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Das Magazin für Forschung und Innovation
 

Elektromobilität

Hybridantriebe: Wikingerschiff 2.0

Leise, energieeffizient und flexibel montierbar: Ganz unterschiedliche Schiffstypen profitieren von den Vorteilen dieselelektrischer Antriebe.

Schiffsbau hat in Norwegen eine lange Tradition. Ingenieure entwickeln dort Antriebskonzepte für eine ressourcenschonende Schifffahrt. Hybridantriebe können dabei eine entscheidende Rolle spielen.

Auf sein Schiff hätte ein Wikinger wahrscheinlich nie verzichtet. Bis nach Amerika segelten und ruderten sie ihre „Drachenboote“. Mehr als tausend Jahre später zählt eines ihrer Heimatländer – Norwegen – noch immer zu den führenden Schiffbaunationen der Welt. Rund acht Milliarden Euro Umsatz erwirtschaftet die dortige Schiffbauindustrie jedes Jahr. Auch Siemens setzt auf das Können der Schiffskonstrukteure aus Skandinavien. Einer von ihnen ist Odd Moen. Für den Vertrieb von Siemens Marine & Shipbuilding betreut er von Trondheim aus Projekte auf der ganzen Welt. Immer mit dem Ziel, für alles was schwimmt, einen optimal angepassten und effizienten Antrieb zu finden.

Mehr als 200 Schiffe hat seine Abteilung bereits mit kompletten Antriebssträngen ausgestattet und dabei viel für die Energieeffizienz auf See getan. „Bei vielen Schiffen setzen wir auf einen dieselelektrischen Antrieb. Dabei werden die Schiffsschrauben durch umrichtergespeiste Elektromotoren angetrieben, die ihre Energie aus Dieselgeneratoren erhalten. Dadurch können wir die Propeller viel dosierter steuern, und der Betreiber spart Treibstoff“, sagt Moen.

Präzises Manöver

Viele Schiffe müssen auf offener See präzise manövrieren oder haben einen festen Einsatzort, etwa zum Bohren oder für Installationen am Meeresboden. Hier ist beim Antrieb oft nur minimale Leistung gefordert, um mit leichten Bewegungen der Schiffsschrauben die Position auf See zu halten. Bei einem reinen Dieselantrieb schwankt die Leistung des Motors dann im Vergleich zu schnelleren Transferfahrten sehr stark. Die Folge: Der Motor arbeitet oft nicht in seinem optimalen Wirkungsgradbereich. Zusätzlich nutzten frühere Schiffe in diesen Situationen die Energie des Treibstoffs nicht optimal aus. „Beim Halten der Position auf dem Meer oder bei kleineren Geschwindigkeiten regelte man den Schub teilweise nur über den Einstellwinkel der Propellerschaufeln. Die Drehzahl der Propeller blieb gleich und entsprechend lief auch der Dieselmotor nahezu unverändert weiter“, erklärt Moen.

Heute regelt der Frequenzumrichter über dem Elektromotor direkt die Drehzahl der Propeller, die dadurch viel langsamer laufen können. Da Elektromotoren auch bei niedrigen Drehzahlen einen hohen Wirkungsgrad erreichen, spart diese Methode Treibstoff. Ein Frequenzumrichter steuert dabei die Drehzahl der Elektromotoren und Propeller. Je nachdem, wie viel Schub benötigt wird, wandelt er Frequenz und Amplitude des Wechselstroms aus den Dieselgeneratoren entsprechend um.

Bis zu ein Drittel weniger Treibstoff

Eine dieselelektrische Fahranlage besteht, abhängig vom Schiffstyp, aus vier bis sechs Dieselgeneratoren. Der Energieverbrauch des Schiffes bestimmt, wie viele von den Dieselgeneratoren im Betrieb sind. Dadurch können sie mit einem viel höheren  Wirkungsgrad  laufen. Sie stellen nur die Energie zur Verfügung und sind nicht mehr direkt an die Drehzahl der Schiffsschrauben gekoppelt. Bei Schiffen mit häufig wechselnder Beanspruchung der Antriebsleistung gleichen diese Einsparungen den Wirkungsgradverlust mehr als aus, der bei der Übertragung der mechanischen Energie der Dieselmotoren in elektrische Energie anfällt. Im Vergleich zu reinen Dieselantrieben fahren dieselelektrische Schiffe leiser und verbrauchen bis zu ein Drittel weniger Treibstoff.

Seit 1996 setzt Siemens diese Technik ein: Die Skandi Marstein, ein Versorgungsboot für Bohrinseln, war das erste Projekt mit einem dieselelektrischen Antrieb in der Nordsee. „Das Schiff war ein Meilenstein für uns. Auf einer dreitägigen Route in der Nordsee hat die Skandi Marstein 35 Prozent weniger Energie verbraucht“, sagt Moen.

Bis heute hat sich am Prinzip wenig verändert. Der Einsatz moderner Komponenten kann die Effizienz der Schiffe aber immer noch steigern. „Mit der Komplexität der Einzelteile steigt auch die Komplexität der Projekte. Ab 2016, genau zwanzig Jahre nach der Skandi Marstein, gehen in verschiedenen Werften vier Pipeline-Verlege-Schiffe mit dieselelektrischer Antriebstechnik von Siemens vom Stapel: der größte Auftrag in der Geschichte von Siemens Marine & Shipbuilding in Norwegen.

"Auf einer dreitägigen Route in der Nordsee hat die Skandi Marstein 35 Prozent weniger Energie verbraucht"

„Die Skandi Marstein ist eigentlich nur ein schwimmender Lkw. Sie bringt Wasser, Nahrung und andere Waren zur Bohrplattform und nimmt den Abfall wieder mit. Die Pipeline-Schiffe müssen unter viel extremeren Bedingungen operieren, sich in tiefen Gewässern exakt positionieren und viel Energie für das Schweißen, Isolieren und Verlegen der Pipeline-Rohre bereitstellen“, beschreibt Moen. Mit maximal 150 Metern Länge und genug Tragkraft, um einen bis zu 650 Tonnen schweren Pipeline-Verlegeturm zu tragen, sind die Schiffe wahre Giganten, die auch bei harschen Bedingungen immer ihre Position halten müssen. Sechs Dieselaggregate sorgen für die Stromversorgung der sechs Propeller und der Rohrverlegungsanlage. Es wird immer nur die gerade benötigte Anzahl von Dieselaggregaten im Betrieb sein. Zusammen mit den Elektromotoren reduzieren sich damit die Treibstoff- und Wartungskosten.

Auf Vogelflug: Hybridschiffe zwischen Deutschland und Dänemark

Für die Zukunft sieht Moen viel Potenzial für Antriebe, die ähnlich wie bei einem Hybridauto die Schwankungen der Antriebsleistung mit Batterien ausgleichen, wie das Beispiel der Hybridfähren „Prinsesse Benedikte“ und "Schleswig-Holstein" der dänischen Reederei Scandlines schon heute zeigen: Die Fähren verbinden auf der so genannten Vogelfluglinie Dänemark und Deutschland. Mehr als 300 Autos und 1.000 Passagiere befördert jede Fähre pro Fahrt. Die je 142 Meter langen Schiffe verfügen über ein ähnliches Antriebssystem wie die Pipeline-Schiffe. Generatoren an Dieselmotoren mit einer Gesamtleistung von 17,4 Megawatt erzeugen Strom, der mit Hilfe von Frequenzumrichtern Elektromotoren antreibt.

Allerdings hat Siemens in das Antriebssystem noch einen Akku mit rund 2.900 Kilowattstunden Speichervermögen integriert. Dieser Akku gleicht den unterschiedlichen Energiebedarf der Motoren während der Fahrt und bei Hafenaufenthalten aus. Dadurch kann die Auslastung der Dieselmotoren noch gleichmäßiger und nahe am optimalen Wirkungsgrad eingestellt werden – im Hafen und auf hoher See. Die Fähre spart damit bis zu 15 Prozent Treibstoff, und der Verschleiß der Dieselmotoren kann verringert werden. Bei kurzen Strecken mit längeren Hafenaufenthalten sind auch komplett elektrische Antriebe möglich, die ihre Energie nur aus Akkus beziehen, die im Hafen geladen werden. Seit 2015 ist zudem die erste reine Elektrofähre in See gestochen und befördert Autos und Menschen durch einen norwegischen Fjord.

Mit der Siemens-Antriebstechnik fahren auch Forschungsschiffe, große Fischerboote, Tanker und Patrouillenboote. Bei Forschungsschiffen ist ein besonders leiser Antrieb, fast wie bei U-Booten, wichtig. Und bei einem Fischerboot konnten die Siemens-Schiffs experten den Laderaum um 40 Prozent vergrößern: Da die Dieselgeneratoren nicht mehr direkt mit dem Antrieb verbunden sein müssen, können die Systeme flexibler montiert werden. So lässt sich der Raum besser nutzen. „Wir finden für jedes Schiff die passende Lösung“, sagt Moen. Trotz dieser Vielfalt: Ein Wikingerschiff war für Moen noch nicht mit dabei. Effizient und ressourcenschonend wären diese ja, aber wer will heute bei Flaute noch rudern?

Andreas Wenleder