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Dokumentenidentifikation DE102006037845A1 20.03.2008
Titel Verfahren zur Ballastwasseraufbereitung
Anmelder Hochhaus, Karl-Heinz, Dr.-Ing., 21217 Seevetal, DE;
Mehrkens, Christian, 27432 Bremervörde, DE
Erfinder Hochhaus, Karl-Heinz, Dr.-Ing., 21217 Seevetal, DE;
Mehrkens, Christian, 27432 Bremervörde, DE
DE-Anmeldedatum 12.08.2006
DE-Aktenzeichen 102006037845
Offenlegungstag 20.03.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.03.2008
IPC-Hauptklasse B63J 4/00(2006.01)A, F, I, 20060812, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Ballastwasser auf Seeschiffen. Die Probleme durch die Verschleppung von Organismen in fremde Lebensräume in dem Ballastwasser von Schiffen ist lange bekannt. Pro Jahr werden viele Mrd. Tonnen Ballastwasser von Schiffen transportiert. Mit diesem Wasser wurden und werden pflanzliche und tierische Organismen global ausgetauscht, die zu einer Verdrängung der ursprünglichen Wasserflora und -fauna führen. Die nachfolgende Erfindung betrifft ein vierstufiges Verfahren zur Ballastwasserbehandlung auf Schiffen, das mit geringem Energieaufwand ein optimales Ballastwassermanagement ermöglicht. Die Erfindung wird im nachfolgenden Text exemplarisch anhand der Abbildungen 1 und 2 beschrieben.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Ballastwasser auf Seeschiffen. Die Probleme durch die Verschleppung von Organismen in fremde Lebensräume in dem Ballastwasser von Schiffen ist lange bekannt. Pro Jahr werden viele Mrd. Tonnen Ballastwasser von Schiffen transportiert. Mit diesem Wasser wurden und werden pflanzliche und tierische Organismen global ausgetauscht, die zu einer Verdrängung der ursprünglichen Wasserflora und -fauna führen. Die daraus entstandenen Schäden und Folgekosten an der Natur (Fischerei) und Bauten werden weltweit auf 5–10 Mrd. Euro geschätzt.

Mit Ballastwasser wird von fast allen Schiffen die ungleichmäßig verteilte Ladung sowie verbrauchter Brennstoff ausgeglichen, um Stabilitätsprobleme zu vermeiden. Je nach Schiffstyp wird etwa 10–50 % der Tragfähigkeit an Ballastwasser ausgeglichen.

Zur künftigen Vermeidung dieser Probleme wurden beispielsweise in Australien, Neuseeland, Kanada und den USA nationale Vorschriften erlassen, um auf Schiffen ein sog. Ballastwassermanagement einzuführen. Im Jahre 2004 wurde von der International Maritime Organisation (IMO) ein internationales Abkommen über Ballastwassermanagement verabschiedet [1]. Das Inkrafttreten dieses Abkommens ist in den nächsten Jahren zu erwarten. In diesem Ballastwasser-Abkommen werden zwei Standards definiert:

Im sog. Ballast Water Exchange Standard muss aufgenommenes Ballastwasser auf hoher See bei einer Entfernung von mindestens 200 sm zur nächsten Küste und bei einer Wassertiefe von mindestens 200 m so ausgetauscht werden, dass ein volumetrischer Austauschgrad von mindestens 95 % erreicht wird. Der Austausch von Ballastwasser wird im internationalen Ballastwasser-Abkommen als Interimslösung angesehen, so dass ab 2009 bis 2016, in Abhängigkeit der Ballastwasserkapazität und Baujahr eines Schiffes, der sog. Ballast Water Performance Standard erfüllt werden muss.

Im Ballast Water Performance Standard wird die Anzahl an Mikroorganismen bestimmter Größen sowie die Anzahl koloniebildender Bakterien und Viren, die im auszutauschenden Ballastwasser enthalten sind, reglementiert. Mit einem Austausch von Ballastwasser werden diese Grenzwerte kaum einzuhalten sein, so dass die Behandlung von Ballastwasser unvermeidlich ist.

Die Industrie entwickelt derzeit mechanische, physikalische, chemische und biologische Verfahren, die einzeln oder im Verbund die Erfüllung des zuvor genannten Standards sicherstellen sollen.

In der Literatur werden neben einer UV- und Ozon-Behandlung im Wesentlichen drei Möglichkeiten zur Ballastwasser-Wärmebehandlung genannt: Mischvorwärmung von Ballastwasser bei gleichzeitigem Spülen eines Ballastwassertanks, Erwärmung von Ballastwasser unter Nutzung von Abwärme oder sonstigen Wärmequellen sowie die Erwärmung von Ballastwasser bei der Aufnahme oder Abgabe. Die Erwärmung des Ballastwassers erfolgt dabei vorwiegend mit Motorkühlwasser oder sonstigen Wärmequellen wie z. B. Hilfskessel. Im Folgenden wird ein Überblick über Verfahren zur Ballastwasser-Wärmebehandlung gegeben.

Eine Ballastwasser-Wärmebehandlung bei gleichzeitigem Spülen eines Ballastwassertanks wird in [2], [3] beschrieben. Dieses Verfahren ist ein Verbund aus einer Ballastwasser-Wärmebehandlung, in der entweder die Motorkühlwasserwärme genutzt oder Wärme von Hilfskesseln bereitgestellt wird und einem Austausch von Ballastwasser. Zunächst wird Seekühlwasser in einem zentralen oder dezentralen Kühlwassersystem auf > 40°C erwärmt [3]. Das erwärmte und organismenarme Seekühlwasser wird anschließend in einen Ballastwassertank geleitet, wo das vorhandene kalte Ballastwasser durch Mischung vorgewärmt wird. Gleichzeitig wird gerade so viel Ballastwasser über die Entlüftung aus dem Tank abgeführt, wie erwärmtes Seekühlwasser eingeleitet wird. Die Mischvorwärmung erfolgt so lange bis eine stationäre Temperatur (z. B. 38°C [3]) erreicht wurde und die Verweilzeit bei dieser Temperatur ausreichend ist, um einen Großteil der schädlichen Wasserorganismen zu deaktivieren. Nachteilig ist, dass das Verfahren nur bei relativ hohen Seewassertemperaturen sinnvoll anzuwenden ist [2] und dass die Reisezeit des Schiffes ausreichend lang sein muss, damit das gesamte Ballastwasser eines Schiffes behandelt werden kann. Durch den Überlauf von vermischtem Ballastwasser ist eine Erfüllung des IMO Ballast Water Performance Standards fraglich. Außerdem wird die verfügbare Wärme des Kühlwassersystems schlechter genutzt, weil durch den Überlauf von Ballastwasser die sensible Wärme nicht mehr genutzt werden kann [2].

In [2] wird ein System zur Nutzung der Wärme des Motorkühlwassers vorgeschlagen, bei dem Ballastwasser in einem Wärmetauscher von warmem Seekühlwasser aufgewärmt und wieder zurück in den Ballastwassertank gefördert wird. Die vorhandenen schädlichen Mikroorganismen werden bei erhöhter Temperatur und einer ausreichend langen Verweilzeit deaktiviert. Bei einer Temperatur unter 32°C kann das Ballastwasser auch direkt zur Motorkühlung eingesetzt und so erwärmt werden (Verwendung heute für Kühlbetrieb bei Eisfahrt und Dockung).

Ein weiteres Verfahren zur Nutzung der Wärme des Motorkühlwassers wird in [3] genannt. Das zu behandelnde Ballastwasser wird zunächst in einem Wärmetauscher durch bereits behandeltes und erwärmtes Ballastwasser vorgewärmt. Anschließend wird das vorgewärmte Ballastwasser in den Zylinderkühlwasser-Wärmetauscher geleitet, in dem eine Temperatur von bis zu 45–50°C erreicht wird. Nach einer auseichend langen Verweilzeit bei dieser Temperatur (Deaktivierung von schädlichen Mikroorganismen), wird das erwärmte und behandelte Ballastwasser über den o.g. Wärmetauscher geleitet. Dort wird das behandelte Ballastwasser durch die Vorwärmung von kaltem und unbehandeltem Ballastwasser abgekühlt. Beide Verfahren können zwar bei niedrigen Seewassertemperaturen eingesetzt werden, die Behandlungsdauer beträgt trotzdem mehrere Tage (für 50 000 t Ballastwasser wird in [3] eine Behandlungsdauer von ca. 4–5 Tagen angegeben).

Die nachfolgende Erfindung betrifft ein vierstufiges Verfahren zur Ballastwasserbehandlung auf Schiffen, das mit geringem Energieaufwand ein optimales Ballastwassermanagement ermöglicht. Die Erfindung wird im nachfolgenden Text exemplarisch anhand der und beschrieben.

Die erste Stufe () besteht aus einer Anordnung von Filtern (2) (Grobfilter, Feinfilter), die zweite Stufe wird von einer redundanten Entkeimungseinheit (3) gebildet. Die Filter (2) dienen zur Abscheidung von Schmutz, Sand, Pflanzen und größeren Lebewesen. Die Entkeimungseinheit (3) tötet die kleinen und kleinsten Lebewesen, darunter auch die Bakterien, Keime, Hefen und Viren.

Die Wasser- und luftdurchströmte Entkeimungseinheit (3) besteht aus einem Gehäuse mit mehreren UV- und gegebenenfalls Ozonlampen, die im Strahlungsbereich von 200–300 nm arbeiten. Damit werden im Wasser mit der UV-Strahlung die Kleinstlebewesen abgetötet und in der Luft Ozon erzeugt, welches dem Wasser zugegeben wird. Das von der Ballastpumpe (1) geförderte Wasser durchströmt die Entkeimungseinheit (3). In oder hinter der Entkeimungseinheit (3) wird Ozon zugeführt, welches durch entsprechende Strahler oder Ozongeneratoren erzeugt wird. Dieses Wasser mit einem kleinen Ozonanteil gelangt anschließend in den Ballasttank (4). Der Ozonüberschuss dient als Puffer dazu, u. U. noch vorhandene Bakterien, Keime, Algen oder andere Organismen sicher zu töten. Diese sogenannte Ozonzehrung wird durch den normalen Ozonzerfall beschleunigt, damit ist der Ozonüberschuss nach einigen Tagen beseitigt.

Die dritte und vierte Stufe der Ballastwasseraufbereitungsanlage nutzt die Abwärme der Hauptmaschine und kann erst auf hoher See in Betrieb genommen werden. Hier erfolgt eine thermische Behandlung des Ballastwassers. Das System der thermischen Entkeimung ist in schematisch dargestellt.

Das Ballastwasser wird mit der Ballastwasserpumpe (1) aus einem der Ballastwassertanks (4) abgezogen und danach auf die dritte und vierte Stufe des Ballastwassersystems aufgeteilt.

In der dritten Stufe wird das Ballastwasser einem thermischen Frischwassererzeuger zugeführt. In diesem Beispiel wird ein nach dem Entspannungsverdampfungsprinzip arbeitender Frischwassererzeuger eingesetzt. Aber auch der Einsatz von beispielsweise Steigfilm- oder Plattenverdampfern ist denkbar.

Das Seewasser wird zunächst durch den Kondensator (6) des Verdampfers (5) geleitet und dort durch Kondensation von Brüdendampf vorgewärmt. Anschließend durchströmt das Seewasser den Hochtemperatur-Kühler 1 (7) der Hauptmaschine, wo es durch HT-Motorkühlwasser auf eine Temperatur > 60°C erwärmt wird. Im nachfolgenden Verdampfer (5) wird das Seewasser dann bei Unterdruck partiell verdampft. Die flüssige Phase wird mit der Laugepumpe (9) zurück in einen Ballastwassertank gefördert. Die gasförmige Phase wird im Kondensator (6) durch Ballastwasser kondensiert und danach mit der Destillatpumpe (8) in einen Frischwassertank gefordert.

Mit dem Destillat dieses Beispiels ergibt sich ein Frischwasser, das eine Dreifachfunktion als Frisch-Ballastwasser, Brauchwasser und Frischwasser erfüllen kann. Auf dem Schiff kann es für verschiedene Zwecke genutzt werden. Beim Laden im Hafen kann es an Land abgegeben werden und entweder für weitere Ballastzwecke anderer Schiffe gespeichert oder in wasserarmen Gebieten zur Bewässerung genutzt werden.

Zusätzlich zum Hochtemperaturkühler 1 (7) ist ein weiterer Hochtemperaturkühler 2 (10) angeordnet, der als Redundanz dient bzw. die nicht genutzte Wärme des HT-Motorkühlwassers abführt und zusammen mit der Verweilvorrichtung (11) die vierte Stufe des Systems bildet. Zunächst wird das Ballastwasser im Hochtemperatur-Kühler 2 (10) von HT-Motorkühlwasser der Hauptmaschine auf eine Temperatur > 60°C erwärmt. Anschließend gelangt das erwärmte Ballastwasser in die Verweilvorrichtung (11). Der Strömungsquerschnitt der Verweilvorrichtung (11) ist so gestaltet, dass das Ballastwasser einige Minuten bei hoher Temperatur verweilt und so die kleinsten Lebewesen abgetötet werden. Das thermisch entkeimte Ballastwasser wird anschließend zurück in einen Ballastwassertank geleitet.

Literatur

  • [1] INTERNATIONAL MARITIME ORGANIZATION (HRSG.): Ballast Water Management Convention. London: International Maritime Organization, 2005.
  • [2] RADAN, D.; LOVRIC, J.: Utilisation of Diesel Engine Waste Heat for Ship's Ballast Water Heat Treatment. Fourth International Conference an Environmental Problems in Coastal Regions, COASTAL ENVIRONMENT 2002, Wessex Institute of Technology, 16–18 September 2002, Rhodes, Greecehttp://folk.ntnu.no/~radan/papers/radan_coastal_environ.pdf
  • [3] RIGBY, G; HALLEGRAEFF, G.; TAYLOR, A.: Does Heat offer a Superior Ballast Water Treatment Option? In: MATHEICKAL, J.; RAAYMAKERS S. (HRSG.). 2nd International Ballast Water Treatment R&D Symposium, IMO London, 21–23 July 2003: Proceedings. GloBallast Monograph Series No. 15. IMO London, 2004http://globallast.imo.org/monograph%2015%20RandD%20Symposium.pdf


Anspruch[de]
Verfahren zur Behandlung von Ballastwasser, umfassend mindestens eine Ballastpumpe, Filter und Entkeimungseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass durch den UV-Strahler Kleinstlebewesen, Bakterien und Keime im Ballastwasser getötet werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen UV-Strahler, Ozon-Strahler, kombinierten UV-Ozon-Strahler oder einen Ozongenerator Ozon erzeugt wird, wodurch eine Speicherwirkung erzielt wird, die in den Ballastwassertanks eine weitgehend sterilisierende Wirkung hat. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Behandlung des Ballastwassers durch Abwärmenutzung des Kühlwassers erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Behandlung des Ballastwassers durch Abwärmenutzung des Abgases (Abgaskessel) erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Behandlung des Ballastwassers durch Abwärmenutzung des Kühlwassers und des Abgases (Abgaskessel) erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterdruck Destillat erzeugt wird, wodurch weitgehend keimfreies Frischwasser als Ballastwasser und für andere Zwecke zur Verfügung steht. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Dampf bei Umgebungsdruck oder höheren erzeugt wird, wodurch weitgehend keimfreies Frischwasser als Ballastwasser und für andere Zwecke zur Verfügung steht. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf in einem Hilfskessel erzeugt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Abwärme zur thermischen Entkeimung von Ballastwasser genutzt wird. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Entkeimung von einer Vorrichtung mit einem ausreichend großen Querschnitt unterstützt wird, so dass eine Verweilzeit von mehreren Minuten erreicht wird.






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