassen eines Havaristen mit noch laufender Maschine und bei der Bergung von Personen aus dem Wasser. In solchem Falle muss sich ein motorgetriebenes Rettungsschiff mit stehender Maschine quer in der See liegend unkontrolliert treiben lassen. Sie können dabei über die Schwimmer und Rettungsboote treiben und diese ersäufen. Die Rettungsschiffe der Stiftung bleiben hier intakt und unter voller Fahrt- und Steuerkontrolle, sie stehen auf dem Punkt. Das ist ein enormer Gewinn an Sicherheit für die zu Rettenden wie für die Retter selbst. Das beschleunigt auch sehr wesentlich die ganze Rettungsaktion.

• Die räumliche Trennung und Distanz zwischen Powerplant und Propulsionsplant erlaubt im Sinne der Schiffsstabilität und des Netto-Betriebsraumverbrauchs andere Optionen und Optimierungsgrade der Gesamtkonstruktion, die mit einer schweren Motoren- und Wellenanlage so ebenfalls nicht möglich ist. Die Optionen mehrfach verschachtelbarer Redundanzen zur Ausfallsicherheit ist hier erstmals gegeben als weiterer Sicherheitsfaktor. Auch die Notabschaltung der Motorenanlage bei einem Krängungsgrad über 45 ° Schlagseite kann bei einer Full-Elektro-Gasturbinenanlage entfallen. Gasturbinen sind kurvenfähig und arbeiten auch "im Kopfstand", siehe den Loopingflug. Das gilt ebenso für Elektromotoren. Ein Schiff bleibt damit selbst in sehr gefährlicher Lage unter Antrieb, Steuerfähigkeit und unter Kontrolle. Es kann damit noch aus Situationen herausgefahren werden insbesondere bei Seeschlags- und Eigenresonanzlagen, in denen andere Schiffe kentern und sinken.

• GuD-Anlagen haben derzeit die beste Kraft-Energieeffizienz: Konventionelle Dampfkraft auf Kohlebasis erreicht bis 45 %, reine Gasturbinenanlagen bis 42 %. GuD-Anlagen erreichen 60 %, als Kraft-Wärmekoppelungsanlage - KWK-Anlage bis 80 % (Landkraftwerke). Vergleichbares gilt für Schiffsanlagen. Hier trägt eine hocheffiziente Stromerzeugung und eine verlustarme Stromschiene zum hohen Wirkungsgrad bei. Stichwort hierzu: Hochtemperatur-Supraleitertechnik.

Schiffsantriebe gleichen strukturell Kraftwerken hoher Leistung bis zur Versorgung einer kleinen Stadt. Sie können als autonome Blockkraftwerke betrachtet werden. Die Entwicklung von neuen Schiffsantrieben hat also Wirkung über den Schiffbau hinaus.

im Jahre 2003 wurden ca. 3,3 Milliarden Tonnen Rohöl verbraucht weltweit. Marinekraftstoff hatte daran einen Anteil von ca. 700 Millionen Tonnen, also ca. 21 %. Es ist klar ersichtlich, welche Ressourcenstreckung des fossilen Öles es bedeutet, Marinekraftstoffe durch Produkte aus erneuerbaren Stoffen kurzfristig  zu ersetzen und den Verbrauch  an fossilem Öl um jährlich ca. 21 % zu senken als globales Politikum von höchstem Rang.  Ein Währungsrisiko durch die Koppelung der Dollarbewertung an die Entwicklung des Ölmarktes besteht dennoch nicht, da dieser Ausfall durch die neuen Umsätze im Sektor Biokraftstoffe mit stark expandierender Ersetzungs- und Austauschwirkung ausgeglichen wird. Hier erst wird überhaupt die Basis der Währungskoppelung und Werterhaltung nach Zenitüberschreitung der fossilen Ölproduktion, die Marktexpansion, wieder in Gang gesetzt. Es gibt dazu defakto keine Alternative. Das gilt besonders nach den Fragwürdigwerden der zweiten Komponente, der Koppelung an die Immoblienmärkte zu deren aktuellen Wertberichtigungen nach unten in überhitzenden Märkten mit dem ersten spektakulären "Erfolg" der Fondschließung durch die Deutsche Bank als verheerendes Signal.

Hier kann, soll und wird die Stiftungsflotte neue Maßstäbe normschöpfend setzen.

Rev. 000.00 - 24.05.2010

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