Zusammenarbeit fördert maritime Dekarbonisierung

Als über 30-jähriger Militärveteran, der seine Karriere damit verbracht hat, für die US Navy Schiffe aller Art – von Flugzeugträgern bis zu U-Booten – zu entwerfen, zu bauen, zu betreiben, zu warten und zu reparieren, weiß der pensionierte Konteradmiral Bryant Fuller, der heute die Federal Maritime Programs bei Siemens Energy leitet, einiges über die Antriebstechnik von Schiffen.

„Die Entwicklung eines Antriebssystems für ein Schiff ist ein sehr kollaborativer und iterativer Prozess“, sagte er. „Es gibt viel Hin und Her. [Ein Schiff] ist ein System von Systemen, und was man hier tut, wirkt sich auf das aus, was dort passiert. Nichts geschieht im luftleeren Raum.“

Siemens Energy lieferte das wassergekühlte Batteriesystem für diese vollelektrische norwegische Fähre, die weltweit größte Elektrofähre. (Foto: Siemens Energy)

„Die Entscheidung für eine Technologie oder einen Kraftstoff gegenüber einem anderen hat viele Konsequenzen“, fuhr er fort. „Es gibt nicht die eine beste Lösung.“

Um die optimale Antriebslösung für ein Schiff zu finden, ist die Zusammenarbeit mit allen Beteiligten – Eigner, Schiffsarchitekt, Ingenieuren, Schiffbauer usw. – erforderlich, um Parameter und Prioritäten festzulegen. „Es gibt Kompromisse“, sagte Fuller. „Es gibt kein Patentrezept, denn alles beeinflusst andere Faktoren.“

Zusammenarbeit erforderlich

Siemens Energy wurde 2020 aus dem deutschen multinationalen Technologiekonzern Siemens ausgegliedert und bildete ein eigenständiges Unternehmen mit Fokus auf die Energiebranche. Das Portfolio umfasst ein breites Produktspektrum, von Elektrolyseuren und großen Gas- und Dampfturbinen für Energieversorger bis hin zu Technologien für die Elektrifizierung, Automatisierung und Digitalisierung von Offshore- und maritimen Anwendungen.

Das Unternehmen bietet Lösungen für unterschiedliche Kundenbedürfnisse, je nach Strombedarf, Schiffsgröße, Anwendung, Seezeit, Nachhaltigkeitsinitiativen usw. Diese Lösungen umfassen Niederspannungsstromerzeugung, PEM-Brennstoffzellen, Batterie-Energiespeichersysteme, Abwärmerückgewinnungssysteme und mehr.

„Wir liefern integrierte elektrische Systeme. Zumindest für den Schiffsbau stellen wir keine Dieselmotoren her“, bemerkte Fuller. „Wir sind daher in Bezug auf Dieselmotoren und den Kraftstoffverbrauch im Antriebsmotor eher agnostisch.“

Wir sind sehr daran interessiert, denn das ist ein Schlüsselelement für das Antriebssystem eines Schiffes. Die Parameter des Schiffes sind wichtig. Aber wir entscheiden nicht darüber, welche Art von Motor oder Treibstoff verwendet wird.

Das texanische Verkehrsministerium nutzt die Energiespeichertechnologie BlueDrive PlusC und BlueVault von Siemens Energy, um der Fähre Esperanza „Hope“ Andrade zu helfen, Emissionen zu reduzieren, die Leistung zu steigern und die Betriebskosten zu optimieren. Die Fähre wurde am 8. März 2024 in Betrieb genommen. (Foto: Siemens Energy)

Um sicherzustellen, dass alle Elemente effektiv zusammenarbeiten, ist die Zusammenarbeit mit Eigner, Schiffsarchitekt, Ingenieurbüro und Schiffsbauer unerlässlich. „Wir müssen die Anforderungen des Betreibers verstehen – was ihm wichtig ist. Benötigt das Schiff eine bestimmte Reichweite? Ist ein gewisses Maß an Zuverlässigkeit erforderlich?“, fragte Fuller. „Wie sieht der Einsatzzyklus aus? Wie viele Tage wird es auf See sein? Welche Reichweite muss es ohne Tankstopp erreichen? Viele betriebliche Faktoren bestimmen das gesamte Design.“

Sowohl die Bau- als auch die Betriebskosten müssen berücksichtigt werden. „Man muss das Budget des Kunden kennen. Selbst wenn es sich um ein Marineschiff oder ein Forschungsschiff handelt, das von einer quasi-staatlichen oder staatlichen Behörde betrieben wird, sind deren Budgets begrenzt“, betonte Fuller.

Frühzeitige Einbindung kann den entscheidenden Unterschied machen. „Manchmal werden wir frühzeitig mit den Schiffbaufirmen zusammengebracht und bauen dann das System“, sagte Fuller. „Manchmal glauben sie zumindest, dass sie bereits wissen, was sie haben, und sagen: ‚Hey, baut das!‘“

„Hätten sie nicht jemanden wie uns oder unsere Konkurrenten zur Beratung gehabt, hätten sie oft nicht die perfekte Lösung gefunden. Aber die meisten kennen ihre Grenzen. Sie geben Ihnen eine grundlegende Lösung, und dann helfen Sie ihnen, diese zu verfeinern und eine bessere Lösung zu finden.“

Vorteile von LVDC

Eine der gängigsten Lösungen, die in immer mehr kleineren Schiffen zum Einsatz kommt, ist das Antriebssystem BlueDrive PlusC von Siemens Energy. Dieses Niederspannungs-Gleichstromsystem (LVDC) umfasst speziell entwickelte, bürstenlose und synchrone Generatoren mit variabler Drehzahl, die eine Reihe von Frequenzen und Spannungen für Diesel-, Dual-Fuel- oder Gasschiffe liefern.

BlueDrive PlusC nutzt ein Leistungsmanagementsystem zur Steuerung der Motoren, um basierend auf dem Drehmoment optimale Drehzahlsollwerte zu erreichen. Laut Siemens Energy reduziert dies den Kraftstoffverbrauch durch Drehzahlregulierung, bedarfsgerechte Anpassung der Motorenbelegung und minimalen Motorenbetrieb.

„Die LVDC-Technologie mit drehzahlvariablen Generatoren wurde vor über einem Jahrzehnt hauptsächlich für Offshore-Schiffe entwickelt, die hohe Zuverlässigkeit und minimale Betriebskosten erfordern“, so Fuller. „Wir verwenden drehzahlvariable Generatoren, um dem Dieselmotor genau die Leistung zu liefern, die benötigt wird.“

Die Edda Freya ist ein fortschrittliches, hybridbetriebenes Bauschiff für den weltweiten Einsatz. Sie gilt als das weltweit größte batteriebetriebene Offshore-Schiff und verfügt über das Antriebssystem BlueDrive PlusC und das Energiespeichersystem BlueVault von Siemens Energy. (Foto: Siemens Energy)

Ein herkömmlicher Dieselgenerator läuft typischerweise unabhängig von der Last mit maximaler Drehzahl. „Dadurch wird viel Kraftstoff in die Einspritzdüsen geleitet, der nicht effizient verbrannt wird“, sagte er. Bei Generatoren mit variabler Drehzahl läuft der Diesel bei 30 % Last mit niedrigerer Drehzahl und geringerer Leistung, und man spritzt weniger Kraftstoff ein. Das spart Kraftstoff.“

Laut Fuller verzeichnen zahlreiche Schiffsbetreiber mit der LVDC-Lösung einen um 20 bis 30 Prozent geringeren Kraftstoffverbrauch. Auch der Motorverschleiß ist geringer.

„Einige unserer Betreiber berichten uns, dass sie 20 % weniger Dieselwartungen durchführen müssen, was hohe Betriebskosten verursacht“, bemerkte Fuller. „[Andere] berichten uns, dass sie aufgrund der Betriebsweise bei einigen ihrer Dieselmotoren auf eine komplette Überholung verzichten können. Für sie bedeutet das enorme Betriebskosteneinsparungen.“

Zu den weiteren Vorteilen, die Fuller anführt, zählen ein geringerer Platzbedarf, weniger Komponenten und ein geringeres Gewicht im Vergleich zu einem herkömmlichen integrierten elektrischen AC-System mit konstanter Drehzahl.

Darüber hinaus lässt sich der BlueDrive PlusC mit dem BlueVault Energiespeichersystem kombinieren. Dieses nutzt eine fortschrittliche Lithium-Ionen-Batterie, um überschüssige Energie während des Schiffsbetriebs zu speichern und bei Bedarf abzugeben. Ein solches System bietet Redundanz im Falle eines Systemausfalls.

„Mit einer Batterie kann man praktisch einen Dieselgenerator ersetzen, bis man einen neuen starten kann“, erklärte Fuller. „Die Batterie übernimmt die Last, und ein paar Minuten später ist ein weiterer Dieselgenerator online, und das Leben läuft wieder gut.“

Weltweit erster Wasserstoff-Hybrid

Siemens Energy verfügt derzeit über rund 60 Schiffsreferenzen in den USA, von denen ein beträchtlicher Teil auf LVDC-Technologie basiert. Das Unternehmen hat außerdem ein Projekt mit der kanadischen Küstenwache gestartet, bei dem LVDC in einem dieselelektrischen Mehrzweckschiff zum Einsatz kommt.

Das vielleicht bemerkenswerteste Projekt, an dem Siemens Energy beteiligt ist, ist das für das Scripps Institution of Oceanography an der UC San Diego. Scripps hat ein neues Forschungsschiff der Küstenklasse (CCRV) in Auftrag gegeben, das das erste Wasserstoff-Hybrid-Forschungsschiff der Welt werden soll.

Vorgeschlagene Konzeptdarstellung des neuen Scripps CCRV, dem weltweit ersten Wasserstoff-Hybrid-Forschungsschiff. (Quelle: Glosten)

Das auf Wasserstoffbrennstoffzellen basierende Antriebssystem des CCRV wird mit einem Niederspannungs-Gleichstrom-Dieselkraftwerk gekoppelt sein, das bei längeren Missionen zusätzliche Energie liefert. 75 Prozent seines Betriebs wird das CCRV jedoch vollständig mit Wasserstoff betrieben.

„Ihnen war die Emissionsfreiheit sehr wichtig“, sagte Fuller. „Wasserstoff ist der Weg dorthin. Wir haben die Wasserstoffanlage und die Energiesysteme so dimensioniert, dass sie zu 75 % der Zeit, zumindest vom Tank bis zum Kielwasser, kohlenstofffrei sind.“

Die Entwicklung des hybriden CCRV wird vom Schiffbau- und Schiffstechnikunternehmen Glosten geleitet. Siemens Energy fungiert als Elektrointegrator, Ballard Power und Chart Industries sind die Hauptlieferanten der Wasserstoffsystemausrüstung. Das integrierte elektrische System von Siemens Energy umfasst den BlueDrive PlusC LVDC sowie ein BlueVault-Energiespeichersystem. Dieses ermöglicht Spitzenlastkappung und Generatorüberbrückung sowie bei Bedarf kurzzeitig den rein elektrischen Betrieb.

„Wir haben dort einen sehr kleinen Energiespeicher, damit das Schiff losfahren kann. Drei kleine Dieselgeneratoren versorgen das LVDC-System mit Strom“, erklärte Fuller. „Wir verfügen über 1,2 MW Brennstoffzellen von Ballard, einem europäischen Brennstoffzellenhersteller, und einen 1.200 kg fassenden kryogenen Wasserstofftank von Chart Industries.“

Nachdem der erste Entwurfszyklus vor Kurzem abgeschlossen wurde, wird derzeit eine Ausschreibung für den Bau des Schiffes vorbereitet, um Angebote von Werften einzuholen. Ziel ist es, noch in diesem Jahr eine Werft auszuwählen.