Benutzer:JoergWilhelmHeinrich/Öko-Schiff

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Öko-Schiffe, sind Wasserfahrzeuge, deren Technik und/oder Design auf Ziele des Umweltschutzes ausgerichtet sind; zusätzlich kann auch die Verwendung zu der Bezeichnung "Öko-Schiff" beitragen. Letzteres gilt vor allem für Segelboote und Segelschiffe, deren Antriebsenergie schon immer umweltfreundlich war; als "Ökoschiffe" werden sie bezeichnet, wenn sie z. B. wieder als Frachtschiffe Verwendung finden. Abzugrenzen wären Ökoschiffe gegenüber der ökologischen Um- und Ausrüstung herkömmlicher Schiffe: Effizienzsteigerung des Antriebs, Partikelfilter und Entschwefelungsanlagen für die Abgase, Zusatzantriebe aus regenerativen Energien usw. (siehe Umweltschutz in der Seeschifffahrt). Diese Maßnahmen sind kurzfristig umsetzbar und haben einen viel breiteren Anwendungsbereich als der Bau von Ökoschiffen; letztere dienen eher langfristigen Zielen, sollen ein grundsätzliches Umdenken in der Forschung und Entwicklung des Schiffbaus einleiten, ganz allgemein für den Umweltschutz werben oder ein umweltbewusstes Image des Eigners oder eines Unternehmens unterstreichen.

Technik

Als Antriebsenergie können regenerative Quellen genutzt werden, vor allem die Wind- und Sonnenenergie; für Hochseeschiffe kommt zusätzlich auch die Wellenenergie in Betracht. Andere auf dem Meer verfügbare Energiequellen (siehe Meeresenergie) wurden bisher nicht herangezogen - vermutlich weil das Verhältnis von Aufwand zum Ertrag zu ungünstig ist. Grundsätzlich muss entschieden werden, ob Nutzenergie aus regenerativen Quellen an Land gewonnen werden soll, um sie auf dem Schiff in gespeicherter Form (Batterien, Wasserstofftanks) mitzunehmen, oder ob die Nutzenergie auch auf dem Schiff selbst erzeugt werden soll (mobile Krafterke). Das erstgenannte Verfahren setzt eine entsprechende Infrastruktur der Häfen voraus (z.B. Wasserstofftankstellen). Dementsprechend kommt es für Schiffe infrage, die innerhalb solcher Infrastrukturen immer die gleiche Route benutzen (z.B. Fähren). Wird dagegen auf eine gewisse Unabhängigkeit bei der Wahl der Route Wert gelegt, erscheint es sinnvoll, die Nutzenergie auch an Bord zu erzeugen. Aber auch dann können Energiespeicher sinnvoll sein, um auch die während der Liegezeiten eines Schiffs anfallende Energie zu nutzen und Unterschiede im Energieaufkommen während der Fahrt auszugleichen. Im Folgenden werden wir uns auf Schiffe beschränken, welche die Nutzenergie an Bord erzeugen - Ökoschiffe im engeren Sinn. Damit soll die Berechtigung der anderen oben beschriebenen Alternative - Schiffe mit regenerativ erzeugter Energie in Speichern - nicht in Frage gestellt werden; diese Alternative passt aber besser in das Kapitel Umweltschutz in der Seeschifffahrt.

Sonnenenergie

Das Potential ermittelt man anhand von Land- bzw. Seekarten - z.B. die Weltkarte von William M. Connolley[1] - in denen die durchschnittliche Globalstrahlung auf eine waagrechte Fläche von je einem Quadratmeter eingetragen sind. Die Energie dieser Strahlung wird meist in W/m2 (Watt pro Quadratmeter) oder in kWh/m2 . a (Kilowatt pro Quadratmeter und Jahr) angegeben. Die Umrechnung dieser beiden Größen ineinander erfolgt über die Zahl der Jahresstunden, also 365 Tage mal 24 Stunden = 8760 Stunden. Dabei wird nicht berücksichtigt, dass die Globalstrahlung praktisch nur tagsüber anfällt. Das muss bei der Berechnung der Leistung für den Direktantrieb eines Solarschiffes mit Solarzellen bedacht werden.

Um die durchschnittlich produzierte Nutzenergie auf einem Solarschiff abzuschätzen, wird von den tageszeitlichen und jahreszeitlichen Schwankungen der Globalstrahlung abgesehen, aber davon ausgegangen, dass das Schiff nur während der hellen Tageszeit fährt, die mit 12 Stunden angesetzt wird. Ferner wird vorausgesetzt, dass die Solarzellen annähernd waagrecht angeordnet sind; werden sie nachgeführt, d.h. mittels Stellmotoren senkrecht zu den Sonnenstrahlen ausgerichtet, sind höhere Leistungen zu erwarten.

Zur Abschätzung der unter diesen Voraussetzungen zu erwartenden Leistung wird die in dem Operationsgebiet des Schiffes vorherrschende Globalstrahlung mit dem Wirkungsgrad der Solarzellen, deren Fläche in m2 und dem Wirkungsgrad der die Schiffspropeller antreibenden Elektromotoren multipliziert. Der Wirkungsgrad von monokristallinen Solarzellen liegt derzeit (2010) bei 20%[2], wird aber in den kommenden Jahren wahrscheinlich noch gesteigert werden können. Für die eben dargestellte Berechnung wird der Wirkungsgrad als Dezimalbruch zwischen 0 und 1 ausgedrückt, der obige Wert geht als mit 0,20 in die Rechnung ein. Der Wirkungsgrad von Elektromotoren ist sehr hoch und kann mit über 0,9 angesetzt werden.

Die Tûranor PlanetSolar

Als Beispiel eines Solarschiffes wird hier die Tûranor PlanetSolar gezeigt. Weitere Solarschiffe finden sich im Artikel "Solarfahrzeuge", Abschnitt "Solarboote". Am Beispiel der Tûranor PlanetSolar soll die oben beschriebene Berechnung der Leistung der Solarzellen für den Direktantrieb des Schiffes vorgenommen werden, also die elektrische Leistung, die ohne Inanspruchnahme der Batterien allein durch die Solarzellen zur Verfügung steht.

Die Fläche der Solarzellen beträgt 537 m2, deren Wirkungsgrad wird mit 0,22 angegeben. Für die Nordsee ist eine mittleren Globalstrahlung von 100 W/m2 realistisch, das sind für 24 Stunden 2400 Wh/m2 = 2,4 kWh/m2. Da sich diese Strahlungsmenge aber auf die hellen Stunden des Tages konzentriert, erhalten wir für einen Durchschnitts-Tag von 12 Stunden Helligkeit 2,4 kWh/m2/12h = 0,200 kW/m2. Auf die Gesamtfläche der Solarzellen strahlt also eine Energie von 0,200 kW/m2 mal 537 m2 = 107,4 kW ein. Die Solarzellen setzen davon 107,4 kW mal 0,22 = 23,63 kW um, die an die Motoren geliefert wird. Diese haben als Elektromotoren einen guten Wirkungsgrad, den wir einmal mit 0,95 annehmen. Sie geben somit eine Leistung von 23,63 kW mal 0,95 = 22,45 KW ab. Das entspricht einer Motorleistung von 30,5 PS. Im Mittelmeer sind bei einer Globalstrahlung von 180 W/m2 etwa 27 kW (36 PS) zu erwarten, in der Karibik mit angenommenen 300 W/m2 ergibt sich eine Motorleistung von 67 kW (91 PS).

Quellen

Einzelnachweise

  1. ↑ Weltkarte von W. M. Connolley Sonnenenergie in Watt pro Quadratmeter
  2. ↑ http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzellen#Wirkungsgrad
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