Hocheffiziente Hybridantriebe in der Binnenschifffahrt

Im Auto gelten Hybridantriebe als Königsklasse der Umwelttechnik, verbinden sie doch Alltagstauglichkeit mit Sparsamkeit, Umweltfreundlichkeit und Komfort. Nach der Umrüstung der MS Nadorias könnte man das nahezu eins-zu-eins auf die Binnenschifffahrt übertragen. von Helge Vandel Jensen

Die europäische Binnenschifffahrt sieht sich nach den Wirtschaftskrisen 2008 bis 2010 noch immer in einer kritischen Wirtschaftslage. Zwar steigt die Transportnachfrage wieder leicht an, aber die Frachtraten sind nach wie vor sehr niedrig. Daher besteht die wirtschaftliche Notwendigkeit, die Betriebskosten für Binnenschiffe so niedrig wie möglich zu halten. Eine Möglichkeit stellen dabei Hybridantriebe dar. Dabei können nicht nur neue Schiffe von moderner Antriebstechnik profitieren. Auch ältere Schiffe lassen umrüsten.

Ein Beispiel ist das Containerschiff MS Nadorias. Nach seiner Umrüstung im Jahr 2014 ist es nun mit einem dieselelektrischen Hybridantriebssystem von HSP ausgestattet, in dem Vacon NXP Liquid Cooled Drives von Danfoss verbaut sind. Das neue System reduziert den Treibstoffverbrauch und die CO2-Emission jeweils um 15 Prozent. Dazu helfen 60 Prozent weniger Feinstaub und 97 Prozent weniger Stickoxide der Umwelt.

Die MS Nadorias ist ein Binnenfrachter für Container, der auf den niederländischen Binnenwasserwegen zwischen Groningen, Amsterdam und Rotterdam verkehrt. Nachdem das Schiff fünf Jahre lang treue Dienste geleistet hatte, entschied sich die Reederei für eine Aufrüstung des konventionellen Antriebssystems.

Das Potenzial des Hybrid-Antriebs

Die Leitung des Nachrüstprojekts übernahmen Koedood Dieselservice BV und Hybrid Ship Propulsion BV (HSP). Sie analysierten gemeinsam mit Sendo Shipping das Einsatzprofil des Containerschiffs. Das Ergebnis überraschte: Das Schiff benötigt in 60 Prozent der Zeit lediglich einen Bruchteil der vollen Motorleistung. Die Umrüstung auf ein dieselelektrisches Hybridantriebssystem mit zwei kleinen Generatoren versprach somit ein enormes Potenzial für Treibstoffeinsparungen.

Bei einer herkömmlichen Konfiguration mit Direktantrieb besteht eine mechanische Verbindung zwischen dem Dieselmotor und der Schiffsschraube. Die Drehzahl der Schiffsschraube verhält sich also direkt proportional zur Motordrehzahl. Einer der Nachteile, die daraus resultieren, ist, dass es zahlreiche Situationen gibt, in denen der Motor nicht unter optimalen Betriebsbedingungen läuft. Diese Ineffizienz kann ein dieselelektrisches Antriebssystem deutlich senken, weil bei diesem die Energieübertragung zwischen Generator und Schiffsschraube elektrisch entkoppelt erfolgt. Durch die elektrische Energieübertragung lassen sich jetzt Drehzahl und Steigung der Schiffsschraube so optimieren, dass das Gesamtsystem im Vergleich zur mechanischen Übertragung die höchste Effizienz erreicht.

Die Herausforderungen

Eine Herausforderung bestand darin, den benötigten Platz im Maschinenraum zu finden. Gelöst haben die Antriebsspezialisten der HSP dieses Problem durch den Austausch des Haupttriebwerks gegen ein neues, kompakteres System, das aus einem neuen Antrieb und einem Wellenmotor mit hohem Drehmoment besteht. Die zwei neuen Generatoren haben die Techniker im Bug des Schiffes platziert. Von dort speisen sie den Strom über zwei neu verlegte Kabel in den Maschinenraum im Heck zurück. Sie lassen sich dabei entweder einzeln oder auch parallel betreiben.

Umrüstung macht Sinn

Vor der Umrüstung waren sich die beteiligten Unternehmen nicht einig, ob sich die Umstellung von Binnenfrachtern auf Hybridantrieb lohnen würde. Beispielsweise bestanden Zweifel in Bezug auf den wirklichen Umfang der erreichbaren Einsparungen, denn die Umstellung auf Hybridantrieb ist auch mit dem Einbau zusätzlicher Komponenten sowie Übertragungsverlusten verbunden.

Die Umrüstung der MS Nadorias hat jedoch gezeigt, dass es tatsächlich möglich ist, ein Schiff so umzurüsten, dass sowohl der Treibstoffverbrauch als auch die CO2-Emissionen deutlich sinken.

Flüssigkeitskühlung spart Platz

Im Maschinenraum kam ein neuer Schaltschrank als Hauptspeisung zum Einsatz, der mit den Vacon NXP Liquid Cooled Drives ausgestattet ist. Diese flüssigkeitsgekühlten Antriebe bieten eine hohe Leistungsdichte. Die Platzersparnis kann allein beim Leistungsteil im Vergleich zu einem luftgekühlten Frequenzumrichter gleicher Leistung bis zu 70 Prozent betragen. Zudem sind sie besonders geeignet für Orte, an denen eine Luftkühlung schwierig, teuer oder unmöglich ist – also auch in einem Schiffsrumpf.

Flüssigkühlung eliminiert Luftschächte, indem sie mit Kühlflüssigkeit Abwärme hocheffizient aus dem Schrank oder Schaltraum abtransportiert. Ein hochgradiger Schutz in anspruchsvollen Umgebungen ist damit garantiert. Gleichzeitig schützt dieses Verfahren die empfindliche Elektronik vor aggressiven Umgebungseinflüssen.

Um während der Fahrt des Schiffes auf den Betrieb eines separaten Generators für das 50-Hertz-Bordnetz verzichten zu können, ist im neuen Schaltschrank zudem ein Vacon-NXP-Microgrid-Umrichter eingebaut, der die variable Frequenz der neuen Generatoren so umwandelt, dass für das Stromnetz des Schiffes eine feste Netzfrequenz von 50 Hertz vorliegt. Im Vergleich zum Betrieb eines Dieselgenerators bei niedriger Last, der sich durch eine schlechte Treibstoffeffizienz auszeichnet, ist diese Lösung deutlich sparsamer.

15 Prozent weniger Kraftstoff

Die Brüder Dominic und Sebastiaan van der Meer sowie deren Geschäftspartner Edwin Groen, die gemeinsamen Inhaber der Reederei Sendo Shipping, äußern sich zufrieden über das neue Hybridantriebssystem: „Wir sparen durch den Hybridantrieb mehr als 15 Prozent Treibstoff ein. Das Schiff verkehrt nach der Umrüstung auf der gleichen Route wie davor und so konnten wir den Treibstoffverbrauch über einen längeren Zeitraum vergleichen. 98 Prozent der Zeit fährt das Schiff im Elektro-Modus und die Crew beherrscht es mittlerweile sehr gut, das Schiff im Economy-Modus zu betreiben, ohne Vollgas geben zu müssen. Ein weiterer positiver Nebeneffekt ist der niedrigere Geräuschpegel, denn die zwei kleinen Generatoren befinden sich nun weit entfernt von der Kommandobrücke und den Kabinen. Der Geräuschpegel im Steuerhaus sank von 60 dBA auf nur noch 42 dBA – und das ist wirklich leise.“

Weniger Emissionen

Ähnlich beeindruckend wirkt sich die Umrüstung auf die Emissionen aus: Der Ausstoß von Luftschadstoffen sank deutlich, denn die 205 Kilowatt-Generatoren laufen im effizientesten Leistungsbereich. Außerdem befindet sich an Bord des Schiffs ein Abgasreinigungssystem, das die Emissionen wie folgt reduzieren konnte:

  • 15 Prozent weniger CO2
  • 60 Prozent weniger Feinstaub (PM10)
  • 97 Prozent weniger Stickstoffoxid
  • 60 Prozent weniger Wartungskosten

Ist das Schiff leer, reicht ein Generator zum Betrieb aus. Nur bei voller Beladung benötigt es beide Generatoren zur Energieversorgung. Der 1250-Kilowatt-Hauptdieselmotor kommt nur noch bei extremen und rauen Witterungsbedingungen wie Eis und starkem Wind zum Einsatz (durchschnittlich 1 bis 2 Stunden pro Woche). Dies bedeutet, dass der schonende Betrieb auch die Kosten für Wartung und Instandhaltung des Hauptmotors deutlich reduzieren konnte. Im Vergleich mit ihrem Schwesterschiff punktet die MS Nadorias nun mit 60 Prozent weniger Wartungskosten und ist wegen der geringeren Stillstandszeiten deutlich länger in Betrieb.

Zukunftspläne

Zur Flotte von Sendo Shipping gehören drei Schiffe, von denen die Reederei demnächst ein weiteres umrüsten möchte. Das Schwesterschiff der MS Nadorias soll sogar einen reinen Elektroantrieb erhalten. Aufgrund der guten Erfahrungen, die das Team beim letzten Projekt mit den Vacon-Frequenzumrichtern von Danfoss und mit HSP gesammelt hat, geht der Auftrag wohl auch bei diesem Projekt an die gleichen Lieferanten. jbi |

Autor: Helge Vandel Jensen ist Senior Business Development Manager Marine & Energy bei Danfoss Drives in Offenbach am Main.

  • Der Binnenfrachter MS Nadorias ist 2009 mit Dieselantrieb vom Stapel gelaufen. 2014 folgte die Umrüstung auf das einzigartige Hybridantriebssystem. Bild: Danfoss
  • Zwei Generatoren liefern die elektrische Energie für den Antrieb. Der 385-Kilowatt-Elektromotor teilt sich die Welle mit dem 1250-Kilowatt-Dieselhauptmotor. Über einen weiteren Umrichter versorgen die Generatoren auch das Bordnetz. Der Dieselhauptantrieb kommt nur noch extrem selten zum Einsatz. Die meiste Zeit übernehmen zwei Generatoren und der Elektroantrieb. Bild: Danfoss
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