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HANSA 06-2021

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SCHIFFSTECHNIK | SHIP

SCHIFFSTECHNIK | SHIP TECHNOLOGY Diesel-elektrisch – Hybridantrieb – Brennstoffzelle © Siemens Schon 1886 brachte Siemens mit der »Elektra« das erste rein elektrische Boot aufs Wasser Elektrisch mit der »Elektra« Das weltweit erste rein elektrische Schiff war bereits 1886 zu sehen. Die »Elektra« (Foto) war ein Versuchsboot der Firma Siemens & Halske, das Erprobungsfahrten auf der Spree absolvierte. Durchsetzen konne sich die Technik damals nicht: Die 80 Akkumulatoren brauchten zu viel Platz, waren zu schwer und hatten mit 5,9 kW viel zu wenig Leistung. Der Großteil der weltweit rund 50.000 Schiffe ist daher bis heute mit fossilen Kraftstoffen unterwegs – HFO, VLSFO, MGO auf Erdöl-Basis, zunehmend auch mit Gas (LNG). In der Zukunft, das bedingen allein schon die Klimaziele der IMO, müssen Antriebe umweltfreundlicher, also emissionsärmer und später ganz emissionsfrei werden. Als eine Übergangstechnologie gelten Hybrid-Antriebe, also elektrisch erzeugte Energie gepaart mit konventionellen Kraftstoffen. der Wellengenerator. Mit variabler Drehzahl kann er entweder als Generator zur Stromerzeugung oder als Motor eingesetzt werden. Die Vorteile diesel-elektrischer Systeme sind ein geringerer Treibstoffverbrauch (5-20 %), zudem können Vibrationen und Geräuschpegel reduziert werden. Hybrid-Antrieb Echte Hybridschiffe haben zwei unab - hängige Antriebssysteme, die entweder gemeinsam zur Abdeckung von Lastspitzen © Rolls Royce Der Aufbau eines hybriden Antriebssystems: Dieselgenerator, Elektromotor und Batteriepacks oder aber gänzlich getrennt voneinander eingesetzt werden können. Zusätzlich zum Verbrennungsmotor sind Batterien an Bord installiert, die überschüssige Leistung speichern oder aber abgeben können. Die Systeme wurden in den vergangenen Jahren technisch weiterentwickelt, das gilt sowohl für die Leistungsfähigkeit der heute verwendeten Lithium-Ionen- Batterien als auch für das elektronisch gesteuerte Energie- und Motorenma - nagement. Moderne Schiffe wie die Hybrid-Fähren von Scandlines können etwa 30 min lang rein elektrisch fahren, zum Beispiel bei Hafenanläufen. Neue Energiequellen In Zukunft könnte der Elektromotor auf andere Art mit Energie versorgt werden: Neben alternativen Kraftstoffen wie Methanol, Ethanol, Ammoniak, Bio-Gas oder synthetischem Diesel rückt zunehmend die Brennstoffzelle in den Fokus. Energieträger wie Wasserstoff (H2), Ammoniak (NH 3 ) oder Methanol (CH 4 O) werden bei der »kalten Verbrennung«, einem elektrochemischen Prozess, mit Sauerstoff zusammengeführt und erzeugen dabei Strom. Erste Projekte sind das Schubschiff »Elektra« auf der Elbe, ein Aida- Kreuzfahrtschiff sowie ein Yacht- Neubau von Lürssen. RD Diesel-elektrisch Traditionell treibt auf vielen Schiffe ein Dieselmotor direkt die Welle und damit den Propeller an (diesel-mechanisch). Überwiegend aber kommt ein diesel-elektrischer Antrieb zum Einsatz. Dabei wird die mechanische Energie der unter konstanter Last (85-90 %) laufenden Dieselmotoren über Generatoren in elektrische Energie umgewandelt, mit der ein oder mehrer Elektromotoren für den Antrieb versorgt werden. Eine Variante ist Das von Havyard Hydrogen geplante Brennstoffzellensystem ist bis zu einer Gesamtleistung von 3,2 MW skalierbar und auch für große Schiffe geeignet © Havyard 54 HANSA – International Maritime Journal 06 | 2021

SCHIFFSTECHNIK | SHIP TECHNOLOGY tionellen Antrieben. Sie können auch zusammen mit Brennstoffzellen oder anderen Energiequellen arbeiten. Eine Hürde ist allerdings die Energiedichte. Das gleiche Volumen an flüssigem Brennstoff hat unter Umständen die doppelte verfügbare Energie gasförmiger Brennstoffe und mehr als das Zehnfache von Batteriespeichern. Man benötigt also ein höheres Speichervolumen, um die gleiche Arbeit zu verrichten. Diese Kompromisse zwischen Energiedichte und Leistungsbereitstellung schränken die für Batterien geeigneten Betriebskonzepte und Nutzungsarten (noch) ein. Bei der Klassifikationsgesellschaft Lloyd’s Register (LR) beobachtet man den Trend, dass die Elektrifizierung von Schiffen die Hybridisierung unterstützt. »Sobald man sich entscheidet, verschiedene Energiequellen und -speicher miteinander zu verbinden, ist es sinnvoller, diese Verbindungen über ein elektrisches Netzwerk herzustellen«, erläutert Duncan Duffy, Leiter der Abteilung »Electrotechnical Systems« im Gespräch mit der HAN- SA. Seiner Ansicht nach könnten neben Kurzstreckenfähren auch kleinere Feeder-Containerschiffe für die Küsten- und Binnenschifffahrt Anwendungsbeispiele sein. Container-Lösungen Die Bedeutung von Batterien dürfte demnach zunehmen. Bei einem verhältnismäßig geringen Energiebedarf »würde ich erwarten, dass Batteriespeicher eine Lösung sein werden«, so Duffy. Aus technologischer Sicht hat der Rückgriff auf batterieelektrische Systeme immerhin den Vorteil, dass man nur einen Energieübergang durchführt, von Strom direkt zu mechanischer Leistung. »Viele der alternativen Kraftstoffe erfordern einen relativ energieintensiven Herstellungsprozess und einen Verbrennungsprozess zur Freisetzung der Energie. Mit jedem Energieübergang sind Verluste verbunden. Außerdem benötigen Sie eine Quelle für ›grünen Strom‹, um grünen Wasserstoff oder Ammoniak-Kraftstoffe herzustellen«, sagt Duffy. Systeme mit Batterien in Containern gelten als ein Modell für die Zukunft. In diese Richtung geht auch das aktuelle Entwicklungsprojekt »Current Direct«, das sich mit austauschbaren Batteriecontainern beschäftigt, um Energie zu liefern. Auch LR engagiert sich in dem Projekt. So sinnvoll, wie wie eine solche Lösung sein kann, hätte es aber wohl Auswirkungen auf die Regulierung, da der Container nicht an ein bestimmtes Schiff gebunden ist. Ein Großteil der Vorschriften verknüpft jedoch wesentliche Angaben mit einem spezifischen Schiff. »Daher müssen Ansätze diskutiert und abgestimmt werden. Man müsste wohl eine Zertifizierung für die Container-Einheiten haben und gleichzeitig berücksichtigen, welche Vorkehrungen das Schiff benötigt, um das gleiche Maß an Sicherheit wie im Fall einer festen Installation zu erreichen.« Aktuell wäre der Anwendungsbereich solcher Anlagen noch eingeschränkt, da der Stand der Technik etwa 1-2 MWh in einem 20-Fuß-Container bietet. »Selbst wenn man in Zukunft 3 MWh anstrebt, muss man bei Schiffen mit einem Antriebsbedarf von 1 MW die Container oft austauschen, dieser Prozess müsste dann sehr effizient aufgebaut sein«, so der Brite. Auch die Reedereigruppe Maersk experimentiert mit einer Batterie-Lösung im Container. Schon 2019 wurde ein containerisiertes 600-kWh-System auf dem Containerschiff »Maersk Cape Town« (4.496 TEU) installiert. Die Dänen testen seitdem unter anderem, wie die Effizienz der elektrischen Systeme, zum Beispiel der Generatoren, verbessert oder der Betrieb von Anlagen wie Strahlrudern unterstützt werden kann. Das Pilotprojekt läuft noch, bislang hat sich Maersk nicht zu den Erkenntnissen geäußert. Nachholbedarf in Regulierung Noch sind Batteriesysteme nicht vollständig in die internationale Regulierung zur Energieeffizienz integriert. Für die Leitwerte EEDI und EEXI zu neuen Designs oder bestehenden Schiffen gibt es Punkte, die die Erzeugung von Energie aus alternativen und erneuerbaren Quellen anrechnen – allerdings meist lediglich in Bezug auf Hilfssysteme. Der LR- Experte erwartet, dass sich die Position bei der Internationalen Schifffahrtsorganisation IMO weiterentwickelt. Ein wichtiger Treiber könne der »Operational Carbon Intensity Index« werden, HANSA – International Maritime Journal 06 | 2021 55

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