Besser manövrieren mit Strom statt Diesel

Die E-Maschinen der powerMELA Produktfamilie der Sensor-Technik Wiedemann GmbH (STW) empfehlen sich für unterschiedlichste Anwendungen. Sie kommen im  diesel-elektrischen PistenBully 600 E+ von Kässbohrer genauso zum Einsatz wie im Green-Tech-Robot – einer Rangierlok der Fa. Vollert. Nach einer Vielzahl weiterer Anwendungen erschließt sich die Maschine nun auch für Anwendungen auf dem Wasser. Der diesel-elektrische Antrieb ist hier schon lange Standard: ein Dieselmotor liefert die Energie, während der elektrische Triebstrang für optimale Lastverteilung und Drehzahl sorgt. Gerade bei Schiffen mit mehreren Schrauben und hohen Anforderungen an die Manövrierbarkeit hat sich diese Konfiguration als besonders  flexibel erwiesen.

Jetzt hat STW den nächsten Schritt getan. Erstmals entstand jetzt ein hybrider Antrieb für ein Passagierschiff mit zwei komplett unabhängigen Energiespeichern und Motoren: dem Diesel-Hauptantrieb steht nun ein batterie-elektrischer Nebenantrieb als Manövrierhilfe und Notfallantrieb bei. Die zebotec GmbH aus Konstanz hat aus den Schlüsselkomponenten von STW eine innovative, elektrische Antriebseinheit zusammengestellt, welche sowohl als 360° Bugstrahlruder arbeitet, als auch das ganze Schiff allein bewegen kann.

Das Schiff

Das Passagierschiff „Bohemia Rhapsody“, gebaut auf der Bolle Werft Derben in Sachsen-Anhalt ist 45 Meter lang, verdrängt 123 Tonnen und bietet 220 Passagieren Platz. Der nur ein Jahr ältere Vorgänger, das Aqua Cabrio "Grand Bohemia" mit seinem emissionsreduzierten Diesel-Antrieb und einem elektrisch betriebenen Querstrahlruder galt bis jetzt als großer Meilenstein. Jetzt zeigt die „Bohemia Rhapsody“ mit ihrem innovativen Antrieb, wie der ökologische Mehrwert und der wirtschaftliche Nutzen weiter gesteigert werden können. Sie ist nochmals deutlich größer und hat einen entsprechend stärkeren Hauptantrieb von 166 kW, der das Schiff auf bis zu 20 km/h beschleunigt. Das Querstrahlruder ist nun durch eine Schubvektorsteuerung ersetzt. Die „Bohemia Rhapsody“ ist planmäßig für die Saison 2015 in Betrieb gegangen und ist jetzt bei PRAGUE BOATS auf der Moldau im Einsatz. Ihr Heimathafen Kampa liegt mitten in der Großstadt Prag und stellt damit einen Ort dar, dessen ökologischer Fußabdruck große öffentliche Aufmerksamkeit genießt. Die Reeder reagieren darauf mit innovativen Schiffen wie der „Bohemia Rhapsody“.

Projektierung und Auslegung

Da der Fluss und die Häfen für große Schiffe nicht mehr Platz zum Manövrieren bieten, war schnell klar, dass für ein so großes Schiff eine smartere Manövrierhilfe nötig sein würde. Ein 360° Pump-Jet ersetzt jetzt das Querstrahlruder des Vorgängers. Der Pump-Jet generiert einen Schubvektor in jede beliebige Richtung und unterstützt damit nicht nur die Drehbewegungen des Schiffes, sondern erlaubt auch das Fahren voraus und achteraus. Im Fokus der zulassenden Behörden stand zudem die Steigerung der Betriebssicherheit. Sie forderten einen komplett unabhängigen, redundanten Antrieb mit eigener Energiequelle. So lag es nahe, diesen Hilfsantrieb mit dem Pump-Jet zu kombinieren.

Die Idee, ein zweites Diesel-Aggregat mit zweitem Tank zu installieren, wurde rasch verworfen. Aus Sicht der angestrebten Emissionsreduktion wäre sie auch eher ein Rückschritt gewesen. Als deutlich besser erwies sich dagegen der Ansatz, einen E-Antrieb mit Batterie zu installieren. Nur er würde in der Lage seine, die Emissionen niedrig zu halten und die spezielle Charakteristik des Pump-Jets zu erfüllen. Wegen des vorgegebenen Bauraums und aufgrund der angestrebten Lebensdauer kamen für Batterie und E-Maschine nur modernste Komponenten in Frage. Die zebotec GmbH hat sich ganz den emissionsfreien Bootsantrieben verschrieben und hat schon seit Jahren ein modulares Lithium-Ionen Batterie-System mit dem Batterie-Management-System mBMS von STW im Programm, welches auf hohe Spannungen und je nach Bedarf auch hinsichtlich Leistung und Energieinhalt konfiguriert werden kann. Gegenüber einer Bleibatterie stellt dieses System die langfristig wirtschaftlichere Lösung dar. Sie ist wartungsfrei, erlaubt größere Entladehübe und bessere Wirkungsgrade. Zudem ist sie deutlich leichter und kompakter. Der Antrieb sollte eine permanent erregte Synchron-Maschine (PSM) mit integriertem Wechselrichter sein - ein powerMELA-C 140ebenfalls aus dem Regal von STW -  erwies sich als ideale Lösung.

Nach der praktischen Erprobung forderte die SUK (Schiffsuntersuchungskommission) für die „Bohemia Rhapsody“ eine rein elektrische Betriebszeit von 30 Minuten bei einer mittleren Leistung von 60 kW. Diese Energiereserve soll das Schiff im Notfall manövrierbar halten und auch bei ausgefallenem Hauptantrieb sicher aus dem Fahrwasser bringen. Die eingebaute Batterie deckt diesen Bedarf ohne Mühe. Sie besteht aus zwei redundanten Strängen von jeweils 26 kWh. Somit kann bei der geforderten Leistung fast doppelt so lange gefahren werden. Der Pump-Jet leistet maximal 75 kW, ein Wert der weder die Batterie noch den E-Motor sonderlich fordert.

Systemintegration

Die E-Maschine und der Energiespeicher sind die Schlüsselkomponenten, deren gemeinsame Nennspannung von 650 Volt die Auswahl aller weiterer Bauteile bestimmt. Diverse Spannungswandler sind erforderlich: DC/DC, DC/AC und AC/DC, denn das Schiff verfügt über eine Vielzahl von Stromnetzen mit ganz unterschiedlichen Charakteristiken. Neben einem 230 Volt Wechselstromnetz, aus dem die Batterie mit maximal 50 kW nachgeladen wird und das bei Bedarf, auch aus der Batterie gestützt werden kann, gibt es ein 24 Volt Gleichstromnetz zur Versorgung der Bordelektronik. Aus einem separaten 230 Volt Wechselstromnetz lassen sich die Lenkhydraulik und die Umwälzpumpe für das Kühlmittel der E-Maschine versorgen. Aus Gründen der funktionalen Sicherheit ist es ein unabhängiges Netz, das keine direkte Verbindung zum sonstigen Wechselstromnetz des Schiffes hat. Es wird aus der Lithium-Ionen Batterie gespeist und erlaubt somit die energetische Autonomie im rein elektrischen Fahrbetrieb. Die Autonomie des Hilfsantriebs ist ein Design-Prinzip, das sich durch die ganze Antriebsarchitektur zieht. Sie hinterlässt ihre Spuren im Maschinenraum der „Bohemia Rhapsody“ und auch auf deren Brücke. Komplett getrennte Bedienelemente und eine genauso getrennte Steuerelektronik machen dem Steuermann klar, dass er das Schiff wirklich mit zwei komplett unabhängigen Antrieben fahren kann.

Fazit

Der Betreiber ist stolz auf sein neues Flaggschiff und verweist besonders auf das vibrationsarme Manövrieren am Anleger. Ungeahnte weitere Vorteile machen sich im praktischen Fahrbetrieb bemerkbar. Da dank der Batterie erstmals ein Energiepuffer bereitsteht, kann der Dieselmotor viel öfter im Teillastbereich arbeiten, obwohl dem Schiff die volle Leistung zur Verfügung steht. Steile Lastwechsel können dem Dieselmotor erspart werden. Diese würde er nur mit einem erheblichen Ausstoß an Abgasen quittieren. Beim An- und Ablegen galten diese bisher als unvermeidlich – zulasten der Fahrgäste und der Bewohner der Großstadt.

All diese Vorteile spielten beim Projektstart nur eine untergeordnete Rolle. Erst in dessen Verlauf wurde offensichtlich, dass zunächst die Sicherheit erhöht und damit ein autonomer, redundanter Antrieb eingeführt werden sollte. Dass gerade ein elektrischer Antrieb aber noch weitere ökologische Vorteile bringen würde, hat die Verantwortlichen überzeugt und die Entscheidung zu Gunsten einer batterie-elektrischen Lösung fallen lassen. Die verbliebene Zeit zur Umsetzung war knapp, der Systemintegrator zebotec aber zuversichtlich, da er auf die Schlüsselkomponenten aus dem STW-Regal zurückgreifen konnte. „Dass das Projekt in wenigen Monaten umgesetzt werden konnte, ist der Reife und Kompatibilität der Komponenten von STW zu verdanken“, hebt Richard Morris von zebotec hervor. STW lieferte das Batterie-Management-System mBMSfür die Lithium-Ionen Batterien und die E-Maschine powerMELA-C 140.

Dietmar Schrägle von STW ergänzt: „Diese Antriebslösung, die ohne externe Aggregate funktioniert, ist in dieser Form einmalig. Zudem leistet der Hybrideinsatz von konventionellem Dieselmotor und energieeffizientem Elektroantrieb einen direkten Beitrag zum Umweltschutz“.´Für die Schiffswerft Bolle war die Ausrüstung mit einem derartigen System absolutes Neuland. Umso mehr sieht sie sich überrascht von der Einfachheit der Installation. Für Nachfolgeprojekte ist daher der hybride elektrische Schiffsantrieb als feste Größe gesetzt und eine weitergehende Elektrifizierung und Hybridisierung der energetischen Systeme von Schiffen kommt nun in Betracht: ein diesel-elektrischer Hauptantrieb mit Energierückgewinnung, die Verwendung von regenerativ erzeugtem Strom, der entweder auf dem Fahrzeug selbst erzeugt wird, oder als Landstrom am Anleger „nachgetankt“ werden kann.