Beitrag Ortuno

Zukünftige Containerschiffe: Innovatives Panamax Design und Ultra-Large Container

Manuel Ortuno
Senior Surveyor, Lloyd's Register EMEA, Hamburg Plan Approval Centre


  1. Historische Entwicklung
    1. Meilensteine der Containerschifffahrt
    2. Meilensteine und Aussichten
    3. Größenverteilung der Containerschiffsflotte
  2. Innovative 5.600 TEU Baltic Panmax Compact Schiffe
  3. Marktbericht Containerschifffahrt
    1. Entwicklung der Flotte
  4. Die nächste Generation - Ultra-Large Container Ships
    1. ULCS Markt Studie
    2. Entwurfsparameter
    3. Kranausleger potentieller ULCS-Terminals
    4. Voraussagen über zukünftige ULCS Dimensionen
    5. Entwicklung der Schiffsform zur Bestimmung der Container-Kapazität
    6. Effekt der Neu-Positionierung des Deckhauses
    7. Herausforderungen großer Schiffe
      1. Strukturfestigkeit des Schiffskörpers
      2. Torsionsverhalten
      3. Bow flare slamming
      4. Aft end slamming
      5. Ladungssicherung
      6. Antriebsmöglichkeiten
        1. Single Engine / Single Screw
        2. Twin Engine / Twin Screw
      7. Manövriereigenschaften - Auswirkungen auf die Kaianlagen
  5. Ergebnisse

    Lloyd's Register, ist seit den Anfängen der Entwicklung von Containerschiffen am technologischen Fortschritt und damit auch an der Größenentwicklung in diesem Segment maßgeblich beteiligt.

    Die folgende Präsentation zeigt die explosionsartige Entwicklung der Containerschifffahrt seit über vierzig Jahren bis hin zu der nächsten Generation von Mega Carriern mit Kapazitäten von über 10.000 TEU. Diesen Schiffe hat Lloyd's Register den Namen Ultra Large Container Ships - ULCS gegeben.

    In der Vergangenheit sind zahlreiche Studien über Großcontainerschiffen jenseits der magischen 10.000 TEU Grenze veröffentlicht worden.

    • manche dieser Studien müssen als hochspekulativ angesehen werden,
    • andere sind zur Unterstützung von bestimmte Routen oder Häfen entwickelt worden

    Aus diesem Grunde hat sich Lloyd's Register in Zusammenarbeit mit Ocean Shipping Consultants in London im Jahre 1999 entschieden eine unabhängige Untersuchung zum Thema Entwicklung von großen Containerschiffen durchzuführen.

    Im folgenden möchte ich Ihnen die Ergebnisse einer Studie über innovative Panamax Schiffe sowie die Ergebnisse der Studie über ULCS vorstellen.


    1. Historische Entwicklung

    In den vergangenen vierzig Jahren ist die Containerschiffsflotte sowohl in der Anzahl der Schiffe als auch deren Kapazität enorm gewachsen.
    Die sinkenden Transportkosten und die hohe Zuverlässigkeit des Transportsystems Schiff hat die Globalisierung in ihrer heutigen Form überhaupt erst möglich gemacht.
    Im folgenden möchte ich in wenigen Schritten einen historischen Rückblick geben, bevor sich die Präsentation mit aktuellen technischen Innovationen beschäftigt.


    1.1 Meilensteine der Containerschifffahrt

    Nach Beendigung des 2. Weltkrieges nahm der Welthandel sehr schnell zu. Der Stückgutverkehr wuchs so schnell, dass man versuchen musste den Transport zu industrialisieren. Dies ging nur mit Einheitsladung: dem Container. Der revolutionäre Siegeszug begann.

    1956 begann in den USA die Jungfernfahrt des Containerverkehrs mit umgebautem Tanker "IDEAL X". Das Schiff transportierte 60 Container ausschließlich an Deck.

    Wenig später wurden auch umgebaute Liberty Schiffe mit einer Kapazität von ca. 220 Containern in Dienst gestellt.

    Erst als die Etablierung in den USA gelungen war, begann die weitere Expansion. Im Jahre 1966 hat die amerikanische Reederei Sea-Land mit umgebauten Mehrzweckschiffen einen Liniendienst über den Atlantik eingerichtet.

    Im Jahre 1967/1968 als sich die Durchsetzung des Containers abzeichnete, wurde im größeren Umfang entsprechende Spezialschiffe geordert. Kurz nach Ablieferung der sog. 1. Generation mit 750 TEU wurde die 2. mit 1.500 TEU und die 3. mit bereits 3.000 TEU in Dienst gestellt.
    Alles innerhalb von 3 Jahren!

    In den folgenden Jahren waren die Schiffe in ihrer Größe auf den Panamakanal mit einer Breite auf Spanten von 32,2 m begrenzt. 1981 klassifiziert LR das erste Schiff mit einer Kapazität von über 3.800 TEU, MV "Lexa Maersk" und Schwestern.

    1988 kommen zwei revolutionäre Neuerungen auf dem Markt. Zum ersten mal wurde die Breitenbegrenzung des Panamakanals durchbrochen. Das erste Post-Panamax Schiff mit einer Breite von 39,4 m wurde gebaut.

    Des weiteren werden erstmalig Panamax Schiffe mit reduzierter Seitenkastenbreite und ohne Längsherfte gebaut. Es werden 11 statt bisher 10 Container in der Breite im Laderaum gefahren. Auftrageber war die Reederei Maersk mit der M-Klasse.


    1.2 Meilensteine und Aussichten

    1990 klassifizierte LR das erste Lukendeckellose Containerschiff der Welt, die "Bell Pioneer".

    1996 dann das bis dahin Größte Containerschiff, die K-Klasse von Maersk "Regina Maersk" und Schwestern mit LxBxT von 302,3x42,8x14 m. Die angegebene Kapazität beträgt 6.000 TEU Die Schiffe haben ebenfalls LR Klasse.

    1997/1998 klassifiziert LR die seinerzeit Größten Schiffe mit einer angegebenen Kapazität von 6.600 TEU. Die Sovereign Maersk S-Klasse mit LxBxT von 331,5x42,8x14,5 m und die etwas kleinere P&O Nedlloyd Southampton.

    Derzeit hat das größte in Fahrt befindliche Containerschiff 8.500 TEU. Betreiber ist die Reederei Seaspan für Chinashipping ebenfalls mit LR Klasse. Die Samsung Werft in Korea hat aber bereits Aufträge von China Shipping über den Bau von 9.600 TEU Schiffen.

    Dieses Jahr hat COSCO vier 10.000 TEU Schiffe bei Hyundai HI in Auftrag gegeben. Geplante Ablieferung ist zwischen 2007 und 2008. Die Abmessungen betragen 349 m Länge, Breite 45,6 m und Seitenhöhe von 27,2 m. Die Schiffe werden von einem 12 Zylinder mit 69 MW Leistung angetrieben.

    Für die Zukunft gehen wir davon aus das sich 2005/2006 eine neuen Generation von Panamax Schiffen durchsetzten könnte.

    Des weiteren ist davon auszugehen das Schiffe mit weit über 10.000 TEU spätestens 2008 kommen. Dieses wird im Detail im Hauptteil dieser Präsentation näher dargestellt.


    1.3 Größenverteilung der Containerschiffsflotte

    Die folgende Illustration zeigen die Entwicklung der Containerschiffsflotte im Laufe der letzten 15 Jahre. Seit der Überschreitung der Panamakanal Breite im Jahre 1988 hat sich der Anteil der Post-Panamax Schiffe dramatisch vergrößert. Ihr Anteil beträgt heute 36 %. Es ist also klar zu erkennen, das der Trend zu größeren Schiffen geht.


    2. Innovative 5.600 TEU Baltic Panmax Compact Schiffe -
    Aker Ostsee Weftverbund & Lloyd's Register Hamburg

    Wenn man in Deutschland über Containerschiffe spricht fällt den meisten Leuten nur eine Klasse ein. Sehen wir uns deshalb das Ranking einmal genauer an. Der GL hat natürlich einen sehr starken Marktanteil bei Containerschiffen, was sowohl die Flotte als auch das Auftragsbuch anbelangt. Dies ist auf die zumeist deutsche Finanzierung und die deutschen Beteiligungsgesellschaften zurückzuführen.
    LR hat aber einen starken zweiten Platz innerhalb der letzten 12 Monate weiter ausbauen können. Bemerkenswert ist auch, das obwohl die Flotte insgesamt gewachsen ist ABS und DNV in diesem Segment gegenüber dem Vorjahr niedrigere Anteile verzeichnen können.

    Sehen wir uns nun aber die Verteilung bei Schiffen größer als 6.000 TEU im Verlauf der letzten 12 Monate an.
    Bezüglich des Auftragsbuches liegt LR mit 32 % an Platz eins. Vergleicht man weiterhin die Erfahrung mit diesem Schiffstyp, ausgedrückt in Jahren sieht man das Lloyd's Register viel Erfahrung im Hinblick auf große Schiffe Vorweisen kann.

    Soweit nun zu den Meilensteinen der Entwicklung von Containerschiffen. Kommen wir nun zu technischen Neuerungen.

    Zum Thema innovative Konzepte im Bereich Panamax Schiffe möchte ich jetzt über Ergebnisse einer erfolgreichen Kooperation zwischen der Aker Ostsee Gruppe und Lloyd's Register Hamburg berichten.

    Im Jahre 2003 hat sich die Aker Ostsee Werft intensiv mit der Optimierung von Schiffe die den Panama Kanal passieren können beschäftigt. Wie bereits erwähnt, kam es bei diesem Projekt zu einer Machbarkeitsstudie zwischen Industrie und Klassifikationsgesellschaft, bei der die Aufgaben wie folgt verteilt waren.

    Die Werft war naturgemäß zuständig für den Schiffsentwurf und die Stahlkonstruktion.

    Die Aufgabe von Lloyd's Register bestand in der Analyse des Festigkeits- und Verformungsverhalten des Schiffskörpers.

    Um die Containerkapazität gegenüber konventionellen Schiffsentwürfen deutlich zu erhöhen, ist wie folgt vorgegangen worden.
    Das Schiff wurde in allen Hauptabmessungen (LxBxT) auf die maximal möglichen Abmessungen des Panama Kanals abgestimmt.

    Der Entwurf sieht folgende Abmessungen vor:

    Aker Ostsee Design:
    B:32,20 m (moulded)
    Loa:294,0 m
    T:12,0 m (design)
    D:21,4 m
    Dwt:55.950 t bei 12,0 m
    V:26 kn
    P:48.200 kW

    Besonders bemerkenswert ist die relativ hohe Dienstgeschwindigkeit von 26 kn die über der vieler Post-Panamax Schiffen liegt.

    Des weiteren wurden 12 Container in der Breite angeordnet um die Anzahl der Container im Laderaum zu vergrößern.

    Dies ist bei vorgegebener max. Schiffsbreite nur durch deutliche Reduzierung der Breite der Seitenkästen zu erreichen. Die Illustration zeigt im Vergleich die Standard Konfiguration mit Elferstau gegenüber dem Querschnitt des neuen Designs.

    Ein weiterer Vorteil besteht bei dieser Annordnung in einer deutlichen Reduzierung des Ballastwasseranteiles. Gegenüber konventionellen Schiffen kann durch den günstigeren Gewichtsschwerpunkt der Ladung die Ballastwassermenge um 50 65 % verringert werden.

    Um dies zu verdeutlichen hier noch einmal den schematischen Hauptspant des Schiffes. Hierbei sticht besonders die geringe Breite der Seitenkästen von ca. 1000 mm gegenüber ca. 2200 mm ins Auge.

    Die Anzahl der Container an Deck konnte durch die Trennung des Deckhauses vom Maschinenraum erhöht werden. Entsprechend IMO Resolution A708 gibt es Anforderungen an den Sichtstrahl von der Brücke.

    Wie hier gegenübergestellt kann durch die gewählte Position des Deckhauses die Kapazität deutlich erhöht werden.
    Der Raum unter dem Deckshaus wird als Tieftank verwendet. Dieses bietet des weiteren zahlreiche andere Vorteile:

    1. Umsetzung des Green Ship Konzeptes, d. h. sämtliches Fuel Oil wird in Tanks gebunkert die durch eine Doppelhülle geschützt sind.
    2. Reduzierte Geräusch und Vibrationsbelastungen für die Besatzung.
    3. Reduzierung der Wölbverformung des offenen Teil des Schiffskörpers bei Torsionsbeanspruchung
    4. Günstigere Leerschiffsgewichtsverteilung reduziert das hogging Glattwasserbiegemoment und die erforderliche Ballastwassermenge zum Ausgleichen eines achterlichen Trimmes.
    5. Stark vereinfachter Zugang zum Maschinenraum für Wartungszwecke.

    Was bringt das ganze nun?
    Die bisher größten konventionellen Panamax Schiffe haben eine maximale Kapazität von 5.050 TEU. Mit dem neuen kompakten Design kann die Kapazität um beachtliche 10 % gesteigert werden. Das bedeutet in der Praxis 10 % mehr beladene Container als bisher.

    Sie werden sich vielleicht Fragen was den an der Annordnung von 12 Containern in der Breite neu ist. Das gab es doch sogar schon mal. Im Jahre 1996 wurden beim Bremer Vulkan ebenfalls Schiffe mit zwölferstau gebaut. Diese waren aber entscheidend kürzer. Bei einer Länge über alles von 192,5 gegenüber 294 m wird lediglich eine Kapazität von ca. 2.800 TEU statt der beschriebenen 5.600 TEU erreicht. Insofern muss man von einem komplett neuen Konzept sprechen.

    Was war nun die Aufgabe von Lloyd's Register bei dieser Machbarkeitsstudie? Wie bereits erwähnt hat unser Büro in Hamburg das lokale und globale Festigkeitsverhalten des Schiffskörpers analysiert. Am Anfang stellten sich folgende Fragen:

    1. Welche maximalen Plattenstärken und welches Material müssen verwendet werden und kann man das mit heutiger Technik überhaupt fertigen?
    2. Ist der zur Verfügung stehende Platz für die Lukeneckenradien bei dieser Konfiguration ausreichend?
    3. Sind die Lukendiagonalverformungen im Hinblick auf das Betriebsfestigkeitsverhaltens und Verschleiß der Lukendeckellager im technisch realisierbaren Bereich?

    Um dies zu Beurteilen wurde von Lloyd's Register der Schiffskörper in einem 3D finite Elemente Model idealisiert. Die Lastaufbringung ist in Übereinstimmung mit dem Lloyd's Register Regelwerk und den Direct Calculation Procedures durchgeführt worden.

    Zur Beurteilung von maßgeblichen Detailkonstruktionen wie z. B. Lukeneckenradien, Übergänge des offenen Laderaumbereiches zum steifen Deckshaus mit Tieftankscheibe, usw. wurden zahlreiche Detailmodelle erstellt. Die aus dem Globalmodel gewonnen Zwangsverformungen wurden auf diese Lokalmodelle aufgebracht.

    Als abschließendes Ergebnis dieser Studie kann man sagen das sowohl das globale als auch das lokale Festigkeitsverhalten in Übereinstimmung mit dem Lloyd's Register Regelwerk ist. Die benötigten Materialstärken stellen keine Probleme für einen modernen Fertigungsbetrieb dar. Lediglich Material mit einer Streckgrenze von 400 N/mm2 wird benötigt. Die Lukendiagonalverformungen liegen in ähnlicher Größenordnung wie bei anderen Panamax Schiffen und sind zufrieden stellend.


    3. Marktbericht Containerschifffahrt

    Um den Bedarf und die Entwicklung der Containerschiffe der nächsten Generation vorauszusagen, ist eine genaue Beobachtung des Marktes erforderlich.

    Ende 2003 bestand die Containerschiffsflotte aus ca. 3.800 Schiffen mit einer Transportkapazität von 7,14 Mio. TEU. Wie bereits erwähnt, wächst vor allem der Anteil der Post-Panamax Schiffe sehr stark.

    Um es also vorwegzunehmen: Die Reedereien melden Rekordgewinne, die Häfen Rekordumschläge und die Auftragsbücher der gigantischen Werften in Asien sind bis 2007 voll. Kurz: Die Stimmung ist äußerst positiv!

    Der Welthandel wächst kräftig. Die OECD geht von einer Steigerung in diesem Jahr von 8,0 % aus. Grund für diesen Boom ist China.

    Die Frachtraten befinden sich derzeit auf hohem Niveau. Um ein Beispiel zu nennen: noch Ende 2001 wurde ein 3.500 TEU Schiff für 10.000,- USD pro Tag verchartert. Anfang 2004 betrug die Charterrate 29.000,- USD!

    Die Nachfrage nach Transportraum wuchs im Jahre 2003 11 % gegenüber dem Vorjahr. Dies ist nicht etwa eine kurzzeitige Entwicklung. Seit 1990 liegt das jährliche Wachstum bei 10%. Um diesen Mehrbedarf zu decken wird Tonnage in Höhe von 600.000 TEU pro Jahr benötigt. Langfristig gehen Analysten davon aus das sich dieser Trend. mindestens bis zum Ende dieses Jahrzehntes fortführt, wie man der Graphik entnehmen kann.


    3.1 Entwicklung der Flotte

    Seit dem Jahre 1996 hat sich die Welthandelsflotte fast verdoppelt. Die Spitze dieser enormen Steigerung ist im Jahre 2003 erreicht worden. Die Flotte wuchs in diesem Jahr um stattliche 12,5 %! Dies war das Ergebnis intensiver Investitionen der Reeder infolge extrem lukrativer Jahre.

    Insgesamt kann man von einem wahren Rekordauftragsbuch sprechen. Momentan befinden sich etwa 47 % der Kapazität der aktuellen Flotte im Auftrag!

    Trotz der boomenden Bestellungen die mit enormen Kapazitäten die Flotte verstärken, gehen Analysten davon aus, dass das Ladungsaufkommen weiterhin rascher wächst als das Tonnageangebot.

    In der näheren Zukunft ist also davon auszugehen, dass die Frachtraten auf heutigem hohen Niveau bleiben werden. Eine erhebliche Anzahl von Neubauten wird erforderlich sein, um den Bedarf der Containerindustrie zu decken. Aber wie groß wird die neue Generation von Mega-Carrier sein?


    4. Die nächste Generation - Ultra-Large Container Ships

    Zusammenfassung:
    • mehr als 1/3 der Flotte ist Post-Panamax.
    • Fast 60 % des heutigen Auftragbestandes ist Post-Panamax
    • Wir stehen kurz vor der Überschreitung der magischen 10.000 TEU Grenze.

    Die Illustration zeigt die Größenentwicklung seit den Anfängen der Containerschifffahrt.

    Die Frage die man sich bei Lloyd's Register bereits im Jahre 1999 stellt war: Wo ist die Grenze? Wie sehen diese neuen Schiffe aus?

    Deshalb hat man sich entschieden, eine Studie in Zusammenarbeit mit einen unabhängigen Berater zu erstellen. Die umfangreichen Ergebnisse sind als Lloyd's Register Technical Association Paper im Jahre 2001 veröffentlicht worden.

    Um die Antwort vorweg zu nehmen: Die Ultra-Large Container Ships werden eine Kapazität von etwa 12.500 TEU haben!

    Diese Schiffe werden natürlich nur auf den Haupthandelsrouten mit entsprechendem Bedarf an Transportvolumen eingesetzt.
    Hierbei wird der Asien-Europa Dienst unter Einbeziehung von Umschlaghäfen im Indischen Ozean und Mittelmeer eine zentrale Rolle spielen.
    Weiterhin natürlich der Transpazifik Service.


    4.1 ULCS Markt Studie

    Das Prinzip des Economy of scale, also Kostenvorteile durch Vergrößerung der Transportkapazität, war immer die treibende Kraft für die Entwicklung immer größerer Schiffe. Das wird auch zukünftig so bleiben. Dies funktioniert erfolgreich solange das Schiff auf See ist.

    Die maximalen Hauptabmessungen der neuen Generation ist aber ein Zusammenspiel zwischen den Faktoren:

    • technische Machbarkeit (was kann gebaut werden)
    • wie wird es wirtschaftlich angetrieben

    und was kann tatsächlich von der Infrastruktur gehandhabt werden.
    Die Kosten wenn ein Schiff nicht in Fahrt ist belaufen sich hingegen bei großen Schiffen auf beachtliche Summen. Daraus folgt, das dem schnellen Ladungsumschlag und damit kurzen Hafenliegezeiten eine enorme Bedeutung bei der Gesamtwirtschaftlichkeit zukommt.

    Sehen wir uns nun die Umschlagzeiten mit heutigen Anlagen an.

    Wie die Studie zeigte gibt es aber genügend Potential um den Umschlag weiter zu beschleunigen. Zu den Maßnahmen gehören:

    • weitere Automation der Krananlagen
    • Gebrauch von "Twin lift spreadern" bei 20' Conatiners
    • Größere Hebe- und Laufkatzengeschwindigkeiten
    • Zusätzliche Kräne

    Die Arbeit von Lloyd's Register umfasst eine komplexe Analyse, die einen Betrachtung der gesamten Transportkette einschließt.


    4.2 Entwurfsparameter

    Sehen wir uns nun die Entwurfsparameter an.

    Die mögliche Schiffslänge hängt natürlich auch von der Infrastruktur der Häfen ab. Alle größeren Terminals sind aber für Schiffslängen von 350 m entwickelt worden. Es können auch Schiffe von 400 m Länge abgefertigt werden, wobei aber teilweise die Krananlagen erweitert werden müssen.
    Zusammenfassend kann man sagen, dass die Schiffslänge nicht durch die Terminals limitiert wird.

    • die Schiffsbreite: wird vor allem bestimmt durch die zur Verfügung stehenden Länge der Kranausleger. Wie später näher erläutert wird sind 22 Container in der Breite an Deck erforderlich um die Kapazität für 12.500 TEU bereitzustellen. Dies bedeutet einen geforderten netto Outreach von etwa 60 m.
    • Der Tiefgang: Der Tiefgang eines voll beladenen 12.500 TEU Schiffes wird bei etwa 14,5 m liegen. Das entspricht der Größenordnung von aktuellen Post-Panamax Schiffen. Legt man typische Containergewichte und Lastfaktoren auf den Hauptrouten Asien-Europa und Transpazifik Routen zugrunde ist es aber unwahrscheinlich, dass die Schiffe bis auf den maximalen Tiefgang beladen werden. Damit werden auch Häfen mit geringeren Tiefen erreichbar.
    • Hier zur Übersicht die Anzahl der Häfen mit einer Wassertiefe von 15 m und mehr in den Haupthandelsregionen. Im Jahr 2003 gab es bereits 25 Häfen. Diese Anzahl wird auf 28 im Jahre 2008 ausgebaut werden.
    • Dienstgeschwindigkeit: ist eine Frage der Wettbewerbsfähig und Wirtschaftlichkeit, im Rahmen der verfügbaren Antriebsanlagen und der Möglichkeit diese Leistung auch zu übertragen.
    • Ladungskapazität: das ständige optimieren der Stellplatzkapazität entgegen den physikalischen Abmessungen
    • Spezielle Anforderungen, wie z. B. Kühlcontainertransport
    • Die Möglichkeit diese Schiffe zu docken und zu warten.

    Blicken wir noch einmal auf die weltweite Verteilung der Häfen mit Wassertiefen über 15 m im Jahre 2003.

    Zuerst die Häfen mit Wassertiefe 17 m. Hier ist nur Long Beach mit 16,8 m zu nennen.

    Als nächstes 16 m. Hier ist immerhin Rotterdam, Algeciras, Aden, Vancouver und Yokohama zu nennen.

    Abschließend, nun Häfen mit 15 m Wassertiefe. Hier gibt es eine Entlang der Haupthandelrouten genügend Häfen.
    Im Jahre 2008 wird auch Felixstowe, Pusan und Le Havre über 15 m verfügen.


    4.3 Kranausleger potentieller ULCS-Terminals

    Bei der Festlegung der Schiffsbreite ist die maximal zur Verfügung stehende Kranauslegerlänge entscheidend.

    Viele Häfen haben bereits Kräne installiert oder bestellt die Schiffe mit 22 oder sogar 23 Container in der Schiffsbreite abfertigen können. D. h. die Häfen ihrerseits gehen ebenfalls von einer beachtlichen Vergrößerung der zukünftigen Containerschiffe aus. Technisch stellen Kräne mit 60 m outreach kein Problem dar.


    4.4 Voraussagen über zukünftige ULCS Dimensionen

    OSC ist in ihrer Studie auf folgende Parameter gekommen.

    Kapazität:12.500 TEU
    Länge:380/400 m LOA
    Breite:max 60 m - 22 Container
    Tiefgang:14,5 m max.
    Design Speed:23 knots - single engine, 25 knots - twin engines
    Maschinenanlage:Single or twin engines

    Hier nun die von Lloyd's Register zu Grunde gelegten Werte. Diese bildeten die Ausgangsbasis für die weitere Untersuchung.

    Kapazität:12.500 TEU
    Länge:381 Lpp
    Breite:57,0 m - 22 Cont.
    Tiefgang:14,5 m max.

    Insbesondere war es das Ziel das Festigkeits- und Verformungsverhalten des Schiffskörpers zu untersuchen, um der Industrie beratend zur Seite zu stehen und Regelwerke zu schaffen die auf die neuen Herausforderungen dieser Schiffe abgestimmt sind.

    Die Strukturuntersuchung wurde mit zwei unterschiedlichen Konfigurationen durchgeführt. Eine Version mit breiten Seitenkästen und 18 Container in der Breite im Laderaum.
    An Deck werden 22 Container in der Breite gefahren.

    Des weiteren wurde eine Konfiguration mit schmalen Seitenkästen und 20 Container in der Breite im Laderaum untersucht.


    4.5 Entwicklung der Schiffsform zur Bestimmung der Container-Kapazität

    Die nächste Frage war natürlich welche Kapazität man mit diesen Abmessungen erreichen kann. Um dieses sicher zu beantworten wurde die Schiffsform generiert.

    Mit Hilfe der exakten Form konnte nun die genaue Anzahl ermittelt werden.


    4.6 Effekt der Neu-Positionierung des Deckhauses

    Zu diesem Zeitpunkt wurde eine Möglichkeit untersucht die Kapazität zu erhöhen und noch eine Reihe anderer Vorteile zu erzielen.
    Dies wird erreicht durch Verschiebung des Deckhauses nach vorne.

    In der Version mit breiten Seitenkästen (22/18) und der konventionellen Position des Deckhauses über dem Maschinenraum wird eine Kapazität von 12.100 TEU erreicht.

    Verschiebt man das Deckhaus um einen Laderaum nach vorne sinkt die Kapazität auf Grund des toten Raumes unter dem Deckhaus.

    Wenn man das Deckhaus aber weiter nach vorne schiebt vergrößert sich die Kapazität aufgrund des Sichtstrahlekriteriums.

    Wir haben uns für eine Position des Deckhauses auf ungefähr halber Schiffslänge entschieden. Diese Position ergibt bei der Version 22/18 mit breiten Seitenkästen eine Kapazität von 12.500 TEU.

    Bei der Version 22/20 mit schmalen Seitenkästen sogar eine Kapazität von 13000 TEU möglich. Wie schon bei dem 5.600 TEU Panamax Konzept erläutert bringt diese Konfiguration aber auch noch entscheidende andere Vorteile.

    Der Raum unter dem Deckshaus wird ebenfalls als Tieftank verwendet.

    1. Umsetzung des Green Ship Konzeptes.
    2. Reduzierte Geräusch und Vibrationsbelastungen
    3. Verbessertes Torsionsverhalten
    4. Günstigere Leerschiffsgewichtsverteilung reduziert das hogging Glattwasserbiegemoment
    5. Vereinfachter Zugang zum Maschinenraum zu Wartungszwecken.


    4.7. Herausforderungen großer Schiffe

    Nachdem die Hauptabmessungen und die optimale Konfiguration bestimmt sind beschäftigte sich Lloyd's Register mit den technischen Herausforderungen wie:

    • Strukturfestigkeit
    • Bow flare slamming
    • Aft end slamming
    • Ladungssicherung
    • Antriebsanlage
    • Manövriereigenschaften


    4.7.1 Strukturfestigkeit des Schiffskörpers

    Wenden wir uns nun dem Thema Festigkeit des Schiffskörpers zu. Die Frage die es zu beantworten galt war: wird ein Schiff dieser Größe, Typs und Konfiguration ein besonderes Problem vom Festigkeitsgesichtspunkt darstellen.

    Um dies sicher zu beantworten wurden die Bauteilabmessungen für die Version mit den breiten Seitenkästen ermittelt. Hier ein Model aus Lloyd's Register ShipRight IS. Unter Annahme konventioneller Rahmenspantabstände und höherfestem Stahl mit einer Streckgrenze von 360 N/mm2 ergeben sich hierfür folgende Abmessungen:

    Lukenlängssüll:
    65,0 mm Hauptdeck und Scheergang:60,0 mm

    Die übrigen Bauteile bewegen sich im Bereich konventioneller Abmessungen.

    Wie sieht es aber mit der Version der schmalen Seitenkästen aus und 20 Container in der Breite im Laderaum?

    Die erforderlichen Bauteilabmessungen sehen wie folgt aus:

    • Wie vorher wurde das Lukenlängssüll mit 65,0 mm ausgelegt.
    • Bei diesem Konzept muss die übrige Struktur der oberen Gurtung ebenfalls mit einer Dicke von 65,0 mm ausgeführt werden.
    • Des Weiteren muss ein zusätzliches Deck zur Erhöhung des Widerstandsmomentes eingefügt werden.

    Die übrigen Bauteile bewegen sich ebenfalls im Bereich konventioneller Abmessungen. Unakzeptable Plattendicken, die mit bisherigen Schweißverfahren nicht mehr bearbeitet werden können, oder extrem hochfester Stahl sind also nicht erforderlich.


    4.7.2 Torsionsverhalten

    Bei offenen Schiffstypen ist aber neben der Aufbringung des überlagerten Glattwasser- und vertikalen Wellenbiegemomentes auch die Untersuchung des Torsionsverhaltens von entscheidender Bedeutung.

    Hierfür wurden detaillierte Untersuchungen mit Hilfe von globalen 3D finite Elemente Modellen durchgeführt. Beide Konzepte, mit breiten und schmalen Seitenkästen wurden untersucht. Des Weiteren wurden beide Position des Deckshauses 1/3 von hinten und auf Mitte Schiff idealisiert.

    Dieses Diagram zeigt die Verwindung des Schiffskörpers. Generell sollte die Verdrehung auf 0,006 Grad/m beschränkt werden. Dies ist durch die rote Linie dargestellt.
    Bei größeren Lukendiagonalverformungen ist mit Betriebsfestigkeitsproblemen oder zum Beispiel erhöhter Verschleiß der Lukendeckellager zu rechnen.

    Die violette Linie zeigt die Verwindung bei schmalen Seitenkästen und Deckshaus hinten. Man kann sehen das diese Konfiguration zu flexibel ist.

    Die steifere Variante mit breiten Seitenkästen und ebenfalls Deckshaus hinten ist bereits deutlich unterhalb der kritischen Grenze. Dies zeigt die grüne Linie.

    Die gestrichelten Linien zeigen den Effekt auf das Torsionsverhalten wenn das Deckshaus von der konventionellen 1/3 hinten Position nach vorne verschoben wird. Diese Anordnung stellt eine erhebliche Wölbbehinderung dar. Die steife Tieftankscheibe unter dem Deckshaus reduziert die Verwölbung des Schiffskörpers um beachtliche 30 %.

    Kommen wir nun zu den Spannungen die mit dem Torsionsverhalten in Zusammenhang gebracht werden: Wölbspannungen.
    Die größten Wölbspannungen treten beim Übergang vom offenem Laderaumbereich zum steifen Maschineraum auf. Die Volllinien stellen die Wölbspannungen im Falle des Deckshauses hinten dar. Es hat sich gezeigt, dass die Höhe der Wölbspannungen mit etwa 100 N/mm2 in gleicher Größenordnung liegt wie aktuelle Post-Panamax Schiffe.

    Durch die Verschiebung des Deckshauses nach vorne und die damit verbundene Wölbbehinderung lassen sich die maximalen Wölbspannungen um 20 % reduzieren. Ein beachtlicher Vorteil.


    4.7.3 Bow flare slamming

    Kommen wir nun kurz zum Thema Slamming im Vorschiff. Vor einigen Jahren stellt dieses ein Problem dar. Dieses Bild zeigt Schäden im Bug eines Containerschiffes. Die Beplattung der Außenhaut und die Längsbänder haben den enormen dynamischen Lasten zwar standgehalten. Im Bereich der Lasteinleitung sind aber die Steifen der Seitenrahmen beachtlich plastifiziert.

    Warum sind Containerschiffe anfällig? Die Schiffe haben bekanntlich sehr schlanke Rumpfformen mit niedrigen Cb Werten um die hohen Dienstgeschwindigkeiten zu ermöglichen.

    Um die Containerkapazität zu erhöhen wird das Hauptdeck in voller Schiffsbreite möglichst weit nach vorne geführt. Dies führt zu großen Spantausfallwinkeln. Besonders bei Winkeln über 40° treten enorme dynamische Lasten auf.

    Um diese Schäden zu eliminieren hat Lloyd's Register umfangreiche Untersuchungen angestellt um dieses Phänomen technisch in den Griff zu bekommen.

    Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind vor vier Jahren in das Vorschriftenwerk von Lloyd's Register eingeflossen. Seitdem sind keine nennenswerten Schäden im Bugbereich von Containerschiffen bekannt die nach den neuesten Lloyd's Register Vorschriften dimensioniert wurden.


    4.7.4 Aft end slamming

    Diese Erscheinung tritt bei modernen Schiffsformen auf in der Kombination niedriger Blockkoeffizient, flache breite Hinterschiffsform nahe der Wasserlinie. Diese Konfiguration ist besonders bei Containerschiffen anzutreffen um, wie im Vorschiff, das Hauptdeck in voller breite als Stauplatz zu nutzen.

    Seit einigen Jahren enthält das Regelwerk detaillierte Vorschriften die diese "Wave Impact pressures" bei der Auslegung der Struktur berücksichtigen. Hierbei können im flachen Hinterschiffsbereich extreme dynamische Drücke auftreten.

    Dieser Effekt, sowohl bow flare als auch aft end slamming, führt aber auch zu vergrößerten Welleninduzierten Biegemomenten. Der größere Auftrieb an den Schiffsenden führt zu erhöhten sagging Momenten. Seit 2002 wird dieser Effekt in den Lloyd's Register Bauvorschriften berücksichtigt.


    4.7.5 Ladungssicherung

    Das Regelwerk enthält des weiteren detaillierte Richtlinien zum Thema Ladungssicherung. Themen wie die Bestimmung der Kräfte und Beschleunigungen die auf ein Schiff im Seegang einwirken, werden ausführlich behandelt.

    Es ist zu erwarten das die Sicherung von Containern an Deck bei Ultra Large Container Schiffen eine besondere Herausforderung darstellt.

    Aufgrund der großen Breite und des daraus resultierenden steifen Bewegungsverhaltens, ist mit beachtlichen Rollbeschleunigungen zu rechnen. Für diese Schiffe stellt Lloyd's Register umfangreiche Seegangsbelastungsberechnungen an. Die durch direkte Berechnungen ermittelten Beschleunigungen werden bei der Bewertung des Stausystems und der Laschbrücken berücksichtigt.

    Weiterhin hat sich in den letzten Jahren die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von LR intensiv mit dem Thema Parametrisches Rollen von Containerschiffen beschäftigt. Hierbei handelt es sich um das plötzliche auftreten von großen instabilen Schiffsbewegungen. Die möglichen Folge sind Verlust von Containern, Ausfall der Maschinenanlage, Schäden an der Schiffsstruktur bis hin zum Totalverlust des Schiffes. Es treten extreme Roll und Stampfbewegungen auf.

    Parametrisches Rollen kann unter folgenden Bedingungen auftreten:

    • Das Schiffe fährt mit einem kleinen Kurswinkel zur vorherrschenden Wellenrichtung (headsea oder sternsea)
    • Die Wellenlänge entspricht ungefähr der Schiffslänge
    • Grossen Wellenhöhen
    • Die Rolldämpfungscharakteristik des Schiffes ist klein.

    Eine Übereinstimmung der Wellenperiode mit der Rolleigenperiode des Schiffes löst dann das Parametrische Rollen aus.

    Wie kann man es verhindern?
    Indem schon in einer frühen Entwurfsphase folgende Punkte berücksichtigt werden:

    • Veränderung der Rumpfform um eine bessere Auftriebsverteilung über die Schiffslänge zu erreichen.
    • Verbesserung der Rolldämpfungscharakteristik des Schiffes. Dies kann durch passive oder aktive Anti-Rolltanks, Flossenstabilisatoren oder große Schlingerkiele erfolgen.

    Übereinstimmung mit den aktuellen Lloyd's Register Richtlinien reduziert das Risiko des Ladungsverlustes erheblich. Zukünftig sollen weitere Untersuchungen, an denen wir maßgeblich beteiligt sind, den sicheren Schiffsbetrieb zu jeder Zeit sicherstellen.


    4.7.6. Antriebsmöglichkeiten

    Kommen wir nun zur Antriebsanlage. Im Rahmen der Studie über ULCS sind eine Reihe von Möglichkeiten detailliert untersucht worden.

    • Single engine, single screw
    • Twin engine, twin screw
    • Single screw + twin pods ("hybrid")
    • Contra-rotating propellers


    4.7.6.1 Single Engine / Single Screw

    Die wirtschaftlichste Lösung ist ohne Frage die Einmotorenanlage. Die größten derzeit zur Verfügung stehenden langsam laufenden Zweitaktdiesel sind 14 Zylinder Reihenmotoren. Das Bild oben rechts zeigt die kleinere 12 Zylinder Version.
    Die Motoren Verfügen über eine elektronische geregelte Common-rail Einspritztechnologie die mit Einspritzdrücken von bis zu 1000 bar arbeitet.
    Um sich einmal die Abmessungen zu verdeutlichen zeigen die unteren Bilder die Montage der 9 Zylinder Version.

    Zum Größenvergleich die Monteure.

    Von Sulzer/Wärtsilä und MAN B&W stehen Motoren mit 80 MW (109000 bhp) zur Verfügung. Damit lassen sich Geschwindigkeiten von etwa 24 kn erreichen. Die Länge der Hauptmaschine beträgt etwa 28 m bei einer Gesamthöhe von 13,5 m und einem Trockengewicht von stattlichen 2400 t. Die Bohrung beträgt 960 mm bzw. 980 mm bei einem Hub von 2500 mm bzw. 2660 mm.

    Laut MAN B&W ist aber auch eine 14 Zylinder Version mit 97,3 MW (132.000 bhp) bei 1080 mm Bohrung und ebenfalls 2660 mm Hub erhältlich. Die Länge beträgt 32.650 mm und das Gewicht etwa 3.260 t. Hiermit sind Dienstgeschwindigkeiten von 25 kn möglich.

    Zur Erzielung größerer Geschwindigkeiten muss auf Zweimotorenanlagen zurückgegriffen werden.

    Bei der Studie wurde zur Leistungsprognose bei einer Einschraubenanlage von einem sechsflügeligen Propeller mit einem Durchmesser von 9,8 m ausgegangen. Das entspricht etwa 70 % des Tiefgangs.

    Kavitation lässt sich generell bei 1-Schrauben-Containerschiffe nicht vermeiden. Ziel ist es jedoch, die Kavitation stabil auszuführen, um die Gefahr von Erosion auf der Flügeloberfläche zu vermeiden. Dies ist auch in der Praxis beherrschbar.

    Ein weiteres Problemfeld besteht in der Ruderkavitation (besonders bei gelegtem Ruder). Hierzu werden u. a. Modellversuche (Kavitationstest) mit entsprechenden Ruderwinkeln durchgeführt und die Gefahr von Erosion durch Kavitation eingeschätzt. Dies ist natürlich keine Frage ausschließlich für große Containerschiffe, jedoch heutzutage ein wichtiges Kriterium.

    Technisch sind moderne Propellergießereien heute in der Lage Durchmesser bis 11,3 m zu fertigen.

    Das Gewicht eines solchen Propellers beträgt 140 t im bearbeiteten Zustand. Hierfür sind Schmelzkapazitäten der Gießereien von bis zu 200 t erforderlich. Das ist aber technisch machbar.

    Abschließend kann man sagen, dass man heute laut Untersuchung der Hersteller in der Lage ist Leistungen von bis zu 100 MW mit einem Propeller in Schub umzuwandeln.


    4.7.6.2 Twin Engine / Twin Screw

    Soll die Geschwindigkeit weiter erhöht werden bleibt derzeitig nur die Möglichkeit einer Zweischraubenanlage. Dies bedeutet:
    • Größere Geschwindigkeiten
    • Leichtere Propeller / 4 Flügel
    • Reduzierte Druckstöße auf das Hinterschiff
    • Sichererer Schiffsbetrieb durch Redundanz der Antriebsanlage
      (günstigere Versicherungsprämien?)
      Aber:
    • Vergrößerte Anfälligkeit für aft end slamming
    • Unwirtschaftlicher:
      größerer Kapitalbedarf (+10 %), höhere Wartungskosten, Besatzungsbedarf & Treibstoffkosten


    4.7.7 Manövriereigenschaften - Auswirkungen auf die Kaianlagen

    Die Manövriereigenschaften dieser Schiffe mit ihren enormen Windangriffsflächen durch die Containerladung ist ebenfalls detailliert untersucht worden. Die Manövriereigenschaften von ULCS stimmen mit dem IMO Kriterien überein. Es wird davon ausgegangen das 3 bis vier Querstrahlruderanlagen mit je 25 t Schub eingesetzt werden müssen, wenn die Schiffe unabhängig von Schleppern manövrieren sollen.

    Um den Effekt der Querstrahler auf den Meeresboden und die Kaianlagen zur Vermeidung von Schäden zu beurteilen sind umfangreiche CFD Analysen durchgeführt worden.


    5. Ergebnisse

    Unsere Analyse zeigte, das

    • Globales Festigkeitsverhalten
    • Bauteilabmessungen
    • Torsionsverhalten
    • Antriebsanlage
    • Manövriereigenschaften

    kein technischen Probleme darstellen.

    Eine Reihe von Analysen der Gesamtkosten für zahlreiche Routen, Geschwindigkeiten und Antriebskonzepte ist untersucht worden, die sämtliche Kosten (Kapitalaufwand, Betriebskosten, Wartung, Personal, Hafengebühren, usw.) berücksichtigt.

    Hier dargestellt, die Transportkosten für einen 40' Container von Singapore nach Rotterdam. Die Geschwindigkeit wurde mit 25 kn angesetzt. Es sind die höheren Betriebskosten eines ULCS mit Zweischraubenanlage zugrunde gelegt worden. Wie man sieht sind selbst bei dieser Konfiguration noch eine Kostenreduzierung von 19 % gegenüber einem 6800 TEU Schiff zu erwarten.
    Bei der Version mit einem Propeller lassen sich die Kosten pro Container um etwa 1/4 senken. Bei Reduzierung der Dienstgeschwindigkeit können bis zu 30 % erreicht werden.