Ein moderner Schiffsdieselmotor ist ein Kraftpaket, doch er hat ein physikalisches Problem: Mehr als 50 Prozent der eingesetzten Brennstoffenergie verpuffen ungenutzt als Abwärme. Eine Lösung für den Schiffbau bieten Adsorptionskältemaschinen. Anstatt Strom aus zusätzlichen Dieselgeneratoren zu nutzen, um mechanische Kältemaschinen anzutreiben, wandeln sie die vorhandene Abwärme des Schiffsantriebs an Bord in Nutzkälte um. Die wird vor dem Hintergrund der regulatorischen Anforderungen zur CO2-Minimierung der IMO durch EEDI (Energy Efficiency Design Index) und den CII (Carbon Intensity Indicator) immer wichtiger.
Die Adsorptionskältemaschine (AdKM) ist eine sogenannte thermisch angetriebene Kälteanlage. Sie kommt ohne mechanischen Verdichter aus und nutzt den physikalischen Prozess der Adsorption. Bei der Adsorptionskältemaschine lagert sich ein Gas an der porösen Oberfläche eines Feststoffs an. Dieser Feststoff, das sogenannte Sorptionsmittel, ist unbeweglich in Kammern (dem Adsorber) verbaut. Selbst wenn das Schiff in schweren Wellengang gerät, bleibt das Sorptionsmaterial dort, wo es hingehört. Das macht die AdKM zur weitaus robusteren Wahl für den maritimen Einsatz.
Als Adsorbens kommen Hochleistungsmaterialien zum Einsatz, die eine riesige innere Oberfläche besitzen. Am häufigsten werden Silikagel (Kieselgel) oder Zeolith verwendet. Ein einziges Gramm Zeolith kann durch seine mikroskopisch kleinen Poren und Kanäle eine innere Oberfläche von über 1.000 Quadratmetern aufweisen. Dieses Material fungiert als eine Art molekularer Schwamm.
Als Kältemittel wird destilliertes Wasser eingesetzt. Wasser ist auf Schiffen verfügbar, ungiftig, nicht brennbar und bietet eine hohe spezifische Verdampfungsenthalpie. Das bedeutet: Wenn Wasser verdampft, entzieht es seiner Umgebung viel Wärmeenergie. Da das Wasser im System unter einem starken Vakuum (Unterdruck) steht, verdampft es nicht erst bei 100 °C, sondern bereits bei kühlen 3 bis 5 °C. Die Adsorptionskältemaschine macht sich also das Bestreben des trockenen Silikagels oder Zeoliths zunutze, diesen kalten Wasserdampf in seine Poren einzusaugen.
Die Funktion der Adsorptionskältemaschine lässt sich auf ein einfaches Prinzip reduzieren. Da der physikalische Prozess der Adsorption von Natur aus diskontinuierlich abläuft – ein Sorptionsmittel muss erst Feuchtigkeit ansaugen und danach wieder getrocknet werden –, nutzen Anlagen für den Dauerbetrieb in der Regel zwei Module, die antizyklisch (phasenverschoben) arbeiten.
Eine Adsorptionskältemaschine besteht hydraulisch aus drei Kreisläufen: dem Antriebskreislauf (heißes Kühlwasser vom Schiffsmotor), dem Kaltwasserkreislauf (Nutzkälte für die Verbraucher) und dem Rückkühlkreislauf (meist mit Meerwasser betrieben). Im Gegensatz zu klassischen Kompressions-Kältemaschinen verzichtet dieser gesamte Ablauf auf mechanische Verdichter und nutzt das ohnehin vorhandene Heißwasser der Schiffsmotoren als thermischen Kompressor. Die Kälte wird in hermetisch abgedichteten Kammern unter einem extremen Vakuum erzeugt und durchläuft vier Phasen.
Ein modernes Schiff ist ein autarkes, komplexes Ökosystem. Quasi eine schwimmende Kleinstadt, die fernab landseitiger Infrastruktur teils monatelang reibungslos funktionieren muss. Einer der wichtigsten Faktoren beim Aufbau eines Schiffes ist das thermische Management. Doch wofür genau wird auf den Ozeanen eigentlich Kälte benötigt?
Die Kälteerzeugung auf Schiffen teilt sich im Wesentlichen in vier Einsatzbereiche auf:
All diese essenziellen Einsatzbereiche haben eines gemeinsam: Werden sie ausschließlich über klassische, elektrische Kompressionskältemaschinen betrieben, fressen sie Mengen an Strom. Dieser Strom muss von den dieselbetriebenen Hilfsgeneratoren des Schiffes (Auxiliary Engines) teuer und emissionsreich erzeugt werden. Adsorptionskältemaschinen entfalten hier ihr Potenzial: Sie liefern kontinuierlich Kaltwasser von 5 bis 7 °C. Damit sind sie geeignet, um die größten Energiefresser an Bord – die Klimatisierung der Kabinen und die Kühlung der Serverräume – nahezu kostenneutral und rein aus der Abwärme der Motoren zu betreiben.
Ein TGA-Planer, der an herkömmliche Kältetechnik gewöhnt ist, wäre beim Wirkungsgrad einer Adsorptionskältemaschine verwundert. Die thermische Leistungszahl (der COP = Coefficient of Performance) liegt bei diesen Anlagen oft nur zwischen 0,5 und 0,7. Das bedeutet: Aus 100 kW thermischer Antriebsenergie werden rund 50 bis 70 kW Kälteleistung erzeugt.
Was auf dem Papier nach einem geringen Wirkungsgrad aussieht, ist auf einem Schiff ein wirtschaftlicher und ökologischer Faktor. Die genutzte Abwärme ist nämlich kostenlos. Sie ist ein Abfallprodukt der Motorenkühlung, das ansonsten einfach ins Meer geleitet würde. Der Betrieb der Adsorptionsanlage benötigt lediglich minimal Strom für die Umwälzpumpen und die Sensorik.
Die Entscheidung für eine thermisch angetriebene Kühlung ist für Schiffsbetreiber eine regulatorische und strategische Notwendigkeit. Die Umstellung auf die Adsorptionskühlung adressiert gleich mehrere Kernprobleme der modernen Seefahrt auf einmal.
Senkung des elektrischen Energiebedarfs
Herkömmliche, stromgeführte Kompressionskältemaschinen gehören zu den größten Verbrauchern im Bordnetz. Durch die Nutzung von ohnehin vorhandener Abwärme als Antriebsquelle reduziert die Adsorptionskältemaschine den Strombedarf für die Kälteerzeugung um bis zu 80 Prozent. Das entlastet die Hilfsdiesel enorm, spart Tausende Tonnen Treibstoff pro Jahr und verbessert das CII-Rating des Schiffs drastisch.
Maximale Robustheit bei Seegang
Auf dem Meer herrschen andere physikalische Gesetze als an Land. Ein Schiff stampft, rollt und vibriert ununterbrochen. Während Absorptionskältemaschinen (mit flüssigen Medien) durch das Schwappen im Tank massiv an Leistung verlieren können, nutzt die Adsorptionskältemaschine einen Feststoff (Silikagel oder Zeolith). Dieser unbewegliche Feststoff garantiert einen stabilen, störungsfreien Prozess, selbst wenn das Schiff durch schwerste See manövriert.
Nahezu wartungsfrei
Ein System, das keine großen mechanischen Verdichter besitzt, unterliegt auch keinem mechanischen Verschleiß. Die Vakuumpumpen und Umwälzpumpen sind die einzigen beweglichen Teile. Das reduziert Wartungsintervalle, senkt Ersatzteilkosten und entlastet die Crew im Maschinenraum.
100 % umweltfreundliches Kältemittel
Fluorierte Treibhausgase (F-Gase) als Kältemittel werden durch internationale Regularien (wie das Kigali-Amendment) immer strenger reglementiert und teuer. Die AdKM nutzt reines Wasser als Kältemittel. Es ist ungiftig, nicht brennbar, und das Treibhauspotenzial (Global Warming Potential, GWP) liegt bei null. Bei einer eventuellen Leckage droht weder der Umwelt noch der Besatzung eine Gefahr.
Erfüllung regulatorischer Anforderungen
Der Effizienzsprung durch Adsorptionskühlung ist heute wichtiger denn je. Seit Anfang 2023 gelten für die internationale Schifffahrt die strengen IMO-Regularien EEXI (Energy Efficiency Existing Ship Index) und der CII (Carbon Intensity Indicator). Ein Schiff, das ein schlechtes CII-Rating erhält (D oder E), muss zwingend Nachbesserungspläne vorlegen und droht, seine Betriebserlaubnis zu verlieren.
Da der elektrische Strom auf Schiffen aus Dieselgeneratoren stammt, verschlechtert jede eingesparte Kilowattstunde Strom für die Kühlung automatisch die CO₂-Bilanz. Pioniere der Branche machen es bereits vor: Im Rahmen des EU-Forschungsprojekts Engimmonia wird auf der Passagierfähre F/B Elyros eine optimierte Adsorptionskältemaschine getestet, die gezielt die Motorabwärme nutzt, um den großen Passagierbereich zu kühlen.
Eine noch so fortschrittliche Adsorptionskältemaschine im Maschinenraum verliert ihren gesamten technologischen und wirtschaftlichen Wert, wenn die erzeugte Kälte auf dem Weg zu den Verbrauchern verloren geht. Auf großen Fracht- oder Kreuzfahrtschiffen muss das im Verdampfer auf 5 bis 7 °C heruntergekühlte Wasser oft hunderte Meter weit transportiert werden – zu den Klimaregistern der Kabinen, zu den Kühllagern für den Proviant oder in die Server- und Technikräume. Bei der Medienverteilung zeigt sich die Qualität der TGA-Planung. Die Bedingungen auf See sind für Rohrleitungssysteme höchst anspruchsvoll.
Um den thermischen Kreislauf der Anlage absolut verlustfrei, sicher und langlebig zu schließen, setzen Werften, Planer und Reedereien auf fortschrittliche Kunststoff-Rohrleitungssysteme wie aquatherm blue. Das Rohr aus hochresistentem Polypropylen (PP-RCT) wurde speziell für die Herausforderungen in der Kälte- und Klimatechnik entwickelt und spielt im maritimen Einsatz seine Stärken voll aus.
Die Schifffahrt muss Emissionen und Treibstoffverbrauch massiv senken. Adsorptionskältemaschinen bieten hierfür einen wichtigen Beitrag: Sie wandeln ohnehin vorhandene Motorabwärme direkt in Nutzkälte um. Dieser Verzicht auf stromfressende Kompressoren spart bis zu 80 Prozent der elektrischen Kühlenergie und verbessert das vorgeschriebene CII-Rating des Schiffes maßgeblich. Da das System auf Wasser als Kältemittel und feste Sorptionsmittel setzt, arbeitet es zudem völlig unempfindlich gegenüber schwerem Seegang und strengen Umweltauflagen.
Die höchste Effizienz bei der Kälteerzeugung verpufft jedoch, wenn die Infrastruktur nicht optimal darauf ausgelegt ist. Salzhaltige Seeluft, hohe Luftfeuchtigkeit und ständige Vibrationen bringen klassische Metallrohre durch Korrosion und Kondenswasser an ihre Grenzen. Eine zukunftssichere und wirtschaftliche TGA-Planung auf See erfordert daher den Systemwechsel bei der Medienverteilung. Erst mit leichten, wärmedämmenden und dauerhaft korrosionsfreien Kunststoff-Rohrleitungssystemen wie aquatherm blue (PP-RCT) wird der thermische Kreislauf sicher und ohne Kälteverluste geschlossen
Sie planen die Integration einer klimafreundlichen Adsorptionskälteanlage auf See oder suchen nach langlebigen, korrosionsfreien Rohrsystemen für maritime Kältekreisläufe? Ob Neubau (Newbuild) oder Nachrüstung (Retrofit): aquatherm begleitet Planer, Werften und Reeder von der ersten Trassenplanung und Materialauslegung bis hin zur finalen Umsetzung. Nutzen Sie unsere Expertise im maritimen Sektor.
