Antrieb ohne Öl Reeder planen das Hochsee-Schiff der Zukunft
Hamburg - Kaum eine Branche der Logistik unterliegt so starken konjunkturellen Schwankungen wie die Schifffahrt. Rund 90 Prozent aller weltweit gehandelten Güter legen einen Teil der Strecke vom Produzenten zum Konsumenten per Schiff zurück - die Reeder bekommen Veränderung im Welthandel deshalb sofort zu spüren.In den vergangenen Monaten sind auch noch die Preise für Erdöl drastisch gestiegen. Mit Folgen für die Transportunternehmen: Nahezu alle Frachtschiffe werden mit Schweröl betrieben. Der Treibstoff macht mittlerweile etwa 90 Prozent der Betriebskosten aus. Während eine Tonne im Frühjahr 2005 noch durchschnittlich 200 Dollar kostete, müssen die Reedereien inzwischen, je nach Qualität, bis zu 700 Dollar zahlen. Dabei ist Schweröl, auch Bunkeröl genannt, ein Abfallprodukt in der Erdölverarbeitung - ohne Schifffahrt müsste das Zeug teuer entsorgt werden.
Der Kraftstoffverbrauch eines modernen Containerriesen mit etwa 100.000 PS ist gigantisch: Ein solches Schiff verbrennt zwischen 12,5 und 14,5 Tonnen Kraftstoff - pro Stunde. Doch die Branche reklamiert für sich, die umweltfreundlichste Transportart zu sein: Schließlich fährt so ein Schiff etwa 12.000 Container durch die Welt. Pro Tonne und Kilometer sei der Schadstoffausstoß deshalb gar nicht so hoch.
Dennoch zwingen die hohe Kraftstoffpreise und die Klimadebatte Reedereien zum Umdenken: Um Öl zu sparen, müssen viele Kapitäne das Tempo drosseln. Fährt so ein Containerriese einen Knoten (1,852 Stundenkilometer) langsamer, verbraucht die Maschine über zehn Prozent weniger Kraftstoff.
"Die Reeder könnten durch neue Schiffe mit verbesserten Formen und durch effektivere Propeller noch mehr sparen", sagt Uwe Hollenbach, Experte für Antriebstechnik bei der Hamburgischen Schiffbau-Versuchsanstalt. "Wegen des hohen Ölpreises wird auch an neuen Formen der Energieerzeugung zum Betrieb des Propellers, aber auch an alternativen Antriebsformen ohne Propeller geforscht."
So experimentieren Werften mit modernen Dieselmotoren und mit Brennstoffzellen, die bislang vor allem in U-Booten eingesetzt werden. Andere Firmen entdecken das gute alte Segel oder den Flettnerantrieb aus den zwanziger Jahren wieder. Aber auch die Solarenergie, Wellenantriebe, Jetmotoren und Luftkissenfahrzeuge sollen die Schifffahrt revolutionieren.
Nicht alle Ansätze haben das Potential zur Marktreife, andere bieten vielversprechende Möglichkeiten. SPIEGEL ONLINE gibt einen Überblick über die Ideen der Branche.
Dieselmotor: Volle Kraft voraus
Weltweit fahren zurzeit etwa 50.000 Handelsschiffe zur See - allesamt angetrieben von Schiffsmotoren, die Schweröl verbrennen - ein Rückstandsprodukt, das bei der Herstellung von Benzin und Diesel entsteht. Dieses Öl wird als "Marine Fuel Oil", kurz: MFO gehandelt. Die Qualität schwankt beträchtlich - die Schwefelemissionen sind immens hoch.
Reeder setzen bei Schiffsneubauten nach wie vor auf Verbrennungsmotoren. "Zum Schweröl gibt es heute tatsächlich keine Alternative", erklärt ein Hamburger Frachterkapitän. Ein Dieselmotor für ein Containerschiff der Panamax-Klasse - 294 Meter lang, 32 Meter breit - bringt rund 50.000 PS Leistung, in der Post-Panamax-Klasse erreichen die Maschinen sogar 100.000 PS und mehr.
"Abgesehen von einem Atomantrieb reicht da keine andere Antriebsart heran", sagt der Kapitän. Schiffe dieser Größe werden aber gebraucht, solange Elektronik aus Taiwan, Kleidung aus Bangladesch und Obst aus Südamerika im großen Stil importiert werden.
Die modernen, mit Motor betriebenen Frachtschiffe haben sich allerdings in den vergangenen Jahren stark verändert. Die hohen Ölpreise und die Umweltauflagen haben die Nachfrage der Reeder verändert - längst spielen Themen wie saubere Verbrennung und kraftstoffsparende Technologie eine Rolle. So werden immer mehr Neubauten mit Common-Rail-Systemen ausgerüstet. Der Kraftstoff wird mit hohem Druck eingespritzt, was zu mehr Leistung, weniger Verbrauch und einer saubereren Verbrennung führt.
Brennstoffschiff: Am Ende bleibt nur Wasserdampf
Eine Alternative zum Öl-Aggregat wäre die Brennstoffzelle. Der Motor wird mit Hilfe von Wasserstoff angetrieben. In der Schifffahrt hat das System im U-Boot-Bau seinen festen Platz, weil es leise ist und unabhängig von der Außenluft - ideale Voraussetzungen für den Unterwassereinsatz.
In der Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff, am Ende bleibt reiner Wasserdampf übrig. Die Zelle wandelt die Energie aus dieser sogenannten kalten Verbrennung in elektrische Energie um, mit der ein Elektromotor betrieben wird.
Ende August soll nun auch das erste Fahrgastschiff mit Brennstoffzelle getauft werden: Die "Alsterwasser" soll künftig mit rund hundert Passagieren über die Alster und durch die Hamburger Kanäle tuckern. Mit 50 Kilogramm Wasserstoffgas wird das 25 Meter lange Schiff drei Tage fahren können. Für den Ausflugsdampfer ohne direkte Ruß-, CO2- und Schwefeldioxidausstoß legt der Käufer einen stolzen Preis hin: gut fünf Millionen Euro, doppelt so viel wie für ein Schiff mit herkömmlichem Dieselmotor.
Bis die Brennstoffzelle allerdings in der Frachtschifffahrt Verbreitung findet, dürfte es noch dauern. Der Antrieb auf dem Alsterschiff schafft gerade mal 130 PS. Brennstoffzellen, die genügend Leistung für einen Containerriesen bringen, existieren bislang nicht. Für die Herstellung von Wasserstoffgas wird zudem meistens Erdgas benötigt, die Herstellungskosten sind hoch, der Energieverlust insgesamt groß.
In vielen Ländern wird jedoch intensiv an der Brennstoffzellentechnologie gearbeitet: Die EU fördert Forscher in diesem Bereich mit finanziellen Mitteln, Südkorea will bis 2040 rund 15 Prozent seines Energiebedarfs mit Wasserstoff decken. Möglicherweise werden also auch die Schiffe der Zukunft tatsächlich mit Brennstoffzellen zur See fahren - und nichts als Wasser hinterlassen.
Solarboot: Antrieb per Sonnenlicht
Schiffe mit Solarantrieb fristen, ähnlich wie Solarautos und Solarflugzeuge, ein Außenseiterdasein. Doch die Entwicklung macht Fortschritte: Ende 2006/Anfang 2007 überquerte mit der Schweizer "Sun21" erstmals ein ausschließlich mit Sonnenenergie betriebenes Boot den Atlantik. Dem Schweizer Verein "Transatlatic21" ging es darum zu zeigen, "welches Potential die Solarenergie für die Schifffahrt hat".
Von Heidelberg aus fährt ein Ausflugsschiff mit Solarantrieb Touristen den Neckar rauf und runter, weltweit tüfteln Studenten an Solarbooten. Bei Sonnenschein bringen manche eine respektable Leistung, das Heidelberger Schiff beispielsweise kommt auf 150 PS. Die meisten Modelle funktionieren auch bei bewölktem Himmel, einfaches Tageslicht genügt und ein Teil der so erzeugten Energie wird in Batterien gespeichert.
Allerdings sind Boote mit Solarantrieb noch äußerst langsam und viel zu leistungsschwach, um schwerere Lasten zu transportieren. In der Frachtschifffahrt, sind sich Experten einig, wird Solartechnologie so bald keine Rolle spielen.
Atomantrieb: Im Kleinstadtformat durch die Weltmeere
Die "Otto Hahn" war das einzige deutsche Schiff, das jemals mit Nuklearantrieb zur See fuhr. Das in Kiel gebaute und 1968 offiziell in Betrieb genommene Forschungsschiff legte bis 1979 insgesamt 650.000 Seemeilen zurück - und diente nebenbei als Erzfrachter.
Bis auf einige russische Eisbrecher, den amerikanischen Frachter "Savannah", das japanische Handelsschiff "Mutsu" und eben die "Otto Hahn" haben Atomreaktoren nur auf militärischen Schiffen Verwendung gefunden: auf Flugzeugträgern und in U-Booten. An Bord wird in Druckwasserreaktoren Dampf erzeugt, eine Dampfturbine treibt dann den Propeller an.
Der erste Flugzeugträger mit Atomantrieb war die 1961 in Dienst gestellte "USS Enterprise" mit acht Reaktoren. Die heutigen US-Träger der Nimitz-Klasse - die größten der Welt - haben noch zwei Meiler. Frankreich stellte 2001 mit dem Flugzeugträger "Charles de Gaulle" das erste europäische nuklearbetriebene Kriegsschiff offiziell in Dienst, das allerdings mit fortwährenden Technikproblemen zu kämpfen hat. Bei der französischen Marine heißt es nun, so ein Schiff würde man heute, nach den bisherigen Erfahrung, nicht wieder bauen.
Großbritannien plant bis 2016 den Bau von zwei neuen Flugzeugträgern der sogenannten Queen-Elizabeth-Klasse - die größten, die jemals außerhalb der USA gebaut wurden. Doch das Verteidigungsministerium in London hat die Konsequenzen aus den Erfahrungen anderer Länder gezogen: Die britische Regierung hat sich gegen einen Kernenergieantrieb entschieden. Die beiden Riesen sollen nun mit Gasturbinen und Dieselgeneratoren betrieben werden.
Schiffsexperten sagen dem Atomantrieb keine Zukunft voraus: Wegen der Strahlung ist eine komplexe Abschirmung erforderlich, die Umweltbelastung durch den Atommüll ein ungelöstes Problem. Zu groß, zu kostspielig und, vor allem, im Fall einer Havarie viel zu gefährlich, lautet das Urteil der Experten.
Intelligente Propeller: Forschen am Rad
Welche Art von Motor auch verwendet wird - bei fast allen Schiffen ist es am Ende der Propeller, der das Schiff voranbringt. Einen Rumpf durchs Wasser zu treiben, geht damit noch immer am besten. Aber Propeller ist nicht gleich Propeller: Wie groß soll er sein? Wie viele Flügel soll er haben, drei, vier, fünf oder noch mehr? Welche Form sollen die Flügel haben? Sollen sie verstellbar sein? Und wie viele Propeller braucht das Schiff? Einen? Oder zwei?
Der Propellerantrieb ist eine Wissenschaft für sich. "Grundsätzlich gilt: Ein großer Propeller ist besser als zwei kleine, der Wirkungsgrad ist besser. Sonst braucht man zwei Maschinen, was wieder mehr kostet und das Schiff schwerer macht", sagt Uwe Hollenbach von der Hamburgischen Schiffbau-Versuchsanstalt. Anhand von Holzmodellen testen die Wissenschaftler, wie welcher Propeller auf die unterschiedlichen Schiffsrümpfe wirkt.
Propeller sind über eine Welle mit einem Motor verbunden. Dreht sich die Welle und damit der Propeller, werden die Flügel schräg von Wasser umströmt. Dadurch entsteht ein Druckgefälle, der Propeller schiebt sich - und das Schiff - in eine Richtung. Vom Rumpf hängt ab, welcher Propeller der geeignete ist. Je weniger Flügel, desto effizienter der Propeller - doch wenige Flügel bedeuten mehr Vibration, die sich auf das Schiff überträgt.
Ein weiteres Problem ist die sogenannte Kavitation, die Bildung und Auflösung von Hohlräumen in Form von Luftbläschen. Die zusammenfallenden Bläschen schaden den Flügeln. Hersteller von Propellern experimentieren deshalb mit der Neigung und Steigung der Flügel, aber auch mit neuen Materialien. Statt Metall verwenden sie für kleine Propeller zunehmend Verbundwerkstoffe.
Segelschiffe: Seefahrt per Windkraft
Viele hundert Jahre lang fuhren Menschen mit Segelschiffen zur See. Mit dem Aufkommen der Motorschifffahrt verlor das Segel in der kommerziellen und militärischen Schifffahrt jedoch an Bedeutung, während es im Segelsport perfektioniert wurde.
Jetzt, in Zeiten hoher Ölpreise, entdecken Tüftler, Techniker und auch Transportunternehmen das Segel wieder. Ende 2007 schickte der Bremer Reeder Niels Stolberg erstmals ein Frachtschiff mit einem zusätzlichen Gleitschirmantrieb auf Fahrt. Seither hat die Hamburger Firma Skysails, die das Segel entwickelt hat, weitere Reeder als Kunden gewonnen. Das Segel soll Kraftstoff sparen - nach Angaben von Skysails bis zu 50 Prozent bei optimalen Windbedingungen. Die Werte der ersten großen Reise über den Atlantik und zurück werden derzeit noch ausgewertet.
Wind bietet die Möglichkeit, den Vortrieb über das Segel ohne Verluste durch Energieumwandlung direkt auf das Schiff zu übertragen. Und windstill ist es in See nur selten. Trotzdem wollen Reeder von herkömmlichen Segelschiffen nichts wissen - sie machten sich ansonsten zu abhängig von der Witterung. Außerdem, heißt es in den Unternehmen, störten die Masten, man könne viel weniger Ladung transportieren als mit einem herkömmlichen Motorschiff.
"Für Schüttgut wäre ein Frachtsegler noch geeignet, aber für Container? Niemals", sagt ein Hamburger Reeder. Außerdem sei dahingestellt, ob sich ein Segelschiff ökonomisch lohne. "Man spart zwar eine Menge Kosten für Kraftstoff, muss aber für viel häufigere Verspätungen Strafzahlungen leisten. Außerdem braucht man für ein Segelschiff viel mehr Personal als für einen heutigen Tanker." Selbst das größte Containerschiff lässt sich mit rund einem Dutzend Mann Besatzung fahren.
Der Bundesverband Windenergie hält trotz aller Bedenken an der Vision eines Segelfrachters fest. "Irgendwann wird das kommen", sagt Heinz Otto vom Hamburger Landesvorstand. Wie lange das noch dauere, sei aber nicht absehbar. "Wir arbeiten daran", sagt er.
Flettnerantrieb: Rotierende Säulen an Deck
Am vergangenen Wochenende lief in Kiel ein Schiff mit skurrilen Säulen auf dem Deck vom Stapel. Die Pfeiler sind ein Windantrieb, gebaut vom größten deutschen Hersteller von Windrädern Enercon aus dem ostfriesischen Aurich. Das "E-Ship" wurde von der Lindenau-Werft gebaut, die Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt hatte den Rumpf des Frachters optimiert.
Die Säulen funktionieren im Prinzip wie ein Segel, nur dass sie, von einem Motor angetrieben, rotieren und sich dadurch ein 1852 vom Physiker Heinrich Gustav Magnus entdecktes Phänomen zunutze machen: Strömt Wind um ein rotierendes Objekt, entsteht auf der einen Seite ein Überdruck, so dass das Objekt in die entgegen gesetzte Richtung geschoben wird.
In den zwanziger Jahren nutzte der hessische Ingenieur Anton Flettner diese Erkenntnis erstmals im Schiffbau. 1924 stach die "Buckau", später "Baden-Baden" genannt, mit zwei Säulen in See. Zwei Jahre später überquerte der Flettnerrotor erstmals den Atlantik.
Jetzt gibt es eine Neuauflage: 130 Meter lang und 22 Meter breit ist das neue Schiff. Die vier Segelrotoren sind jeweils 25 Meter hoch und sind an den Ecken der Ladeluken angebracht. Zum Transport von Containern ist das Schiff jedoch nicht geeignet. Wie die Masten bei einem Segelschiff blockieren die Rotoren das Deck. Daher wurde das Schiff als "Roll-on-Roll-off"-Frachter konzipiert. Bei Enercon hofft man nun darauf, dass die Technologie aus den zwanziger Jahren eine Renaissance erlebt.
Luftkissenschiffe: Per Hovercraft gestrandet
Zu teuer, zu ineffizient: Das Urteil von Experten über Luftkissenboote ist eindeutig. Um ein Luftkissen zu erzeugen, werde extrem viel Energie benötigt. Zu viel, um ernsthaft als Alternative zu einem mit Diesel oder Öl betriebenen Schiff in Frage zu kommen. Luftkissenfahrzeuge, heißt es, machen - wenn überhaupt - als Fähre für kurze Strecken Sinn, wo es auf Schnelligkeit ankommt.
Entwickelt wurde das Luftkissenfahrzeug, das bei ebener Oberfläche auch über Land gleiten kann, in den fünfziger Jahren maßgeblich vom britischen Ingenieur Christopher Cockrell. 1959 überquerte erstmals ein Luftkissenboot den Ärmelkanal, zehn Jahre später nahm eine Fähre den Linienbetrieb auf - eine Revolution in der Schifffahrt.
Doch vor acht Jahren kam das Aus für die Luftkissen-Linie - der Betrieb war zu teuer. Kleinere Luftkissenboote sind heute vor allem als Sportgeräte im Einsatz, diverse Armeen nutzen Luftkissenfahrzeuge als Transporter.
Forscher konzentrieren sich nun im Segment der Frachtschiffe auf ein anderes Konzept, das mit Luft zu tun hat: Kleine Luftbläschen unter dem Rumpf sollen die Reibung reduzieren und ein Schiff schneller durchs Wasser gleiten lassen. Die niederländische DK Group arbeitet an einem Kompressorsystem, das Druckluft unter den Rumpf von großen Frachtern und Tankern pumpt.
Dadurch, heißt es bei dem Unternehmen, werde die Kontaktfläche zwischen Rumpf und Wasser verringert. Entsprechend sinke der Kraftstoffverbrauch um bis zu 15 Prozent. Das System lohnt sich aber nur bei großen Schiffen. Ein Praxistest steht zudem noch aus.
Jetantrieb: Wasserstrahl durch die Turbine
Wer einen Jetantrieb nutzt, will nicht Energie sparen, sondern schnell sein - wie militärische Schnellboote, Rettungsboote und Hochgeschwindigkeitsfähren. Oder einfach nur Spaß haben - wie beim Jetski-Fahren.
Ein Jetantrieb ist der Düsenantrieb für die Seefahrt: Wasser wird angesaugt und mit hohem Druck wieder ausgestoßen. In solchen Wasserstrahlsystemen finden üblicherweise Dieselmotoren oder Gasturbinen Anwendung.
In der Frachtschifffahrt sehen Experten für den Jetantrieb wegen des enormen Energieaufwands keinen Nutzen. In den genannten Einsatzgebieten dagegen arbeiten Firmen in aller Welt an verbesserten Motoren und einer besseren Nutzung der Energie.
Wellenkraft: Energie aus dem Meer
Ein Schiff ohne Motor und ohne Segel? Warum nicht, sagten sich schon 1850 die Briten, die ein Boot entwickelten, das ausschließlich von Wellen angetrieben wurde. Doch das Prinzip wurde im Zuge der Motorisierung nicht weiter verfolgt.
Jetzt arbeiten Forscher vor allem in Japan an der Entwicklung eines Schiffes, das die Strömung nutzt, um sein Ziel zu erreichen. An der Universität Tokai in der japanischen Hafenstadt Shimizu entwickelten Forscher zunächst ein Modell mit zwei Flügelblättern am Bug. Diese Konstruktion soll die Kraft der Wellen in Antriebswellen umwandeln.
Im März dieses Jahres startete dann der 69-jährige japanische Abenteurer Kenichi Horie mit der "Suntory Mermaid II" in Hawaii, um den Pazifik zu überqueren - angetrieben allein von der Energie des Seegangs. Mehr als drei Monate später erreichte er das rund 7000 Kilometer entfernte Japan - eine Strecke, die mit Dieselmotor innerhalb von etwa zehn Tagen zurückgelegt werden kann. Das Boot war langsamer als Schrittgeschwindigkeit gefahren.
In der Branche zeigt man dennoch Interesse für den Wellenantrieb. Eine entsprechende Konstruktion zusätzlich zum Dieselmotor könnte Schätzungen zufolge bis zu 15 Prozent Kraftstoff einsparen.
