PROPULSION TECH: Der Weg zur Hybridisierung

Jon Mosterd ist derzeit Mitglied des North American Center of Excellence bei Danfoss Drives.

Bildnachweis: Danfoss Drives

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Die Hybridisierung in der Meereswelt wandelt sich von der neuesten Modeerscheinung zu einem wichtigen Teil des Schiffsdesigns und der Nachrüstung.

Teilweise getrieben von der Forderung nach höherer Effizienz und neuen Wellen der globalen Gesetzgebung, wird die Hybridisierung oder Elektrifizierung eines Schiffes für Organisationen schnell notwendig. Tatsächlich fordern die Regeln und Richtlinien der Internationalen Seeschifffahrtsorganisation (IMO) für die Schifffahrtsindustrie eine weltweite Emissionsreduzierung, und einige Häfen auf der ganzen Welt haben sich ehrgeizige Ziele gesetzt, die Emissionen auf null Prozent zu senken.

Frühe Anwender von Elektrifizierung und Hybridisierung profitieren bereits und erzielen positive Kapitalrenditen - einschließlich realer Einsparungen und Vorteile für ihre Flotten. Darüber hinaus haben sie das Wissen und die Erfahrung gesammelt, um weiter zu wachsen und noch mehr hybride Lösungen zu entwickeln. In Anbetracht dessen beginnen immer mehr Organisationen zu evaluieren, wie sie in ihren Marineanwendungen zur Hybridisierung übergehen können.

Die Hybridisierungsherausforderung
Im Allgemeinen kann Hybridisierung als die Kopplung von zwei oder mehr Energiequellen definiert werden, um die Effizienz zu steigern und die Leistung zu maximieren. Häufig sind diese Systeme über Batterien oder Superkondensatoren mit einem Energiespeicher gekoppelt, um Lastspitzen auszugleichen oder sogar kurzzeitige Lastspitzen bereitzustellen. Darüber hinaus ersetzen viele Unternehmen kraftstoffbetriebene Antriebe oder Triebwerke durch Elektromotoren und setzen eine Reihe von Generatoren ein, um die Leistung bedarfsgerecht bereitzustellen. Dies bedeutet wiederum, dass ein Schiff nur den erforderlichen Kraftstoff verbraucht und nicht benötigte alternative Generatoren ausgeschaltet werden.

Für einige scheint Hybridisierung ein unvermeidbares Risiko zu sein. Der erste Schritt zur Entwicklung eines erfolgreichen Planes für die Hybridisierung besteht jedoch darin, die gründlichen Nachforschungen anzustellen, die erforderlich sind, um Ihre aktuelle Situation zu überprüfen. Dies wird die Bedürfnisse des Schiffes ermitteln und Lösungen für die Zukunft liefern. Es ist von wesentlicher Bedeutung, in die Ressourcen zu investieren, um die richtigen Daten zu erfassen und einen Überblick über Ihren aktuellen Standort zu erhalten. Der Plan und die Daten sollten dann durch mehrere Empfehlungen überprüft werden, da unterschiedliche Meinungen zu Lösungen und Ansätzen bestehen. Wenn Sie wissen, wo Sie waren und wo Sie sich gerade befinden, können Sie die richtige Flugbahn für die Zukunft festlegen.

Der Hybridisierungsprozess kann mit wenigen Wellengeneratoren beginnen und sich bis zu einem vollständig elektrifizierten Schiff ausweiten. Um diese Grundlagen zu schaffen, ist es entscheidend, den Zweck Ihres Schiffes vollständig zu verstehen und zu berücksichtigen. Gegenstände wie elektrische Antriebe und Triebwerke, Energiespeicher, Wellengeneratoren und mehrere Aggregate sind alles Puzzleteile, die Schiffseigner in eine Schiffskonstruktion hinein- und herausbewegen können. Für einige Anwendungen mit kurzen Entfernungen und kurzen Einschaltdauern wurden bereits vollelektrische Schiffe eingesetzt, und weitere werden für die Zukunft entworfen und gebaut.

Vorteile der Hybridisierung
Durch die Berücksichtigung der verschiedenen Aspekte der erzielbaren Effizienz kann die Hybridisierung den Schiffen viele Vorteile bringen. Der primäre Return on Investment in ein Hybridschiff wird durch Kosteneinsparungen aufgrund eines geringeren Kraftstoffverbrauchs erzielt. Es sind jedoch auch andere konkrete Punkte zu berücksichtigen. Die Hybridisierung kann den Einsatz kleinerer Generatoren ermöglichen, bei denen die Batteriesysteme die Spitzenlast bewältigen, sodass die Generatoren weniger häufig laufen und somit weniger Gewicht, Platz und Wartung benötigen.

Beispielsweise können bei einem Doppelantriebssystem Wellengeneratoren eingebaut werden, die sowohl motorisch als auch generatorisch arbeiten können. Bei leichter Beanspruchung könnte stattdessen einer der beiden Dieselgeneratoren abgeschaltet und vom anderen Wellengenerator angetrieben werden. Der Motor, der läuft, könnte sowohl die Stütze als auch einen Generator antreiben, während der Motor, der ausgeschaltet ist, ausgekuppelt wäre und dessen Generator auf einen Motor umgeschaltet würde. Über den Elektromotor würde es bei reduzierter Last noch funktionieren. Dies würde zu weniger Betriebsstunden für die beiden Einheiten, weniger Wartung und effizienterem Kraftstoffverbrauch führen.

Ein weiterer Vorteil für hybride Schiffssysteme ist die Leistung. Unabhängig davon, ob Diesel- oder Flüssigerdgasmotoren (LNG) verwendet werden, ist die Reaktionszeit auf eine Leistungsanforderung nicht unmittelbar. Darüber hinaus passen sich diese Motoren plötzlichen Lastwechseln nicht gut an. Wenn die Leistungselektronik an den Energiespeicher gekoppelt ist, können sich die Reaktionszeiten auf einen Spitzenleistungsbedarf von Sekunden auf Millisekunden verschieben. Die Motoren werden diese plötzliche Änderung auch nicht bemerken, da sie von den Batterien oder Superkondensatoren absorbiert wird und es nicht erforderlich wäre, Generatoren im Standby-Modus zu haben, um diese Spitzenlasten aufzunehmen. Auf diese Weise werden die Geräte weniger mechanischer Beanspruchung und Belastung ausgesetzt, was ihre Lebensdauer verlängert und die Wartungskosten senkt.

Die Verwendung kleinerer Generatoren, Wellengeneratoren und Energiespeicher ermöglicht außerdem ein höheres Maß an Redundanz auf dem Schiff. Wenn mehrere Stromquellen und mehrere Elektromotoren vorhanden sind, können Schiffe im Falle eines Systemausfalls weiterhin mit reduzierter Last betrieben werden. Nehmen Sie das Beispiel oben für einen Generator mit zwei Antriebswellen. Wenn ein Antriebsmotor einen Fehler aufweist, kann der Wellengenerator von einem Generator auf einen Motor umgeschaltet werden. Hilfsgeneratoren oder der Hauptantriebsgenerator könnten dann das Schiff über den Elektromotor zur Reparatur in den Hafen zurückbringen; alles ohne teuren Schlepper.

Für den Betrieb dieser mehreren Stromquellen ist die richtige Energieverwaltungsinfrastruktur erforderlich. Wenn diese Systeme richtig ausgelegt sind, werden sie so programmiert, dass sie den spezifischen Lebenszyklus der Ausrüstung berücksichtigen und den Besatzungen bei der problemlosen Fehlersuche helfen. Viele Unternehmen haben viel Geld in Forschung und Entwicklung investiert, um Steuerungssysteme zu entwickeln, mit denen die Schiffsbetreiber Spitzenleistung und Spitzeneffizienz erzielen können. Es ist jedoch nach wie vor unerlässlich, dass die Integratoren, die das Hybridsystem liefern, über Erfahrung und getestete Energieverwaltungssoftware verfügen. Die kostengünstigste Lösung (im Vorfeld) muss auf lange Sicht nicht unbedingt die beste oder kostengünstigste sein.

Wiegen aller Variablen
Hybridisierung hat viele Vorteile. Es gibt jedoch auch einige zusätzliche Kosten, die berücksichtigt werden müssen. Batterien, Superkondensatoren und Leistungselektronik erfordern einen anderen Wartungsansatz. Sie haben auch unterschiedliche Lebenszyklen und erfordern möglicherweise spezielle Servicefertigkeiten. Die Ausbildung der Besatzungen muss auch ein wesentlicher Bestandteil der Überlegungen zum Übergang zur Hybridisierung sein. Beispielsweise ist die Fehlersuche bei einem Leitungsbruch eine völlig andere Aufgabe als bei einem Kabelbruch. Es wird auch einen anderen Ansatz für die Bevorratung von Ersatzteilen auf dem Schiff geben müssen, da für einige spezielle Richtlinien für die Wartung gelten. Wenn es um Hybridisierung geht, bedeutet das, die richtigen Partner zu haben, mehr als nur die richtigen Lieferanten zu finden. Dazu gehört auch die Partnerschaft, um die richtigen Leute an Bord zu haben.

Tatsächlich sind diese Partnerschaften - mit Blick auf ein konkretes Ziel und einen konkreten Plan - Schlüsselelemente für den Erfolg bei der Steuerung der verschiedenen Ansätze zur Hybridisierung. Ein tiefergehender Ansatz muss sorgfältig geplant werden. Sobald Sie festgelegt haben, wie Sie sich einem Hybridschiff nähern, ist es der nächste wichtige Schritt, erfahrene Partner zu finden, die Sie auf Ihrer Reise begleiten. Das Besteigen des Berges ist einfacher, wenn Sie nicht nur eine starke Vision definiert haben, sondern auch eine Partnerschaft mit anderen Personen eingegangen sind, die diese bereits erlebt haben.

Jon Mosterd ist derzeit Mitglied des North American Center of Excellence bei Danfoss Drives. Zusammen mit seinem Team unterstützt Jon Integratoren, OEMs und Endbenutzer bei ihren Schiffs- und Schwerindustrieanwendungen.

Dieser Artikel erschien erstmals in der gedruckten Ausgabe des MarineNews- Magazins vom Juli 2019.