Moderne diesel-elektrische Antriebs- und Stromversorgungsanlagen

Mit neuester Technik zurück zu den Anfängen? So lassen sich jedenfalls nach Auffassung von knapp die aktuellen Bemühungen um die Gleichstromtechnik an Bord beschreiben

Obwohl diesel-elektrische Antriebe für Schiffe eine sehr alte Erfindung sind – den ersten Antrieb dieser Art erhielt 1904 die »Vandal[ds_preview]«, da ihre Dieselmotoren nicht umsteuerbar waren –, kommt recht spät Bewegung in diese Antriebstechnik. Die gewaltigen Fortschritte bei der Leistungs­elektronik machen es möglich, künftig auf die Synchronisierung von Generatorsätzen zu verzichten und damit eine völlig neue Architektur und Auslegung der Antriebs- und Bordversorgungsanlagen zu wählen. Das gilt besonders für alle Schiffe mit stark schwankendem Energiebedarf.

Im Folgenden werden die Ankündigungen von ABB, die Konzeptionen und Realisierung von E-MS sowie kurz die Ansätze von Rolls-Royce zur Gleichstromtechnik beschrieben.

Das Onboard DC-Grid von ABB

ABB hatte bereits im Mai 2011 angekündigt, die Zukunft der elektrischen Energieversorgung liege in einer Rückkehr zum Gleichstrom auf der Mittelspannungsebene von 1.000 V. Das Unternehmen stellte damals unter der Bezeichnung »DC-Bordsys­tem« ein Gleichstromsystem vor, mit dem nicht nur bis zu 20 % an Kraftstoff gespart und entsprechend die Emissionen reduziert werden sollten, sondern auch deutliche Verein­fachungen in Bezug auf die Energieverteilung und damit auf Platzbedarf und Gewicht der elektrischen Anlagen verbunden sein sollten. Für den Gewinn an Platz und Gewicht nannte ABB eine Größenordnung von etwa 30 %, bezogen auf konventionelle Anlagen. Ein wesentlicher Punkt dabei: keine Synchronisierung der Bord-

aggregate mehr, sondern Betrieb der die Generatoren antreibenden Dieselmotoren soweit möglich im Bereich des besten Wirkungsgrades und damit variable Drehzahlen. Damit entfällt ein wesentlicher Teil der bisher üblichen Schaltanlagen, und vor allem erfolgt das Zu- und Abschalten von Aggregaten innerhalb weniger Sekunden, also wesentlich schneller als bei erforderlicher Synchronisierung. ABB hat inzwischen für diese neue Technik unter der Adresse www.dc-grid.com ein Internetportal eröffnet, auf dem mehrere Fachleute zur neuen Technik des Unternehmens zu Wort kommen, auch die Klassi­fikationsgesellschaft Det Norske Veritas (DNV). Auf Fragen der Redaktion hat das Unternehmen einige Details zu seinem neuen Gleichstrombordsystem erläutert, endgültige Klarheit über alle Einzelheiten konnte jedoch nicht erreicht werden. Möglicherweise sind in diesem Zusammenhang auch noch patentrechtliche Fragen offen.

ABB spricht in den fast ausschließlich

in englischer Sprache vorliegenden Texten von »DC power distribution« und von

»total DC power system«. Geklärt ist, dass es sich keineswegs um ein »vollständiges Gleichstromsystem« handelt. Niemand würde auf den Gedanken kommen, Gleichstromgeneratoren und -motoren an Bord zu verwenden. ABB beabsichtigt, Drehstromgeneratoren zu verwenden, die nicht synchronisiert werden, und entsprechend auch für die Fahrantriebe Drehstrom­motoren. Zwischen der Stromerzeugung und den Verbrauchern wird ein 1.000-Volt-Gleichspannungssystem liegen mit Gleichrichtern, einer Gleichspannungsschiene, Wechselrichtern und – soweit erforderlich – Transformatoren.

Für die Sicherheit sorgt nach Angaben von ABB eine Kombination von schnellen Halbleiterschaltern und Gleichspannungsschaltern. Große Schaltanlagen und die meisten Transformatoren konventioneller Anlagen werden dagegen nicht mehr benötigt. Bei den Fahrantrieben kommen dann wieder Drehstrommaschinen zum Einsatz. In jedem Fall sollen bei allen Komponenten des Systems eigene Produkte eingesetzt werden. Eine dezentrale Gleichstromverteilung mit Kabeln oder Schienen durch das ganze Schiff und der Anordnung von Umrichtern in unmittelbarer Nähe der Verbraucher dürfte nicht ganz einfach zu verwirklichen sein, denn dafür fehlen gegenwärtig alle erforderlichen Regelwerke. So innovativ die Idee auch sein mag, in Fachkreisen überwiegen die Bedenken, und bis die erforderlichen Vorschriften erarbeitet sind, dürfte erhebliche Zeit vergehen.

Als erstes Schiff soll 2013 ein Offshore-Versorgungsschiff mit dem Gleichspannungssystem von ABB in Dienst gestellt werden. Ursprünglich hatte es geheißen, es handele sich um das erste Schiff überhaupt mit einem solchen System. Doch davon ist man inzwischen abgerückt und bezieht die Priorität nur noch auf ein OSV. Auf die möglichen Gründe wird noch eingegangen.

Konzept, Umsetzung und Erfahrungen von E-MS

E-MS (e-powered Marine Solutions GmbH & Co.) in Hamburg hat als erstes Unternehmen mit dem 2009 in Dienst gestellten Kabinenschiff «Viking Legend« eine äußerst effiziente diesel-elektrische Anlage verwirklicht, die bei ähnlichen Parametern für die Konzeption derartiger Antriebe beispielhaft sein dürfte. Der geschäftsführende Gesellschafter Peter Andersen hat, aufbauend auf mehreren Jahrzehnten Erfahrung in der Planung, Ausführung und Inbetriebnahme diesel-elektrischer Schiffsantriebe, für diesen Bereich eine neue Technik nicht nur entwickelt, sondern mit der »Viking Legend« und deren Schwesterschiffen den Beweis für Einsatzbereitschaft, Zuverlässigkeit und vor allem Wirtschaftlichkeit und gleichzeitigen Umweltschutz geliefert.

Worum geht es? Mit der von Andersen entwickelten Technik ist ein hochgradig integriertes Bordsystem zur Stromerzeugung, Energieverteilung und zum elektrischen Schiffsantrieb entstanden, das unter der Bezeichnung E-PP, für E-Power Pack, auf dem Markt ist. Dieses System bietet neben vielen anderen Vorteilen beste Voraussetzungen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Die Reederei der »Viking Legend« äußerte sich dazu schon kurz nach deren Indienststellung 2009 und sprach von Kraftstoffeinsparungen im Tagesverbrauch gegenüber vergleichbaren Schiffen von bis zu 20 %. Entsprechend geringer sind die Emissionen. Aufgrund extrem kurzer Reaktionszeiten der zum Einsatz kommen­den elektrischen Komponenten steigt die Sicher­heit des Antriebs und der Bordnetze. Darüber hinaus führt die neue Technik zu deutlichen Einsparungen beim Platzbedarf und beim Gewicht.

Konventionelle diesel-elektrische Schiffsantriebe bestehen grundsätzlich meist aus mehreren Bordaggregaten, die den Strom für den Antrieb wie für die Bordnetze erzeugen, Schaltanlagen und Sicherheitseinrichtungen sowie den E-Maschinen für Haupt- und Hilfsantriebe. Die Drehstromgeneratoren dieser Anlagen müssen über eine äußerst präzise Drehzahlregelung der sie antreibenden Dieselmotoren synchronisiert werden, bevor sie auf die Anlage geschaltet werden können. Der technische Aufwand dafür ist hoch und der Vorgang dauert im Vergleich zum Hochlaufen nicht synchronisierter Generatoren recht lang. Das ist beim Sicherheitskonzept zu berücksichtigen.

Dann benötigen diese Bordnetze zahlreiche Transformatoren, um die Spannung auf den Bedarf der jeweiligen Verbraucher bzw. Antriebe anzupassen. Für drehzahl­variable Antriebe kommen schließlich noch Frequenzwandler hinzu. Nicht vergessen werden darf, dass für jeden motorischen Antrieb, dem von außen – etwa über den Propeller – Energie zugeführt werden könnte, ein Bremswiderstand zum Schutz der Energieversorgungsanlage benötigt wird.

Ausgehend von der Entwicklung von Umrichtern für die Automobilindustrie hat die Technik der Gleich- und Wechselrichter in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht. Heute stehen für den Schiffsbetrieb zugelassene und derart leistungsfähige Umrichter zur Verfügung, dass elektrische Antriebsanlagen bis zu Gesamtleistungen von 20 MW durchaus denkbar sind.

Das finnische Unternehmen Vacon hat auf diesem Gebiet inzwischen eine führen-

de Position übernommen. Die Technik der Vacon-Umrichter ist für die künftigen elektrischen Antriebs- und Energieversorgungssysteme auf Schiffen von größter Bedeutung. Diese Umrichter übernehmen gleich mehrere Funktionen, die bei konventionellen Anlagen den Schaltanlagen überlassen bleiben. Sie sind jedoch wesentlich leistungsfähiger und vor allem schneller. Ihre Reaktionszeit und Regelgenauigkeit liegt im Bereich einstelliger Millisekunden. »Schalter« im klassischen Sinne sind nicht mehr erforderlich, auch wenn Klassifikationsgesellschaften diese fordern sollten. Denn bevor ein Schalter von der Mannschaft betätigt werden könnte, hat die Leis­tungselektronik der Umrichter längst reagiert, andernfalls wäre der betreffende Teil der Anlage zerstört.

Mit den heutigen Umrichtern kann mit allen Vorteilen auf die Synchronisierung von Generatoren verzichtet werden. Generator und Umrichter bilden ein autonomes Modul, dessen Ausgang mit 1.000 V auf einen sogenannten Gleichspannungszwischenkreis gelegt wird. An der Gleichspannungsschiene dieses Zwischenkreises hängen dann wiederum Umrichter, die mit den Elektromotoren der Fahrantriebe ebenfalls autonome Module bilden, sowie Umrichter zur Aufbereitung der Spannung für die Bordnetze. Alle Module sind grundsätzlich autonom, d. h. sie beeinflussen sich nicht gegenseitig. So führt zum Beispiel der Bremsschub von Propellern nicht zur Überlastung der Gesamtanlage. Bei E-MS sind alle Umrichter mit der Gleichspannungsschiene des Zwischenkreises in einem Schrank angeordnet. Das Unternehmen hat seit langem Schutzrechte für seine innovative Technik beantragt und erwartet in Kürze deren Erteilung.

So einfach die beschriebene Gleichstromtechnik auf den ersten Blick ist, so notwendig war es doch, ein Problem zu lösen: Kurzschlüsse und andere Fehler in einem Modul dürfen auf keinen Fall die Sicherheit der gesamten Anlage beeinträchtigen. Klassische Gleichstromleistungsschalter sind dafür völlig ungeeignet. Dafür kommen nur Elemente der Leistungselektronik und Sicherungen in Frage. Insofern hat eine zuverlässige Absicherung der Umrichter gegenüber der Gleichstromschiene des Zwischenkreises für einen sicheren Betrieb einer solchen Anlage größte Bedeutung. Dafür kommen zusätzlich zur Elektronik ultraschnelle Sicherungen – das sind dann Schmelzsicherungen – in Frage, die eine möglichst gleiche Charakteristik aufweisen. Das verlangt höchste Präzision in der Herstellung derartiger Schmelzsicherungen.

Die Bildung von Modulen aus Stromerzeuger und Umrichter gilt selbstverständlich nicht nur für Generatoraggregate, sondern auch für Solaranlagen, Brennstoffzellen und andere Stromerzeuger oder -speicher. Es kommt nur darauf an, diese Einrichtungen mit einem geeigneten Umrichter an die Gleichstromschiene anzubinden.

Auch wenn für die Technik mit Gleichstromzwischenkreis keine klassischen Schaltanlagen mehr erforderlich sind, wird eine Anlagensteuerung benötigt, in der sämtliche Informationen über den jeweils aktuellen Zustand aller Komponenten der gesamten elek­trischen Bordanlage zusammenlaufen. Schließlich erzeugt jede Komponente Daten. Daraus entstehen dann Signale für die Steuerung und Überwachung. Damit bietet sich ohne jeglichen zusätzlichen Aufwand an den Komponenten ein nicht zu überbietendes Potenzial für eine datentechnische Diagnose der elektrischen Bord­anlage. Dafür sind weder Sensoren noch zusätzliche Kabel erforderlich. Es bedarf lediglich eines entsprechenden Anschlusses an den Ausgang für die Automation sowie einer Stromversorgung für einen Industrierechner und eine Internetverbindung.

E-MS hat auf dieser Basis einen Diagnoserechner entwickelt, der in Kürze unter der Bezeichnung E-RD auf den Markt kommen wird. In der Kurzbezeichnung steht E für das »E-power Pack« des diesel-elektrischen Antriebs in der Konzeption des Unternehmens, die Buchstaben RD stehen für »Remote Diagnostics«. Der Industrierechner sammelt alle Daten der Stromerzeuger, der Haupt- und Hilfsantriebe sowie aller Umrichter und Regler und des Bordnetzes, sichert sie auf einer Festplatte und ermöglicht eine Fernübertragung über das Internet, sowohl in Echtzeit wie rückschauend. Die Auswertung der Daten erfolgt bei E-MS in Hamburg und wird den Reedern bzw. ihren Inspektoren oder anderen Personen in geeigneter Form zur Verfügung gestellt, entsprechend den getroffenen Verabredungen. Ein Prototyp dieses Systems ist bereits auf der »Viking Prestige« erfolgreich erprobt worden.

Im Rechner an Bord werden die Daten in einem Kurzzeitspeicher für zwei Wochen für den direkten Zugriff und eine unmittelbare Auswertung gespeichert. Um darüber hinaus die Daten einer Reisesaison zu speichern, komprimiert der Rechner diese entsprechend stark. Für eine Auswertung ist dann allerdings eine Übertragung und eine Dekomprimierung der Daten erforderlich. Die Übertragung kann grundsätzlich über das Internet an jeden beliebigen Ort erfolgen. Mit der Auswertung ist eine Antwort auf die Frage möglich: Welche Komponente hat wann welches Fehlersignal aufgrund welcher Vorgänge geliefert?

So lässt sich bei Störungen rasch ermitteln, wo eine Fehlfunktion vorliegt und wie sie behoben werden kann, ob mit Bordmitteln oder über den Einsatz von Servicepersonal. Das ist für E-MS als Dienstleister von größter Bedeutung, besonders während der Gewährleistungszeit. Muss Servicepersonal eingreifen, so lassen sich zielgerechte Vorbereitungen treffen. Hier liegen wesentliche Vorteile für den Einsatz eines solchen Diagnoserechners, der schnell exakte Informationen für die Schadensbehebung liefert.

Auch der sekundäre Nutzen dieser Diagnose dürfte von großem Interesse für die Betreiber der Schiffe sein. So kann die Langzeitdiagnose als Grundlage für eine zustandsabhängige Wartung dienen. Damit würden Eingriffe in die Systeme nach einem rein zeitlichen Schema wegfallen. Die Langzeitdiagnose kann darüber hinaus jederzeit exakten Aufschluss über den Leis­tungsbedarf aller Verbraucher an Bord liefern. Damit sind beste Voraussetzungen für die Optimierung bestimmter Abläufe an Bord gegeben. Weiter ergeben sich daraus Informationen für mögliche technische Verbesserungen und die Konzeption von Nachbauten.

Was noch fehlt, ist die Einbeziehung der Dieselmotoren in diese Diagnose. Da umweltfreundliche Dieselmotoren bereits alle mit der Common-Rail-Einspritztechnik ausgerüs­tet sind, die ohnehin einer elektronischen Regelung und Überwachung bedarf, sind von der Motorenseite her gesehen heute ausreichend Daten verfügbar. Insofern kommt es nur noch auf die Definition einer geeigneten Schnittstelle an, um die Motordaten im Diagnoserechner von E-MS zu speichern, aufzubereiten und auszuwerten.

Nachhaltiger Erfolg und Anschlussaufträge

Die Schweizer Reederei »Viking River Cruises« war von der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der von E-MS entwickelten Technik so überzeugt, dass sie nicht nur 2011 die »Viking Prestige« mit diesem System folgen ließ, sondern zur Lieferung im laufenden Jahr weitere sechs Schiffe mit identischen Anlagen in Rostock bestellte. Inzwischen hat die Neptun Werft einen Anschlussauftrag über nochmals sechs Schiffe zur Lieferung im Laufe des Jahres 2013 von der Reederei erhalten. Und weitere Kabinenschiffe mit diesel-elektrischen Anlagen nach dem Konzept von E-MS sollen in großer Zahl in den nächsten Jahren folgen.

Die von E-MS entwickelte diesel-elektrische Energietechnik ist jedoch nicht auf die Nutzung von Kabinenschiffen in der Binnenschifffahrt beschränkt. Sie eignet sich besonders, wenn es um regelbare drehzahlvariable Antriebe geht und das Leis­tungsprofil stark unterschiedliche Anforderungen aufweist. Das können selbstverständlich auch Hybridantriebe sein.

In der Binnenschifffahrt trifft dies außer bei Fahrgastschiffen besonders auf Tanker zu, die überwiegend beladen zu Berg und leer zu Tal fahren. In der Seeschifffahrt sind dies Fähren und Fahrgastschiffe aller Art und Größe sowie Yachten und Offshore-Einheiten jeglicher Form. Gegenwärtig arbeitet E-MS an einem Großprojekt, bei dem es um eine Antriebsleistung von zweimal 9 MW geht.

Das Unternehmen führt die Anlagentechnik nicht selbst aus, sondern bedient sich dafür entsprechend qualifizierter Fachunternehmen. Bei E-MS selbst liegt das gesamte Engineering, beginnend mit der Definition einer Anlage, der Leistungsanalyse und Energiebilanz sowie der Auslegung der Komponenten. Zum Leistungsspektrum gehört auch eine Kurzschlusssimulation und eine Simulation des Verhaltens der Gesamtanlage in Bezug auf mögliche auftretende Fehler.

Rolls-Royce und die Gleichstromtechnik

Als drittes Unternehmen ist Rolls-Royce (RR), wenn auch in recht bescheidenem Maß, mit einer ähnlichen Technik auf dem Markt. RR benutzt die Gleichstromtechnik, soweit bislang erkennbar, nur im Zusammenhang mit seinem sogenannten »HSG Konzept«. HSG steht für »Hybrid Shaft Generator« und ist ein konventioneller Wellengenerator, dessen Energie über einen Umrichtersatz exakt der Spannung und Frequenz des jeweiligen Bordnetzes angepasst werden kann. Ein Hybridsystem wird daraus, indem der Generator auch als Motor arbeiten kann. Dann liefern Bordaggregate die Energie für den Antrieb.

Die Gleichstromtechnik spielt bei RR bei Weitem nicht die Rolle, wie dies bei ABB und bei E-MS der Fall ist, da RR unverändert von einer konventionellen Stromerzeugung an Bord mit Synchrongeneratoren und deren Synchronisierung ausgeht. Das bringt außer einer vergleichsweise elegan­ten Einspeisung der Energie des Wellen­generators keine besonderen Vorteile.

Zusammenfassung

Dem Umweltschutz kann in der Schiffahrt nicht nur mit der Verwendung von schwefelarmem Kraftstoff und Erdgas Rechnung getragen werden, sondern bereits mit der Konzeption und Auslegung der Energieversorgung für Antriebe und Bordnetze. Kommt beides zusammen, Gasmotoren und hochtechnische elektrische Anlagen, sind überdurchschnittlich effiziente und umweltfreundliche Anlagen zu erwarten.