Ist es möglich, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren und gleichzeitig profitabel zu bleiben? MAN Energy Solutions, DNV GL und Corvus Energy haben Hybridisierungsmöglichkeiten für größere Frachtschiffe mit schwankendem Energiebedarf untersucht.
Das für die Untersuchung gewählte Schiff war ein 1.700 TEU fassendes, dieselbetrie[ds_preview]benes Container-Feeder-Schiff. Die Studie zeigte, dass unter den derzeitigen Marktbedingungen die Verwendung von Batterien als Energiepuffer den Generatoren ermöglichen würde, kontinuierlich mit optimaler Last zu arbeiten, so dass ein Generatorsatz eingespart werden könnte.
Hybridlösungen, bei denen mit Batteriestromversorgung konventionelle dieselelektrische Verbrennungsmotoren auf dem effizientesten Lastniveau betrieben werden, gehören den Studienautoren zufolge zu den vielversprechendsten Maßnahmen zur Emissionssenkung.
Hybride Antriebssysteme erzielen demnach oft erhebliche Effizienzgewinne und Emissionsminderungen in Situationen, in denen der Energiebedarf eines Schiffes schwankt, z.B. wenn große Energieverbraucher wie Krane oder Triebwerke an- oder abgeschaltet werden. Dies geschieht typischerweise im Hafen. Die Studienpartner beschlossen daher, einen Schiffstyp und eine Schiffsgröße zu untersuchen, deren Betriebsmuster häufige Hafenaufenthalte vorsieht. Eine Überprüfung historischer AIS-Daten ergab, dass Containerfeeder diese Anforderung erfüllen.
Nordeuropa-Feeder gut geeignet
Auf der Suche nach einem geeigneten, repräsentativen Containerschiffsdesign für die Studie kam das Konsortium zu dem Ergebnis, dass das TOPAZ 1.700 TEU-Schiff der Neptun Ship Design GmbH in Größe und Topologie gut passt. Mit einer Gesamtlänge von etwa 170 m und einer Höhe von 14,2 m bis zum Hauptdeck hat das Schiff eine Höchstgeschwindigkeit von 19 kn. Er ist ausgestattet mit einem Bugstrahlruder mit einer Nennleistung von 950 kW, zwei Ladekränen mit einer Nennleistung von 540 kW und bis zu 250 Kühlcontaineranschlüssen.
In einer herkömmlichen Konfiguration würde das Design, wenn es heute gebaut würde, ein dieselmechanisches System beinhalten, bestehend aus einem MAN 6S60ME-C10.5 Zweitakt-, 11.280-kW-Motor und einem Festpropeller sowie vier Hilfsgeneratoren vom Typ 6L21/31 mit einer Leistung von je 1.254 kWe und einem 175-kWe-Notdieselaggregat.
Anhand einer AIS-Datenanalyse wurde ein repräsentatives Schiffsbetriebsprofil für einen Containerfeeder zu erstellt, der auf einer nordeuropäischen Handelsroute operiert.
Weitere Modellierungen wurden durchgeführt, um sowohl den Antriebs- als auch den elektrischen Leistungsbedarf für die gegebenen Betriebsarten zu schätzen und ein künstliches zeitbasiertes Lastprofil zu erstellen.
Reefer-Anzahl entscheidet mit
Die geht von zwei Szenarien aus:
- Ein neu gebautes Hybridschiff im Jahr 2020 mit aktueller Batterietechnologie, bei dem eine Batterie für Peak Shaving und Spinnreserve für die Dieselaggregate eingesetzt wird
- Ein neu gebautes Hybridschiff im Jahr 2030, bei dem Batterien für emissionsfreie Anwendungen eingesetzt werden.
Zur Beurteilung verschiedener Hybridisierungsstrategien wurden die Kennzahlen Investitionskosten (CAPEX), Betriebskosten (OPEX), Barwert (NPV) über zehn Jahre und Amortisationszeit berechnet und verglichen. In die Barwertberechnung wurden ein Diskontierungssatz von 10 % und eine Inflationsrate von 2 % einbezogen. Die Basis für die Szenarien 2020 und 2030 wurde unter der Annahme berechnet, dass 500 $ pro kWh Batteriekosten, 750 $ pro t MGO Kraftstoffkosten und 0,07 $ pro kWh für die Batterieladung im Hafen anfallen. Darüber hinaus wurden die Restwerte für die Dieselaggregate (DGs), den Wellengenerator, die Batterien und die Leistungselektronik nach zehn Jahren auf das Ergebnis angewendet.
Für ein Containerschiff wird die Gesamtzahl der an Bord befindlichen Reefer und die von ihnen benötigte Leistung einen wesentlichen Einfluss auf die elektrische Last und damit auf den potenziellen Nutzen der Hybridisierung haben. Die über Batterien erreichte »Spinnreserve« kann der Studie zufolge erhebliche Einsparungen ermöglichen, wenn die Inbetriebnahme zusätzlicher Aggregate vermieden oder verzögert werden kann. Die Studie geht davon aus, dass das Batteriesystem unter Verwendung der aktuellen Batterietechnologie für das Peak Shaving und als »Spinnreserve« anstelle eines Dieselgenerators eingesetzt wird.
Bei 150 aktiven Kühlcontainern zeigt sich, dass die Batterie auch Spitzen beim Warten und während des Hafenaufenthaltes abdecken kann. Es ist dann möglich, statt zwei nur ein Aggregat bei einem hohen optimalen Lastpunkt zu betreiben. Für den Fall, dass keine Reefer aktiv sind, läuft mindestens ein Aggregat während des Hafenaufenthaltes sowohl im konventionellen als auch im Hybridfall. Die meisten Einsparungen entfallen daher auf die bordeigenen Kräne während des Ladebetriebs und das Triebwerk während des Manövrierens.
Strengere Regeln, steigende Kraftstoffpreise, billigere Batterien
In der Studie wurde der batteriebasierte emissionsfreie Betrieb eines Neubaus im Jahr 2030 untersucht, wobei davon ausgegangen wurde, dass viele Häfen einen emissionsfreien Betrieb in bestimmtem Umfang fordern werden. Für diese Anwendung wird die Größe der Batterie ausschließlich durch die zu erwartende Fähigkeit bestimmt, einen emissionsfreien Betrieb für drei Stunden aufrechtzuerhalten. Das bedeutet einen Energiebedarf von 7.000 kWh, den das Batteriesystem decken muss. Da die Batterien im Laufe der Zeit einen Teil ihrer Kapazität verlieren und die Studie von einer Batterielebensdauer von zehn Jahren ausgeht, wurde die installierte Kapazität auf 11 MWh festgelegt. Während des Transports außerhalb emissionsfreier Bereiche wird das Batteriesystem durch ein PTO/PTI-Wellengeneratorsystem aufgeladen. Die Leistung des Dieselgenerators wird nur benötigt, wenn sich das Schiff im Modus »Warten« befindet.
Der Null-Emissions-Modus erscheint nur dann wirtschaftlich, wenn die Kosten für das Batteriesystem niedriger sind als heute, die Kraftstoffpreise höher sind und Anreizsysteme oder strengere Emissionsvorschriften bestehen, was bis 2030 durchaus der Fall sein könnte.
Die gemeinsame Studie von MAN Energy Solutions, DNV GL und Corvus Energy kam zu dem Schluss, dass ein Hybrid-Feeder-Schiff vom Typ TOPAZ, das mit Batterien in der richtigen Größe sowie Kranen und Kühlcontainern ausgestattet ist, auf der Grundlage typischer Lastprofile und historischer und AIS-Daten einen Dieselgenerator weniger benötigen würde als die herkömmliche Konfiguration. Die Amortisationszeit für die zusätzliche Investition in das Batteriesystem würde zwei bis drei Jahre betragen. Ein Hybridkraftwerk, das ab 2030 einen emissionsfreien Betrieb ermöglicht, wird wirtschaftlich sein, wenn die Batteriepreise sinken, die Kraftstoffpreise steigen, die Emissionsvorschriften verschärft werden und/oder Anreizprogramme bestehen.
Die Ergebnisse der Studie können hier abgerufen werden.
