MGPS-Anode für Handelsschiffe

Handelsschiffe sind die wichtigsten Transportmittel des Welthandels. Im langfristigen Einsatz im Meer sind ihre Seewasserkühlsysteme, Ballastwassersysteme und diverse Unterwasserleitungen von Biofouling betroffen, da sich Meeresorganismen wie Seepocken und Muscheln schnell an den Innenwänden der Rohrleitungen ansiedeln.

Traditionelle Antifouling-Methoden wie die chemische Chlorierung hemmen zwar vorübergehend das Wachstum von Meeresorganismen, beschleunigen aber die Korrosion des Schiffsrumpfs und verursachen aufgrund chemischer Emissionen eine schwere Meeresverschmutzung. Sie erfüllen somit nicht die Umweltauflagen, wie sie beispielsweise die Konvention MEPC.279 (70) der Internationalen Seeschifffahrts-Organisation (IMO) vorsieht. Systeme zur Verhinderung von Meeresbewuchs (MGPS) erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Die Anode als Kernkomponente von MGPS bestimmt durch ihre Leistungsfähigkeit, die Wahl des Anodentyps sowie die Installation und Wartung direkt die Wirksamkeit des Systems hinsichtlich Antifouling und Korrosionsschutz.

MGPS-Anoden setzen durch Elektrolyse spezifische Ionen oder Oxidationsmittel frei, wodurch die Anhaftung von Meeresorganismen wirksam verhindert und eine Schutzschicht an der Innenwand von Rohren gebildet wird. So wird eine Doppelfunktion von „Antifouling + Korrosionsschutz“ erreicht. Dieses System gehört mittlerweile zur Standardausrüstung verschiedener Handelsschiffe wie Containerschiffe, Öltanker, Massengutfrachter und Forschungsschiffe und findet breite Anwendung in Schiffsflotten sowie auf Spezialschiffen wie beispielsweise Antarktisforschungsschiffen.

MGPS-Anoden

Die Wahl des MGPS-Anodentyps muss präzise auf das Fahrtgebiet des Schiffes, die Rohrleitungsmaterialien und die Antifouling-Anforderungen abgestimmt sein. Verschiedene Anodentypen unterscheiden sich deutlich in Material, Struktur und Funktionsschwerpunkt. Aktuell lassen sich die gängigen MGPS-Anoden für Handelsschiffe in vier Hauptkategorien einteilen.

(I) Elektrolytische Metallanoden

Elektrolytische Metallanoden sind die am häufigsten verwendeten MGPS-Anoden für Handelsschiffe. Sie erzielen Antifouling- und Korrosionsschutz durch Elektrolyse und Auflösung von Metallionen. Zu den Hauptmaterialien gehören Kupfer, Aluminium und Eisen.

KupferanodenDie Hauptfunktion der Anode besteht darin, die Anhaftung von Meeresorganismen zu verhindern. Sie ist somit die zentrale Antifouling-Komponente der MGPS-Anode. Typischerweise besteht sie aus hochreinem Elektrolytkupfer und ist in Standardgrößen mit Durchmessern von 3.5 Zoll, 4 Zoll und 5 Zoll sowie Längen von 12 Zoll bis 36 Zoll erhältlich. Sondergrößen können entsprechend dem Rohrleitungsdurchmesser des Schiffes angefertigt werden. Die Kupferanode setzt während der Elektrolyse Kupferionen (Cu²⁺) frei, die hochgradig biotoxisch sind. Ab einer Kupferionenkonzentration von 2 mg/m³ im Meerwasser wird das Wachstum und die Anhaftung von Meereslarven wie Algen, Seepocken und Muscheln wirksam gehemmt, wodurch Biofouling an der Quelle verhindert wird. Diese Anode ist mit gängigen Schiffsrohrleitungsmaterialien wie Stahl und Gusseisen kompatibel und wird häufig auf Containerschiffen und Massengutfrachtern in gemäßigten und subtropischen Gewässern eingesetzt.

AluminiumanodenIhre Hauptfunktion ist der Korrosionsschutz und die zusätzliche Bekämpfung von Bewuchs. Sie bestehen größtenteils aus hochreiner Aluminiumlegierung und sind in ihren Abmessungen mit Kupferanoden kompatibel, sodass sie zusammen installiert werden können. Bei der Elektrolyse setzen Aluminiumanoden Aluminiumionen (Al³⁺) frei, die sich mit Hydroxidionen im Meerwasser zu Aluminiumhydroxidflocken (Al(OH)₃) verbinden. Diese Flocken adsorbieren und töten Meereslarven ab und verbessern so die Bewuchsschutzwirkung. Darüber hinaus lagern sich die Flocken an der Innenwand des Rohrs ab und bilden einen dichten Schutzfilm, der das Metallrohr vom Meerwasser isoliert. Dadurch wird die Korrosionsrate unter 0.03 mm/Jahr gehalten und die Lebensdauer des Rohrs deutlich verlängert. Aluminiumanoden sind nur für Stahlrohre geeignet und sollten nicht auf Aluminium- oder Kupferrohren verwendet werden, um Sekundärkorrosion zu vermeiden.

EisenanodenEisenanoden, auch bekannt als Weicheisenanoden, werden hauptsächlich zum Korrosionsschutz in speziellen Rohrleitungssystemen, insbesondere in Kupfer-Nickel-Legierungsrohren (häufig in Marineschiffen und hochwertigen Handelsschiffen), eingesetzt. Bei der Elektrolyse setzen sie Eisen(II)-Ionen (Fe²⁺) frei, die eine stabile Oxidschicht an der Innenwand der Kupfer-Nickel-Rohre bilden. Dadurch wird die Korrosion der Rohre gehemmt und chemische Reaktionen mit Kupferionen, die zu Ablagerungen von Verunreinigungen führen könnten, werden verhindert. Eisenanoden sind typischerweise mit Sicherheitsflanschen ausgestattet und müssen bei der Installation mit einer passenden Kathode kombiniert werden, um einen stabilen Elektrolysekreis zu gewährleisten. Sie eignen sich nicht für herkömmliche Stahlrohrleitungen.

(II) Meerwasserelektrolyseanoden

Anoden für die Meerwasserelektrolyse eignen sich für tropische, bioaktive Meeresgebiete (wie das Rote Meer). Sie erzielen eine starke Antifouling-Wirkung durch die Erzeugung von Oxidationsmitteln mittels Meerwasserelektrolyse. Das Kernmaterial ist ein platinbeschichtet Titanlegierung oder gemischtes Metalloxid (MMO) Inertanode. Diese Anodenart verbraucht kein eigenes Material; sie dient lediglich als Elektrolyseträger. Durch Anlegen von Gleichstrom an Meerwasser werden starke Oxidationsmittel wie Natriumhypochlorit (NaClO) und hypochlorige Säure (HClO) erzeugt, die Meereslarven und -sporen im Meerwasser schnell abtöten und so eine Antifouling-Wirkung von über 96 % erzielen.

Ihre Struktur ist üblicherweise platten- oder rohrförmig, sie werden in einer separaten Elektrolysezelle installiert und müssen vom Schiffsrumpf isoliert sein, um Störungen der Rumpfstruktur durch den Stromfluss zu vermeiden. Zu den Vorteilen von Meerwasserelektrolyseanoden zählen ihre hohe Antifouling-Wirksamkeit, ihre Eignung für Gebiete mit hoher Biomassekonzentration und die fehlende Emission von Metallionen, wodurch sie umweltfreundlicher sind. Ihr Nachteil ist jedoch ihre Empfindlichkeit gegenüber dem Salzgehalt des Meerwassers. Sie werden derzeit häufig auf Handelsschiffen wie Öltankern und LNG-Tankern eingesetzt, die lange Strecken in tropischen Gewässern zurücklegen.

(III) Spirax-Anode

Die Kompositanode ist eine integrierte Anode, die speziell für beengte Platzverhältnisse entwickelt wurde. Sie besteht aus einer Kupfer-Aluminium- oder Kupfer-Eisen-Kompositstruktur und vereint Antifouling- und Korrosionsschutzfunktionen, wodurch die separate Installation zweier Anodentypen entfällt. Ihr Hauptvorteil liegt in ihrer kompakten Bauweise, die sie ideal für Schiffe mit schmalen Rohrleitungen und begrenztem Installationsraum (wie z. B. kleine Massengutfrachter und Regierungsschiffe) oder für Anwendungen mit PVC- oder CPVC-Rohrleitungen (ohne Naturkathode) macht.

Die Kompositanode optimiert das interne Materialverhältnis, um ein stabiles Freisetzungsverhältnis von Kupferionen zu Aluminium-/Eisenionen während der Elektrolyse zu gewährleisten. Dies garantiert sowohl eine effektive Antifouling-Wirksamkeit als auch die Bildung einer wirksamen Schutzschicht. Bei der Installation kann sie direkt in den Boden des Filter- oder Pumpengehäuses eingebettet werden, was einen einfachen Austausch ohne Trockendockung ermöglicht und die Wartungskosten deutlich reduziert.

Anwendungen von MGPS-Anoden

Der Installationsort der MGPS-Anoden bestimmt direkt deren Antifouling- und Korrosionsschutzwirkung. Ein umfassender Plan, der die Rohrleitungsführung, die Anlagenstruktur und die Wartungsfreundlichkeit des Schiffes berücksichtigt, wird umgesetzt. Die wichtigsten Installationsbereiche konzentrieren sich auf den Seewassereinlass und kritische Anlagenteile, um die Anhaftung von Meeresorganismen direkt an der Quelle zu verhindern.

(I) Seewasserkiste

Der Seewasserbehälter dient als Einlass zum Seewassersystem des Schiffes. Meeresorganismen gelangen hier erstmals in die Rohrleitungen, weshalb er der zentrale Installationsort für die MGPS-Anoden ist. Die Anoden werden üblicherweise in einer Hülsenkonfiguration im Inneren des Behälters während des Trockendocks parallel zur Seewasserströmungsrichtung installiert. Dadurch wird sichergestellt, dass die durch Elektrolyse erzeugten Ionen oder Oxidationsmittel sich schnell im gesamten Rohrleitungssystem verteilen können.

Der Vorteil dieses Standorts liegt in seiner umfassenden Abdeckung, die alle nachfolgenden Seewasserleitungen, Kühler, Kondensatoren und sonstige Anlagen schützt. Der Nachteil besteht darin, dass der Anodenwechsel ein Dockaufenthalt erfordert, wodurch die Auswahl von Anoden mit längerer Lebensdauer (typischerweise 2–3 Jahre) notwendig wird. Derzeit sind die Haupt-MGPS-Anoden der meisten Handelsschiffe hier installiert, wobei Kupfer-Aluminium-Anodenkombinationen, die an Stahlrohrleitungen angepasst sind, die gängigste Wahl darstellen.

(II) Sieb

Der Filter ist eine wichtige Vorbehandlungseinrichtung für Meerwasserleitungen. Da er durch Meeresorganismen leicht verstopfen kann, sind im Inneren des Filters Anoden installiert und mit Flanschen befestigt. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass für den Anodenwechsel kein Dockaufenthalt erforderlich ist; durch einfaches Schließen der Ein- und Auslassventile des Filters und Entfernen der Flansche ist der Austausch abgeschlossen. Dies macht die Wartung komfortabel und eignet sich besonders für Schiffe in tropischen Gewässern, bei denen häufige Anodenwechsel notwendig sind.

Üblicherweise werden im Filter Verbundanoden oder kleine Kupferanoden installiert, vor allem zum zusätzlichen Schutz des Filterkörpers und nachfolgender Kurzstreckenleitungen. Sie müssen zusammen mit der Hauptanode im Seewasserventilkasten verwendet werden.

(III) Pumpenboden

Bei kritischen Anlagen wie Meerwasser-Hebepumpen und Kühlpumpen werden pumpenmontierte Anoden am Pumpenboden, typischerweise im Strömungsstabilisierungsrohr oder -gehäuse, nahe dem Laufrad installiert. Diese Positionierung schützt direkt das Pumpenlaufrad, das Pumpengehäuse und die Zuleitung und verhindert die Ansammlung von Meeresorganismen, die zu Durchflussminderung, verstärkten Vibrationen oder Laufradschäden führen könnte. Dieses Verfahren eignet sich für Schiffe mit extrem hohen Anforderungen an die Pumpenzuverlässigkeit, wie beispielsweise Öltanker und LNG-Tanker.

Bei der Installation ist darauf zu achten, dass die Anode vom Pumpengehäuse isoliert ist, um zu verhindern, dass elektrolytischer Strom Präzisionsbauteile wie Pumpenwelle und Lager korrodiert. Der Anodenrahmen muss zudem fest montiert sein, um Vibrationen und Stößen im Pumpenbetrieb standzuhalten.

(IV) Reaktionstank

Der Reaktionstank eignet sich für indirekte MGPS-Systeme, die vorwiegend in großen Handelsschiffen (wie Öltankern und Containerschiffen) mit ausreichend Platz im Maschinenraum eingesetzt werden. Die Anode ist in einem separaten Reaktionstank installiert. Das Meerwasser wird zunächst im Tank aufbereitet, bevor es in das Rohrleitungssystem geleitet wird. Diese Anordnung bietet Vorteile wie die einfache Wartung und den Austausch der Anode (einfach die Ventile des Reaktionstanks schließen) sowie eine verbesserte Elektrolyseeffizienz durch die optimierte Tankstruktur. Das System ist für Meerwasserelektrolyseanoden oder Kompositanoden geeignet.

Der Reaktionsbehälter ist üblicherweise mit einer Spülvorrichtung ausgestattet, um Ablagerungen und Verunreinigungen im Inneren regelmäßig zu entfernen und so die Leistung der Anodenelektrolyse nicht zu beeinträchtigen. Der Behälter verfügt außerdem über einen Abluftanschluss, um das bei der Elektrolyse entstehende Wasserstoffgas abzuführen und so Gasansammlungen und potenzielle Sicherheitsrisiken zu vermeiden.

(V) Vorsichtsmaßnahmen

Materialauswahl: Für Stahlrohrleitungen Kupfer-Aluminium-Anodenkombinationen verwenden; für Kupfer-Nickel-Rohrleitungen Kupfer-Eisen-Anodenkombinationen; für PVC-Rohrleitungen Verbundanoden verwenden. Materialunverträglichkeiten, die zu elektrochemischer Korrosion führen könnten, sind zu vermeiden.

Abstandskontrolle: Der Installationsabstand zwischen Anode und Kathode sollte zwischen 0.5 und 1.5 Metern liegen, um eine gleichmäßige Verteilung des Elektrolytstroms zu gewährleisten und einen übermäßigen Anodenverbrauch aufgrund lokaler Stromspitzen zu verhindern.

Isolationsschutz: Der Anodenmontagerahmen muss mittels spezieller Isolierplatten oder -bolzen vom Rumpf und den Geräten isoliert werden, um Strombeeinträchtigungen der Rumpfstruktur oder von Präzisionsgeräten zu verhindern.

Wasserströmungsrichtung: Die Anodeninstallation muss auf die Strömungsrichtung des Meerwassers ausgerichtet sein, um sicherzustellen, dass die erzeugten Ionen oder Oxidationsmittel schnell mit der Wasserströmung diffundieren können und so übermäßig hohe oder niedrige lokale Konzentrationen vermieden werden.