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5. Juli 2024

Der Klimawandel, der durch menschliche Aktivitäten verursacht wird, ist eine gut etablierte Tatsache. Laut der vierten Studie der International Maritime Organization (IMO) über Treibhausgasemissionen machen die CO2-Emissionen aus dem Seeverkehr nur 2,89 % der weltweiten Gesamtemissionen aus.

Trotz dieses relativ niedrigen Prozentsatzes ist die IMO bestrebt, ihre Umweltbelastung zu reduzieren und hat dieses Ziel in ihre strategischen Richtlinien integriert. Hinsichtlich der Treibhausgasemissionen zielt die IMO darauf ab, die Emissionen des Seeverkehrs bis 2030 um 40 % im Vergleich zu den Werten von 2008 zu senken. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Maßnahmen wie der Energy Efficiency Existing Ship Index (EEXI) und der jährliche Indikator für die Betriebsintensität von Kohlendioxid (CII) eingeführt.

Die Aktivitäten an Bord, einschließlich der Antriebssysteme, der Klimaanlagen und der Hospitality-Dienstleistungen, tragen erheblich zum Energieverbrauch auf Kreuzfahrtschiffen bei. Mit einem zunehmenden Fokus auf Nachhaltigkeit und Umweltverantwortung erforscht die Kreuzfahrtindustrie innovative Technologien zur Verbesserung der Energieeffizienz und zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Eine dieser Technologien ist die Abwärmerückgewinnung (Waste Heat Recovery, WHR), ein Prozess, der überschüssige Wärme, die von den Motoren und anderen Systemen des Schiffes erzeugt wird, auffängt und wiederverwendet. Diese Abhandlung vertieft sich in die Prinzipien der WHR, ihre Implementierung auf Kreuzfahrtschiffen und die signifikanten Verbesserungen in Bezug auf Effizienz und Nachhaltigkeit, die sie bietet.

Prinzipien der Abwärmerückgewinnung

Die Abwärmerückgewinnung auf Kreuzfahrtschiffen ist entscheidend, um die Wärme, die sonst in die Umwelt abgegeben würde, zu nutzen und in nutzbare Energie umzuwandeln. Die Hauptquellen für Abwärme an Bord sind vor allem die Dieselgeneratoren. WHR-Systeme (Waste Heat Recovery) verwenden Technologien wie Wärmetauscher, Abgaskessel und Systeme zur Nutzung von Restdampf, um diese Wärme einzufangen und in Elektrizität oder thermische Energie für verschiedene Anwendungen an Bord umzuwandeln. Neben diesen Komponenten spielen Absorptionskältemaschinen eine bedeutende Rolle in WHR-Systemen, indem sie die Abwärme für Kühlzwecke nutzen. Absorptionskältemaschinen nehmen den Dampf des Kältemittels in einer absorbierenden Lösung auf, die durch die Abwärme von Motoren oder anderen Quellen betrieben wird. Dieser Prozess erzeugt gekühltes Wasser, das über das HVAC-System des Schiffes verteilt werden kann, wodurch die Kühleffizienz verbessert und die Belastung der herkömmlichen Kühlsysteme verringert wird. Darüber hinaus sind Hoch- und Niedertemperaturkreisläufe für ein effizientes Energiemanagement an Bord unerlässlich. Hochtemperaturkreisläufe verarbeiten die Wärme aus Quellen wie Motorabgasen und Kühlsystemen, die zur Dampferzeugung oder zur Bereitstellung von Heißwasser für verschiedene Zwecke genutzt werden können. Niedertemperaturkreisläufe verarbeiten weniger intensive Wärme, die typischerweise in Prozessen wie der Kühlung eingesetzt wird. Eine effektive Integration dieser Kreisläufe stellt sicher, dass die Abwärme maximiert wird, um die Gesamteffizienz und die Nachhaltigkeitspraktiken an Bord von Kreuzfahrtschiffen zu verbessern.

– Wärmetauscher:

Wärmetauscher sind wesentliche Komponenten an Bord von Kreuzfahrtschiffen und spielen eine entscheidende Rolle bei der Energieverwaltung und Effizienz. Diese Geräte übertragen Wärme zwischen zwei oder mehr Flüssigkeiten, ohne sie zu vermischen, und ermöglichen so die effektive Nutzung der thermischen Energie, die von verschiedenen Systemen an Bord des Schiffes erzeugt wird. Auf Kreuzfahrtschiffen werden Wärmetauscher in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, um die Betriebseffizienz und Nachhaltigkeit zu verbessern.

Eine der Hauptanwendungen von Wärmetauschern ist im Kühlsystem des Schiffsmotors. Hier übertragen sie Wärme vom Motorkühlmittel auf das Meerwasser, verhindern so eine Überhitzung des Motors und sorgen für optimale Leistung. Darüber hinaus sind Wärmetauscher in den HVAC-Systemen (Heizung, Lüftung und Klimatisierung) von entscheidender Bedeutung, da sie das Klima des Schiffes regulieren, indem sie Wärme vom Klimasystem an die Außenumgebung oder umgekehrt übertragen. Eine weitere wichtige Anwendung ist in den Abwärmerückgewinnungssystemen. Wärmetauscher fangen überschüssige Wärme aus den Abgasen des Schiffes und anderen Hochtemperaturprozessen ein, die dann zur Dampferzeugung für die Stromproduktion oder zur Erwärmung von Wasser für den Bordgebrauch genutzt wird. Dieser Prozess reduziert den Kraftstoffverbrauch erheblich und senkt die Treibhausgasemissionen.

Darüber hinaus werden Wärmetauscher in den Entsalzungsanlagen von Kreuzfahrtschiffen eingesetzt, wo sie helfen, Meerwasser in Süßwasser umzuwandeln, indem sie die Wärme aus dem Entsalzungsprozess zurückgewinnen und wiederverwenden.

Insgesamt unterstreicht die breite Verwendung von Wärmetauschern auf Kreuzfahrtschiffen deren Bedeutung bei der Verbesserung der Energieeffizienz, der Senkung der Betriebskosten und der Minimierung der Umweltauswirkungen des Schiffsbetriebs.

– Abgase:

Kreuzfahrtschiffe verwenden Abgaskessel (EGB), um die Abwärme aus den Motorabgasen zu nutzen. Strategisch im Abgassystem des Schiffes positioniert, übertragen die EGB die thermische Energie der Hochtemperaturabgase auf das Wasser, das durch Rohre oder Leitungen zirkuliert. Die EGB befinden sich im Schornstein oder Abgassystem des Schiffes, wo sie die Wärme aus den heißen Abgasen der Haupt- und Hilfsmotoren des Schiffes auffangen. Diese Abgase können Temperaturen von über 500°C erreichen. Dieser Prozess erzeugt Dampf, der für verschiedene Zwecke an Bord verwendet wird, insbesondere zur Bereitstellung von Warmwasser für verschiedene Dienstleistungen und Prozesse an Bord. Durch die effektive Nutzung der Abwärme verbessern die Abgaskessel die Energieeffizienz, senken die Betriebskosten und tragen zu nachhaltigen maritimen Praktiken bei, indem sie die Treibhausgasemissionen reduzieren.

– Restdampf:

Der Restdampf an Bord von Kreuzfahrtschiffen, der aus den Abgasen der Motoren und den Heizungssystemen erzeugt wird, kann genutzt werden, um die Energieeffizienz zu verbessern. Das Prinzip besteht darin, den Restdampf, oft ein Nebenprodukt der Abgaskessel der Motoren, zu verwenden, der typischerweise eine bedeutende thermische Energie enthält, die sonst verloren ginge. Durch die Implementierung von Abwärmerückgewinnungssystemen wie dem Organischen Rankine-Zyklus und Dampfturbinen kann dieser Dampf in Elektrizität umgewandelt oder zum Heizen verwendet werden, wodurch der Kraftstoffverbrauch und die Emissionen reduziert werden, was zur Nachhaltigkeit beiträgt.

Der Organische Rankine-Zyklus (ORC)

Das ORC-System ist ein thermodynamischer Prozess, der zur Umwandlung von Niedertemperatur-Wärmequellen in Elektrizität verwendet wird. Benannt nach dem konventionellen Rankine-Zyklus, verwendet das ORC-System organische Flüssigkeiten mit niedrigen Siedepunkten, wie Kältemittel oder Kohlenwasserstoffe, anstelle von Wasser. Diese Anpassung ermöglicht es dem ORC, Wärme aus Niedertemperaturquellen wie industrieller Abwärme, geothermischer Energie, Biomasseverbrennung und solarthermischer Energie effizient zu nutzen. Der ORC-Prozess umfasst vier Hauptphasen: Verdampfung, Expansion, Kondensation und Pumpen. Das Arbeitsmedium wird zunächst im Verdampfer durch die Niedertemperatur-Wärmequelle erhitzt, wodurch es verdampft. Dieser Hochdruckdampf wird dann verwendet, um eine Turbine oder einen Expander anzutreiben und Elektrizität zu erzeugen. Nach dem Durchlaufen der Turbine wird der Dampf im Kondensator wieder in Flüssigkeit kondensiert und in den Verdampfer zurückgepumpt, wodurch der Zyklus abgeschlossen wird.

ORC-Systeme sind besonders vorteilhaft, da sie in der Lage sind, Niedertemperaturwärme zu nutzen, die sonst verloren ginge. Sie bieten hohe Effizienz und Zuverlässigkeit, geringe Wartungsanforderungen und können entsprechend der Größe der Wärmequelle skaliert werden. Ihre Anwendung erstreckt sich über verschiedene Industrien, wodurch sie eine vielseitige und nachhaltige Lösung zur Verbesserung der Energieeffizienz und zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen darstellen.

Dampfturbinen

Dampfturbinen, die Restdampf nutzen, sind eine entscheidende Technologie zur Verbesserung der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit von Kreuzfahrtschiffen. Dampfturbinen fangen den Restdampf ein und wandeln seine thermische Energie in mechanische Arbeit um, die dann zur Stromerzeugung genutzt wird. Der Prozess beginnt damit, dass der Restdampf in die Turbine geleitet wird. Während der Dampf durch die Schaufeln der Turbine strömt, bringt er sie zum Drehen. Diese Rotationsbewegung treibt einen Generator an, der Elektrizität produziert. Durch die Nutzung des Restdampfes gewinnen diese Turbinen effektiv Energie zurück, die sonst verloren gehen würde, und verbessern so die gesamte Energieeffizienz.

Darüber hinaus entspricht der Einsatz von Dampfturbinen zur Rückgewinnung von Restdampf den Umweltvorschriften und Nachhaltigkeitszielen. Er hilft der maritimen Industrie, ihren CO₂-Fußabdruck zu reduzieren und sauberere, nachhaltigere Betriebsweisen zu fördern. Insgesamt stellen Dampfturbinen, die Restdampf nutzen, einen wichtigen Schritt in Richtung effizienterer und umweltfreundlicherer Energienutzung im maritimen Sektor dar. Im Kontext von Kreuzfahrtschiffen kann die Integration von Dampfturbinen mit Abwärmerückgewinnungssystemen den Kraftstoffverbrauch und die Treibhausgasemissionen erheblich senken. Allerdings stellt der begrenzte Platz an Bord bestehender Kreuzfahrtschiffe eine bedeutende Herausforderung dar, da das zusätzliche Gewicht eines Dampfturbinensystems berücksichtigt werden muss und nicht überall an Bord installiert werden kann.

Absorptionskältemaschinen

Absorptionskältemaschinen werden nahtlos in Kreuzfahrtschiffe integriert, um die Kühlwasserkapazität des HVAC-Systems (Heizung, Lüftung und Klimatisierung) zu erhöhen. Sie nutzen die Abwärme aus den Motorabgasen oder anderen Wärmequellen an Bord. Diese Abwärme ist entscheidend für den Betrieb des Absorptionskältekreislaufs. Während des Betriebs ermöglichen Absorptionskältemaschinen die Absorption des Kältemitteldampfes in eine Absorptionslösung, typischerweise Lithiumbromid. Wenn das Kältemittel verdampft und wieder kondensiert, entsteht gekühltes Wasser. Dieses gekühlte Wasser wird dann in das Kühlnetzwerk des Schiffes eingespeist und ergänzt die Kühllast des HVAC-Systems.

Normalerweise werden sie als Kühlwasser-Booster integriert und bieten mehrere Vorteile, da sie die gesamte Kühlkapazität des Schiffes erhöhen und sicherstellen, dass die Spitzenkühlanforderungen effizient erfüllt werden können. Durch die Nutzung von Abwärme zur Kühlung tragen Absorptionskältemaschinen zur Verbesserung der Energieeffizienz bei und reduzieren den Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Kompressionskältemaschinen, die ausschließlich auf elektrische Energie angewiesen sind. Diese Integration verbessert die betriebliche Flexibilität und ermöglicht es Kreuzfahrtschiffen, ihre Kühlbetriebe zu optimieren, wodurch die Umweltauswirkungen und Betriebskosten reduziert werden. Letztendlich spielen Absorptionskältemaschinen eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung nachhaltiger Praktiken an Bord von Kreuzfahrtschiffen und sorgen für komfortable Umgebungen sowohl für Passagiere als auch für die Besatzung.

Hoch- und Niedertemperaturkreisläufe:

Kreuzfahrtschiffe verlassen sich sowohl auf Hochtemperatur- als auch Niedertemperaturkreisläufe, um thermische Energie effektiv für verschiedene Betriebsanforderungen zu verwalten. Hochtemperaturkreisläufe beziehen sich hauptsächlich auf Dieselgeneratoren, um überschüssige Wärme von den Motorkühlsystemen aufzuzeichnen und auf heißes Wasser für verschiedene Anwendungen an Bord zu übertragen. Im Gegensatz dazu spielen Niedertemperaturkreisläufe eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung optimaler Kühl- und Klimabedingungen im gesamten Schiff. Sie verwalten essentielle Kühlsysteme zur Konservierung von verderblichen Gütern und Vorräten bei niedrigen Temperaturen. Darüber hinaus sind diese Kreisläufe integraler Bestandteil der HVAC-Infrastruktur des Schiffs und gewährleisten komfortable Innenräume sowohl für Passagiere als auch Besatzungsmitglieder.

Diese Systeme werden beispielsweise für die Vorwärmung von Frischwasser und das Heizen von Poolwasser an Bord verwendet. Hochtemperaturkreisläufe nutzen die Abwärme der Motoren zur Erwärmung des Trinkwassers, während Niedertemperaturkreisläufe oft für die Poolwasserheizung verwendet werden, die durch dedizierte Systeme an die HVAC-Infrastruktur des Schiffs angeschlossen sind. Dieser zweigleisige Ansatz gewährleistet, dass Passagiere warmes Wasser und komfortabel beheizte Poolanlagen genießen können, während gleichzeitig die Energieeffizienz optimiert und der Umwelteinfluss reduziert wird. Die Integration von Hoch- und Niedertemperaturkreisläufen wird durch fortschrittliche Wärmeaustauschprozesse und Steuerungssysteme erleichtert. Diese Integration optimiert die Gesamteffizienz durch das Recycling von Restwärme und die Reduzierung des Energieverbrauchs über verschiedene Betriebssysteme hinweg. Durch die effektive Nutzung beider Kreisläufe verbessern Kreuzfahrtschiffe ihre Nachhaltigkeitsbemühungen, verringern die Abhängigkeit von Treibstoff, senken die Treibhausgasemissionen und erzielen langfristige Kosteneinsparungen. Dieser ganzheitliche Ansatz unterstreicht das Engagement der maritimen Industrie für Umweltverantwortung und bietet gleichzeitig eine komfortable und effiziente Kreuzfahrterfahrung.

Implementierung an Bord

Die Implementierung von Abwärmerückgewinnungssystemen (WHR) auf Kreuzfahrtschiffen erfordert eine sorgfältige Planung und nahtlose Integration in die bestehende Infrastruktur. Dieser Prozess beginnt mit der Identifizierung und Quantifizierung der Abwärmequellen an Bord, wie etwa der Motorabgase und der Kühlsysteme. Ein wesentlicher nächster Schritt ist die Gestaltung eines WHR-Systems, das den einzigartigen betrieblichen Anforderungen des Schiffs entspricht, mit der Auswahl geeigneter Komponenten wie Wärmetauschern, Kesseln und Turbinen. Die Integration mit den bestehenden Energieerzeugungs- und Verteilungssystemen ist entscheidend, um einen reibungslosen Betrieb sicherzustellen. Zusätzlich werden kontinuierliche Überwachungssysteme implementiert, um die Leistung des WHR-Systems zu überwachen und im Laufe der Zeit die Effizienz zu optimieren. Dieser umfassende Ansatz maximiert nicht nur die Energiegewinnung, sondern verbessert auch die gesamte betriebliche Nachhaltigkeit, indem er den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen reduziert und gleichzeitig zuverlässige Dienstleistungen für die Passagiere an Bord aufrechterhält.

Verschiedene Kreuzfahrtunternehmen haben bereits begonnen, WHR-Systeme auf ihren Schiffen zu implementieren. Unternehmen wie Royal Caribbean und Carnival Corporation haben beispielsweise einige ihrer neuesten Schiffe mit fortschrittlichen WHR-Systemen ausgestattet, was zu signifikanten Reduzierungen im Kraftstoffverbrauch und den Emissionen geführt hat.

Effizienzverbesserungen

Abwärmerückgewinnungssysteme (WHR) stellen einen bedeutenden technologischen Fortschritt zur Verbesserung der Energieeffizienz auf Kreuzfahrtschiffen dar. Diese Systeme sind darauf ausgelegt, Abwärme von verschiedenen Quellen an Bord zu erfassen und zu nutzen, wie beispielsweise Motorabgase und Hilfssysteme. Durch die effektive Nutzung dieser ansonsten verschwendeten thermischen Energie können WHR-Systeme erhebliche Kraftstoffeinsparungen erzielen, typischerweise zwischen 10% und 15% des Gesamtkraftstoffverbrauchs. Diese Einsparungen hängen von den Betriebsbedingungen und der Effizienz der eingesetzten WHR-Technologie ab, einschließlich Komponenten wie Wärmetauschern, Abgasboilern und Systemen zur Nutzung von Restdampf.

Aus ingenieurtechnischer Sicht tragen WHR-Systeme zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen wie CO2, NOx und SOx bei. Diese Reduktion ist entscheidend, um den strengen internationalen Umweltvorschriften gerecht zu werden, die von internationalen Organisationen festgelegt wurden. Der aus zurückgewonnener Restwärme erzeugte Strom deckt nicht nur den Energiebedarf des Schiffs, sondern erhöht auch die Gesamtkapazität der Bordenergie. Diese zusätzliche elektrische Leistung verringert die Belastung der Hauptgeneratoren, optimiert deren Effizienz und verlängert ihre Betriebsdauer. Darüber hinaus spielen WHR-Systeme eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung des Wärmemanagements an Bord von Kreuzfahrtschiffen. Sie bieten effiziente Heizlösungen für Klimatisierungssysteme und tragen zur Bereitstellung von Warmwasser im gesamten Schiff bei. Diese doppelte Funktionalität gewährleistet nicht nur den Komfort der Passagiere, sondern maximiert auch die Effizienz der Energieverwendung.

Die Integration von WHR-Systemen auf Kreuzfahrtschiffen verbessert nicht nur die betriebliche Effizienz und finanzielle Einsparungen, sondern reduziert auch signifikant die Umweltbelastung. Durch die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen sowie die Optimierung der Energieverwendung unterstreichen WHR-Systeme das Engagement der Kreuzfahrtindustrie für Nachhaltigkeit und die Nutzung umweltfreundlicher Technologien. Dieser Ansatz profitiert nicht nur den Kreuzfahrtbetreibern durch Kosteneinsparungen, sondern fördert auch nachhaltige maritime Praktiken, die im Einklang mit globalen Bemühungen zum Umweltschutz in der Schifffahrtsindustrie stehen.

Zusätzlich zu den Effizienzverbesserungen tragen WHR-Systeme erheblich zur Nachhaltigkeitsbilanz von Kreuzfahrtschiffen bei. Die Kreuzfahrtindustrie steht zunehmend im Fokus hinsichtlich ihres Umwelteinflusses, und die Einführung der WHR-Technologie stellt einen proaktiven Schritt zu umweltfreundlicheren Betriebsabläufen dar. Durch die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen tragen WHR-Systeme dazu bei, den ökologischen Fußabdruck von Kreuzfahrtschiffen zu verringern, im Einklang mit globalen Anstrengungen zur Bekämpfung des Klimawandels.

Darüber hinaus setzt die Einführung der WHR-Technologie einen positiven Präzedenzfall für die breitere maritime Industrie. Während Kreuzfahrtgesellschaften die Validität und die Vorteile von WHR-Systemen demonstrieren, könnten andere Branchen wie der Frachttransport und Offshore-Operationen ermutigt werden, ähnliche Technologien zu übernehmen, was die Umweltvorteile in der gesamten maritimen Industrie verstärken würde.

Conclusione

Die Technologien zur Rückgewinnung von Abwärme (WHR) spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Nachhaltigkeit und der betrieblichen Effizienz an Bord von Kreuzfahrtschiffen. Sie umfassen fortschrittliche Systeme wie organische Rankine-Zyklus (ORC) Systeme, Wärmetauscher, Dampfturbinen und Absorptionskältemaschinen. Diese Systeme tragen gemeinsam dazu bei, den Kraftstoffverbrauch zu senken, Emissionen zu reduzieren und den Komfort der Passagiere zu gewährleisten.

Die ORC-Systeme sind ein Spitzenbeispiel für die Nutzung von Abwärme, indem sie Niedertemperaturwärme wie aus Motorabgasen oder Hilfssystemen in Elektrizität umwandeln. Dies geschieht durch einen geschlossenen Kreislauf mit organischen Fluiden. Dadurch wird nicht nur zusätzliche Energie erzeugt, sondern auch die Abhängigkeit von konventionellen Generatoren reduziert, was den Kraftstoffverbrauch optimiert und die Treibhausgasemissionen verringert. Wärmetauscher spielen eine entscheidende Rolle beim effizienten Wärmetransfer zwischen Flüssigkeiten, ohne sie zu vermischen. An Bord von Kreuzfahrtschiffen erfassen sie Abwärme aus Quellen wie Motorkühlungssystemen und Abgasen. Diese zurückgewonnene Wärme kann verwendet werden, um Trinkwasser vorzuwärmen, HVAC-Systeme zu unterstützen oder ORC-Systeme zur Stromerzeugung zu speisen, was die Gesamteffizienz des Schiffes steigert.

Als Ergänzung zu diesen Bemühungen nutzen Dampfturbinen den Hochdruckdampf aus Abwärmequellen, um Bordgeneratoren oder Antriebssysteme anzutreiben. Indem sie thermische Energie in mechanische Leistung umwandeln, maximieren Dampfturbinen die Nutzung sonst verschwendeter Wärme, was den Kraftstoffverbrauch und die Betriebskosten signifikant senkt. Gleichzeitig nutzen Absorptionskältemaschinen die Abwärme zur Unterstützung von Kühlsystemen an Bord, indem sie effizient gekühltes Wasser aus Abgasen oder anderen Quellen erzeugen, das für den Komfort von Passagieren und Besatzung unerlässlich ist.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Integration dieser Systeme in die Strategien zur Rückgewinnung von Abwärme auf Kreuzfahrtschiffen einen umfassenden Ansatz für Nachhaltigkeit und Effizienz darstellt. Diese Technologien tragen nicht nur zur Reduzierung der Umweltbelastung bei, sondern verbessern auch die betriebliche Resilienz und Rentabilität, während sie Kreuzfahrtschiffen ermöglichen, in eine grünere Zukunft zu segeln und außergewöhnliche Erlebnisse an Bord zu bieten.

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Luca Paglia

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