Intelligente Auslegungswerkzeuge für Hybridantriebe

Die Elektrifizierung der Mobilität schreitet schnell voran. Auch auf immer mehr Wasserfahrzeugen werden bereits heute Batteriesysteme eingesetzt. Sinkende Kosten und steigende Emissionsanforderungen werden den Einsatz von Batterien an Bord von Schiffen in Zukunft weiter begünstigen. Die Art und Weise, wie ein Batteriesystem an Bord optimal genutzt werden kann, ist jedoch stark vom jeweiligen Schiff und dessen Einsatzprofil abhängig. Denkbar sind in dieser Hinsicht diverse Einsatzszenarien für Batteriesysteme: Die umfangreichste, wenngleich auch simpelste Anwendung ist das voll-batterieelektrische Antriebssystem. Diese Antriebskonfiguration eignet sich jedoch nur für Schiffe, die nur sehr kurze Strecken zurücklegen und über regelmäßige Ladestopps verfügen. Für Anwendungsfälle, in denen ein solches Schiff auch längere Einsätze spontan erfüllen können muss, ist die Ergänzung eines Range-Extenders ggf. sinnvoll. Hierbei handelt es sich um einen Motor oder eine Brennstoffzelle, die bei niedrigen Ladeständen der Batterie zusätzliche Energie liefert. Für Schiffe, die weitere Strecken ohne Unterbrechung zurücklegen müssen, eignen sich Batteriesysteme nicht als primäre Energiespeicher. Stattdessen werden kostenintensive alternative Kraftstoffe notwendig sein, um die gesetzten Klimaziele zu erreichen. Hier sind lediglich ergänzende Batteriesysteme zur Effizienzsteigerung denkbar. Zu den möglichen Regelkonzepten für diesen Anwendungsfall zählt das sogenannte Peak-Shaving- oder Load-Leveling. Dabei werden die Motoren oder Brennstoffzellen auf einen möglichst effizienten Betriebsbereich oder -punkt eingeschränkt. Abweichende Leistungsanforderungen aus dem Schiffsbetrieb werden durch ein Batteriesystem abgefangen. Diese Systeme sind sowohl mit also auch ohne Plug-in-Möglichkeit, also Landstromnutzung, denkbar. Demgegenüber stehen Konzepte bei denen die Leistung nicht gleichzeitig aus Motor/Brennstoffzelle und Batterie entnommen wird, sondern zeitlich getrennt. Die Batterie ermöglicht es in diesen Konzepten die Hauptenergieversorgung für eine Zeit lang auszuschalten, um den Komfort der Passagiere zu steigern oder eine zeitweise komplett emissionsfreie Fahrt zu realisieren. Auch Mischkonzepte können für gewisse Schiffe durchaus sinnvoll sein. So kann eine Peak-Shaving-Batterie durch geschickte Auslegung unter anderem auch für eine Silent-Night-Anwendung genutzt werden. Die Auswahl eines passenden Konzepts und die anschließende Dimensionierung der Komponenten sind sehr aufwändig und müssen für jedes Schiff individuell durchgeführt werden. Schon kleine Fehldimensionierungen können mögliche Effizienzgewinne zunichte und schlimmstenfalls das Antriebssystem unbrauchbar für die geplante Anwendung machen. Hinzu kommt, dass es im Entwurfsprozess diverse Hürden zu nehmen gilt. So ist die Auswahl im Bereich Brennstoffzellen und Motoren für alternative Kraftstoffe noch ebenso beschränkt, wie die Auswahl geeigneter Batteriesysteme. Im Entwurfsprozess sind Faktoren wie die Zellalterung durch das gegebenen Leistungsprofil oder die korrekte Berücksichtigung aller Verluste essentiell. Insbesondere die Zellalterung ist leider nur sehr schwer zu prognostizieren, zumal die Datenbasis, welche als Bemessungsgrundlage herangezogen wird, häufig nicht hinreichend ist. Die Arbeitsgruppe Schiffsmaschinenbau arbeitet an einer Software, um den Entwurf von hybriden Antriebssystemen systematisch zum optimalen Ergebnis zu führen. Dabei werden verschiedene Softwarebausteine genutzt, um den Entwurf weitestgehend zu automatisieren. Der Fokus dieses Vorgehens liegt dabei auf einer schnellen effizienten Lösungsfindung. So lassen sich innerhalb kürzester Zeit diverse Konfigurationen untersuchen, auswerten und vergleichen. Dabei wird bewusst auf ganzheitliche Simulationen verzichtet, um Aufwand, Kosten und Zeit zu sparen. Das Endergebnis kann dann bei Bedarf in einer Schiffssimulationssoftware wie die ebenfalls Hausintern entwickelte Umgebung HyPros validiert und bezüglich besonderer Manöver untersucht werden.

Nutzung strombasierter Kraftstoffe und Minimierung der Treibhausgasemissionen im Kraftwerks- und Marinebereich

Durch den Einsatz von Abgasreinigungssystemen wie Scrubbern oder Katalysatoren oder den Einsatz von LNG (verflüssigtes Erdgas) als alternativen Kraftstoff lassen sich die Schwefel-, Stickoxid- oder Rußemissionen an Bord von Schiffen bereits heute wirkungsvoll minimieren. Um die Klimaziele im Verkehrssektor zu erreichen müssen jedoch auch die klimaschädlichen Emissionen wie CO2 deutlich gesenkt werden.
Es werden also auf Schiffen klimaneutrale Energieträger gebraucht. Diese Energieträger könnten im Power-to-X verfahren entstehen. Dabei ist es möglich eine ganze Reihe von synthetischen Kraftstoffen herzustellen, die zwar Kohlenstoff enthalten und bei der Verbrennung CO2 emittieren, aber dennoch in der Gesamtbilanz CO2-neutral auftreten, da der Kohlenstoff zuvor für die Synthese aus der Atmosphäre entnommen wurde.
Die Erfahrungen mit LNG haben gezeigt, dass bei Umgebungsbedingungen gasförmige Energieträger zwar grundsätzlich auf Schiffen einsetzbar sind, auf der anderen Seite aber eine Reihe Nachteile mit sich bringen. Ein synthetischer Kraftstoff sollte also nach Möglichkeit flüssig, leicht handhabbar und leicht sowie effizient zu synthetisieren sein.
Methanol erfüllt alle diese Anforderungen und verbrennt zudem sehr sauber. Allerdings ist es wie LNG/Methan nicht zur Selbstzündung im Dieselmotor geeignet. Daher wird ein Zündöl benötigt, welches ebenfalls CO2-neutral sein sollte. Hierfür bietet sich OME an.
Diese Kraftstoffe haben einen Einfluss auf die Gestaltung der Motoren- und Systemtechnik sowie des Schiffsentwurfes, weil mit den spezifischen Eigenschaften besondere technische und Sicherheitsanforderungen verbunden sind.
Im Verbundforschungsprojet E2Fuels untersucht die Arbeitsgruppe Schiffsmaschinenbau den Einsatz von Methanol und OME (Oxymethylenether) als maritime Kraftstoffe. Dabei liegt der Fokus sowohl auf der landseitig notwenigen Hafeninfrastruktur und der Bunkerschnittstelle, als auch auf dem Kraftstoffsystem an Bord.

Der Einsatz von Dampfturbinen zum direkten Antrieb von Kompressionskälteanlagen auf Kreuzfahrtschiffen

Artikel Durch die großen Veränderungen in der Schiffstechnik, wie zum Beispiel den Umstieg auf Flüssigerdgas als Kraftstoff, ändern sich viele Rahmenbedingungen für effizienzsteigernde Systeme. Mit Blick auf die größeren nutzbaren Abgaswärmeströme bei diesen Motorenanlagen und der daraus resultierenden steigenden Dampfproduktion im Abgaskessel bietet dieser ungenutzte Dampfmassenstrom ein besonders großes Potential für die Energierückgewinnung. Verstärkend kommt hinzu, dass mehrere klassische Dampfverbraucher wie Tankheizungen oder Trinkwassererzeuger heute entfallen oder gewinnbringend durch neuere Technologien ersetzt werden können. Da die Kompressionskältemaschinen an Bord moderner Kreuzfahrtschiffe zu den größten und konstantesten Leistungsabnehmern gehören, ist es sinnvoll, die gewonnene Dampfleistung diesen Anlagen zuzuführen. Ein etabliertes System hierfür sind Turbogeneratoren, die unter anderem die Elektromotoren der Kälteanlagen mit Strom versorgen. Würden diese Kältemaschinen hingegen direkt durch Dampfturbinen angetrieben werden, könnten Umwandlungsverluste vermieden und erhebliche Kosten für Generator, Motor und stromführende Leitungen eingespart werden. In diesem Beitrag wird eine technische Machbarkeitsstudie vorgestellt, die anhand von zwei Schiffen und vier Konzepten auch den wirtschaftlichen Nutzen grundlegend beleuchtet. Abschließend wird diese Anlage mit konkurrierenden Systemen, wie Absorptionskälteanlagen verglichen.
Thilo Jürgens-Tatje, M.Sc. in: Jahrbuch 2018 | Schiffbautechnische Gesellschaft e.V.
www.stg-online.org

• Heiker, Jan: Entwurf eines Kraftstoffsystems für Methanol und Oxymethylenether an Bord von Schiffen. Bachelorarbeit 02/2020

• Ehmke, Paul Anton: Methanol als alternativer Schiffskraftstoff - Entwurf einer Bunkerlösung. Bachelorarbeit 02/2020

• Königsmann, Simon: Entwicklung einer analytischen Berechnungsmethode für die Vorauslegung von Nasswäschern (Scrubbern) für Schiffsmotoren. Projektarbeit 05/2020

• Marienhagen, Malte: Konzeptentwurf eines Methanol-Bunkerschiffs. Bachelorarbeit 08/2020

• Königsmann, Simon: Weiterentwicklung und Validierung einer analytischen Berechnungsmethode für die Vorauslegung von Nasswäschern für Schiffsmotoren. Masterarbeit 01/2021

• Verrina, Nicolò: Entwurf eines Methanol-Umbaus auf einem Offshore-Service-Schiff. Studienarbeit 02/2021

• Dörner, Alfons: Entwurf einer Bunkerinfrastruktur für Methanol und OME im Hamburger Hafen. Projektarbeit 03/2021

• Heise, Johannes: Energiemanagement für hybride Schiffsantriebe mit Batteriespeicher. Masterarbeit 08/2021

• Küddelsmann, Arne: Bau- und Emissionsvorschriften zur Anwendung von alternativen Kraftstoffen in Schiffsmotoren. Projektarbeit 09/2021

• de Vries, Mattis: Entwicklung eines Verfahrens zur systematischen Anpassung schiffbaulicher Räume für die Nutzung als Methanol-Kraftstofftank. Bachelorarbeit 11/2022