Für die im Oktober im Hamburger Hafen getaufte LNG-Hybrid-Barge hat Zeppelin Power Systems die ersten LNG-Motoren von Caterpillar mit Zulassung durch die Marineklassifikationsgesellschaft Bureau Veritas (BV) geliefert.
Insgesamt wurden fünf Cat G3516C Gasmotoren als Generatorsatz in der LNG-Hybrid-Barge verbaut. Die Gesamtleistung beträgt rund 7,5 MW[ds_preview] elektrische Leistung. Zum Lieferumfang von Zeppelin Power Systems gehörten neben der Projektierung und Lieferung der Stromaggregate auch die Auslegung und der Anlagenbau der Wärmeauskopplung, das Abgassystem sowie Teile der Automation und Steuerung dieser komplexen Anlage.
Als schwimmendes Blockheizkraftwerk erzeugen die Aggregate elektrische Energie durch die Verbrennung von Flüssigerdgas, die in das Bordnetz von Kreuzfahrtschiffen eingespeist wird. Die Power-Barge versorgt die gesamte Hotellast der Schiffe und ersetzt die bisherige Stromversorgung über die Schiffsdiesel. Außerhalb der Kreuzfahrtsaison wird die Barge als Blockheizkraftwerk für das Hamburger Strom- und Wärmenetz und andere Industriekunden eingesetzt. Die LNG-Hybrid-Barge ist die weltweit erste marinezertifizierte Power-Barge ihrer Art. Für besonders emissionsgeschützte Gebiete wie den Hamburger Hafen ist der Einsatz der Barge hochinteressant. Im Vergleich zur Stromerzeugung durch die Schiffsdiesel lassen sich die Emissionen an Stickoxiden um bis zu 80 % und Kohlendioxiden um bis zu 30 % reduzieren. Schwefeloxide und Rußpartikel fallen gar nicht an.
Vorteile durch Gasmotortechnik
Das G3516C-Aggregat beruht auf einem 16-Zylinder-Motor in V-Anordnung mit 1.550 ekW und einer Festdrehzahl von 1.500 U/min. Neben einer modernen Motorsteuerung in Verbindung mit zwei Turboladern sind im Aggregat effiziente Querstrom-Zylinderköpfe und ein zweistufiger Gemischkühler verbaut. Der Motor ist mit einer effizienten elektronischen Zündanlage für reinen Gasbetrieb ausgerüstet, im Gegensatz zu Dual-Fuel-Motoren, die mit einer Diesel-Piloteinspritzung arbeiten. Betrieben wird der gemischaufgeladene G3516C mit einem Niederdruck-Gassystem: Dem Motor wird das Gas hierbei mit nur 100-350 mbar zur Verfügung gestellt. »Der Motor kann 100 % der Leistung mit geringeren Gasqualitäten erbringen, erst ab einer Methanzahl von unter 67 wird der Motor in seiner Leistung reduziert«, erklärt Lars Fahrenholz, Projektleiter Power Barge bei Zeppelin Power Systems. Das sei gerade für den operativen Betrieb des Motors mit Erdgas aus dem öffentlichen Energienetz von großem Vorteil.
Bei der Kurbelraumentlüftung handelt es sich um ein geschlossenes System, das Triebraumgase, Blow-by-Gase und so eventuelle Methanbestandteile wieder dem Verbrennungstrakt zuführt. Dadurch lässt sich ein besonders gutes Verhalten in Bezug auf Luftverunreinigungen erzielen.
Gutes Lastaufschaltverhalten
»Durch eine spezielle Regelung des Gemischladedrucks wird ein besonders gutes transientes Lastverhalten erreicht. Dies ist im Inselbetrieb, worum es sich bei Schiffsanwendung handelt, zwingend notwendig«, so Fahrenholz. Alle Wartungsteile und Filter seien darüber hinaus servicefreundlich angebracht und durch die außen liegenden Abgaskrümmer könne eine sehr gute Zugänglichkeit gewährleistet werden.
»Die Komponenten ergeben zusammen ein höchst zuverlässiges und leistungsfähiges Aggregat, welches zusätzlich ein sehr gutes Lastaufschaltverhalten aufzeigt«, ergänzt Christoph Thomsen-Jung, Area Sales Manager für den Vertrieb von Schiffsmotoren bei Zeppelin Power Systems. Die G3516C-Aggregate seien zwar die ersten mit Marinezulassung, weltweit seien für den Landeinsatz aber bereits mehr als 18.000 Aggregate dieser Baureihe verkauft worden.
Eine Besonderheit ist die Fähigkeit der Aggregate zur Frequenzumschaltung. Da Bordnetze von Schiffen oftmals bei einer Frequenz von 60 Hz betrieben werden, kann die Generatordrehzahl mittels eines Übersetzungs-Getriebes von 1.500 U/min (50 Hz) auf 1.800 U/min (60 Hz) angepasst werden.
»Wir verwenden ein höchst effizientes Getriebe mit einem Wirkungsgrad von über 99 %. Zeppelin Power Systems hat diese Getriebelösung speziell für den Kunden entwickelt, um ihm zwei Frequenzen zur Verfügung stellen zu können«, sagt Fahrenholz. Ohne diese Getriebelösung seien kostenintensive Frequenzumrichter oder aufwendige Anpassungen der Motor-Hardware notwendig, um zwischen dem 50- und 60-Hertz-Betrieb zu wechseln. Für Kunden, die keine Frequenzumschaltung benötigen, steht der Motor wahlweise auch mit 1.500 oder 1.800 U/min zur Verfügung.
Schnelle Zertifizierung für die Marinezulassung
Außerhalb der Kreuzfahrtsaison können der produzierte Strom und die Abwärme zur Einspeisung in das städtische Energienetz oder an Industriebetriebe abgegeben werden. Der Betrieb erfolgt in dieser Zeit im 50-Hertz-Modus. Nicht nur die Motorwärme, sondern auch die Abgaswärme wird mit einem zweistufigen Wärmetauscher an den Endkunden ausgekoppelt. Aus dem Zusammenspiel von Wärmeauskopplung und produziertem Strom ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von über 89%.
Zeppelin Power Systems hat den Betreiber auch im Rahmen des Zertifizierungsprozesses durch die Klassifikationsgesellschaft Bureau Veritas unterstützt. Der Prozess konnte in nur 18 Monaten durchgeführt werden. »Der Zertifizierungsprozess für die G3500-Serie war notwendig, um die Serie im Marine-Segment anbieten zu können«, erklärt Thomsen-Jung. Unter anderem würden die geforderten Ausregelzeiten der Marineklassifikationsgesellschaft erhöhte Anforderungen an Gasmotoren für die Schifffahrt stellen. Diese Anforderungen könne der G3516C hervorragend erfüllen, so der Hersteller.
Viele baugleiche Komponenten verwendet
Der nun neuklassifizierte G3516C verfügt zum einen über die Eigenschaften der langjährig bewährten Caterpillar-Gasmotoren, zum anderen sind viele Komponenten identisch zur Baureihe der Cat-Marine-3500-Dieselmotoren. Zu den baugleichen Komponenten gehören unter anderem Motorblock, Kurbelwelle und Pleuelstangen. Viele Komponenten verfügen daher bereits über Zulassungen aller gängigen Marine-Klassifikationsgesellschaften, was den Zertifizierungsprozess ebenfalls verkürzte. Die Cat Marine 3500 Dieselplattform ist seit vielen Jahren im Markt etabliert und hat sich bereits tausendfach bewährt.
Die Lastaufschaltfähigkeit der G3500 Gasmotorplattform ist speziell für den Inselbetrieb entwickelt und daher auch besonders für Marineanwendungen geeignet. Vor 15 Jahren wurde das Modell G3516 bei Caterpillar entwickelt und wird seit 2006 weltweit für den Inselbetrieb eingesetzt. Durch die enge Zusammenarbeit von Zeppelin Power Systems mit dem Kunden und Caterpillar wurden viele Lösungen gemeinsam entwickelt. »Im Rahmen der Zertifizierung konnten wir wertvolle Erkenntnisse in Bezug auf die technischen Anforderungen gewinnen. Das ermöglicht uns, künftig noch besser auf die Anforderungen des Marktes reagieren zu können«, sagt Thomsen-Jung.
Langjährige Erfahrung mit Gasmotorlösungen
Caterpillar brachte in die Entwicklung mehr als 80 Jahre Erfahrung mit Erdgas-Anwendungen aus anderen Geschäftssparten ein. Das Unternehmen fertigt bereits seit 1930 Gasmotoren und Aggregate für die Öl- und Gasindustrie. Auch andere Bereiche innerhalb des Unternehmens, zum Beispiel die stromerzeugende Sparte, beschäftigen sich seit Jahrzehnten mit Gasmotoren.
Zeppelin Power Systems ist bereits seit 60 Jahren Vertriebspartner von Caterpillar und verfügt über hohe Fachkompetenz und langjährige Erfahrung, sowohl im Bereich der Marineanwendungen als auch beim Engineering von Blockheizkraftwerken. Von der Beratung über umfassende Engineering-Leistungen bis hin zur Inbetriebnahme und dem After-Sales-Service bietet das Unternehmen alle Leistungen aus einer Hand.
Christoph Thomsen-Jung, Lars Fahrenholz
