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Land- und schiffsseitige Technologien für die Landstromversorgung von Schiffen und deren Standardisierung

LUTZ THURM, ISMIR FAZLAGIC, THORSTEN HARDER, KNUT MARQUART –

Ein Bereich, der zurzeit kritisch beäugt wird, ist der ökologische Fußab-druck von Häfen. Regierungen, Hafenbehörden und Reedereien sondie-ren verschiedene Lösungen, um die Emissionen von Schiffen während ihres Aufenthalts im Hafen zu reduzieren. Eine mögliche Lösung besteht darin, die Schiffe an das Landstromnetz anzuschließen, um die von der Mannschaft, den Passagieren und für den Frachtumschlag benötigte Schiffsinfrastruktur zu versorgen. Angesichts einer bevorstehenden Standardisierung solcher Landanschlussanlagen wird eine verstärkte Realisierung entsprechender Lösungen erwartet, was Hafenbehörden und Reedereien dabei hilft, die Emissionen im Hafen zu reduzieren.

Steckdosen für Schiffe

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kette von der Einspeisestation einschließ-lich der Transformatoren und Umrichter zur Anpassung der Netzspannung- und Frequenz an das Bordstromnetz bis hin zu den Liegeplatzanschlüssen und -kabeln und ermöglichen die gleichzeitige Versorgung mehrerer Schiffe mit 50 und 60 Hz unabhängig von der Frequenz des lokalen Netzes.

Für jeden landseitigen Anschlusspunkt ist ein eigener Transformator erforderlich, der

zwei Aufgaben erfüllt: Zum einen stellt er die notwendige galvanische Trennung (d. h. eine nichtmetallische direkte Verbin-dung zwischen dem landseitigen Versor-gungsnetz und dem Bordnetz) bereit, die dafür sorgt, dass das Stromnetz im Hafen bei einem Erdschluss im elektrischen Sys-tem des Schiffs nicht gefährdet wird, und umgekehrt. Zum anderen setzt er die

Die Kosten für die Ausrüstung können ab-hängig von den jeweiligen Anforderungen des Hafens und der bereitgestellten Leis-tung stark variieren. Zusätzliche Investitio-nen sind für den Bau und die Installation der Anlagen am Kai und eine möglicher-weise notwendige Verstärkung des Hafenstromnetzes erforderlich.Die Stromversorgung in Häfen ist ver-gleichbar mit der einer kleinen Fabrik, wobei die Elektrizität in erster Linie für den Betrieb der landseitigen Be- und Ent-ladeinfrastruktur, d. h. Kräne, Förder-bänder, Kühlanla-gen, Heizungen und Nebeneinrich-tungen, benötigt wird. Den meisten Häfen steht genü-gend Leistung zur Verfügung, um die-sen Bedarf zu de-cken, plus 2–3 MW für sekundäre Ver-braucher. Geht man davon aus, dass ein Schiff bei seinem Aufenthalt im Hafen je nach Schiffstyp bis zu 10 MW benötigt, reicht die elektrische Infrastruktur in vie-len Häfen nicht aus, um eine entspre-chende Landstromversorgung ohne ent-scheidende Verbesserung des Netzes zu bewältigen. Dies ist häufig mit Investitio-nen in eine neue Unterstation oder der Installation einer neuen Speiseleitung für höhere Leistungen verbunden. Für bei-des sind Verhandlungen mit dem Strom-anbieter des Hafens erforderlich.Lösungen zur Landstromversorgung um-fassen häufig die gesamte Versorgungs-

E iner der Hauptvorteile der land-seitigen Stromversorgung ➔ 1 ist das wesentlich günstigere Um-weltprofil des in Kraftwerken er-

zeugten Stroms gegenüber den mit Bun-keröl betriebenen Schiffdieselmotoren. Die Landstromversorgung1 bietet Behörden die Möglichkeit, auf ein spezifisches loka-les Problem (Umweltverschmutzung) mit einer spezifischen lokalen Lösung (Land-anschluss) zu reagieren. Häfen können als Versorgungsunternehmen fungieren und eine effizientere und leistungsfähigere Ge-samtversorgung bieten, wobei die Investi-tionen in die erforderliche Infrastruktur über Jahrzehnte hinweg nachhaltig sind und langfristige Umsätze generieren. Im Hafengebiet profitieren alle Beteiligten zu-sätzlich von einer geringeren Belastung durch Lärm und Vibrationen. Die bevor-stehende Standardisierung von Landan-schlüssen macht entsprechende Investiti-onen in diese Technologie noch lohnender.

Landseitige TechnologieDie für die Landstromversorgung von Schiffen im Hafen erforderliche Technolo-gie ist nicht neu. So können Ingenieure bei der Entwicklung einer zuverlässigen Infrastruktur zur Übertragung der Elektri-zität heute auf bewährte Technologien zu-rückgreifen, wobei auch solche Dinge wie eine sichere Handhabung der Kabelver-bindungen eine wichtige Rolle spielen.

Die Stromversorgung in Häfen ist vergleichbar mit der einer kleinen Fabrik, wobei die Elek-trizität in erster Linie für die landseitige Be- und Entlade-infrastruktur benötigt wird.

Fußnote1 Die landseitige Stromversorgung wird u. a. auch

als Cold Ironing, Onshore Power Supply (OPS), Alternative Marine Power (AMP) oder Landan-schluss (Shore Connection) bezeichnet.

1 Übersicht über die Systeme zur landseitigen Stromversorgung

a

b

c

a Transformator und Schaltanlage b Umrichter c Anschluss

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Das landseitige Anschlusssystem sollte möglichst wenig des wertvollen Platzes am Kai beanspruchen. Die Einspeisestation kann bis zu 10 km vom Transformator und den MS-Schaltfeldern am Liegeplatz ent-fernt platziert werden, die das Schiff direkt mit Strom versorgen. An der Kaimauer gibt es lediglich einen kleinen und sicheren, zimmergroßen Container, in dem die MS-Schaltanlage mit einem automatischen Erdungsschalter, Schutz- und Steuergerä-ten und der Bedienerschnittstelle unterge-bracht ist. Der große Vorteil einer kompak-ten landseitigen Infrastruktur ist, dass sie einen reibungslosen Hafenbetrieb erlaubt und auch mobil ausgeführt werden kann.

Schiffsseitige TechnologieUm Strom aus dem Landnetz nutzen zu können, müssen Schiffe über eine entspre-chende Ausrüstung verfügen, die den phy-sischen Anschluss an das landseitige Sys-tem ermöglicht, den eingespeisten Strom mit dem Bordnetz synchronisiert und die Landstromversorgung mit der Hilfsstrom-versorgung des Schiffs koppelt. Diese Ausrüstung kann beim Bau des Schiffs in-tegriert oder in relativ kurzer Zeit und ohne große Störung der Betriebsabläufe entwe-der im laufenden Betrieb oder im Trocken-dock sicher nachgerüstet werden.Zuerst muss der Strom von Land über Kabel an Bord gelangen ➔ 4, ➔ 5. In einigen Fällen, insbesondere bei Containerschiffen und RoRo-Fähren, ist das Kabel auf dem Schiff installiert und wird mittels einer Rolle oder Trommel auf den Kai abgesenkt, wo es angeschlossen wird. Bei Kreuzfahrt-schiffen befindet sich das Kabel immer an

zum Anschluss eines Schiffs an ein beliebi-ges Stromnetz unabhängig von der erfor-derlichen Frequenz. Je nach Gestalt des Hafens kann eine zentralisierte Lösung mit einem Umrichter genutzt werden, um mehrere Schiffe und Liegeplätze zu versor-gen. Dank ihres geringen Platzbedarfs können die Umrichter zusammen mit den kompakten Schaltanlagen und Transfor-matoren in einem Schaltanlagengebäude oder -container untergebracht werden. Darüber hinaus tragen die Frequenzum-richter durch Verbesserung des Leistungs-faktors und Stabilisierung der Spannung und Frequenz zur Verbesserung der Ver-sorgungsqualität des Hafennetzes bei. Je nach Anforderungen des Projekts werden Niederspannungsumrichter vom Typ PCS100 oder Mittelspannungs-

umrichter vom Typ PCS6000 einge-setzt ➔ 2.

Letztlich muss die landseitige Infra-struktur ein Auto-matisierungs- und Kommunikations-system umfassen, mit dem der An-

schluss der Kabel koordiniert und die elek-trische Last des Schiffs mit der land- seitigen Versorgung synchronisiert werden kann. Dies wird durch zwei Fernwirkein-heiten (Remote Terminal Units, RTUs) – eine an Bord des Schiffs und eine an Land – ermöglicht, die über Glasfaserkabel und Ethernet kommunizieren.

Spannung von der Verteilungsspannung (z. B. 20 kV) auf eine der beiden Standard-spannungen für Landstromanschlüsse (11 kV oder 6,6 kV, je nach Schiff) herunter.Darüber hinaus ist für jeden Anschluss-punkt eine Mittelspannungsschaltanlage (MS-Schaltanlage) mit einem automati-schen Erdungsschalter erforderlich. Die Schaltanlage hat im Wesentlichen die Aufgabe, die Stromversorgung zu unter- brechen, während der Erdungsschalter dafür sorgt, dass keine Spannung mehr in den Kabeln zwischen Schiff und Kaimauer vorhanden ist, wenn diese bewegt und an-geschlossen werden. Da das größte Risiko bei Landstromanschlüssen für das Perso-nal besteht, das mit den Kabeln und Sys-temen umgeht, ist diese Schaltanlage von zentraler Bedeutung.

Für die meisten landseitigen Stroman-schlüsse ist außerdem ein statischer Fre-quenzumrichter erforderlich ➔ 2. Da die meisten Schiffe mit einer Bordnetzfrequenz von 60 Hz arbeiten, die örtlichen Strom-netze in den meisten Teilen der Welt aber mit 50 Hz ➔ 3, ist eine Anpassung der Fre-quenz erforderlich. Statische Frequenzum-richter bieten eine wirtschaftliche Lösung

Eine Vielzahl der heutigen Schiffe mit Landstroman-schluss wurde nachgerüstet und nicht mit dem Neubau des Schiffes integriert.

2 Das ABB-Portfolio von Frequenzumrichtern für Landstromanwendungen reicht von 120 kVA (PCS100) bis zu mehreren MVA (PCS6000).

a Statischer Frequenzumrichter vom Typ PCS100 b Statischer Frequenzumrichter vom Typ PCS6000

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4 Anschlusskabel des Kreuzfahrtschiffs MS Oosterdam der Holland America Line

Land, wo es meist an einem kleinen integ-rierten, hydraulischen Arm geführt wird.Befindet sich das Kabelmanagementsys-tem an Land, erfolgt der Anschluss über ein landseitiges Anschlussfeld ➔ 6. Dieses muss generell so nahe wie möglich beim Schiffsrumpf und in guter Reichweite zu den schweren landseitigen Kabeln platziert sein. Das landseitige Anschlussfeld enthält einen Leistungsschalter, ein Schutzrelais, die physischen Anschlüsse (Stecker und Erdungskabel) und eine Steuerschnittstelle zum Automatisierungs- oder Power-Ma-nagement-System des Schiffs. Diese Sys-teme ermöglichen die Synchronisation der Stromversorgung mit den Hilfsdieselmoto-ren des Schiffs, bevor die Last transferiert wird. Die landseitigen Anschlussfelder von ABB umfassen zwei Schaltschränke mit unterschiedlichen Ausmaßen je nach Nennleistung. Diese MS-Ausrüstungen müssen in einem eigenen Raum unterge-bracht werden.

Bei Schiffen mit herkömmlichem mechani-schem Antrieb (bei dem die Dieselmotoren anders als beim dieselelektrischen Antrieb die Schiffspropeller direkt antreiben), ist ein Transformator erforderlich, um die Nieder-spannungs-Hilfsstromversorgung an Bord (typischerweise 400 bis 690 V) mit der Landstromversorgung (11 bzw. 6,6 kV) zu koppeln. Dieser Transformator ist relativ groß und sperrig, doch anders als das land-seitige Anschlussfeld kann er im Maschi-nenraum oder an einer anderen geeigneten Stelle auf dem Schiff installiert werden.Das Anschließen und Trennen eines Schiffs an bzw. von der Landstromversorgung dauert zwischen fünf und 30 Minuten. An

Die IEC, die ISO und das IEEE2 arbeiten gemein-sam an einer Norm als fundierte globale Grundlage für die Landstrom- versorgung von Schiffen.

Bord kontrolliert der erste Ingenieur oder ein qualifiziertes Crewmitglied, das sich mit dem Power-Management-System des Schiffs auskennt, die Übergabe. Die Hand-habung der Kabel kann entweder von entsprechend geschultem Schiffs- oder Hafenpersonal übernommen werden. Mindestens ein Unternehmen hat damit begonnen, sich mit einem automatisierten System zum Anschluss der Kabel an das Schiff zu befassen, um die Sicherheit zu verbessern und Zeit zu sparen.

Die Mehrheit der Schiffe, die zurzeit über eine entsprechende Infrastruktur für die Landstromversorgung verfügen, sind Con-tainerschiffe. Viele Schiffskonstrukteure integrieren diese Infrastruktur bereits in ihre Entwürfe oder halten Platz dafür vor. Eine Vielzahl der heutigen Schiffe mit Landstromanschluss wurde nachgerüstet, d. h. die Ausrüstung wurde nachträglich in ein vorhandenes Schiff eingebaut und nicht bereits beim Bau installiert.

Auch wenn wenig an der für die Land-stromversorgung an Bord installierten Technik neu ist, muss für gewöhnlich das gesamte System für jede Installation indivi-duell konzipiert werden. Auch bei einem standardisierten Anschluss bleibt die Schiffskonstruktion individuell, d. h. Aspek-te wie Platz, Zugänglichkeit und die Anbin-dung an das Power-Management-System und die Dieselmotoren müssen vor der In-stallation geklärt werden. ABB hat schlüs-selfertige Lösungen entwickelt, die den gesamten Lieferumfang abdecken und eine minimale Störung des Schiffsbetriebs gewährleisten.

3 Unterschiedliche Netzfrequenzen weltweit machen Frequenzumrichter für die landseitige Stromversorgung erforderlich.

50 Hz

60 Hz

50/60 Hz

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Standardisierung der AnschlusssystemeUm eine Landstromversorgung für Häfen und Reedereien attraktiv zu machen, müs-sen die Art und Anordnung der Strom- anschlüsse standardisiert sein. Weder ein Hafenbetreiber noch ein Reeder kann die Investition in eine teure Ausrüstung für die Landstromversorgung rechtfertigen, ohne sicher sein zu können, dass ein solches System in vielen Teilen der Welt und für eine bestimmte Zeit nutzbar ist.

Die Arbeiten an einem einheitlichen Stan-dard für die Landstromversorgung von Schiffen begannen im Frühjahr 2005 unter der Mitwirkung von Technologieanbietern, Regierungen, Hafenbehörden, Reedereien (insbesondere für Kreuzfahrtschiffe, Tanker und Containerschiffe), Klassifikationsge-sellschaften und anderen. Die IEC, die ISO

Ist der globale Standard erst in Kraft, ist eine verstärkte Investition seitens der Häfen und Reedereien in Landanschluss-anlagen zu erwarten. Die endgültige Norm steht derzeit kurz vor der Ratifizierung.

Lutz Thurm

ABB ship solutions

lutz.thurm@us.abb.com

Ismir Fazlagic

ABB shore solutions

ismir.fazlagic@se.abb.com

Thorsten Harder

ABB frequency converters

thorsten.harder@ch.abb.com

Knut Marquart

ABB Marketing and Customer Solutions

knut.marquart@ch.abb.com

Weiterführende Literatur– Marquart, K., Haasdijk, T., Ferrari, GB., Schmidhal-

ter, R.: „Landstrom für Schiffe: Eine schlüsselfertige Lösung zur wirksamen Reduzierung des Schad- stoffausstoßes von Schiffen im Hafen. ABB Technik 4/2010: 56–60

– www.abb.com/ports

Literaturhinweise[1] IEC/PAS 60092-510. Edition 1.0 (2009, April):

„Electrical installations in ships – Part 510: Special features – High-voltage shore connection systems“. Abgerufen am 20.09.2010 unter http://webstore.iec.ch/preview/info_iecpas60092-510%7Bed1.0%7Den.pdf

Titelbild Das Kreuzfahrtschiff MS Zulderdam der Holland America Line ist mit einem Landstromanschluss ausgerüstet, der zur Verbesserung der Wohnqualität für Hafenanwohner beiträgt.

und das IEEE2 arbeiten gemeinsam an der Entwicklung einer Norm, die eine fundierte globale Grundlage für die landseitige Stromversorgung von Schiffen liefern soll.

Die Norm umfasst die Spezifikation, Ins-tallation und Prüfung von Systemen und Anlagen zur Landstromversorgung, d. h.:– das landseitige Verteilungssystem– die Verbindung zwischen Land und

Schiff– Transformatoren/Drosseln– Leistungselektronische Umrichter und

rotierende Umformer– Schiffsseitige Verteilungssysteme– Steuerungs-, Überwachungs-,

Verriegelungs- und Power-Manage-ment-Systeme

Ziel der Normenarbeit war die Definition von Anforderungen, die – unter Anwen-dung geeigneter Verfahrensweisen – den schnellen Anschluss von konformen Schif-fen über ein kompatibles Anschlusssystem an konforme landseitige Hochspannungs-versorgungen unterstützen [1]. Damit sind Schiffe und Hafenbetreiber nicht mehr ge-zwungen, ihre Infrastruktur anzupassen oder einzustellen, um einen landseitigen Anschluss zu ermöglichen.

Das anfängliche Ziel, einen einzigen glo-balen Anschlussstandard für alle Schiffe in allen Häfen zu entwickeln, wurde gezwun-genermaßen verworfen, da die Leistungs-anforderungen und -kapazitäten von Schif-fen sich so stark unterscheiden, dass ein einziger Standard nicht realisierbar wäre. Folglich wurden vier separate, aber mitein-ander verknüpfte Normen – eine für RoRo-Schiffe, eine für Containerschiffe, eine für Kreuzfahrtschiffe und eine für Tanker – ent-wickelt. Darüber hinaus wurden zwei Stan-dardspannungen – 11 kV und 6,6 kV – für den Anschluss festgelegt.

5 Landstromanschluss von ABB in Göteborg, Schweden 6 Landseitiges Anschlussfeld von ABB

Die Landstromver-sorgung bietet Behörden eine spezifische lokale Lösung (Landan-schluss) für ein spezifisches lokales Problem (Umwelt-verschmutzung).

Fußnote2 IEC = International Electrotechnical Commission,

ISO = International Organization for Standardi-zation, IEEE = Institute of Electrical and Electronics Engineers