Was uns antreibt - Teil II: Fahrgastschiffe

Während verschiedene alternative Treibstoffe auf Frachtschiffen bereits erprobt werden, rücken auch Fahrgastschiffe verstärkt in den Fokus. Das Bewusstsein für nachhaltige Schifffahrt wird bei Gästen immer größer.

Von stündlichen Sightseeing-Fahrten, mehrtägigen Flusskreuzfahrten, bis hin zu wochenlangen Seekreuzfahrten – Fahrgastschiffe bedienen unterschiedlichste Einsatzzwecke. Es steht bei diesen Fahrzeugen nicht der Transport von A nach B im Fokus. Das Schiff ist in diesem Fall ein Werkzeug, um Erlebnisse zu verkaufen.

Von stündlichen Sightseeing-Fahrten, mehrtägigen Flusskreuzfahrten, bis hin zu wochenlangen Seekreuzfahrten – Fahrgastschiffe bedienen unterschiedlichste Einsatzzwecke. Es steht bei diesen Fahrzeugen nicht der Transport von A nach B im Fokus. Das Schiff ist in diesem Fall ein Werkzeug, um Erlebnisse zu verkaufen.

Die rasch voranschreitenden technischen Möglichkeiten, außerordentliche Beschäftigungsangebote auf einem Schiff anzubieten, steigern die Anforderungen der Fahrgäste.

Unterhaltungsangebot, Kabinenanzahl und umweltfreundliche Antriebssysteme liefern sich einen Konkurrenzkampf um den begrenzten Platz an Bord. In unserem Designprozess ermitteln wir je nach Einsatzzweck und Fahrtgebiet des Schiffes die bestmögliche Kombination dieser konkurrierenden Bereiche. Wir sind seit 1994 eine feste Größe im Kreuzfahrtschiffbau und haben uns in zahlreichen Projekten unter Beweis stellen dürfen. Unsere Partner gingen bereits durch einige Hochs und Tiefs der Branche, welche aus unserer Perspektive deutlich ausgeprägter sind als in anderen Marktsegmenten wie im Spezial- oder Frachtschiffbau. In diesem Artikel möchten wir einige Einblicke geben und gemeinsam auf die Entwicklung der Branche schauen.

Die Anforderungen steigen – und somit auch die Schiffsgröße

Das Interesse an Kreuzfahrten wächst stetig. Die CLIA beobachtet einen weltweiten Anstieg von 15,87 Mio. Kreuzfahrttouristen im Jahr 2007 auf etwa 30 Mio. Passagiere im Jahr 2019. Nach dem Einbruch der Passagierzahlen während der COVID-19-Pandemie ist die Passagierzahl nach 2021 wieder stetig angewachsen. Für das Jahr 2025 werden etwa 35 Mio. Kreuzfahrtpassagiere erwartet. Die beliebtesten Ziele sind dabei Nordamerika und Europa.

Dem großen Andrang an Fahrgästen begegnet man mit immer größer werdenden Schiffen. Um konkurrenzfähig zu bleiben, steigt die Zahl an spektakulären Unterhaltungsanlagen an Bord. Go-Kart-Bahnen, Simulatoren, Rutschen, Wellensurfanlagen und Multifunktionsräume sollen ein abwechslungsreiches Erlebnis bieten. Die großzügigen Pooldecks werden mit immer aufwendigeren Glasdächern vor Umwelteinflüssen geschützt. Zunehmend werden auch große, nach oben offene, Atrien eingerichtet. Die Trennung zwischen Innen- und Außenraum verschwimmt.

Die Hauptattraktion ist nicht mehr die Reise, sondern das Schiff.

Durch die vielfältigen Möglichkeiten sind diese Reisen attraktiv für Menschen aller Altersklassen. Große Passagierzahlen auf einem Schiff reduzieren die Preise, sodass sie auch für Familien erschwinglich sind. Diese Großschiffe werden zumeist mit HFO oder MGO betrieben. Seit Dezember 2018 werden immer mehr Schiffe mit LNG-Antrieben ausgerüstet.

Auf Binnengewässern sehen wir in den letzten Jahren bei den Neubauten eine Entwicklung der Tagesausflugsschiffe hin zu Eventschiffen. Diese sind auf mehrstündige Veranstaltungen wie Künstlerauftritte, Partys, Produktpräsentationen, Geschäftsmeetings oder auch für ganztägige Schulungen und Tagungen ausgelegt.

Diese Angebote bringen immer mehr jüngere Fahrgäste an Bord. Bei Eventschiffen wird der Trend von auffahrbaren Glasdächern aufgegriffen: Auch hier verschwimmen Innen- und Außenbereiche. Mit modernen Bühnen und Multifunktionskonzepten ergeben sich vielseitige Unterhaltungskonzepte an Bord. Die Abstimmung zwischen Konstruktionsbüro, Innenarchitekten und Ausstattern wird immer intensiver.

Flusskreuzfahrtschiffe sind in ihrer Größe je nach Fahrtgebiet durch Schleusenmaße und Durchfahrtshöhen begrenzt. Ein übliches Maß für Flusskreuzfahrtschiffe sind 135 m Länge und 11,45 m Breite. Das größte Flusskreuzfahrtschiff Europas erhöht dieses Breitenmaß auf 17,70 m und verkleinert sein Fahrtgebiet zugunsten der Kapazität. Superlative, wie bei den Seekreuzfahrtschiffen, konkurrieren aufgrund der Größenbeschränkung mit der Fahrgastzahl und sind deshalb selbst auf den größten Flusskreuzfahrtschiffen nicht anzutreffen.

Wir erwarten eine baldige Erweiterung der Fahrtgebiete der Flusskreuzfahrtbranche auf den Küstenbereich. Dadurch werden die Vorteile der Seekreuzfahrt und der Flusskreuzfahrt kombiniert: Es ist einerseits möglich, die landseitige Infrastruktur zur Energieversorgung ausgiebig zu nutzen. Andererseits können mit der Entwicklung eines neuen Schiffstyps neue Routen erschlossen werden wie z.B. Köln – London, die Po-Ebene in Italien, sowie die Flussdeltas des europäischen Festlands. Als Gegentrend zu immer umfangreicher ausgestatteten See-Kreuzfahrtschiffen steht bei solchen Fahrten - statt der Attraktion an Bord - die Destination im Vordergrund. Die Entwicklung dieses Schiffstyps bedingt aufgrund der höheren Anforderungen im Küstenbereich eine umfängliche Betrachtung der Struktur- und Längsfestigkeit.

Klimaneutralität fordert Schiffsbetreiber heraus.

Seit 20 Jahren setzen wir uns mit der Integration von alternativen Antrieben auf Schiffen auseinander. Hierbei rückt der Treibstoff für die Flusskreuzfahrtschiffe der Zukunft immer mehr in den Fokus. In den letzten Jahren haben wir hierzu verschiedene Konzepte entwickelt.

Meist bieten sich hybride Varianten an, denen ein Gleichstromzwischenkreis zugrunde liegt. Die Systeme bestehen dabei aus einer Basis aus Batteriespeichern, welche mit zusätzlicher Leistung aus einem weiteren Energieträger unterstützt werden. Die potenziellen alternativen Treibstoffe, die wir in dieser Phase betrachten sind, neben einer vollelektrischen Variante, grün hergestelltes Methanol, Ammoniak und Wasserstoff.

Meist startet der Entwurf zunächst mit einer Diesel-Hybrid Variante. Durch die hohe Energiedichte ist der Platzbedarf des Treibstoffs gering. Zusätzlich können die Dieseltanks bei Binnenschiffen in Wallgang und Doppelboden untergebracht werden und stehen damit kaum in Konkurrenz zu den Passagierkapazitäten. In einem Maschinenraum mit klassischen Generatoren wird elektrische Energie produziert, die in den Gleichstromzwischenkreis eingespeist wird.

Das Methanol-Hybridsystem ist dem Diesel-Hybrid am nächsten. Methanol kann sowohl in Wasserstoff-Brennstoffzellen als auch in Methanol-Verbrennungsgeneratoren genutzt werden. Der Treibstoff wird wie Diesel in Strukturtanks im Wallgang untergebracht, welche jedoch nach Vorschrift einen zusätzlichen umlaufenden Kofferdamm zu angrenzenden Räumen benötigen. Hierdurch werden andere Unterdecksbereiche in ihrem Raumvolumen reduziert. In diversen Verbrennungsmaschinen kann Methanol direkt aus dem Tank eingespritzt werden. Bei der Nutzung einer Brennstoffzelle durchläuft es eine Treibstoffvorbereitung, in der Druck und Temperatur angepasst werden. Anschließend wird der Treibstoff reformiert, um Wasserstoff freizusetzen, welcher in die Brennstoffzelle befördert wird. Methanol ist lokal nicht emissionsfrei, es bedarf jedoch einer deutlich kleineren Abgasnachbehandlung als Diesel.

Beim Ammoniak-Hybridsystem wird ein ähnlicher Vorgang der Treibstoffvorbereitung durchlaufen. Der Unterschied zu Methanol ist, dass es nicht in Strukturtanks im Schiff untergebracht werden kann, sondern in speziellen Drucktanks gelagert werden muss. Es durchläuft zusätzlich zur Druck- und Temperaturanpassung einen „Cracking“ Vorgang, in dem es in Wasserstoff und Stickstoff zerteilt wird. Anschließend wird der Wasserstoff in Brennstoffzellen gegeben.

Die reine Wasserstoff-Hybrid Variante benötigt keine Umwandlungsprozesse. Der Treibstoff kann direkt in die Brennstoffzellen gegeben werden, was ein Vorteil gegenüber den anderen Varianten ist. Der entscheidende Vorteil von Methanol und Ammoniak ist jedoch, dass der Brennstoff stark komprimiert unter Deck gelagert werden kann. Die auftretende Diffusion der Wasserstoffatome durch die Tanks macht eine Lagerung in geschlossenen Räumen nur unter hohen Sicherheitsmaßnahmen möglich. Oft ist es sinnvoll, Wasserstofftanks im Außenbereich auf dem Oberdeck zu verorten. Hierfür müssen im Schiffsentwurf eines Hotelschiffs teure, begehrte Kabinenplätze entfallen.

Der Schutz von Fahrgästen hat höchste Priorität

Die größte Herausforderung bei der Nutzung der alternativen Energieträger in der Fahrgastbranche sind die Sicherheitsrisiken. Jeder Bereich, in dem Schnittstellen mit dem Brennstoffsystem auf dem Schiff aufzufinden sind, gilt als potenziell toxischer Bereich oder muss explosionsgeschützt von anderen Räumlichkeiten getrennt sein. Zusätzlich gibt es strenge Vorgaben zur Raumentlüftung, welche den Austrittspunkt der Luft aus diesen Räumlichkeiten weit abseits der Fahrgastbereiche definiert. Dies wird bspw. bei Seefrachtern über hohe, starre Abluftmaste realisiert.

Im Einsatzgebiet auf Flüssen müssen jedoch zusätzlich die Fixpunkthöhen und Schleusengrößen eingehalten werden. Wir realisieren in unseren Konzepten die Entlüftung oft mit einem großen teleskopierbaren Mast auf dem Oberdeck, welcher sich ca. 20 m nach Achtern und 10 m nach oben erstreckt. Szenarien wie das Unterfahren von Brücken oder der Aufenthalt in Schleusen stellen besondere Anforderungen an die Energiesysteme, die ohne Verwendung des primären Energieträgers funktionieren müssen.

Die Dimensionierung kommt aus der Frachtschifffahrt zu See, da die Vorschriften für die Systeme bisher noch nicht für Fahrgastschiffe im Binnenbereich deklariert wurden. Im Seeeinsatz gewährleisten die Schutzmaßnahmen die Sicherheit der Crew und des Schiffes selbst, während im Binnenbereich die Gefährdung von Anwohnern und angrenzenden Großstädten ebenso eine Rolle spielen muss. In Anlegesituationen müssen sich Personen sowohl schiffsseitig als auch landseitig außerhalb des Entlüftungsmastradius befinden. Die Evakuierung der Fahrgäste und Crew im Falle von austretendem Treibstoff kann im Binnenbereich schnell stattfinden, es könnten jedoch Umweltschäden im Gebiet eines Vorfalls entstehen.

Hohe Kosten, wenig Reichweite, wenig Unterstützung

Um einen Vergleichswert für die Platzeffizienz der alternativen Treibstoffe zu bilden, nahmen wir die Fahrgastkapazität als konstanten Wert über alle Konzepte an. Im Schnitt konnten wir unter dieser Annahme im Vergleich zum Dieselantrieb nur etwa ein Viertel der Energiekapazität an Methanol, ein Sechstel an Ammoniak und ein Achtel an Wasserstoff auf den Schiffskonzepten unterbringen. Dies ist auf die volumetrische Energiedichte der Treibstoffe, sowie den Platz für zusätzliche Betriebsmittel wie die Treibstoffvorbereitung zurückzuführen. Diese Werte ziehen sich über mehrere Projekte und sind über verschiedene Schiffsgrößen hinweg gemittelt.

Zudem sind die Anschaffungskosten (CAPEX) der alternativen Antriebssysteme maßgeblich höher als bei einem Diesel-Hybriden-System und bisher ist nicht klar, welcher alternative Treibstoff sich flächendeckend durchsetzen wird. Aus diesem Grund stagniert die Entwicklung der Infrastruktur, was auch die laufenden Kosten (OPEX) in die Höhe treibt. Reeder, die einen Schritt in diese Richtung wagen, gehen mit dem Einbau eines alternativen Antriebssystems durch die Ungewissheit der zukünftigen Entwicklung ein hohes Risiko ein. Gleichzeitig haben große Reedereien die Möglichkeit, durch einen „First Mover Advantage“ die Richtung mitzubestimmen. Kleinere Reedereien, die ihre Schiffe gerne auf ein alternatives Antriebssystem umrüsten möchten, sind auf die staatlichen Förderungen angewiesen und müssen im Strom zukünftiger Entwicklungen mitschwimmen.

Refits sind aufgrund von Platzmangel oft eine Herausforderung

Allein die deutsche Binnenschifffahrtsflotte umfasst etwa 1000 Fahrgastschiffe. Schon durch die begrenzten Kapazitäten der Werften ist es nicht machbar, alle Schiffe zeitnah durch Neubauten mit alternativen Antriebssystemen zur ersetzen. Viele Bestandsflotten auf europäischen Wasserstraßen haben in ihrem guten Zustand noch mehrere Jahrzehnte Einsatz vor sich, was den unmittelbaren Ersatz durch Neubauten sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch ausschließt.

Durch eine Hybridisierung der Bestandsflotte unter Einsatz von modernen Batteriesystemen, effizienten Generatorsätzen und aktiver Abgasnachbehandlung können die Emissionen deutlich gesenkt werden. Darauf zugeschnitten gibt es das Programm zur Förderung emissionsfreier und emissionsarmer Antriebe sowie der nachhaltigen Modernisierung von Binnenschiffen. Wir konnten diesen Prozess bereits in mehreren Aufträgen erfolgreich begleiten. Die beengten Platzverhältnisse erfordern eine genaue Platzierung und Dimensionierung der Komponenten. Dies stellen wir durch präzise 3D-Scans der bestehenden Schiffsräume sicher.

Viele Fahrgastschiffbetreiber sind anteilig in öffentlicher Hand, da sie an Städte und Gemeinden angegliedert sind. Bisher sind diese Betreiber meist von Förderungen ausgeschlossen. Die Einbindung ins Tagesgeschäft macht es vor allem kleinen Firmen schwer sich umfassend mit den technischen Themen um den Energiewandel, als auch den Fördertöpfen auseinanderzusetzen. Ohne diese Zuschüsse sind Umbauten zur Emissionsreduzierung kaum wirtschaftlich machbar.

Eine häufig auftretende Problematik ist die unscharfe Vorschriftenlage durch die Autoritäten. Die vorhandenen Diesel-mechanischen Antriebsanlagen erfüllen meist nicht die aktuellen Emissionsrichtlinien. Eine Umrüstung auf einen neuen, umweltfreundlicheren Antrieb zieht je nach Umfang eine Neuzulassung des Schiffes nach aktuellen Vorschriften nach sich. Dies würde in vielen Fällen für regulatorische Probleme sorgen und ggf. die Stilllegung bedeuten, da zum Beispiel die aktuell geltenden Stabilitätskriterien nicht mehr eingehalten werden können. Bisher bedarf es einer Einzelfallbetrachtung, welche Vorschriften infolge eines Umbaus eingehalten werden müssen. Für die Planung und Budgetierung eines Umbaus wäre eine einheitliche Entscheidungsmatrix hilfreich. Aus dieser sollte klar hervorgehen, in welchem Fall welche Vorschriften anzuwenden sind, und welche Baugruppen unter den Bestandsschutz fallen.

Reeder könnten mit einer solchen Matrix eine langfristige Modernisierungsstrategie entwickeln. Darin kann bewertet werden, bei welchen Schiffen sich Umbauten lohnen, und welche perspektivisch durch Neubauten ersetzt werden sollen. Es ist aktuell nicht endgültig absehbar, welche Antriebssysteme für Fahrgastschiffe sich in den jeweiligen Märkten durchsetzen werden. Eine Prognose für die Entwicklungen in den kommenden 15 Jahre ist nicht trivial.

Die Hersteller der Motoren stecken investieren stark in die Entwicklung von Methanol-Motoren. Die Produktportfolios werden hinsichtlich der Leistung von oben nach unten erweitert. Methanol-Großmotoren sind bereits im Einsatz. Für die Fahrgastschifffahrt im Küsten- und Binnenbereich ist die Leistungsklasse von ca. 150-700 kW wichtig. Es kommen immer mehr Motoren in diesem Leistungsbereich auf den Markt.  Es ist absehbar, dass die Autoritäten die Regularien für Methanol kurzfristig nachschärfen werden, sodass Schiffe nach gleichbleibendem Standard geplant und gebaut werden können.

Der Einsatz von Brennstoffzellen zeigt ebenfalls neue Entwicklungen: Jüngst haben Viking Cruises zusammen mit Fincantieri ihre Strategie für den Einsatz von containerisierten Brennstoffzellen-Tank-Modulen vorgestellt, die mit verflüssigtem Wasserstoff betrieben werden.

Die Zukunft ist geprägt von Ungewissheit

Das Publikum für Kreuzfahrten im Binnen- und Küstenbereich wird jünger. Dadurch ergeben sich neue Anforderungen an die Fahrtgebiete, Aufteilung, Design und Ausstattung der Schiffe. Bei der Zielgruppe ist außerdem ein geschärftes Bewusstsein für Nachhaltigkeit zu erwarten, was die Anforderungen insbesondere an den Antrieb verändern wird.

Während der Druck zur Emissionsreduzierung steigt, müssen Betreiber weiterhin wirtschaftlich agieren. Besonders herausfordernd ist die Balance zwischen Passagierkapazität, Unterhaltungsangebot und dem Platzbedarf umweltfreundlicher Technologien.

Wie bereits bei der Frachtschifffahrt erkennbar, mangelt es auch hier an einer einheitlichen Strategie für den Übergang zur Klimaneutralität. Die Infrastruktur für alternative Energieträger ist unzureichend ausgebaut, weil klare politische Richtlinien fehlen. Dies führt dazu, dass Reedereien, die sich für nachhaltige Technologien entscheiden, ein hohes unternehmerisches Risiko tragen. Europaweit einheitliche Regularien nebst einer koordinierten Entwicklung der Infrastruktur können, zusammen mit gezielten Förderprogrammen, die Attraktivität eines Umstiegs auf einen klimafreundlichen Antrieb deutlich erhöhen.