Untersuchung der Wirtschaftlichkeit silikonbasierter Antifouling Unterwasseranstriche bei seegehenden Containerschiffen
- Art: Diplomarbeit
- Autor: Cezary Afeltowicz
- Abgabedatum: Februar 2006
- Umfang: 119 Seiten
- Dateigröße: 2,6 MB
- Note: 1,0
- Institution / Hochschule: Technische Universität Berlin Deutschland
- ISBN (eBook): 978-3-8324-9678-4
- ISBN (CD) :978-3-8324-9678-4 CD
- Sprache: Deutsch
- Prämierung:
- Arbeit zitieren: Afeltowicz, Cezary Februar 2006: Untersuchung der Wirtschaftlichkeit silikonbasierter Antifouling Unterwasseranstriche bei seegehenden Containerschiffen, Hamburg: Diplomica Verlag
- Schlagworte: Biofouling, Antihaftbeschichtung, Schiffsbewuchs, Foul-release-coating, FRC
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Diplomarbeit von Cezary Afeltowicz
Einleitung:
Ein wirtschaftlich rationeller Betrieb eines Schiffes hängt in einem großen Maße vom Zustand seiner Außenhaut ab. Durch pflanzlichen oder tierischen Bewuchs (Fouling) aber auch durch das Alter und die Qualität der Farbe steigt die Rauhigkeit des Unterwasserschiffes und erhöht den Widerstand. Wächst der reibungsbedingte Widerstand, so nehmen der Leistungs- und damit auch der Brennstoffbedarf zu. Um die Ansiedlung von Organismen an der Außenhaut zu bekämpfen und diese glatt zu halten, werden spezielle mit toxischen Substanzen versetzte Farben sog. Antifoulings eingesetzt.
Die Wirkungsweise dieser Anstriche basiert darauf, daß sie sich abbauen und giftige Stoffe (Biozide) in die Umgebung freisetzen, mit denen die Bewuchsorganismen abgeschreckt oder abgetötet werden. Durch die Eigenschaft der Erosion ist die Lebensdauer der konventionellen Farben zeitlich begrenzt und ihre Wirksamkeit läßt mit der Zeit meist nach. Diese Antifoulings müssen unter einem hohen finanziellen Aufwand für Material, Dockaufenthalt, Untergrundvorbereitung und Aufbringung, unter Außerdienststellung und mit damit verbundenen Erlösausfällen regelmäßig erneuert werden. Im Liniendienst der Containerschiffahrt wird der Kontinuität in der Einhaltung des Fahrplans oberste Priorität beigemessen. Die Aufrechterhaltung der Geschwindigkeit, selbst unter einem erhöhten Leistungsbedarf, und auch lange Erneuerungsperioden des Unterwasseranstriches sind vom besonderen Interesse der Reeder.
Mit der neuesten Technologie der Farbindustrie, den Außenhautanstrichen auf Silikonbasis, wird eine effektive biozidfreie Alternative angeboten, die nicht nur einen langzeitigen Schutz gegen Fouling gewährleistet, sondern auch einen glättefördernden und somit brennstoffmindernden Effekt verspricht. Die Silikonanstriche können nur unter einen erheblich gesteigerten finanziellen Aufwand appliziert werden, von Seiten der Hersteller wird jedoch ein Kapitalrückfluß und Gewinn in Form von Brennstoffersparnissen zugesichert. Bei den potentiellen Nutzern stellt sich die Frage, ob und eventuell wann sich Aufwand und Nutzen derartiger Systeme in einem wirtschaftlich vertretbaren Verhältnis befinden.
Die Problematik der Erst- und Folgeaufbringung, die dazu notwendige Technologie, wie auch das noch wenig ausgeprägte Know-how der Reparaturwerften sind Gründe die eine Entscheidung für diese Technologie komplizieren. Ein weiterer erschwerender Aspekt dieser Fragestellung ist, daß die Investition und der kommerzielle Nutzen oft nicht in einer Hand liegen und somit einzelwirtschaftlich theoretisch leicht zu treffende Entscheidungen zu langwierigen Überlegungen führen. Der Vercharterer ist für einen, in seiner Performance gegen Bewuchs ausreichenden, Unterwasseranstrich verantwortlich und wird stets die günstigere Alternative bevorzugen. Dadurch werden dem Charterer indirekt hohe Mehrkosten in Form von gesteigertem Brennstoffbedarf verursacht.
Der Charterer wird die ihm nicht zustehenden Mehrkosten für einen Silikonanstrich kaum übernehmen wollen, solange ihm nicht ein eindeutiger finanzieller Vorteil in Aussicht gestellt wird. Dieser soll, nach Aussagen der Hersteller, die Investitionskosten schon innerhalb einer Dockungsperiode um ein Mehrfaches übersteigen.
Um einen Einblick in die Thematik zu bekommen und um eine aussagekräftige Handlungsempfehlung für Schiffsbetreiber mit Berücksichtigung der Kosten- und Nutzenfaktoren zu bekommen, sollten folgende Punkte behandelt werden:
- Überblick über die technisch-wirtschaftlich-ökologische Problematik von Bewuchs.
- Existierende bewuchshemmende Systeme/Maßnahmen bei Seeschiffen.
- Wirkungsprinzipien, Art und Wirksamkeit silikonbasierter Anstrichsysteme.
- Problematik der Erst- und Folgeaufbringung und die notwendige Technologie.
- Ökologische Bewertung.
- Betriebswirtschaftliche Kosten-Nutzen-Analyse.
- Problematik und Handlungskonzept für Vertragsverhältnis Vercharterer-Charterer.
Die derzeit noch kaum vorhandenen praktischen Erfahrungen mit Silikonanstrichen, bzw. die kaum zur Verfügung stehenden Daten einiger in dieser Technologie erfahrener Eigner/Betreiber/Reeder, erfordern von einem Interessenten eine intensive Auseinandersetzung mit sämtlichen Aspekten dieser Problematik. In dieser Studie konnte ein umfassender Einblick in die vielfältigen Entscheidungsfaktoren für oder gegen eine Silikonbeschichtung geliefert werden und es konnte gezeigt werden, daß unter bestimmten Voraussetzungen, insbesondere für größere Containerschiffe, ein Anwenden von Silikonfarben sinnvoll erscheint und die Brennstoffersparnisbeträge die Investitionskosten schon in relativ kurzer Zeit um ein Mehrfaches übersteigen.
Inhaltsverzeichnis:
| I. | Nomenklatur und Begriffsdefinition | 3 |
| 1. | Einleitung und Aufgabenstellung | 8 |
| 1.1 | Hintergrund und Motivation | 8 |
| 1.2 | Fragestellung und Zielsetzung | 9 |
| 1.3 | Durchführung der Untersuchung | 10 |
| 1.3.1 | Literaturrecherche und Informationssammlung | 10 |
| 1.3.2 | Kosten-Nutzen-Analyse an realen Fallbeispielen/Referenzschiffen | 11 |
| 2. | Bekämpfung von Bewuchs auf Schiffen | 14 |
| 2.1 | Historische Entwicklung von Antifouling | 14 |
| 2.2 | Fouling in der Schiffahrt | 14 |
| 2.2.1 | Rahmenbedingungen zum Auftreten von Bewuchs | 15 |
| 2.2.2 | Bewuchsorganismen und deren Eigenschaften | 17 |
| 2.3 | Tributylzinn (TBT) und andere Biozide in der Bewuchsbekämpfung | 18 |
| 2.3.1 | Umweltverträglichkeit der TBT-Kopolymere | 18 |
| 2.3.2 | Gesetzeslage und Richtlinien für Biozide in Unterwasseranstrichen | 19 |
| 2.4 | Übersicht über biozidhaltige und biozidfreie Antifoulingsysteme | 21 |
| 2.5 | Erodierende biozidhaltige Antifoulings | 22 |
| 2.5.1 | Konventionelle, erodierende Antifoulings (CDP-Controled Depletion Polymer) | 22 |
| 2.5.2 | Selbstglättende, selbstpolierende Antifoulings (SPC-Self Polishing Copolymer) | 23 |
| 2.5.3 | Hybrid – SPC | 24 |
| 2.5.4 | Kontakt Leaching Hartantifouling | 25 |
| 2.6 | Biozide, organische Biozide und Enzyme als Schutzmechanismen | 25 |
| 2.7 | Biozidfreie Antifoulingsysteme | 26 |
| 2.7.1 | Erodierende biozidfreie Antifoulings | 26 |
| 2.7.2 | Nicht erodierende Antifoulings | 26 |
| 2.7.2.1 | Antihaftbeschichtungen auf Silikonbasis (FRC-Foul Release Coatings) | 26 |
| 2.7.2.2 | Antihaftbeschichtungen auf Teflonbasis | 27 |
| 2.7.2.3 | Selbstreinigende Oberflächen | 27 |
| 2.7.2.4 | Weitere Antihaftbeschichtungen | 27 |
| 2.7.3 | Alternative Bewuchsschutzmaßnahmen | 28 |
| 2.7.3.1 | Elektrochemischer Bewuchsschutz | 28 |
| 2.7.3.2 | Bewuchsschutz durch Ultraschall, ultraviolette Strahlung, Erwärmung | 28 |
| 2.7.3.3 | Imitationen der Natur | 28 |
| 2.7.3.4 | Weitere Möglichkeiten des Bewuchsschutzes | 29 |
| 3. | Theoretische Grundlagen zur Leistung und Widerstand | 30 |
| 3.1 | Leistung eines Schiffes | 30 |
| 3.2 | Widerstand eines Schiffes | 31 |
| 3.2.1 | Gesamtwiderstand und seine Teilkomponenten | 31 |
| 3.2.2 | Auswirkungen der Rauhigkeitszunahme auf den Schiffswiderstand | 33 |
| 3.2.2.1 | Mittlere Rauhigkeit MHR, Signifikante Rauhigkeit AHR, Rauhigkeitsmessung | 35 |
| 3.2.2.2 | Physikalische Rauhigkeit | 36 |
| 3.2.2.3 | Biologische Rauhigkeit | 37 |
| 3.3 | Theoretische Grundlagen zur Entstehung des Reibungswiderstandes | 38 |
| 3.3.1 | Grundlagen der Grenzschichttheorie | 38 |
| 3.3.2 | Grenzschichtströmungen | 39 |
| 3.3.3 | Bestimmung des Rauhigkeitszusatzwiderstandes | 41 |
| 3.3.3.1 | Rauhigkeitszusatzwiderstand nach 15th ITTC 1978 | 41 |
| 3.3.3.2 | Rauhigkeitszusatzwiderstand nach 17th ITTC 1984 | 42 |
| 3.3.3.3 | Rauhigkeitszusatzwiderstand nach Townsin | 43 |
| 3.4 | Leistungsdiagnose in Abhängigkeit von physikalischer Rauhigkeit | 44 |
| 3.4.1 | Folgen der Rauhigkeitserhöhung für den Schiffsbetrieb | 45 |
| 3.4.2 | Leistungs-/Brennstoffbedarfsteigerung bei konstanter Geschwindigkeit | 45 |
| 3.4.3 | Geschwindigkeitsverlust beim konstanten Leistungsbedarf | 46 |
| 4. | Silikonbasierte Antifoulings (Foul Release Coatings, FRC) | 49 |
| 4.1 | Silikon-Technologie als ökologische und ökonomische Alternative | 49 |
| 4.2 | Eigenschaften von Silikonbeschichtungen | 50 |
| 4.2.1 | Niedrige Oberflächenspannung bzw. geringe freie Oberflächenenergie | 50 |
| 4.2.2 | Geringe physikalische Rauhigkeit | 53 |
| 4.2.3 | Frei von Tributylzinn und von metallischen Bioziden | 55 |
| 4.2.4 | Niedriger Anteil an flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) | 57 |
| 4.2.5 | Lange Lebensdauer | 57 |
| 4.2.6 | Geringes Gewicht und niedriger Farbmaterialbedarf | 58 |
| 4.2.7 | Niedriger Reparatur- und Wartungsaufwand | 58 |
| 4.2.8 | Hohe Materialkosten und hoher Applikationsaufwand | 59 |
| 4.2.9 | Geringer Widerstand gegen mechanische Beschädigungen | 60 |
| 4.2.10 | Mindestanforderungen an Geschwindigkeit und Aktivität | 61 |
| 4.2.11 | Ökologische Verträglichkeit | 62 |
| 5. | Randbedingungen der Kosten-Nutzen-Kalkulationen | 63 |
| 5.1 | Betriebsformen der Schiffahrt | 63 |
| 5.1.1 | Charterarten | 64 |
| 5.1.2 | Container-Linienschiffahrt | 65 |
| 5.2 | Beweggründe für das Anbringen einer Silikonbeschichtung | 66 |
| 5.2.1 | Umwelttechnische Vorteile | 67 |
| 5.2.2 | Wirtschaftliche Vorteile | 68 |
| 5.2.3 | Finanzielle Zuständigkeiten der Chartervertrag-Parteien | 68 |
| 5.2.4 | Problematik der Finanzierung einer Silikonbeschichtung | 70 |
| 5.3 | Randbedingungen der untersuchten Fälle | 71 |
| 5.3.1 | Charterdauer und Zeitintervalle der Wartungsarbeiten | 71 |
| 5.3.2 | Schiffsgrößen, Geschwindigkeiten, Aktivität und Brennstoffverbrauch | 72 |
| 5.3.3 | Dockungskosten, Farb- und Materialpreise, Ausfallzeiten im Betrieb | 74 |
| 5.3.4 | Brennstoffersparnisrate gegenüber konventionellen Antifoulings | 78 |
| 6. | Ergebnisse der Kosten-Nutzen Betrachtungen | 82 |
| 6.1 | Kosten der Anbringung einer Außenhautbeschichtung | 82 |
| 6.1.1 | Kosten für ein Neusystem (Neubau)* | 82 |
| 6.1.2 | Kosten für die Erneuerung des bestehenden Systems | 84 |
| 6.1.3 | Kosten der Umstellung eines CDP/SPC- Systems auf FRC-Technologie | 86 |
| 6.2 | Brennstoffersparnis | 88 |
| 6.3 | Kosten-Nutzen-Analyse | 91 |
| 7. | Ergebnisdiskussion und Auswertung | 94 |
| 7.1 | Ergebnisdiskussion der Kosten-Nutzen-Betrachtungen | 94 |
| 7.1.1 | Neusysteme auf Neubauten | 94 |
| 7.1.2 | Umstellung des Systems con CDP/SPC auf FRC | 95 |
| 7.2 | Handlungsgrundlagen für das Vertragsverhältnis Charterer-Vercharterer | 96 |
| 8. | Zusammenfassung und Ausblick | 98 |
| II. | Literatur- und Quellenverzeichnis | 100 |
| III. | Abbildungsverzeichnis | 104 |
| IV. | Tabellenverzeichnis | 106 |
| V. | Anhang | 107 |
Bei Rn_krit (kritiche Reynoldszahl) findet ein laminar-turbulenter Übergang statt, bei Geschwindigkeit bzw. Lauflängen die Werte über Rn_krit liefern, wird die Grenzschicht vollständig turbulent. Es gilt als nachgewiesen, daß nach dem Wechsel von laminaren in turbulente Strömung die Grenzschichtdicke und der Reibungswiderstand zunehmen. Bei turbulenten Strömungen bewegen sich die Teilchen nicht in geordneten Schichten, sondern es kommt zu einer Durchmischung (Schwankungsbewegungen) der Schichten mit einem Energie- und Impulsaustausch. Diese Bewegungen sind stets instationär, dreidimensional und rotationsbehaftet. In unmittelbarer Nähe der Wand kommen die Schwankungsbewegungen zum Stillstand. Diese wandnahe Schicht wird viskose oder laminare Unterschicht genannt. Die Geschwindigkeitsgradienten an der Wand sind bei einer turbulenten Strömung größer als bei einer laminaren. Dadurch sind die Schubspannungen an der Wand höher, was die Verschiebung des Ablösepunktes der Grenzschicht nach hinten bewirkt. Dieser Effekt wird Nachstrom27 (frictional wake) genannt. Der Nachstrom fällt demnach bei turbulenten Strömungen geringer aus. In Fällen wo ein geordneter Nachstrom von Vorteil ist, werden Turbulenzerzeuger eingebaut, um die Ablösung (separation) zu verzögern. Weniger Nachstrom bedeutet weniger Nachstromwiderstand, allerdings werden dadurch Abb.44: Strömung um einen Zylinder [57] Widerstandsverluste in der turbulenten Grenzschicht stärker. In Abb.44 [57] ist der Effekt der Separation bei der Umströmung eines Zylinders graphisch dargestellt. Allgemein ausgedrückt nehmen die Turbulenzen in der Grenzschicht mit der steigenden Oberflächenrauhigkeit zu. Der daraus resultierende Energieund Impulsaustausch zwischen den, in einer turbulenten Strömung schwankenden (Wasser)Teilchen, muß vom (Schiffs)Körper als Reibungswiderstand überwunden werden. [...]
24 Prandtl, Ludwig (1875-1953), deutscher Physiker, gilt als der Begründer der modernen Strömungslehre und leistete bedeutende Arbeiten auf dem Gebiet der Aero- und Hydrodynamik (u.a.: Grenzschichttheorie (1904), turbulente Strömungen (1910), Tragflügeltheorie (1919)) 25 Viskosität: Eigenschaft von fluiden Medien (Flüssigkeiten, Gase) dem Fließen entgegenzuwirken, wenn eine Kraft auf sie ausgeübt wird; hochviskose Flüssigkeiten widerstehen dem Fließen, Medien mit geringer Viskosität fließen etwas; das Ausmaß der Viskosität wird dadurch bestimmt, wie stark eine in Bewegung befindliche Schicht – beispielsweise einer Flüssigkeit – benachbarte Schichten der Flüssigkeit mit sich zieht; in einem idealen Fluid, wie in der Potentialtheorie (z.B. CFD-Rechnungen) angenommen wird, ist die Eigenschaft dem Fließen entgegenzuwirken Null, somit entstehen keine Tangentialdrücke, die Reibung ist Null (Anm.: ideale Fluida existieren nicht) [...]
Bewegt sich ein Schiff durch Wasser, so werden die Wassermoleküle nahe der Schiffsoberfläche mitgerissen und bewegen sich mit dem Schiff mit. Dies geschieht in der unmittelbaren Nähe der Außenhaut. Mit zunehmender Entfernung vom Schiff werden die Wasserteilchen langsamer. Die schnelleren Teilchen kollidieren mit den langsameren; es werden Kräfte generiert. Da das Schiff in seiner Fortbewegung permanent eine Wasserschicht, die sog. Grenzschicht (boundary layer), mitschleppt, müssen die durch die Fahrt induzierten „Kollisionskräfte“ vom Schiff überwunden werden. Die Summe dieser Kräfte ist proportional zum Reibungswiderstand. Die Grenzschicht kann laminar oder turbulent sein (Abb.42, S.39), wobei eine turbulente Strömung mehr Widerstand erzeugt. Diese durch Prandtl24 eingeführte Grenzschichttheorie gilt als Grundlage der modernen Strömungsmechanik. [...]
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http://www.diplom.de/ean/9783832496784
Arbeit zitieren:
Afeltowicz, Cezary Februar 2006: Untersuchung der Wirtschaftlichkeit silikonbasierter Antifouling Unterwasseranstriche bei seegehenden Containerschiffen, Hamburg: Diplomica Verlag
Schlagworte:
Biofouling, Antihaftbeschichtung, Schiffsbewuchs, Foul-release-coating, FRC



