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Hybrid auf hoher See

Text: Philipp Teepe, Baumüller Fotos: gaspr13, Baumüller
Bei Wasserfahrzeugen dürfen antriebsseitig keine Schwierigkeiten auftauchen. Mit einer bedarfsgerechten Auslastung bieten moderne dieselelektrische Hybridsysteme eine zuverlässige Lösung.

Zeitgleich mit der elektrischen Antriebstechnik begann auch die Geschichte der elektrischen Schiffsantriebe: Bereits 1838 baute M. H. Jacobi in St. Petersburg erstmals einen Elektromotor mit 220W in ein schaufelradgetriebenes, acht Meter langes Boot ein. Schon damals war die Speicherung der elektrischen Energie in Batterien ein Problem. Heute sind Elektromotoren in marinen Anwendungen wieder im Fokus, besonders hybride Antriebskonzepte mit Dieselaggregaten. Vor allem in der Binnenschifffahrt, bei Schleppern oder bei Offshore-Versorgungsschiffen sind die hohen Drehmomente bei geringen Drehzahlen, der durchgehend hohe Wirkungsgrad und die optimale Integrationsfähigkeit von elektrischen Direktantrieben interessant. Klassische Schiffsantriebe bestehen aus Dieselantrieb, Getriebe, Welle und Schraube. Die Auslegung des Dieselantriebs erfolgt dabei bei Verdrängern auf die maximale Rumpfgeschwindigkeit, bei der das volle Moment und die maximale Drehzahl anliegen. Unterhalb dieser Geschwindigkeit fallen die Drehzahl sowie das Drehmoment stark ab. Bei vielen Schiffsarten arbeitet der Antrieb damit überwiegend im Teillastbereich, zum Beispiel bei Talfahrt eines unbeladenen Binnenschiffes. Daraus resultieren ein schlechter Wirkungsgrad, hohe Abgasemissionen und unnötige Wartungskosten.

Verbesserter Wirkungsgrad

Bei hybriden Systemen kann durch den Einsatz von Elektromotoren und Generatoren die Leistung des Dieselantriebs von der an der Welle benötigten Leistung entkoppelt werden. Damit wird der Dieselmotor im optimalen Betriebsbereich gehalten und der Gesamtwirkungsgrad verbessert. Neben der Einsparung von Kraftstoff und der Verringerung der Emissionen durch Verbesserung des Wirkungsgrads ermöglichen die elektrischen Antriebe mehr Flexibilität bei der Konstruktion und punkten mit erheblich geringeren Geräuschen und Vibrationen. Als Vollwellen-, Hohlwellen- oder Bausatzausführung kann man elektrische Direktantriebe, wie die von Baumüller, an verschiedene Anwendungen anpassen.Beim Betrieb mit geringen Drehzahlen und vor allem beim Umsteuern sind Elektromotoren durch ihre Drehmomentcharakteristik im Vorteil. Der Propeller muss hier schon bei geringen Drehzahlen hohe Momente erzeugen, was für Dieselantriebe seit jeher ein Problem ist. Mit hybriden Antriebssystemen geht das Umsteuern deutlich schneller. Grundsätzlich stehen zwei Möglichkeiten zur Auswahl: Parallelhybrid und serieller Hybrid.

Der Motor, der Energie gewinnt

Beim Parallelhybrid ist zwischen Dieselmotor und Getriebe eine Motor-Generator-Einheit (IMG) integriert, welche den Dieselmotor bei geringem Leistungsbedarf zusätzlich belasten kann. So wird der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine optimiert und die dabei gewonnene Energie kann anderweitig verwendet oder zwischengespeichert werden. Bei zeitlich begrenzten Lastspitzen unterstützt der IMG den Dieselmotor. Dadurch kann der Dieselmotor kleiner ausgelegt werden, was sich positiv auf Wirkungsgrad und Investitionskosten auswirkt. Ist eine Entkopplung der IMG-Einheit vom Dieselmotor möglich, kann man im Hafenbetrieb vollständig auf Elektroantrieb umstellen. Wird ein Schiff einen Großteil der Zeit nahe an der Nennleistung des Dieselmotors betrieben, ist der Parallelhybrid sinnvoll, da er bei geringen Investitionskosten die Vorteile eines hybriden Systems bietet.Der serielle Hybrid hingegen zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen Dieselmotor und Propeller keine mechanische Verbindung mehr besteht, sondern die Leistung elektrisch übertragen wird. Ein Elektrogenerator am Dieselmotor sorgt hier für die Energiewandlung von mechanischer in elektrische Energie. Ein Umrichter überträgt dann die elektrische Energie und speist sie in einen Gleichstromzwischenkreis ein. Aus diesem Stromkreis wird erneut mittels Umrichter ein High-Torque-Motor und somit die direkt gekoppelte Schiffsschraube angetrieben. Den Antrieb der Schiffswelle können ein oder mehrere Elektromotoren direkt übernehmen. Ein interessanter Aspekt ist, dass der Dieselmotor von der Schiffsschraube mechanisch entkoppelt wird und ein Getriebe zur Übersetzung der Dieseldrehzahlen von 1500 bis 1800U/min auf die niedrigeren Propellerdrehzahlen entfällt, da beide Elektromaschinen als Drehmomentwandler wirken.

Optimaler Betriebspunkt

Werden mehrere Dieselmotoren eingesetzt, die zu- und abgeschaltet werden können, dann können diese unmittelbar am optimalen Betriebspunkt genutzt werden. Wird wenig Leistung benötigt, erzeugt nur ein Dieselmotor Energie. Sie kann jedoch von mehreren Wellen auf mehrere Propeller übertragen werden. Bedarf es mehr Leistung, ist die schrittweise Zuschaltung weiterer Aggregate oder sonstiger Energiequellen möglich. In diesem System findet zwar eine zweifache Energiewandlung statt - vom dieselbetriebenen Generator über den Umrichter in den Gleichstromzwischenkreis und vom Zwischenkreis über einen weiteren Umrichter und den Motor zur Antriebswelle -, dennoch bietet die Abschaltung von einem oder mehreren Dieselaggregaten und das Erreichen optimaler Betriebspunkte ein hohes Einsparpotenzial. Beim Betrieb von Binnenschiffen etwa wird häufig von 20Prozent Dieseleinsparung und mehr ausgegangen.

Weitere Vorteile

Neben der Wirkungsgradverbesserung und der reduzierten Abgaswerte sowie der Wartungskosten bieten serielle Hybridantriebe noch weitere Vorteile: Während Diesel, Getriebe, Welle und Schiffsschraube stets in einer Linie angeordnet sein mussten, ermöglicht die mechanische Entkopplung durch Hybridsysteme flexiblere Bauraumkonzepte. Die Dieselmotoren lassen sich nun praktisch überall positionieren. So kann zumindest bei Schiffsneubauten der Wirkungsgrad zusätzlich durch neue Schiffsformen verbessert werden. Außerdem kann man den Raum im Schiff besser genutzen, etwa für Ladung oder Passagiere. Auch in Sachen Schallentkopplung des Dieselantriebs ergeben sich durch die elektrische Leistungsübertragung neue Möglichkeiten. Dies ist besonders bei der Konstruktion von Passagierschiffen ein deutlicher Vorteil. Zudem entfällt beim Einsatz des Serienhybridsystems der aufgrund der Verzögerung nicht ganz ungefährliche Schaltvorgang, der bei Diesel/Getriebe-Lösungen notwendig ist. Die Torquemotoren hingegen müssen lediglich die bewegte Masse abbremsen und können dann ohne zusätzliche Verzögerung die Drehrichtung wechseln. Auch bei Geschwindigkeiten angefangen ab 0Umdrehungen erzeugen die Elektromotoren durchgehend hohe Drehmomente.

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