Auf der Meyer-Werft in Papenburg werden die Aida-Schiffe gebaut – eine Serie von insgesamt sieben Kreuzfahrtschiffen. Das erste lief im Frühjahr 2007 vom Stapel, das siebte soll im Frühjahr 2013 seine Jungfernfahrt absolvieren. „Das Projekt war und ist für uns eine große Herausforderung“, betont Ulf Hirsekorn, Senior Superintendent Electric der Aida-Cruises in Rostock, und ergänzt: „Mehr als jede andere Schiffsart müssen Passagierschiffe einzigartig sein. Oft sind Design und Komfort die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale.“ Neben dem hohen Passagierkomfort war die Senkung der Betriebskosten ein weiteres Ziel der Betreiber, da der Kraftstoffverbrauch einen großen Kostenfaktor darstellt.

Die Schiffe sind nach den Vorschriften der Klassifizierungsgesellschaft Germanischer Lloyd gebaut. Dies gilt sowohl für die öffentlich zugänglichen Schiffsbereiche, als auch für die Maschinenräume. Hierfür entwickelte Siemens als Ausrüster der Automatisierungstechnik ein spezielles Redundanz- und Sicherheitskonzept. Dazu zählt die Auslegung der Antriebs- und Steuerungstechnik entsprechend dem Klassezeichen „Redundant Propul­sion“, einem Standard, den die Klassifizierungsgesellschaften für den Bau von Schiffen festgelegt haben. Die neu-
en Aida-Schiffe tragen mit als erste das Klassezeichen RP3. Voraussetzung dafür ist, dass die Systeme hochre­dundant ausgelegt und räumlich voneinander getrennt sind, damit sie im Störfall unabhängig voneinander weiterarbeiten.

Zum Aufbau einer redundanten Systemumgebung sind die für alle wichtigen Bordsysteme verwendeten Steuerungen vom Typ Simatic S7-400H stets mit zwei Prozessoren ausgerüstet, die sich gegenseitig überwachen. Im Fehlerfall wird das Mastersystem somit automatisch auf die Reserve-Station umgeschaltet. Durch ereignisgesteuerte Synchronisation der beiden Stationen liegen die Umschaltzeiten im Störfall unter 100 ms. Der redundante Prozessor nimmt die Bearbeitung an der Unterbrechungsstelle ohne Informations- und Datenverlust auf.

Zwei Antriebe auf einer Welle

Die durchgängige Antriebs- und Automatisierungstechnik von der Managementbis zur Feldebene umfasst ein ausgefeiltes Redundanz- und Sicherheitskonzept.

© Siemens

Um die Reise für Passagiere reibungslos zu gestalten, brauchen die Schiffe Antriebssysteme mit hoher Leistung, hoher Energie-Effizienz und maximaler Verfügbarkeit. „Um dies zu gewährleisten, nutzen wir die Flexibilität von Diesel-elektrischen Antriebssystemen, die uns gleichzeitig die geforderten Redundanzen bieten“, erläutert Ulf Hirsekorn. Da diese auf einem sehr niedrigen Geräusch- und Vibrationsniveau arbeiten und zudem höchste Ausfallsicherheit garantieren, rüstet die Reederei die Aida-Kreuzfahrtschiffe mit je zwei 12,5-MW-Elektromotoren aus. Die Motoren sind direkt an die Wellen angeflanscht und treiben die Schiffspropeller an.

Die Antriebs- beziehungsweise Doppelwicklungsmotoren sind ebenfalls redundant aufgebaut und werden jeweils von zwei Sinamics-Frequenzumrichtern drehzahlgeregelt betrieben. Dadurch, dass die Motoren über zwei isolierte Wicklungssysteme verfügen, handelt es sich quasi um zwei Motoren in einem Gehäuse. Fällt ein Umrichter aus, kann der andere immer noch die Welle betreiben. Mit anderen Worten: Man hat im Prinzip zwei Antriebsstränge auf einer Welle. Um die maximale Geschwindigkeit von 21 Knoten (39 km/h) zu erreichen, liegt die Wellendrehzahl der Schiffe bei 130 Umdrehungen pro Minute.

Zur elektrischen Energie-Erzeugung sind an Bord vier Mittelspannungs-Generatoren mit einer Gesamtleistung von 48 MW installiert. Die Energieverteilung selbst erfolgt über eine  Mittelspannungs-Schaltanlage, die mit einem Schutz- und Energiemanagementsystem arbeitet und dem Maschinenpersonal alle für die Energieversorgung der Schiffe relevanten Informationen zur Verfügung stellt. „Um den Verbrauch an elektrischer Energie zu minimieren, setzen wir intelligente Steuerungen ein, die den Energiefluss regeln“, so Hirsekorn. Das heißt: Die Steuerungstechnik reagiert auf die unterschiedlichen Anforderungen an Bord und schaltet zum Beispiel die einzelnen Dieselgeneratoren je nach Energiebedarf zu oder ab. Dadurch werden die aktiven Aggregate meist in ihrem optimalen Wirkungsgrad bei 85 bis 90 % ihrer Nennleistung betrieben. Kurzum: Sie erzeugen immer genau so viel elektrische Energie, wie jeweils für die Antriebsmotoren und die anderen Stromverbraucher an Bord benötigt wird. Nicht zuletzt trägt die Rückgewinnung von Wärme-Energie spürbar zur Verbesserung der Energiebilanz der Schiffe bei.

Das Gehirn steckt im Bauch

Vom Maschinenkontrollraum aus werden alle technischen Anlagen zentral bedient und überwacht.

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Tief im Bauch des Schiffes liegt der Maschinenkontrollraum (MKR), in dem sämtliche Informationen der Bordsysteme zusammenlaufen. Das dort installierte Automatisierungs- und Kontrollsystem steuert und überwacht die verschiedenen Betriebszustände des gesamten Schiffes. Es basiert auf dem Leitsystem Simatic PCS 7 und arbeitet mit den angesprochenen Steuerungen vom Typ Simatic S7-400H. Über eine Schnittstelle ist die Energiemanagement-Lösung an das Schiffs-Automatisierungssystem angebunden. Vom MKR aus kontrollieren die wachhabenden Schiffsoffiziere die gesamte Energie-Erzeugung und -Verteilung. Monitore geben den Ingenieuren Auskunft darüber, welcher Generator gerade am Netz ist und ob automatische Zu- oder Abschaltungen von Generatoren zu erwarten sind.

In das Kontrollsystem integriert sind das Safety-Managementsystem, die Klimasteuerung und -regelung sowie das autark arbeitende Emergency-Shutdown-System. Insgesamt sammelt das Automatisierungssystem Daten von etwa 16 000 Messpunkten, deren Auswertung den Schiffsoffizieren Aussagen über alle an Bord ablaufenden Prozesse erlaubt. Sämtliche Alarm- und Sicherheitssysteme (Brandmelder, Wasserschutztüren, Sprinkler etc.) sind überwachungstechnisch an dieses System angebunden. Sobald ein Alarm ausgelöst wird, erscheint die Meldung auf einem der Bildschirme.

Die Forderung nach höchster Ver­füg­barkeit gilt auch für den Informa­tions­austausch der installierten Bordsysteme mit den Steuerungen. Die Netzwerklösung verbindet sämtliche Informations- und Kommunikationssysteme über Glasfaserkabel und integriert alle kritischen, für die Sicherheit an Bord erforderlichen Komponenten. Um Störungen des Informationsaus­tausches durch elektromagnetische Felder auszuschließen, werden die Netzwerke mit Lichtwellenleitern (LWL) und Netzwerk-Komponenten aus der Produktreihe Simatic Net realisiert. Die Glasfasernetze sind als Ringstruktur über das gesamte Schiff verlegt, wobei  die Segmente in unterschiedlichen Bereichen installiert sind. Sollte der Ring bei einer Störung an einer Stelle ausfallen, läuft der übrige Betrieb unterbrechungsfrei weiter.

Ein horizontaler Ring, ein vertikaler Ring

Der Einsatz Diesel-elektrischer Antriebe in Verbindung mit den hochverfügbaren Steuerungen verbessert die Energiebilanz der Schiffe erheblich. An lokalen Bedienstationen lassen sich relevante Daten zu den Aggregaten abrufen.

© Siemens

Die beiden Ringbus-Systeme an Bord der Schiffe arbeiten mit unterschiedlichen Übertragungsleistungen. Während der 1-Gbit-Ring vor allem die über das Schiff verteilten 26 Bedien- und Beobachtungsstationen vernetzt, die höhere Anforderungen an die Übertragungsleistung stellen, sind die Steuerungen für die Kommunikation mit den einzelnen Anlagen über LWL-Ringleiter mit einer Übertragungsleistung von 100 Mbit/s verbunden. Die horizontale Integration der Systeme als Ring führt zur gewünschten Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit aller Systeme während des Betriebs. Die vertikale Integration von der Management- über die Steuerungs- bis zur Feldebene hingegen sorgt für eine effektive Verknüpfung von Schiff, Brücke und Reederei und gewährleistet ein sicheres und reibungsloses Zusammenspiel aller Prozesse. Für den Aufbau des Netz­werkes kommen robuste Switches vom Typ Scalance X-200/400 zum Einsatz.

Geschützt mit ausgeklügelten Sicherheitsmechanismen ist Aida-Cruises in der Lage, vom Rostocker Hauptsitz über Satellit Informationen der Bordsysteme zu erhalten. Im Rahmen eines Energie-Mapping analysiert die Reederei zum Beispiel Verbrauchsdaten. Anhand der Auswertungen gibt sie den Schiffscrews dann Empfehlungen für einen effizienteren Einsatz der Aggregate. „Wenn sich zum Beispiel der Kraftstoffverbrauch von zwei Schiffen auf gleicher Route sehr unterscheidet, ist es angebracht, dies zu analysieren“, unterstreicht Hirsekorn. „Kraftstoffeinsparungen bedeuten, dass entsprechende Emissionen gar nicht erst anfallen. Und wenn man mehrere Tonnen Treibstoff pro Tag einspart, ist dies neben den Umweltaspekten ein zusätzlicher Gewinn für die Reederei.“

Die auf der Basis der vollintegrierten Systemplattform für Passagierschiffe von Siemens automatisierten „Kreuzfahrer“ stellen ihre Systemstabilität seit mehreren Jahren ununterbrochen unter Beweis: Bei den vier Schiffen der Flotte, die bereits im Einsatz sind, gab es bisher keine Ausfälle. Das fünfte Schiff hat gerade die Inbetriebsetzungsphase durchlaufen und ist im April 2011 in Dienst gegangen. Zwei weitere Neubauten sollen jeweils ein Jahr später folgen.