Mehr Strom auf dem Wasser: Wie Elektromotoren Schiffe sauberer machen

  • Der Elektromotor übernimmt bei einem seriell angeordneten Hybridantrieb alleine den Antrieb. Der Verbrennungsmotor kann so in einem Wirkungsgrad von über 95 Prozent betrieben werden.Der Elektromotor übernimmt bei einem seriell angeordneten Hybridantrieb alleine den Antrieb. Der Verbrennungsmotor kann so in einem Wirkungsgrad von über 95 Prozent betrieben werden.

Wissenschaftler weisen immer wieder auf die Gefahr von Schadstoffen aus der Schifffahrt hin: Feinstaubpartikel, Schwefel- und Stickoxide. Die Emissionen liegen weit über den Grenzwerten, die derzeit im Straßenverkehr gelten. Jetzt hat die europäische Kommission reagiert und strenge Umweltgrenzen erlassen. Grenzen, die sich nur mit neuen Antriebskonzepten einhalten lassen – wie hybriden oder vollelektrischen Schiffsantrieben.
Die Schifffahrt muss sauberer werden. Das ist das Ziel. Und so schreibt die europäische Kommission vor, dass die Emissionen durch Schiffe in Hafenstädten bis 2050 um 60 Prozent reduziert werden sollen. Auch die Überseetransporte trifft es: Sie müssen laut International Maritime Organisation (IMO) mit umweltschonenden Technologien aus- oder nachgerüstet werden. Die Binnenschifffahrt ist ebenfalls betroffen: Das Europäische Parlament verabschiedete neue Emissionsgrenzwerte für mobile Maschinen und Geräte, die nicht für den Straßenverkehr bestimmt sind, darunter Traktoren, Baumaschinen und Binnenschiffe. Demnach müssen spätestens ab dem Jahr 2020 alle Motoren, die auf den Markt gebracht werden, die Euro-5-Grenzwerte einhalten. Diese Vorschriften verlangen ein Umdenken in der Antriebswahl bei allen Schiffstypen, ob Binnenschiffe, Fähren, Yachten oder Arbeitsschiffe.

Die Technik ist bereit

Dieselelektrische Hybridantriebe sind neben vollelektrischen Lösungen die Technik der Wahl, wenn es darum geht, Schiffe für die neuen Normen fit zu machen. Baumüller verfügt sowohl über die Technik, als auch die Erfahrung, um Binnenschiffe, Yachten, Arbeitsschiffe, Offshore-Vessels und Fähren mit elektrischer Antriebstechnik auszurüsten. Baumüller ist daher mit seinen Komponenten und Systemen Partner für Werften, Systemintegratoren und Schiffseigner.
Bei einem dieselelektrischen Hybridantrieb werden die Schiffsschrauben durch umrichtergespeiste Synchronmotoren angetrieben, die ihre Energie aus Dieselgeneratoren erhalten. Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten, ein solches hybrides Antriebssystem zu gestalten. Der Parallelhybrid, bei dem Diesel- und Elektromotoren synchron geschaltet werden um die volle Leistung zu erreichen, kommt nur noch gelegentlich zum Einsatz.

Stand der Technik ist der serielle Hybrid, bei dem der Elektromotor alleine den Antrieb der Schrauben übernimmt. Der Verbrennungsmotor treibt dabei den Generator an, der die elektrische Energie bereitstellt, und kann durch seine komplette Entkopplung vom Fahrantrieb in einem sehr guten Wirkungsgrad betrieben werden. Außerdem bietet die serielle Variante die Möglichkeit, das Schiff vollelektrisch und damit mit Null Emissionen anzutreiben, was sich besonders bei Hafenfahrten lohnt. Im Parallelhybrid wäre dies nur mit einem weiteren Dieselgenerator mit allen daraus folgenden Kosten, zum Beispiel für Partikelfilter, möglich.
Für die vollelektrische Fahrt sind die Antriebssysteme meist mit Lithium-Ionen-Batterien ausgestattet, die aus dem Antriebssystem an Bord oder über einen Landanschluss geladen werden können. Sie fangen Leistungsspitzen des Dieselmotors auf und machen einen extra Hafendiesel unnötig.

Vorteile des Hybridantriebs

Zahlreiche Vorteile machen die Kombination aus Dieselmotor und Elektromotor besonders attraktiv für die Schifffahrt. So können neben einer deutlichen Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, auch Lärm und Vibrationen reduziert werden. Ein weiterer Vorteil liegt in der Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Dieselmotors. So benötigen beispielsweise Schiffe, die auf offener See präzise manövrieren oder einen festen Einsatzort halten müssen, eigentlich nur eine geringe Leistung. Bei einem reinen Dieselantrieb reduziert sich in diesem Fall die Drehzahl im Vergleich zur vorhergehenden schnelleren Richtungsfahrt massiv. Somit arbeitet der Motor nicht in seinem optimalen Wirkungsgradbereich. Wird dagegen bei dieser Situation der Elektroantrieb genutzt, regelt der Frequenzumrichter über dem Synchronmotor direkt die Drehzahl der Propeller, die dadurch viel langsamer laufen können. Da Synchronmotoren auch bei niedrigen Drehzahlen einen hohen Wirkungsgrad erreichen, spart der elektrische Betrieb Treibstoff. Weiterer Vorteil ist die verbesserte Manövrierfähigkeit, die sich durch das konstante Drehmoment der Elektromotoren ergibt. Schon bei geringen Drehzahlen steht das volle Moment zur Verfügung, das zahlt sich aus, beim Manövrieren im Hafen oder beim An- und Ablegen.
Baumüller bringt Erfahrungen mit Antriebssystemen für den Schiffsbau und die gesamte mobile Antriebstechnik mit. Mit Motoren, die nach dem Lloyds Register für den Einsatz in Schiffen optimiert sind und speziellen Wing Mounts zur Befestigung in Schiffen, erfüllt das Unternehmen spezifischen Anforderungen aus dem Schiffbau.

System-Know-how gefragt

Über die Komponenten hinaus ist Baumüller zudem Systempartner. Die System-Engineering-Experten erstellen hierzu zusammen mit Partnern, wie Batterieherstellern, Komplettlösungen für das Antriebs- und Automatisierungssystem und statten das Schiff unter Verwendung von hauseigenen Torquemotoren, Umrichtern und Steuerungen aus. Die Baumüller-Komplettlösung umfasst dabei Elektromotoren, Umrichter, skalierbare Lithium-Ionen-Batterien mit Energiemanagementsystem, Schaltschränke, Strahlruder- und Propellersteuerungen. Das batterieelektrische Antriebssystem wird dabei um die gesetzlich vorgeschriebenen Sicherheitsantriebe in Form von redundant aufgebauten Dieselaggregaten ergänzt. So ist auch bei einem niedrigen Batteriestand die Manövrierfähigkeit sichergestellt.
Baumüller bringt in seinen Antriebssystemen für Schiffe vorwiegend Synchronmotoren zum Einsatz. Die Synchronmotoren punkten mit geringer Baugröße und vergleichsweise niedrigem Gewicht und vor allem einem hohen Wirkungsgrad. Sie eignen sich damit besonders gut für den mobilen Einsatz.

Vollelektrische Schiffe

Nicht nur hybrid, sondern auch vollelektrisch können Güter und Passagiere auf dem Wasser bewegt werden. Ein Beispiel dafür ist eine batterieelektrische Fähre für die Hafenstadt Kaohsiung in Taiwan. Baumüller rüstete die 25 Meter lange, 6,50 Meter breite und 108 Tonnen schwere Fähre mit dem Antriebskonzept PowerMela aus, einem Gemeinschaftsprodukt von Baumüller mit Sensor-Technik Wiedemann. Bei diesem Konzept ist der Elektromotor dank integriertem Frequenzumrichter besonders kompakt: Das komplette Antriebssystem bringt mit Motor, Umrichter und Getriebe nur rund 300 kg auf die Waage. Der Motor bietet dank seines direkten Kühlkonzeptes eine hohe Leistungsdichte und erfüllt durch seine Rekuperationsfähigkeit (die Möglichkeit der Energierückgewinnung beim Abbremsen) alle Anforderungen eines effizienten Systems. Eine Besonderheit sind bei diesem Projekt die Solarzellen auf dem Dach der Fähre, die zusätzlich Energie in die Batterien speisen. So steigt die Wirtschaftlichkeit des Systems zusätzlich und der Betreiber profitiert von einem verbesserten ROI.

Fazit

Für hybride und vollelektrische Schiffsantriebe hat Baumüller effiziente Konzepte, mit denen die Anforderungen der Kapitäne, der Reedereien und des Gesetzgebers gleichermaßen erfüllt werden. Die Technik ist bereit, der Generationswechsel im Schiffbau kann weiter vollzogen werden.

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Baumüller Nürnberg GmbH
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