Mitteilungsblatt der Bundesanstalt für Wasserbau Nr. 85 (2002) 105

Einsatz dieselelektrischer Schiffsantriebe

DIPL.-ING. HARTMUT DOBINSKY, DIPL.-ING. GERD SOSNA, BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU,DIENSTSTELLE HAMBURG, REFERAT WASSERFAHRZEUGE

Teil 1: Dipl.-Ing. Hartmut Dobinsky

Dieselelektrische Schiffsantriebe haben nach wie vorfür Spezialschiffe große Bedeutung; trotz im Allgemei-nen gegenüber Direktantrieben schlechterem Wirkungs-grad, größerer Gewichte, höherem Platzbedarf und hö-heren Investitionskosten. Demgegenüber stehen die be-sonderen Vorteile, z. B. bei Anforderungen an Energie-verschiebung zwischen Verbrauchern größerer Leistung,Geräusch und vibrationsarme Antriebssysteme, starkunterschiedlichen Leistungsbedarf für besondere Fahr-profile, höhere Redundanz- und Verfügbarkeitsanforde-rungen, stufenlose Drehzahlverstellungen der Antriebs-motoren bis zu kleinsten Werten, höhere Drehmomente(z. B. bei Eisbrechern).

Mit der Einführung der Leistungselektronik, die den klas-sischen Leonard Antrieb mit Gleichstromgeneratorenund -motoren (Bild 1), oder auch Konstantstromsystemeablöste, verringerten sich die erwähnten Nachteile.

Aus einem Drehstrom-Konstantspannungsnetz, quasieiner Kraftwerksschiene, können sowohl das Bordnetz,als auch über Leistungselektronik die Fahrantriebe mitEnergie versorgt werden.

Mit Einführung der IGBT-Technik (Insulated Gate Bipo-lar Transistor) für größere Leistungsbereiche ist mit demErsatz der Gleichstromfahrmotoren durch Drehstrom-motoren ein weiterer Innovationsschub hinsichtlich Ver-

besserung von Wirkungsgrad und Kosten zu verzeich-nen.

Mit solchen Lösungen sind z. B. das Fischereischutz-boot SEEADLER und das Lotsenstationsschiff ELBEausgerüstet, die beide im Jahr 2000 von der Peenewerftbzw. Schiffswerft Abeking & Rasmussen (A&R) abge-liefert wurden. Während beim Fischereischutzboot einVater-/Sohn-Konzept mit 3800 kW Dieselmotoren und750 kW E-Motoren ausgeführt wurde, erhielt das Lot-senstationsschiff ein rein elektrisches Antriebskonzeptmit zwei 1000 kW Drehstrommotoren (Bild 2).

Im Bau sind zurzeit drei Grenzschutzboote bei derSchiffswerft A&R, ebenfalls mit dem für diese Spezial-

Bild 1: Gleichstromantriebe

Bild 2: Drehstromantriebssysteme über Umrichter

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schiffe besonders wirtschaftlichen Vater-/Sohn-Konzept,hier jeweils mit einem Dieselmotor von 5200 kW undeinem Drehstrommotor von 600 kW.

Aus Gewichts- und Kostengründen sind die Drehstrom-antriebe als höherdrehende Maschinen (1500 1/min) mitnachgeschaltetem Getriebe ausgeführt. Ebenfalls ausGewichts- und Kostengründen sind für die Regelung 6-pulsige Pulswechselrichter eingesetzt, mit denen zwardie nach GL geforderten Spannungsklirrfaktoren von 8 %nicht in allen Fällen eingehalten werden konnten (8 bis11,5 % je nach Anzahl der zugeschalteten Dieselaggre-gate), die jedoch für die installierten Anlagen keine Pro-bleme bereiten. Für moderne Spezialschiffe, die demZwang nach minimiertem Raum- und Gewichtsbedarfunterliegen, sind zurzeit die Möglichkeiten zu kompak-ter Bauweise von elektrischen Antriebskonzepten kei-nesfalls befriedigend.

Besonders deutlich wird dieses bei den in 2000/2001gelieferten Lotsentendern, die mit dem schon erwähn-ten Lotsenstationsschiff als erste SWATH-Schiffe inDeutschland von der Schiffswerft A&R entwickelt wur-den. Für diese Spezialschiffe ist eine Gewichtsminimie-rung von extremer Bedeutung (Bild 3).

Ein direktes Anordnen von Dieselmotoren in den Schiffs-rümpfen ist nicht möglich bzw. für Einheiten dieser Grö-ßenordnung nicht empfehlenswert. Neue elektrischeAntriebstechniken, wie sie für das Marine-Forschungs-schiff entwickelt wurden, das ebenfalls als SWATH-Kon-zeption zurzeit bei den Nordseewerken entsteht, sindfür die hier erforderlichen Antriebsleistungen (710 kW)noch nicht verfügbar und wohl auch nicht bezahlbar.

Vor diesem Hintergrund wurde für die Lotsentender fol-gendes Konzept gewählt (Bild 4):

Der Antrieb erfolgt über elektrische Wellen, bestehendaus gewichtsminimierten Drehstromgeneratoren undDrehstrommotoren in Sonderausführung, mit Diesel-drehzahlen zwischen 800 und 2100 1/min. Das Bordnetzwird von einem Dieselaggregat versorgt; bei Ausfallmuss zur Bordnetzversorgung ein Fahrmotor abgeschal-tet und der Dieselmotor auf 1500 1/min gefahren werden.Die Ruderanlagen - und bei einem neuen Projekt auchdas Bugstrahlruder - werden von unabhängigen Hydrau-liksystemen betrieben, bei mechanischem Antrieb derHydraulikpumpen vom Drehstromaggregat. Wün-schenswert wäre sicherlich für dieses hochmoderneSchiff ein adäquates Antriebs-/Bordnetzkonzept, z. B.mit elektrischen Wellen ohne Getriebe, und ein unab-Bild 3: Lotsentender DÖSE

Bild 4: Antriebsvarianten Lotsentender

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hängiges Bordnetz mit einem zweiten Bordnetzaggregat(Bild 5).

Probleme gibt es ebenfalls bei Schiffen, die nur mit ei-ner Wellenanlage und aus Gewichts- und Platzgründenauch nur mit einem Fahrmotor ausgeführt werden. Sosind zurzeit ein Oder-Eisbrecher bei der SchiffswerftHitzler und ein Fischereiforschungsschiff bei der Schiffs-werft Fassmer mit Gleichstromantrieben im Bau, wo ausMangel an verfügbarem Raum noch Gleichstroman-triebe zur Anwendung kommen (Bild 6).

Während sich beim Stromrichter für den Gleichstrom-motor der Leistungsteil in zwei parallele Einheiten hal-ber Nennleistung aufteilen lässt, mit Dopplung der Regel-elektronik, wäre beim vergleichbaren Drehstromkonzeptein redundanter Umrichter erforderlich. Unter Redun-danzgesichtspunkten ist die bessere Antriebslösung eine

Aufteilung in zwei Systeme halber Leistung, die jedoch,bei Realisierung in konventioneller Technik, bei größe-rem Gewicht einen höheren Raumbedarf erforderlichmacht. Als Vorteile des Gleichstromantriebes sind hierallerdings auch die Anforderungen nach hohem Anfahr-moment beim Eisbrecher und nach einem geräusch-minimierten Antriebssystem, mit extremen Forderungenan den Unterwasser-Eigenstörpegel des Fischereifor-schungsschiffes, zu nennen.

Für die Zukunft gesehen werden für Spezialschiffe mo-derne, kompakte und bezahlbare Antriebslösungen be-nötigt, die auf Grund geringer Leistungsgewichte folgen-de Möglichkeiten bieten:

• Antriebsredundanz bei Einwellenanlage• Verzichtbarkeit auf Getriebelösungen• Geräuscharmut• Hohe Drehmomente• Wartungsloser Betrieb

Durch die Entwicklung von E-Motoren mit permanent-magneterregten Rotoren ergeben sich sehr gute Mög-lichkeiten diese Zielsetzung zu erreichen. In der Schiff-fahrt eingesetzt sind zurzeit permanentmagneterregteMaschinen in sogenannten “Podded-Propulsern“, bei de-nen der E-Antriebsmotor und Propeller in einer Gondelaußerhalb des Schiffskörpers zusammengefasst sind.

Als Antriebsmotor im Schiff sind permanenterregte Ma-schinen bisher nur als relativ aufwändige Prototypen inMarineschiffen realisiert worden. Als interessantes Bei-spiel für einen permanentmagneterregten Motor ist imBild 7 der prinzipielle Aufbau einer Sektormaschine dar-gestellt, einer zurzeit noch theoretischen Entwicklungdes „Instituts für Elektrische Maschinen“ der TU Braun-

Bild 5: Raumverhältnisse eines Antriebsstranges mitE-Fahrmotor, Getriebe und Komposit (Kohlefaser)-Verbindungswellen

Bild 6: Antriebskonzepte „Oder-Eisbrecher“ und „Fischereiforschungsschiff“ mit Alternativen

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schweig. Die Maschine zeichnet sich durch einen sehreinfachen Aufbau und konventionelle Fertigungstech-nik aus.

Das Maschinenkonzept ist gekennzeichnet durch:

• Kleine Hauptabmessungen• Sehr gute Dynamik• Niedriges Massenträgheitsmoment• Hohe Überlastbarkeit• Sehr geringe Verlustleistung• Mechanisch teilbare Statoren• Konventionelle Fertigungstechnik

In Zusammenarbeit von BAW, Referat Wasserfahrzeu-ge (K4), und der TU Braunschweig wurde ebenfalls derEinsatz solcher Maschinen für die Projekte Fischerei-forschungsschiff und neuer Lotsentender untersucht.Das Ergebnis für den 930 kW Antriebsmotor des Fische-reiforschungsschiffes ist aus der nachfolgenden Gegen-überstellung von Abmessungen untersuchter Ausfüh-rungsvarianten ersichtlich (Bild 8) sowie der wichtigs-ten Motordaten aus der tabellarischen Auflistung (Ta-belle 1).

Tabelle 1: Datenvergleich der Drehstromantriebsvarianten

Bild 7: Sektormaschine mit permanentmagneterregtemRotor und Doppelstator

Bild 8: Größenvergleich von Drehstromantriebsvarianten

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Bei Einsatz von Segmentmaschinen für die Lotsentenderwürden sich Gewichtseinsparungen von größer 3 t er-geben, unter Berücksichtigung von direktem Antrieb derWelle durch den E-Motor und Ersatz des Getriebesdurch ein Gleitlager (Bild 9). Bei dieser Gewichtsein-speisung wäre dann auch ein günstigeres Bordnetz-konzept realisierbar .

Es ist zu erwarten, dass der Einsatz permanentmagnet-erregter Maschinen für die nahe Zukunft eine schnelleEntwicklung erfahren wird, zumal diese Technik auchfür Windkraftanlagen bedeutende Vorteile aufweist.

Teil 2: Dipl.-Ing. Gerd Sosna

1 Vorteile zu Gunsten der diesel-elektrischen Antriebe ausmaschinenbaulicher Sicht

Obwohl der Dieselmotor aus den Antriebssträngen derVortriebsanlagen bei dieselelektrischen Antriebsanlagenverschwunden ist und durch E-Motoren ersetzt wird, istdieser zum Antrieb der Generatoren in unseren Berei-chen noch unersetzbar.

Vorteile:

• Aufteilung der Dieselmotorleistungen auf mehrereMotoren (Generatorsätze) und damit ausreichendRedundanzen

• Dieselmotoren mit höheren Drehzahlen (Schnell-läufer) zu Gunsten von Platzverhältnissen, Anschaf-fungspreis und Schallerfordernissen

• Bei unterschiedlichen Einsatzprofilen und Energie-anforderungen können die Dieselmotoren im Kon-stantdrehzahlbetrieb in einem optimalen Leis-tungsbereich wirtschaftlich betrieben werden mit:− geringsten spezifischen Brennstoffverbräuchen− geringstem Schadstoffausstoß (im Teillastbereich

bei herkömmlichen Einspritzsystemen steigen dieAbgasemissionen, Ausnahme: Common-Rail-Einpritzsystem und Pumpe-Düse-System, elek-tronisch geregelt → höherer Brennstoffverbrauch)

− wenig Schwachlastproblemen (Verkokungen Ven-tile → Ausfall)

− Einwirken auf die TBO-Zeiten

• Die Aufstellungen der Diesel-Generatoraggregateist unabhängig von den Propulsionsorganen mit denFahrmotoren− Maschinenraumanordnung im Gewichtsschwer-

punkt des Schiffes− keine langen Wellenleitungen und damit keine

Durchführungen und Verbindungen zum ver-schmutzten und verseuchten Bereich, wie z. B.Ladetanks/Pumpenräume von Schadstoffunfall-bekämpfungsschiffen (gem. GL nicht erlaubt)

• Stufenlose Drehzahlverstellung des E-Motors vonca. 5 1/min bis Maximum (feinfühliges Manövrierenmöglich)

• Umsteuerung Vorwärts-/Rückwärtsfahrt: über Er-regerstromumkehrung (Gleichstrom) oder Phasen-vertauschung der Stromrichter (Drehstrom), damitEntfall von aufwändigen mechanischen Drehrich-tungsumkehreinheiten wie:− Wendeuntersetzungsgetriebe (Sonderfall Lotsen

tender) oder− Verstellpropelleranlagen (Sonderfall Umbau BG

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Bild 9: Propellerantrieb Lotsentender bei Einsatz vonSegmentmotoren

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• Verfügbarkeit von:− Nenndrehmoment im unteren Drehzahlbereich,

wobei der Gleichstrommotor sein volles Drehmo-ment sofort zur Verfügung stellt

− volle Leistung vor dem Erreichen der Nenndreh-zahl entsprechend der Auslegung

− Überschreitungsmöglichkeit des Nennmomentesbei Blockierung

2 Beispiele / Anwendungen

A. Auswahl von direkt angetrieben Vortriebsorganenmit E-Motoren, die wir ausschließlich in der Gleich-stromtechnik eingesetzt haben:

• Maschinenraum KOMET (Bild 10)− Große Abmessungen und Gewichte− Schallmäßige Auslegung optimal− Kosten: hoch

Weitere Beispiele für den Einbau dieselelektrischer An-triebe dieser Art in der Verwaltung: ForschungsschiffeMeteor, Gauß, Poseidon, Alkor, Heincke, Sonne, ErsatzSolea, Oder-Eisbrecher

• Schottel - SEP (Bild 11)− PODs: 5 − 20 MW und kleinere Einheiten von

ABB und Schottel von 0,4− 5 MW− Drehstromtechnik: Synchronmotoren von ABB,

Lips/STN, Rolls-Royce. Im kleinen Leistungsbe-reich von Schottel Asynchronmaschinen; Perma-nent erregte Maschinen von Siemens/Schottelund im kleineren Leistungsbereich von ABB.

− Hohe Manövrierfähigkeit

− Platzersparnis (E-Motor außerhalb des Schiffes)− Kosten: hoch

Bild 10: Beispiel KOMET: Teilansicht aus Maschinen-Raum-Plan

Bild 11: Beispiel Schottel: POD-Antrieb

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B. Auswahl von über Untersetzungsgetriebe angetrie-bene Vortriebsorgane mit E-Motoren, die wir ausschließ-lich in der Drehstromtechnik eingesetzt haben:

• Maschinenraum ELBE (Bild 12)− Zusätzliche Lärmerzeugung und geringere Le-

bensdauererwartungen durch hohe Drehzahlenund Getriebe und dadurch auch wartungsin-tensiver

− Norm-Standard E-Motoren− Kosten: niedriger, mit Ausnahme der Ruder-

propeller

• Schottel- Ruderpropeller (Bild 13)

Weitere Beispiele: NEUWERK, LotsenstationsschiffELBE, Lotsentender

Das Thema unseres Vortrages war der Einsatz von die-selelektrischen Schiffsantrieben. In unserer schnelllebi-gen Zeit ist aber dieses bereits wieder eine Untergrup-pe von der mit dem neumodischen Schlagwort verse-henen Überschrift:

“All Electric Ship“

1. Diesel- Elektrischer Antrieb2. Gasturbinen- Elektrischer Antrieb• Ein wirtschaftlicher Betrieb rechnet sich nur in Ver-

bindung mit Abdampfturbinen• Der Dieselmotor ist noch nicht ganz vom Schiff ver-

schwunden, denn die Klassen fordern zum Anfah-ren der Turbinen bzw. als Notstromerzeuger diesenimmer noch

• Beispiele: Kreuzfahrtschiffe bei der Meyer-Werft3. Brennstoffzellen

Elektrische Energiegewinnung aus der Synthese vonSauerstoff und Wasserstoff

• Schadstoffarme Energieversorgung der Zukunft inVerbindung mit Kraft-Wärme-Kopplung mit Wir-kungsgraden zurzeit von 50 % bis eventuell 65 %

• Beispiele: U-Boote der Bundesmarine in Bau beiHDW

Bild 13: Beispiel Schottel: Ansicht Ruderpropeller

Bild 12: Beispiel ELBE: Teilansicht aus Maschinen-Raum-Plan