Was uns antreibt - Teil IV: Spezialschiffe

Die ständige Weiterentwicklung alternativer Antriebstechnologien ermöglicht es auch Spezialschiffen, umweltfreundlich und ohne Betriebsunterbrechung zu fahren.

Im Gegensatz zu Fracht- und Passagierschiffen sind Spezialschiffe schwer zu kategorisieren. Sie zeichnen sich durch eine große Vielfalt an Funktionen, Abmessungen und Antriebskonzepten aus, die genau auf den jeweiligen Einsatzzweck zugeschnitten sein müssen. Im Vergleich zu anderen Schiffstypen ist die Funktionsvielfalt im Verhältnis zur Schiffsgröße deutlich höher, was oft zu Problemen mit dem verfügbaren Raum führt.

Jedes Spezialschiff ist für klar definierte Aufgaben ausgelegt, was es uns ermöglicht, alle Konstruktionsparameter während des Entwurfsprozesses genau zu bestimmen. In der Konzeptionsphase wenden wir eine Art Filterverfahren an, das es uns ermöglicht, Lösungen für alle Kundenanforderungen zu entwickeln.

Das Bewegungs- und Einsatzprofil gibt den Rahmen für die Konstruktion vor

Das Einsatzgebiet und die zurückzulegenden Entfernungen bestimmen viele Schlüsselparameter, wie z. B. die Schiffsabmessungen, die Geschwindigkeit und die Reichweite. Auch bei der Auswahl des Energieträgers spielt das Einsatzgebiet eine entscheidende Rolle. In Umweltschutzgebieten gelten bereits Emissionsgrenzwerte, die in einigen Fällen einen vollständigen lokalen Null-Emissionsbetrieb erfordern.

Die Verfügbarkeit verschiedener Energieträger - wie Diesel, Methanol, Ammoniak und Wasserstoff - oder ausreichende Landstromanschlüsse zur Batterieladung können die Wahl des Antriebskonzepts weiter einschränken.

Viele Spezialschiffe bieten jedoch den planerischen Vorteil, dass sie in einem begrenzten Gebiet verkehren und in bestimmten Häfen einen festen Liegeplatz haben. So lässt sich die erforderliche landseitige Infrastruktur zuverlässig planen und an einem einzigen, klar definierten Ort realisieren.

Die primäre Funktion des Schiffes führt zu einer Vielzahl von konstruktionsspezifischen Merkmalen

Wir beschäftigen uns seit 1994 mit dem Entwurf von Spezialschiffen und haben dabei eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten berücksichtigt. Im Gegensatz zu anderen Projekten konzentriert sich der konzeptionelle Entwurfsprozess nicht auf das Schiff selbst, sondern auf seine Funktionen - das Schiff wächst quasi um diese Anforderungen herum. In Kombination mit den Größenbeschränkungen, die sich aus dem Einsatzprofil ergeben, kann dies zu einer großen Herausforderung werden.

Insbesondere bei Spezialschiffen mit mehreren Funktionen ist der verfügbare Raum die wichtigste Ressource. Die erforderliche technische Ausrüstung konkurriert direkt mit dem Antriebssystem um Einbauraum. Alternative Energiesysteme benötigen wesentlich mehr Platz als herkömmliche Dieselmotoren und Kraftstofftanks.

Hinzu kommt, dass die technische Ausrüstung eines Spezialschiffes oft einen erheblichen Anteil an den Gesamtbaukosten ausmacht. Für Schiffseigner oder Behörden kann dies bedeuten, dass die höheren Anfangsinvestitionen für umweltfreundlichere Antriebssysteme das verfügbare Budget übersteigen.

Die kommerzielle Nutzung hat oft einen erheblichen Einfluss auf das verfügbare Budget

Große Schifffahrtsunternehmen betreiben oft Flotten von Spezialschiffen, die für die Instandhaltung ihrer Einnahmen generierenden Schiffe (z. B. Kreuzfahrtschiffe) eingesetzt werden. Eine hohe Zuverlässigkeit im täglichen Betrieb ist unabdingbar, da der Ausfall eines Spezialschiffs direkte Auswirkungen auf die Verfügbarkeit der kommerziellen Flotte haben kann. Daher werden erhebliche Mittel für die Gewährleistung eines unterbrechungsfreien Betriebs bereitgestellt. Auch alternative Antriebssysteme werden zunehmend bevorzugt, da diese Schiffe während des Betriebs für den Endkunden sichtbar sind und zu einem umweltbewussten Image beitragen.

Unternehmen, die spezialisierte Bau- und Wartungsarbeiten durchführen, nutzen ihre Spezialschiffe als gewinnbringende Anlagen. Jede Ausfallzeit dieser wichtigen Arbeitsplattformen führt direkt zu Umsatzeinbußen. Daher wird ein erheblicher Teil des Budgets in robuste und bewährte Technik investiert, während alternative Antriebslösungen nur in geringem Umfang eingesetzt werden.

Die öffentliche Hand betreibt Spezialschiffe, die kommerziell nicht rentabel sind. Diese Schiffe werden mit öffentlichen Mitteln finanziert und erwirtschaften nur selten direkte Einnahmen. Die Budgets sind eng definiert und bieten in der Regel wenig Flexibilität. Gleichzeitig sind die Behörden bestrebt, die staatlichen Umweltziele zu erfüllen und eine Vorreiterrolle zu übernehmen.

Eine umweltfreundliche Plattform für vielfältige Betriebskonzepte

Im Jahr 2021 haben wir ein Forschungsschiff für die Überwachung von Wasserstraßen entwickelt, das mit modernsten Laboreinrichtungen für die Analyse der Wasserqualität an Bord ausgestattet ist. Wasserpumpen im Unterdeck befördern die Proben direkt in das Labor auf dem Hauptdeck, das mit mehreren Computerarbeitsplätzen, Labortischen und Analysegeräten ausgestattet ist.

Darüber hinaus dient das Schiff als Informationsplattform für Fachgruppen, Gremien und Schulklassen. Der Betreiber ist eine regionale Behörde, die das Schiff als nicht-kommerziell einstuft.

Besonderer Wert wurde auf ein umweltfreundliches Antriebssystem gelegt, das mit der Weiterentwicklung der Technologien immer nachhaltiger betrieben werden kann. Das Bewegungs- und Einsatzprofil des Schiffes ist nicht stationär und erstreckt sich über mehrere Flusssysteme in Deutschland. Um die Flexibilität für unterschiedliche Streckenlängen zu gewährleisten, wurde ein Diesel-Hybrid-System auf Basis eines Gleichstrom-Zwischenkreises gewählt. Diese elektrische Architektur ermöglicht die zukünftige Integration zusätzlicher Energiequellen. Dementsprechend wurden bereits in der Planungsphase ausreichende Reservekapazitäten in den Schaltschränken vorgesehen.

Die installierte Batteriekapazität ist darauf ausgelegt, Lastspitzen auf längeren Fahrten abzufangen (Peak Shaving). Im lokalen Einsatzgebiet ist ein rein batterieelektrischer Betrieb möglich, was eine nahezu geräuschlose Probenahme in sensiblen Biotopen ermöglicht. Der geringe Tiefgang des Schiffes gewährleistet eine gute Zugänglichkeit zu Flussufern und Uferbereichen.

Die Generatoren sind so ausgelegt, dass sie die Batterien aufladen und gleichzeitig den Schiffsbetrieb unterstützen, wodurch Ausfallzeiten vermieden werden und die Motoren in einem optimalen Lastbereich arbeiten.

Um möglichen zukünftigen Änderungen des Betriebsprofils Rechnung zu tragen, ist das Schiff mit einem ausreichend großen Batterieraum ausgestattet, der eine Kapazitätserweiterung ermöglicht. Auch ein künftiger Wechsel der Kraftstoffart wurde berücksichtigt: Das offene Deck mit integrierten Containeranschlüssen ermöglicht die Installation von Wasserstoffsystemen in Containern. Langfristig können die Dieselgeneratoren durch Wasserstoff-Brennstoffzellen ersetzt werden.

Das modulare Konzept des Schiffes lässt sich an eine Vielzahl von Einsatzszenarien anpassen. So können zum Beispiel anstelle eines großen Labors zusätzliche Mannschaftskabinen eingebaut werden.

Universelle Gefahrenabwehr zur Rettung von Menschenleben

In einem weiteren Projekt wurden wir beauftragt, ein Hilfeleistungslösch- und Rettungsschiff (HLB) für eine Berufsfeuerwehr im Ruhrgebiet zu entwerfen. Das Schiff befindet sich derzeit im Bau. Mit seiner Bordausrüstung fungiert es als schwimmende Arbeitsplattform, die eine Vielzahl von technischen Einsätzen unterstützen kann.

Für eine optimale Übersicht ist das Steuerhaus achtern angeordnet, so dass sowohl die Brückenbesatzung als auch die Maschinisten jederzeit einen freien Blick auf das Einsatzgebiet haben. Zu den zahlreichen Aufgaben gehört die Brandbekämpfung - sowohl über fest installierte Wassermonitore an Bord als auch zur Unterstützung von Einsätzen an Land, wobei das Schiff als Pumpstation dient.

Eine weitere wichtige Aufgabe ist die Bergung von Gegenständen und Personen aus dem Wasser durch Taucher, die von einem Teleskopkran unterstützt werden. Das Schiff ist außerdem mit einer unter Druck stehenden Zitadelle ausgestattet, die das Eindringen von giftigen oder explosiven Gasen in das Innere verhindert. Besonderes Augenmerk wurde auf die Rettung von Personen von außen gelegt, die durch eine Luftschleuse in die Zitadelle gebracht werden können.

Das HLB unterscheidet sich von anderen Spezialschiffen dadurch, dass die Besatzungsmitglieder keine Berufsseeleute sind. Es wird von einer Berufsfeuerwehr betrieben, deren Haupteinsatzgebiet an Land liegt. Ein intuitives und benutzerfreundliches Steuerungssystem mit einem hohen Automatisierungsgrad, dynamischer Positionierung und Joystick-Steuerung reduziert die Arbeitsbelastung der Besatzung bei Einsätzen mit hohem Stressfaktor erheblich.

Weitere Konstruktionsüberlegungen ergeben sich aus dem Bewegungsprofil: Das Schiff wird voraussichtlich nur 200-500 Stunden pro Jahr in Betrieb sein. Bis auf wenige Ausnahmen finden alle Fahrten zwischen zwei Schleusen statt, und das Schiff kehrt nach jedem Einsatz an seinen Heimatliegeplatz zurück.

Daher wurde die Kapazität des Treibstofftanks bewusst auf weniger als 1.000 Liter begrenzt, was für typische, nur wenige Stunden dauernde Einsätze ausreichend ist. Bei längeren Einsätzen kann der Treibstoff über die feuerwehrinterne Logistik auf dem Land- oder Wasserweg nachgefüllt werden.

Mit einer Höchstgeschwindigkeit von 35 km/h bewegt sich das HLB in einem für ein Feuerlöschboot moderaten Geschwindigkeitsbereich. Höhere Geschwindigkeiten wurden aufgrund des begrenzten Einsatzgebietes zwischen den Schleusen und der Gefahr schwerer Schäden durch übermäßigen Nachlauf in den Kanälen ausgeschlossen. Die moderate Motorleistung ermöglichte eine Gewichts- und Kostenreduzierung.

Nach einer umfassenden Konzeptbewertung wurde ein konventionelles dieselmechanisches Antriebssystem ausgewählt. Ein wichtiger Grund waren die geringen jährlichen Betriebsstunden. Die Investition in ein Hybridsystem wäre sowohl finanziell als auch in Bezug auf die Emissionen so hoch, dass eine Amortisation über die Lebensdauer des Schiffes nicht möglich wäre. Darüber hinaus hätte der begrenzte Raum, der sich aus den kompakten Abmessungen des Schiffes und den umfangreichen Funktionsanforderungen ergibt, die Integration eines alternativen Antriebssystems zu einer großen Herausforderung gemacht.

Als Notfalleinsatzmittel ist das HLB nicht für die kommerzielle Nutzung vorgesehen. Es kann zwar indirekt die kommerzielle Schifffahrt durch die Beseitigung von Hindernissen oder die Hilfeleistung in Notfällen unterstützen, sein Hauptaugenmerk liegt jedoch auf der Lebensrettung, der Gefahrenabwehr und der Katastrophenhilfe.

Wasserstraßenschutz in einem Naturschutzgebiet mit geringen lokalen Emissionen

In diesem Projekt haben wir einen kleinen Schlepper mit einer Länge von weniger als 20 Metern für den Einsatz im Wattenmeer konzipiert. Das Schiff vereint mehrere Funktionen in einem kompakten Rumpf. Zu seinen Hauptaufgaben gehören Küstenschutzarbeiten und die Bergung von Trümmern. Aufgrund des Einsatzes im Wattenmeer ist ein geringer Tiefgang von weniger als einem Meter erforderlich, und der Schlepper muss trockenfallen können.

Trotz seiner geringen Größe ist das Schiff in der Lage, Lastkähne im Watt zu schleppen und in Häfen zu manövrieren. Für ausreichenden Schub sorgt ein vergleichsweise großer Propeller. Neben seinen Hauptaufgaben wird der Schlepper auch zum Eisbrechen in der Nähe von Brücken und Wasserbauwerken eingesetzt. Der Betreiber ist eine regionale Behörde, und das Schiff wird nur selten für kommerzielle Zwecke eingesetzt.

Eine wichtige Anforderung an das Antriebskonzept waren minimale Emissionen. Die Eignung verschiedener Systeme - vollständig batterieelektrischer Antrieb, Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren mit alternativen Kraftstoffen - wurde auf der Grundlage eines realistischen Betriebsprofils bewertet.

Das Schiff muss in der Lage sein, mehr als zwei aufeinanderfolgende Tage mit maximaler Leistung und einer Höchstgeschwindigkeit von 8 Knoten zu fahren. Aufgrund der geringen Größe des Schiffes kommen weder Batterien noch Brennstoffzellen in Frage. Auch die begrenzten Auftriebsreserven in Verbindung mit dem erforderlichen geringen Tiefgang schließen den Einsatz eines Hybridsystems aus. Daher kommt nur ein Verbrennungsmotor mit einem alternativen Kraftstoff in Frage.

Da das Einsatzgebiet ein Naturschutzgebiet ist, wurde Ammoniak als möglicher Brennstoff ausgeschlossen. Das Schiff ist für den Betrieb mit Methanol vorgesehen.

Zum Zeitpunkt des Entwurfs waren keine Methanolmotoren im erforderlichen niedrigen Leistungsbereich verfügbar. Daher wird das Schiff zunächst mit einem IMO Tier III-konformen Dieselmotor ausgestattet, der mit HVO-Kraftstoff betrieben wird, und für eine spätere Umrüstung auf Methanol vorbereitet. Die Treibstofftanks und -räume wurden entsprechend den geltenden Vorschriften ausgelegt, so dass für die Umrüstung auf den alternativen Treibstoff lediglich die Hauptmaschine und einige kleinere Hilfskomponenten ausgetauscht werden müssen.

Das Ende der Diesel-Ära?

Der technologische Fortschritt ermöglicht bereits Konstruktionen, die ausschließlich auf alternative Energieträger oder Batterien setzen. In der Praxis stellen jedoch die hohen anfänglichen Investitionskosten und die begrenzte Betriebserfahrung mit neuen Systemen oft erhebliche Hindernisse für Reeder und Behörden dar. Diesel-Hybrid-Lösungen stellen derzeit den Stand der Technik dar.

Konventionelle diesel-mechanische Systeme sind aufgrund neuer Vorschriften zur Abgasnachbehandlung und zu Emissionsgrenzwerten deutlich komplexer geworden. Beim Einsatz auf Spezialschiffen, die häufig zwischen Langstreckenbetrieb und Manövrieren wechseln, kann die Haltbarkeit des Systems beeinträchtigt werden. SCR-Katalysatoren und Abgasrückführungssysteme reagieren besonders empfindlich auf häufige Lastwechsel und die damit verbundenen Schwankungen von Abgastemperatur und -druck. Variable Lastprofile, insbesondere bei niedrigen Motordrehzahlen, können zu Rußbildung und Verstopfung in Abgasnachbehandlungssystemen führen.

Hybridantriebe mit Pufferbatterien können diese Lastschwankungen besser ausgleichen und den Systemverschleiß minimieren.

Wir erwarten, dass künftige Spezialschiffe von vornherein für alternative Energieträger ausgelegt werden. Um dies zu erreichen, müssen Reeder, Behörden und Werften Pionierarbeit leisten, um Betriebserfahrungen mit diesen Technologien zu sammeln. Für die meisten Anwendungen gibt es bereits Prototypen. Um diese Lösungen auf ein Niveau zu bringen, das für eine breite Akzeptanz geeignet ist, bedarf es unternehmerischen Mutes und der Bereitschaft, Veränderungen zuzulassen.