17.01.2022 – Kategorie: Konstruktion & Engineering

Hybridantrieb auf hoher See: Warum Dieselelektrik in ist

HybridantriebQuelle: Baumüller

Dieselelektrische Antriebe kommen im Schiffbau an. Die Umsetzung im neuen Küstenarbeits-Schiff Trischen, zeigt die Vorteile des elektrischen Fahrantriebs.

Seit einigen Monaten ist ein besonderes Arbeitsschiff an der Nordseeküste unterwegs: die neue Trischen. Wirtschaftlich, umweltfreundlich und rundherum mit aktueller Technik ausgestattet, macht das Küstenarbeitsschiff deutlich, warum alternative Schiffsantriebe wie ein Hybridantrieb an Bord gut ankommen: „Wir haben alle Anforderungen erfüllt“, freute sich Olaf Deter, Geschäftsführer der Schiffbaugesellschaft Set, als das neue Schiff im Mai 2019 getauft wurde.

Hybridantrieb für eine optimale Leistung

Dabei gab es auch vorher schon eine Trischen, doch die sollte nach über dreißig Jahren aus dem Dienst scheiden. Betreiber ist weiterhin der Landesbetrieb für Küstenschutz, Nationalpark und Meeresschutz des Landes Schleswig-Holstein. Dessen Anforderungen jedoch sind in den letzten Jahrzehnten gestiegen: Größe, Leistung und Wirtschaftlichkeit des Schiffes sollten beim Neubau auf aktuellem Stand und optimal ausgelegt sein. Die Wahl fiel auf ein dieselelektrisches Antriebssystem, das die Schiffsbaugesellschaft Set mit dem Antriebs- und Automatisierungsspezialisten Baumüller integriert hat.

Pumpen ist gefragt: Welche Aufgaben das Schiff erfüllt

Hauptaufgabe des Schiffs ist, Küstenschutzanlagen und Entwässerungsanlagen instand zu halten, so dass das Wasser aus dem Landesinneren ungehindert abfließen kann und die Fahrrinnen für die Schifffahrt frei bleiben. Dazu saugt sie Wasser an, das dann mit Injektionspumpen über Düsen in abgelagerte Sedimente injiziert wird, um diese zu lösen und auszuspülen. Bis zu 40.000 Liter Wasser pro Minute wirbeln so den Schlick auf, den dann die Strömung abtransportiert.

Außerdem kann das Schiff als Schlepper, zum Materialtransport zu den Inseln und an die Deiche oder für andere Sondereinsätze genutzt werden. Dabei sind die Einsätze durchaus abwechslungsreich: Die Crew der Trischen hat auch schon Robben aus einer Aufzuchtstation in die freie Wildbahn transportiert und dort entlassen.

Arbeitstier mit hybrider Power

Wirtschaftlich und leistungsfähig sollte es sein, das neue Schiff, mit einem maximalen Tiefgang von 1,05 Meter für den Einsatz im Wattenmeer. Die Anforderungen an den Tiefgang konnte die Schiffbaugesellschaft mit einer Verbreiterung des Rumpfes erfüllen. Die Integration eines dieselelektrischen Antriebssystems macht die Trischen leistungsstark bei niedrigem Kraftstoffverbrauch und geringem Emissionsausstoß.

Das dieselelektrische Antriebssystem (Hybridantrieb) besteht aus zwei Diesel-Motoren-Generatoren vom Hersteller Scania mit einer Leistung von jeweils 368 Kilowatt, die insbesondere die zwei elektrischen Fahrmotoren versorgen. Für die Umsetzung des elektrischen Antriebs- und Pumpensystems war der Antriebslieferant Baumüller zuständig, der zusammen mit dem Schiffbauer bereits mehrfach dieselelektrische Schiffe aufs Wasser gebracht hat. Über einen AC/DC-Wandler gelangt die Diesel-Gesamtleistung von 736 Kilowatt in einen Zwischenkreis. Dieser sowie das komplette Bordnetz sind für zusätzliche Sicherheit redundant aufgebaut, so dass das Schiff beim Ausfall einer Komponente mit halber Leistung weiter betrieben werden kann. An diesem redundanten Gleichstromzwischenkreis hängen die zwei elektrischen Fahrmotoren und alle anderen Verbraucher des Schiffes wie zum Beispiel die Motoren für die Injektionspumpen mit einer Leistung von 380 Kilowatt.

Hybridantrieb
Zwei Stromgeneratoren von Scania erzeugen den Strom, der über einen elektrischen Zwischenkreis an alle Verbraucher gelangt. Bild: Baumüller

Bei Umsetzung bekam der Schiffsbauer Unterstützung von Baumüller Anlagen-Systemtechnik – also der System-Tochter des Antriebstechnikers. Diese bringt langjährige Erfahrung mit elektrischen Fahrantrieben für Marine-Anwendungen mit. Deshalb konnte das Unternehmen das gesamte Projekt von der Auslegung über die Programmierung des HMI und des Energiemanagements bis hin zur erfolgreichen Inbetriebnahme begleiten. Bei der Trischen setzten die Ingenieure auf zwei wassergekühlte Torquemotoren vom Typ DST2 mit je 210 Kilowatt. Sie konnten angesichts des knappen Bauraums vor allem durch ihre hohe Leistungsdichte und Kompaktheit punkten. Bei den Pumpenmotoren fiel die Wahl auf luftgekühlte DS2-Synchronmotoren. Im Gesamtsystem sind aber auch Antriebs- und Steuerungskomponenten von Danfoss und Omron im Einsatz.

Schaltschrankbau und Verdrahtung übernahm Baumüller und erfüllte dabei die ambitionierten Ziele an die Kompaktheit der Schaltanlage, da im Maschinenraum wenig Platz zur Verfügung steht. Nach der Programmierung der Steuerung und des Energiemanagements begleitete der Antriebstechniker die Inbetriebnahme als zentraler Ansprechpartner für die elektrische Antriebstechnik.

Welche Vorteile die Dieselelektrik bietet

Das Antriebssystem der Trischen ist ein serieller Hybridantrieb, bei dem die Dieselmotoren die Generatoren antreiben und die Elektromotoren den direkten Antrieb der Schiffsschrauben übernehmen. Der wichtigste Vorteil hierbei: Der Verbrennungsmotor wird im optimalen Wirkungsgrad bei minimalem Verbrauch und Schadstoffausstoß betrieben. So sinkt der Verbrauch des fossilen Brennstoffs im Vergleich zum einem herkömmlichen direkten Dieselantrieb bei zusätzlich gesteigerter Leistung um rund 30 Prozent. Die zusätzliche Leistung erhöht die Arbeitsgeschwindigkeit deutlich. Eine moderate Marschfahrt des Schiffes ist dabei bereits mit einem der zwei Dieselmotoren möglich. Damit ist die neue Trischen im Vergleich mit ähnlichen Schiffen in Sachen Effizienz, Emissionen sowie Betriebs- und Wartungskosten voll auf dem Stand der Technik.

Hybridantrieb
Prinzip des redundant ausgelegten, seriellen Hybridantriebssystems: Zwei elektrische Fahrantriebe treiben, aus dem Zwischenkreis gespeist, die Propeller an. Bild: Baumüller

Deutlich verbessert hat sich außerdem die Manövrierfähigkeit. Zum einen war die „alte“ Trischen ein Ein-Schrauben-Schiff, während das neue Schiff zwei Propeller und ein Bugstrahlruder mitbringt, zum anderen reagieren die Elektromotoren schneller auf Lastwechsel. Spezielle Softwarefunktionen erlauben dabei, das Fahr- und Ansprechverhalten des Antriebssystems maximal zu optimieren oder auch die Mechanik mehr zu schonen. Vor allem im Arbeitsmodus machen sich zudem die höhere Laufruhe und der niedrigere Geräuschpegel an Bord bemerkbar. Christian Thiel, Kapitän der Trischen, kommentiert: „Das Schiff fährt sich einwandfrei, da fahren wir jeden Tag gern zur Arbeit“.

Fazit: Alternativen wie ein Hybridantrieb lohnen sich

Die Umstellung von Arbeitsschiffen, Schleppern, Binnenschiffen und Yachten auf Hybridantrieb ist kein Neuland mehr. Darauf spezialisierte Antriebshersteller haben über die letzten Jahre viel Erfahrung gesammelt und können mit verschiedenen Lösungen unterschiedlichste Anforderungen zielgerichtet erfüllen. Alternativ planen lohnt sich also: Fähren profitieren besonders von der verbesserten Manövrierfähigkeit, Yachten von der niedrigen Lärmbelastung und Arbeitsschiffe von der höheren Leistung. Betreiber können sich über geringere Kraftstoffkosten freuen und der geringere Emissionsausstoß schont die Umwelt.

Der Autor Swen Jacob ist Vertriebsleiter Mitte/Nord und Skandinavien bei Baumüller.

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