Binnenarbeitsboote haben viel von dieselelektrischem Antrieb zu gewinnen

Von Joshua Slade Sebastian, PE • 21 März 2018

Dieselelektrischer Antrieb ist kein neues Konzept. Wie bei Azimutantrieben ist die Anwendung auf dem Markt für Binnenschiffe hinter anderen Bereichen der Schiffsindustrie zurückgeblieben. Dieselelektrik hat in Branchen, in denen Kraftstoffverbrauch und Redundanz von Antriebssystemen für Sicherheit von größter Bedeutung sind, Anziehungskraft gewonnen. Insbesondere Schiffe wie Passagierfähren und Offshore-Versorgungsschiffe genießen die Vorteile der dieselelektrischen Systeme. Die Binnenschleppschiffindustrie teilt viele dieser Bedenken und würde von der Berücksichtigung der Dieseltechnologie als Teil eines umfassenden Konstruktionsprozesses profitieren.

Anfang 2017 begann die Shearer Group, Inc. (TSGI) gemeinsam mit der Marine Division von ABB, die Anwendung der dieselelektrischen Technologie in der Binnenschifffahrt zu untersuchen. Die TSGI hat ursprünglich 2007 einen dieselelektrischen Antrieb für Schleppboote erforscht, aber zu dieser Zeit machten die Technologie und der Preis keine machbare Option für den Markt. In den letzten Jahren haben jedoch einige grundlegende Veränderungen in der Industrie die Gleichung verschoben, so dass Dieselkraftstoff eine gangbare Option bei der Planung eines neuen Schleppers darstellt.

Was ist dieselelektrischer Antrieb?

Einfach gesagt, Dieselelektrischer Antrieb ist ein Konzept, das ein elektrisches Kraftwerk verwendet, das aus mehreren Stromgeneratoren besteht, die durch den Einsatz von Elektromotoren elektrische Energie für die Antriebsanlage entwickeln. Das elektrische Antriebssystem besteht aus Generatoren, einem elektrischen Verteilungssystem, Frequenzumrichtern, elektrischen Antriebsmotoren und einem Steuersystem.

Mechanische dieselgetriebene Systeme bieten überlegene Effizienz in einem sehr engen Betriebsbereich, typischerweise über 60 Prozent MCR. Daher ist es wichtig, den gesamten Betriebszyklus der Motoren über einen langen Zeitraum hinweg zu bestimmen. Dieselelektrisch verbessert die Effizienz des Antriebssystems eines Schiffes, indem der Bereich des optimalen Betriebs erweitert wird und eine größere Gesamteffizienz in Bereichen bereitgestellt wird, die außerhalb des optimalen Bereichs eines mechanischen Antriebssystems liegen.

Unter dem Dach des dieselelektrischen Antriebs gibt es heute mehrere Varianten auf dem Markt:

Hybrid (PTO / PTI)

Hybridsysteme nutzen eine mechanische Wellenleitung mit einer Zapfwelle und Leistungsaufnahme (PTO / PTI), kombiniert mit einem Stromerzeugungssystem. Dieses System kombiniert den Vorteil eines Direktantriebsantriebs über ein Getriebe mit der Flexibilität eines "Leistungsschubs" aus dem elektrischen System des Schiffes, ermöglicht aber auch, dass die Haupttriebwerke effizienter arbeiten, indem sie dem Schiff elektrischen Strom liefern, wenn der Strom fließt nicht für den Antrieb benötigt. Wenn mehr Leistung benötigt wird, agieren die Generatoren als Motoren, die die Wellen über die PTO / PTI mit zusätzlicher Energie versorgen. Während des Betriebs mit geringerer Leistung können die Haupttriebwerke ausgekuppelt werden und das Schiff kann allein mit dem Elektromotor arbeiten, oder die Haupttriebwerke können Vortriebsleistung liefern und auch den Nebenantrieb / Nebenantrieb zur Versorgung mit elektrischer Energie für Hilfslasten versorgen.

A / C System

Das dieselelektrische A / C-System ist heute das traditionellste und gebräuchlichste dieselelektrische System auf dem Wasser. Es besteht aus einem Stromkraftwerk mit mehreren Generatoren, die Strom für alle Lasten auf dem Schiff liefern; Antrieb, Hilfs- und Hotel. Die Leistung von der Schalttafel wird den Antriebsmotoren über Frequenzumrichter zur Verfügung gestellt, um den Motoren zu ermöglichen, bei praktisch jeder Drehzahl der Welle zu arbeiten.

D / C System

Das dieselelektrische D / C-System ist dem A / C-System sehr ähnlich, bietet jedoch in bestimmten Bereichen einige Verbesserungen. Der Wechselstrom vom Generator wird am Generator gleichgerichtet und direkt über die Schaltanlagen verteilt. Der Gleichstrom wird dann nach Bedarf umgekehrt, um den Antriebs- und Hotellasten Wechselstrom zur Verfügung zu stellen. Gleichstromsysteme sind im Allgemeinen kleiner und leichter, mit weniger Teilen in den Schaltanlagen. DC-basierte Antriebssysteme bieten den größten Nutzen, wenn sie mit einer Art von Energiespeicher kombiniert werden, wo das Gleichstromnetz den Batterien ermöglichen kann, eine sofortige Leistungsantwort auf das elektrische System des Schiffs zu liefern.

Diesel Electric mit Energiespeicherung

Wenn dieselelektrische Systeme mit Energiespeichern kombiniert werden, verbessern sich die Vorteile dieselelektrischer Systeme weiter. Für typische Marine-Anwendungen kann die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) dazu beitragen, die Drehreserve, die Peak-Rasur und die emissionsfreien Operationen zu ergänzen, um die Gesamteffizienz der Gefäße zu erhöhen.

Wie Diesel Electric in den Binnenmarkt passt

Bis heute hat der Schwerpunkt auf Diesel-Elektro den Binnenschlepptau-Markt umgangen. TSGI hat jedoch mit Ingenieuren von ABB an der Entwicklung und Feinabstimmung des Konzepts für dieselelektrische Schleppboote gearbeitet. Der Anstoß für dieses Design ist das typische Betriebsprofil des Schleppers. Als wir die Besitzer fragten, wie sie ihre Schiffe betreiben, glauben die meisten, dass sie in fast 100 Prozent der Fälle zwischen 80 Prozent und 100 Prozent Last haben. In Wirklichkeit fanden wir heraus, dass die tatsächlichen Motordaten von Schiffen, die auf den Flüssen operierten, sehr unterschiedlich waren.

Anstatt die meiste Zeit (wie bisher angenommen) mit über 80 Prozent Last zu arbeiten, fanden wir heraus, dass das Betriebsprofil der von uns untersuchten Schiffe viel weniger Zeit als 80 Prozent der Last ausgab, als ursprünglich angenommen. Für eine Reihe von Betreibern an verschiedenen Teilen der Flüsse im Landesinneren verbringt das eigentliche Schleppboot die meiste Zeit unter 50 Prozent der Gesamtleistung, wobei kurze Spitzen über 80 Prozent liegen. Dies bietet die Chance, dass Dieselelektrik positive Auswirkungen auf die Betriebskosten hat, die mit dem Betrieb eines Schleppers auf den Binnenflüssen verbunden sind.

Schiffsbetriebsprofile sind sehr wichtig, um die Eignung eines dieselelektrischen Systems für ein bestimmtes Schiff zu bestimmen. Beide Probenprofile repräsentieren reale Betriebsdaten während 365 Betriebstagen für verschiedene Schiffe.

Dieselelektrische Antriebe bieten diese Einsparungen durch eine Vielzahl von Vorteilen. Antriebsmaschinen für jedes 2.400 HP Towboat sind unten aufgeführt:

Typische 2.400 PS Maschinen:

-Prime Mover: 2 x 1.200 PS Tier IV-Motoren

-Generator: 2 x 200kW Tier III Generatoren

2.400PS dieselelektrische Maschinen:

-Power Generation: 4 x 800 PS Tier III Generatoren

Für den mechanischen Schlepper laufen bei jeder Motorlast von Leerlauf bis 100 Prozent mindestens drei Motoren, um das volle Manövrieren und die elektrische Belastung des Hauses aufrechtzuerhalten. Der dieselelektrische Motor läuft jedoch mit einer optimierten Anzahl von Motoren. Von Leerlauf bis etwa 25 Prozent Last muss nur ein Motor laufen, um zwei Wellen plus die elektrische Hauslast des Schiffes zu versorgen. Nur bei viel höheren Lasten (typischerweise> 80 Prozent) verliert der Diesel elektrisch einen Teil seiner Effizienzgewinne gegenüber dem mechanischen Antriebssystem.

Jenseits von Kraftstoffeinsparungen

Dieselelektrische Antriebssysteme bieten auch Vorteile, die über die Kraftstoffeinsparung hinausgehen. Während des Entwicklungsprozesses sollten Aspekte wie Redundanz von Antriebssystemen, Harnstoffverbrauch und -lagerung sowie Motorwartung berücksichtigt werden.

Auch in punkto Redundanz und Sicherheit glänzt der Diesel. Mit jedem Motor, der in der Lage ist, einen Antriebsmotor mit Energie zu versorgen, kann ein Bediener die Auswirkung eines Versagens der Antriebsmaschine minimieren. Bei einem mechanischen System führt der Verlust einer Antriebsmaschine zum Verlust von 50 Prozent des Antriebs und einer ganzen Welle. Beim Diesel-Elektroschlepper führt der Ausfall eines Stromaggregats nur zu einem Verlust von 25 Prozent der maximal verfügbaren Leistung, während beide Wellen weiterhin mit Strom versorgt werden können. In ähnlicher Weise hat das Schiff mit dem Verlust eines Generators an einem mechanischen System keine Unterstützung für Haus- und Hilfslasten mehr. Das dieselelektrische System kann Strom mit mehreren Backups für die Stromerzeugung bereitstellen.

Durch die Verwendung mehrerer Tier-III-Generatoren entfällt die Anforderung für Tier-IV-Motoren, die zur Erfüllung der Emissionsanforderungen SCR- oder EGR-Technologie verwenden. Wenn ein Schiff Harnstoff für SCR verwendet, mit einer typischen DEF-Dosierrate von 5 Prozent, muss ein neues Behälterdesign einen Harnstofftank, den SCR und die zusätzliche Abgasrohrleitung aufnehmen.

Ein weiterer Vorteil betrifft die Wartungspläne für Triebwerke. Durch die Reduzierung der Anzahl der Motoren auf eine optimale Anzahl reduziert der dieselelektrische Antrieb die Anzahl der Motorstunden, die bei Teillast verbracht werden. Ein Schiff, das 40 Prozent seiner Betriebszeit bei weniger als 50 Prozent Vortriebslast ausgibt, kann im Vergleich zu einem mechanisch angetriebenen System zwei statt drei Stunden an zwei Motoren halten. Und weil das Schiff nur einen Motortyp an Bord hat, kann die Anzahl der Ersatzteile sowohl für das Schiff als auch für die Landseite reduziert werden.

Ist Diesel Electric für Sie?

Dieselelektrischer Antrieb, wie Azimutantrieb, kann die beste Lösung für alle Betriebsprofile auf dem Fluss sein oder auch nicht. Es bietet jedoch in vielen Szenarien deutliche Vorteile und sollte als Teil des gesamten Entscheidungsprozesses bei der Planung eines Schiffes betrachtet werden. Die Vorteile erstrecken sich nicht nur auf Einsparungen bei den Betriebskosten, sondern bieten auch eine erhöhte Betriebssicherheit und Redundanz für Schlepper.

Der Autor

Joshua Slade Sebastian, PE, ist technischer Leiter der Shearer Group, Inc. (TSGI). Die TSGI möchte der Marine Division bei ABB für ihre Unterstützung bei der elektrischen Konstruktion des Konzepts diesel electric towboat danken und einige der technischen Informationen für diesen Artikel zur Verfügung stellen .

(Wie in der März 2018 Ausgabe von Marine News veröffentlicht )