Frequenzumrichter für Schiffsantriebe und -strahlruder

Viele Langstreckenschiffe haben immer noch einen direkten Dieselantrieb und überhaupt kein elektrisches Antriebssystem. Diese Schiffe können durch das Einfügen eines Wellengenerators/-motors zwischen Schiffsschraube und Hauptmotor die Effizienz verbessern und die Nutzleistung des Hauptmotors und ihre Emissionen optimieren. Diese Lösung mit der Bezeichnung „Power Take Out and Power Take In“ (PTO/PTI) ist eine zusätzliche elektrische Baugruppe, die die Effizienz des Schiffs verbessert und sogar die Voraussetzungen für eine Hybridisierung schafft. In Hybridschiffen ermöglicht ein Wellengenerator/-motor mit Frequenzumrichtertechnologie eine optimale Steuerung der Antriebsmaschinen bei unterschiedlichen Drehzahlen, was Energie spart.

Frequenzumrichter spielen eine Schlüsselrolle bei der Hybridisierung und Integration und bieten Antworten für Schifffahrt und Offshore-Anwendungen, die nach Möglichkeiten suchen, den Verbrauch von Dieselöl zu senken und Emissionen zu minimieren. Bereits jetzt kommen vermehrt sauberere Kraftstoffe wie Flüssigerdgas (LNG) zum Einsatz. In der Zukunft werden wir vollständig elektrisch angetriebene Schiffe erleben. In der Zwischenzeit investieren die Eigentümer von Werften und Schiffen immer stärker in maritime Hybridsysteme, um Konstruktion und Installation flexibler zu gestalten, die Betriebsqualität zu optimieren und die Beeinträchtigung der Umwelt zu minimieren. Bei vielen Schiffstypen, von kleinen Schiffen bis hin zu gewaltigen Flugzeugträgern, kann Hybridisierungstechnologie zum Einsatz kommen, um eine effizientere und sauberere Leistung zu erzielen. 

Die Vorteile sind eindeutige Wirtschaftsfaktoren:

• verbesserte Leistung der Schiffe
• reduzierte Emissionen
• geringere Betriebskosten durch einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch
• geringere Kosten für die Wartung von Dieselmotoren
• geringeres Geräuschniveau
• bessere langfristige Effizienz des Stromversorgungssystems

Die Hybridisierung nutzt Frequenzumrichter zur Leistungsumwandlung und Netzerzeugung. VACON®-Frequenzumrichter kommen bei der hybriden Energieerzeugung mit Generatoren zum Einsatz, und bei hybriden Lasten, etwa bei Antriebsmaschinen und Kränen.

Hybridschiffe funktionieren mithilfe von zwei oder mehr Stromquellen: Hier erfolgt in der Regel die Kombination von Hauptmotoren und Generatoren mit einer integrierten Energiespeicherung in Form von Batterien oder Super-Kondensatoren. Dahinter steht die Absicht, zunächst die Energieerzeugung zu hybridisieren, um die Optimierung der Hauptmotoren zu erleichtern, und danach alle Maschinen zu hybridisieren, die Energie verbrauchen, um das Maschinenverhalten zu optimieren.

Die Schifffahrt und die Offshore-Industrie haben das Potenzial des Einsatzes von Hybridleistung und innovativer Antriebssysteme erkannt. Sie senken Emissionen, verbessern den Kraftstoffverbrauch und verlängern gleichzeitig die Wartungsintervalle und die Lebensdauer der Motoren. Mithilfe von Hybridlösungen ist es sogar möglich, kleinere Motoren einzusetzen und so Investitionskosten und Platz an Bord einzusparen.

Bei der Energieerzeugung manifestiert sich Flexibilität in Form von Zeit. Das Speichern von Energie verschafft der Energieerzeugung Zeit, um optimal auf Änderungen der Lastbedingungen reagieren zu können. Was die Last betrifft, ist die Belastung nicht von der Erzeugung abhängig und zeitlich konstant.

Geprüfte Rückmeldungen und Designvorgaben zum Betrieb von Hybridschiffen haben gezeigt, dass der Einsatz von Energieeinspeisung aus mehreren Quellen zur Energieversorgung von Schiffen den Kraftstoffverbrauch um 20-30 % senken kann. Sie können entscheiden, den Dieselmotor anzuhalten, und auf Batteriebetrieb oder einen kleineren Generator umschalten, oder Sie können die Batterie oder den Generator trennen und den Motor wieder starten.

Bei speziellen Schiffe wie etwa Schleppern und Hilfsschiffen läuft während eines großen Teils ihres Betriebs der Hauptmotor im Leerlauf. Die Schiffe sind einsatzbereit, aber der Antrieb benötigt keine Leistung. Bei Hybridlösungen lassen sich Batterien und kleinere Dieselgeneratoren einsetzen, um die Energie für das Schiff im Leerlauf, während des Manövrierens im Hafen oder beim Zurücklegen kurzer Strecken bereitzustellen. Vergleichbares ist auch für Fähren während Starts/Stopps und planmäßigen Strecken möglich. Für die dynamische Positionierung lassen sich Batterien verwenden, um Leistung für den Antrieb zu liefern, bis der zusätzliche Hauptmotor startet und beschleunigt, um langfristig Leistung für den Antrieb zu liefern.

Von einem Strahlruder erwartet man präzise Manövrierfähigkeit auf allen Meeren, und genau das liefern Danfoss-Frequenzumrichter mit ihren hohen Drehmomenten und ihrer schnellen, präzisen Leistungsabgabe.

Die durch Danfoss-Frequenzumrichter drehzahlgeregelten Schiffsschrauben mit fester Steigung sind normalerweise um 20-30 % energieeffizienter als Schiffsschrauben mit fester Drehzahl und variabler Steigung, da letztere rund 20 % der Energie bei null Vorschub verschwenden.

Frequenzgeregelte Schiffsschrauben mit variabler Drehzahl verbrauchen 50 % weniger Energie als hydraulische Schiffsschrauben mit variabler Drehzahl. Dank einer speziellen Motor-Vorheizung entfällt die Notwendigkeit einer Anti-Kondensationsheizung.

Elektrisch gesteuerte Azimuth-Strahlruder ermöglichen eine präzisere Steuerung und reagieren schneller als hydraulische Steuersysteme. Mindestens zwei parallele Motoren und Umrichter sind immer im Einsatz. Wenn eine Kombination stoppt, bleibt das Steuersystem weiterhin in Betrieb.

Mit variabler Drehzahlregelung ist es möglich, eine genaue Positionierung der Ruder zu erreichen, was ein präzises analoges Kontrollsystem ermöglicht. Bei Drehflügel-Ruderanlagen mit umkehrbaren Hydraulikpumpen ändern VLT®- oder VACON®-Frequenzumrichter Drehzahl und Richtung, wobei sie Energie sparen, weil sie nur dann laufen, wenn das Schiff seinen Kurs ändert.