Umweltvorschriften und technische Fortschritte führen zu neuen Lösungen für Bordnetze. Neben einer stärkeren Nutzung von Abwärme spielen auch Akkus eine Rolle.
Der Bereich der elektrischen Anlagen auf Handelsschiffen ist von einigen interessanten Entwicklungen geprägt. In diversen Fahrtgebieten und schiffstechnischen Bereichen werden[ds_preview] zur zusätzlichen Stromversorgung bereits alternative Lösungen wie Brennstoffzellen (Versorger), Photovoltaik (Autotransporter) und Akkumulatoren zur Zwischenspeicherung (Schlepper, Versorger und Fähren) erprobt. Zulieferindustrie, Werften und Reeder reagieren damit auf die anspruchsvolleren Umweltvorschriften und steigenden Kraftstoffpreise. Es wird wieder mehr Wert auf die Nutzung der Abwärme gelegt. Bei der Neubauserie von 17 Containerschiffen setzt die Reederei UASC auf komplexe Abgas-Dampfsysteme, die u. a. Strom aus den Abgasen erzeugen und in die Bordnetze speisen (Nolte-Schuster, B.: Mit neuen Schiffen in die Zukunft, in: Hansa 10/2014)
Stromerzeugung
Zur Stromerzeugung werden in der Regel Synchrongeneratoren eingesetzt, deren Rotoren von Dieselmotoren, vom Hauptmotor oder seltener von Dampf- bzw. Gasturbinen, angetrieben werden. Die vom Erregerstrom durchflossene Spule auf dem Rotor erzeugt durch die Drehung ein Magnetfeld und induziert in den Spulen des Stators eine Spannung. Mit der Anordnung der einzelnen Windungen der Spulen und des Polrades ergibt sich ein sinusförmiger Spannungsverlauf. Der Erregerstrom wird über Schleifringe auf den Rotor übertragen. In der Schifffahrt hat sich die induktive Übertragung durchgesetzt, daher spricht man hier von schleifringlosen Generatoren. In einzelnen Fällen wurden in letzter Zeit auch Asynchrongeneratoren und mit Permanentmagneten erregte Generatoren auf Schiffen eingesetzt. Beide kommen ohne äußere Erregung aus, sind sehr kompakt, erfordern aber eine Leistungselektronik zur Kopplung an das Bordnetz. Befindet sich in der Propellerwelle des Hauptmotors ein Generator, spricht man vom Wellengenerator. Häufig werden sie auch am Getriebe von mittelschnell laufenden Viertaktmotoren angeschlossen. Neben dem Vorteil des höheren Wirkungsgrades ergibt sich eine Reduzierung des Wartungsaufwandes der Hilfsdiesel (Ackermann, G., Hochhaus, K.-H.: Hilfsmaschinen-Elektrische Versorgung; in: Dampfer, Diesel und Turbinen – Die Welt der Schiffsingenieure. 2005 Convent Verlag, Hamburg, Ackermann, G: Elektrische Antriebsanlagen und Schiffsbordnetze, in: Hansa 7/2011). In der Automation des Hauptmotors ist dann eine Verbindung zur Bordnetzautomation vorzusehen. Damit wird erreicht, dass der Hauptmotor erst abgeschaltet wird, wenn die Dieselgeneratoren das Bordnetz versorgen.
Schiffsbordnetze
Zur Auslegung und Wahl des elektrischen Bordnetzes und der Aggregate zur Stromerzeugung wird eine E-Bilanz mit den Stromerzeugern und Stromverbrauchern erstellt (Ackermann, G., Hochhaus, K.-H.: Hilfsmaschinen-Elektrische Versorgung; in: Dampfer, Diesel und Turbinen – Die Welt der Schiffsingenieure. 2005 Convent Verlag, Hamburg, Ackermann, G: Elektrische Antriebsanlagen und Schiffsbordnetze, in: Hansa 7/2011, Droste, W.: Betriebsführung von Bordnetzen, in: Handbuch der Werften, Band 19, 1992, Schiffahrts-Verlag »Hansa«). Der heutige Standard auf üblichen Handelsschiffen sind Drehstrom-Bordnetze mit Niederspannung (440 V, 690 V). Schiffe mit umfangreichen Bordnetzen und Nennleistungen größer als 10MVA arbeiten meistens mit Mittelspannung wodurch sich erhebliche Vorteile ergeben (Ackermann, G., Planitz, W.: Elektrotechnik, elektrische Energieversorgung und -verteilung, in Handbuch Schiffsbetriebstechnik, 2012, Seehafen Verlag). Das Herz des Bordnetzes sind die in der Hauptschalttafel befindlichen Sammelschienen, an der alle Generatoren und Verbraucher angeschlossen sind. An eine zweite Schalttafel, der sogenannten Notschalttafel, sind die Notverbraucher (Notbeleuchtung, Positionslaternen, wichtige Brückenverbraucher, Signaleinrichtungen, Notfeuerlöschpumpe, u. U. die Ruderanlage) angeschlossen. Sie werden vom Notdieselgenerator gespeist, der sich außerhalb des Maschinenraumes befindet. Im Normalbetrieb sind beide Schalttafeln verbunden. Bei einem Stromausfall (Black Out) startet der Notdiesel und die Notstromversorgung wird auf den Notgenerator umgeschaltet ( Droste, W.: Betriebsführung von Bordnetzen, in: Handbuch der Werften, Band 19, 1992, Schiffahrts-Verlag »Hansa«).
Gestaltung der Bordnetze
Die als Strahlennetz ausgeführten Drehstrombordnetze haben sich durchgesetzt (Droste, W.: Betriebsführung von Bordnetzen, in: Handbuch der Werften, Band 19, 1992, Schiffahrts-Verlag »Hansa«, Ackermann, G., Planitz, W.: Elektrotechnik, elektrische Energieversorgung und -verteilung, in Handbuch Schiffsbetriebstechnik, 2012, Seehafen Verlag). Für spezielle Schiffe wurden besondere Bordnetzkonfigurationen propagiert und realisiert. Mit dem Gleitfrequenznetz konnten die Einflüsse der Umgebungsbedingungen auf die Verbraucher, hier besonders der Kreiselpumpen und der Lüfter, gemildert werden. Dabei wurden deutliche Stromeinsparungen realisiert (Droste, W., Hochhaus, K.-H.: Reduzierung des elektrischen Energiebedarfs auf Handelschiffen, in: Hansa 21/1987). Diese Technik ist heute weitgehend durch den Einsatz von drehzahlveränderlichen Antrieben ersetzt worden.
Nach Ansicht verschiedener Experten haben Gleichstromnetze Vorteile (Ackermann, G., Planitz, W.: Elektrotechnik, elektrische Energieversorgung und -verteilung, in Handbuch Schiffsbetriebstechnik, 2012, Seehafen Verlag, H. Knirsch: Wettstreit zwischen Gleichstrom und Drehstrom in Bordnetzen, in STG-Jahrbuch, Band 93/2, S. 369), die bei kleineren Schiffstypen inzwischen eingesetzt werden. Diese im ersten Blick veraltete Technik gewinnt heute in Verbindung mit Drehstromgeneratoren, Gleichrichtern, Wechselrichtern und Drehstrommotoren an Bedeutung. Mit der Ausführung der Gleichstrom-Schalttafel und Anwendung der modernen Leistungselektronik lassen sich die Vorteile beider Stromsysteme kombinieren. Ausgeführt werden diese Bordnetzkonzepte von den Firmen Siemens und ABB u. a. auf modernen Offshore-Versorgern [8]. Rund 40 auf der Neptun- und Meyer Werft entstandenen Fluss-Kreuzfahrtschiffe der Viking-Klasse wurden inzwischen von der Firma e-powered marine solutions (E-MS) (Andersen, P.: Effiziente Stromerzeugung durch dieselelektrische Antriebsanlagen mit »Gleichstromsystemen« – innovative Netzwerk-Topologien mit DC-Spannungszwischenkreisen, Vortrag zur STG Hauptversammlung im November 2014) mit diesen Bordnetzen ausgestattet. Sie haben eine installierte Leistung von etwa 3 MW. Der Kurzschlussschutz ist wesentlich durch die schnelle Reaktionsfähigkeit der Leistungselektronik gegeben.
Betriebsführung der Bordnetze
Die Bordnetze auf den Handelsschiffen verfügen häufig über drei oder vier Drehstromgeneratoren, die an der Sammelschiene der Hauptschalttafel angeschlossenen sind. Auf Handelsschiffen mit weitgehend konstantem Strombedarf im Seebetrieb läuft häufig nur ein Dieselgenerator, der über den Leistungsschalter mit der Stromschiene verbunden ist. Beim Transport mit vielen Kühlcontainern oder im Manöverbetrieb mit Querstrahlruderanforderungen und häufigem Betrieb der Anlassluftverdichter wird ein zusätzlicher Dieselgenerator gestartet und synchronisiert. Zum Synchronisieren sollte die Frequenz des zuzuschaltenden Generators der Netzfrequenz entsprechen und die Phasendifferenz der Spannungen möglichst klein, auf jeden Fall aber kleiner als 45° sein. Treffen diese Bedingungen zu, kann dieser Generator mit dem Leistungsschalter ebenfalls auf das Netz geschaltet werden. Jetzt arbeiten die zwei Generatoren im Parallelbetrieb und die Netzbelastung wird mit dem Drehzahlsteller auf beide Generatoren verteilt.
Bordnetzautomation
Das Anlassen, das Synchronisieren, das Zuschalten die Lastverteilung und auch das Abschalten von Generatoren bei zu geringer Last wird auf vielen modernen Schiffen vollautomatisch durch die Bordnetzautomation durchgeführt. Die Frequenzregelung, die Spannungsregelung und alle Schutzfunktionen einschließlich der Abschaltung unwichtiger Verbraucher bei Überlast sind automatisiert.
Bordnetze für Containerschiffe
Die überwiegende Mehrzahl der rund 5.000 Containerschiffe transportieren Kühlcontainer, die für die Bordnetze eine zusätzliche Belastung darstellen. Die Zahl der Kühlcontainer wird in der E-Bilanz mit einer entsprechenden Auslegung des Bordnetzes berücksichtigt. Bei der Vielzahl der Containerschiffe liegt der Kühlcontaineranteil um 5 bis 15%, selten über 20%. Das enorme Größenwachstum der Containerschiffe der 7. und 8. Generation auf den Ost-West-Routen mit 14.000 bzw. 19.000TEU führte dazu, dass diese Schiffe mit Mittelspannung ausgestattet werden. Schon die Ausstattung mit 5% Kühlcontainerstellplätzen (rund 900R-TEU) hat zur Folge, dass alleine dafür rund 4.500kW an zusätzlicher Bordnetzleistung zu berücksichtigen sind. Mit rund 1.500 bis 2.000kW für die Hilfsmaschinen und Hotellast werden 6.000kW überschritten. Etwa ab dieser Leistung überwiegen die Vorteile der Mittelspannung.
Bei den Containerschiffen im Nord-Süd-Verkehr wird aufgrund des Ladungsangebotes viel mehr Kühlladung (Früchte und Fleisch) transportiert. Daher liegt bei diesen Schiffen der Stellplatzanteil für Kühlcontainer um 20 bis 40%. Bei der Betrachtung der neuen »Cap-San-Klasse« der Reederei Hamburg Süd mit rund 2.100 Kühlcontainersteckdosen und 3.500 bis 4.000R-TEU sind etwa 15.000kW nur für den Kühlcontainerbetrieb zu berücksichtigen. Rund 1.000kW werden zusätzlich für die Laderaumlüfter benötigt, um die von den Kühlcontainern in die Laderäume eingebrachte Wärme abzuführen.
Bordnetze für Fähr- und Spezialschiffe
Die 2015 in Kraft tretenden Abgasvorschriften mit der Schwefelreduzierung von 1% auf 0,1% Schwefelausstoß in den ECA-Zonen verursacht den Reedern zusätzliche Kosten. Die Reederei Maersk schätzt für 2015 einen Bedarf von 650.000t Gasöl (MGO) und dadurch verursachte zusätzliche jährliche Kosten von etwa 250Mio. $ (N. N.: As clock ticks, converns mount over European ECA enforcement, in: Annual green technologies Supplement, Marine Log 8/2014). Die ab 2020 geplante Reduzierung in der weltweiten Fahrt von 3,5 auf 0,5% Schwefel erfordert von den Neubauabteilungen der Reedereien neue Entscheidungen. Daher wird bei der Planung von neuen Schiffen neben dem Einsatz von Scrubbern oder MGO auch über andere schwefelfreie Kraftstoffe (LNG, CNG, LPG, CPG, Methanol) nachgedacht. Je nach Schiffsbetrieb (See-, Revier- oder Hafenbetrieb), Schiffsgröße und Fahrtgebiet kristallisieren sich drei Alternativen bzw. Kombinationen heraus: Schweröl mit Scrubber, schwefelfreie Kraftstoffe (Gasöl, MGO) oder Akkumulatoren mit Strom vom Dieselgenerator bzw. mit Strom von Land und/oder von Solarzellen (N. N.: Turanor PlanetSolar. HANSA, in: 7/2010).
»Prinsesse Benedikte« von Scandlines
Neben dem traditionellen Antrieb mit dem Dieselmotor, Getriebe und Propeller erhält der Konstrukteur bei dieselelektrischen Antrieben in Kombination mit der Leistungselektronik und Energiespeicher zusätzliche Freiheiten. Das gilt besonders für Fährschiffe mit kurzen Fahrtstrecken, die nur in ECA-Gebieten verkehren (Andersen, P.: Effiziente Stromerzeugung durch dieselelektrische Antriebsanlagen mit »Gleichstromsystemen« – innovative Netzwerk-Topologien mit DC-Spannungszwischenkreisen, Vortrag zur STG Hauptversammlung im November 2014,
N. N.: As clock ticks, converns mount over European ECA enforcement, in: Annual green technologies Supplement, Marine Log 8/2014). Ein interessanter Lösungsansatz wird von Scandlines im Rahmen des EU-Forschungsvorhabens »Motorways of the Sea« bei den Schiffen der Vogelfluglinie verfolgt. Dafür wurden 2013 Mittel in Höhe von rund 6,4Mio. € und 2014 von 2,3Mio. € bewilligt. Insgesamt investiert Scandlines von 2013 bis 2015 rund 25Mio. € in den Umbau dieser vier Fährschiffe.
Die dieselelektrischen Einheiten »Prinsesse Benedikte«, »Prins Richard«, »Deutschland« und »Schleswig Holstein« bekommen Scrubber. Sie haben außerdem für den Hybridbetrieb leistungsstarke Akkumulatoren (Akku) erhalten. Dazu wurde einer der fünf Dieselgeneratoren ausgebaut und durch einen Akku mit einer Kapazität von 2.700kWh ersetzt. Damit könnte die Fähre ohne Dieselmotoren mit der Geschwindigkeit von 14kn etwa 30 Minuten fahren.
Mit einer dafür entwickelten Automation wird eine energetisch optimale Fahrweise ermöglicht, die auch einen Umwelt gerechten Betrieb berücksichtigt. Zum Laden der Akkus dient der Dieselgenerator, der im Hafen ansonsten im Teillastbetrieb laufen würde. Durch das Laden des Akkus arbeitet er auch im Hafen immer bei 80 bis 90% der Nennleistung, also im Bereich des maximalen Wirkungsgrades. Damit lässt sich der Schiffsbetrieb in der Regel mit einem der vier Dieselgeneratoren durchführen. In Zeiten höheren E-Bedarfs (An-,
Ablegemanöver, Nenngeschwindigkeit) wird das Bordnetz mit zusätzlicher Leistung aus dem Akku unterstützt. Für diese innovative Lösung auf der »Prinsesse Benedikte« haben Scandlines und der kanadische Akkuhersteller Corvus auf der SMM 2014 den »Ship Efficiency Award« erhalten.
Interessant sind außerdem zukunftsträchtige alternative Bordnetze, die z. B. mit einer Gleichstromschiene ausgestattet werden. Sie lassen sich Platz sparend anordnen und ermöglichen Drehzahlabsenkungen der Dieselgeneratoren und einen Gleitfrequenzbetrieb der Hilfsanlagen, wodurch weniger Strom verbraucht wird. Viele dieser Systeme wurden erst möglich, weil die Automation und Messtechnik einen hohen Stand erreicht hat, der eine preiswerte und zuverlässige Steuerung und Überwachung von Antriebs- und Hilfssystemen ermöglicht.
»ZeroCat 120« von Norled AS
Die ebenfalls prämierte Katamaranfähre »ZeroCat 120« mit Elektroantrieb wurde für die norwegische Fährreederei Norled gebaut. Sie verkehrt ab Januar 2015 zwischen Lavik und Oppedal. Der Aluminiumrumpf entstand bei Aluschip in Polen, die Ausrüstung erfolgte mit Beteiligung von Siemens bei der norwegischen Werft Fjellstrand. Es ist die erste elektrisch angetriebene Autofähre, die ihre Energie ausschließlich aus Akkumulatoren bezieht. Da der norwegische Strom überwiegend aus Wasserkraft gewonnen wird, kann die Fähre ohne direkten und mit geringem indirekten CO2-Ausstoß betrieben werden. Sie wird in 20 Minuten Fahrtdauer über den Sognefjord bis zu 120 Autos und 360 Passagiere transportieren. In der Hafenliegezeit von 10 Minuten werden die Bordakkus von landseitigen Akkus geladen, die ihren Strom in den verbleibenden 50 Minuten aus dem Landnetz erhalten. Das Herzstück des Schiffes ist eine vom kanadischen Hersteller Corvus gelieferte 1.000kWh leistende Lithium-Polymer-Akku-Anlage mit einem Gewicht von rund 10t.
Fazit
Nicht nur die gestiegenen Schwerölpreise (1998 = 75$/t, 2013 = 600$/t, Ende 2014 = 450$/t) sondern auch das Überangebot an Containerschiffen und die gestiegenen Umweltvorschriften haben ein Umdenken ausgelöst. Neben den gesunkenen Geschwindigkeiten und dadurch geringeren spezifischen Leistungen wird auf Containerschiffen mehr Wert auf die Nutzung der Abwärme gelegt. Auf fortschrittlichen Fähr- und Spezialschiffen werden technisch innovative Lösungen bei der Stromversorgung und Stromspeicherung mit dem Einsatz von Akkumulatoren erprobt. Außerdem werden neuartige Gleichstromnetze beschrieben, die sich auf Flusskreuzfahrtschiffen durchsetzen und auf Seeschiffen erste Anwendungen finden werden. Der Stromanschluss für Überseeschiffe in deutschen Häfen wird seit längeren diskutiert, die breite Realisierung lässt auf sich warten. In Hamburg werden Insellösungen geplant, bzw. von Becker Marine Systems und AIDA Cruises mit der LNG Hybrid Barge realisiert. Die Klassifikationsgesellschaft DNV GL hat das Forschungsprojekt »Revolt« vorgestellt, ein mit Akku elektrisch betriebenes, unbemanntes 100TEU-Containerschiff für den künftigen Verkehr im Küstenbereich [13]. Es bleibt abzuwarten, wie sich dieses Konzept entwickelt.
Dr. Karl-Heinz Hochhaus, Prof. Dr. Günter Ackermann
