Elektrisch, digital & vernetzt: Mit Onboard DC Grid fit für Shipping 4.0

Ein auf Gleichstrom basierendes Energiesystem ermöglicht eine einfache, flexible und funktionale Integration von Energiequellen wie Generatoren mit variabler Drehzahl und Wellengeneratoren, Batterien und Brennstoffzellen. Zudem bietet ein auf Gleichstrom und Leistungselektronik basierendes Energiesystem eine einzigartige Plattform für digitale Lösungen an Bord eines Schiffs. Ausgestattet mit Sensoren und Kommunikationsinfrastruktur werden Daten zwischen den Systemen im Nu übertragen. Dies ermöglicht den Zugriff auf Informationen, die die Brücke nutzen kann, um die Leistung zu überwachen und zu optimieren.  

Und eine bessere Konnektivität zwischen Schiff und Ufer bedeutet, dass das Leistungsmanagement auf die nächste Stufe gehoben wird. Onboard DC Grid gewinnt an Zugkraft bei einer breiten Palette von Schiffstypen, und die Gründe dafür sind vielfältig.  

• Fähren wählen es, weil es die kosteneffizienteste und funktionalste Plattform zur Integration von Energiespeicherung ist, wodurch ein hybrider und vollständig elektrischer Betrieb Realität wird. Dies gilt sogar in dem Maße, dass die zwei Retrofit-Fährprojekte Aurora und Tycho Brahe sich dazu entschieden haben, ihr Wechselstromkraftwerk in ein vorwiegend Gleichstromkraftwerk umzurüsten, um maximale Vorteile aus ihrer neuen Anlage zu ziehen.  
• Offshore-Support-Schiffe wählen es hauptsächlich wegen der erhöhten Fehlertoleranz, Generatoren mit variabler Drehzahl und der einfachen Integration von Energiespeicherung, während einige Eisbrecher eine Möglichkeit benötigten, ein ansonsten zu großes elektrisches Kraftwerk in den Grenzen ihrer Rümpfe unterzubringen.  
• Shuttle-Tanker wählen es für die einfache und funktionale Integration von Wellengeneratoren mit variabler Drehzahl und Expeditions-Kreuzfahrten für seine Eignung zur Integration von Batterien und Brennstoffzellen für erweiterte emissionsfreie Operationen in sensiblen Gebieten. Die größeren dieser Schiffe werden auch die Möglichkeit schätzen, die Hauptenergie mit 1000Vdc statt 690 oder 660Vac zu verteilen, was Einsparungen von bis zu 40 Prozent oder mehr bei der Verkabelung darstellt. 

Die Hauptvorteile sind:  

• Reduktion des Platzbedarfs um bis zu 30 Prozent  
• Generatoren mit variabler Drehzahl für verbesserte SFOC-Motorkennlinien, gekoppelt mit reduzierten Emissionen und Wartung und verbesserter SCR-Leistung  
• Effizienteste Integration von Energiespeichern/Brennstoffzellen/Wellengeneratoren aus Sicht von Kosten, Funktionalität sowie Gewicht und Platzbedarf  
• Beste Fehlertoleranz der Klasse ist im Design intrinsisch  
• Sehr gut steuerbares Kraftwerk geeignet für fortgeschrittenen Betrieb und Optimierung durch übergeordnete Steuerungen (Beratung)  
• Einzigartige DC-Verteilungsfähigkeit  
• Einzigartige Fern-Diagnose- und Servicefunktionen 

Das Onboard DC Grid nutzt ABBs Automatisierungsplattform 800xA zur Implementierung von Systemsteuerungsfunktionen, einschließlich PEMS und VMS. Die Systemintegration und -steuerung erfolgt so, dass sie die Stärken der verschiedenen Energiequellen im System ausspielt und gleichzeitig eine strenge Kontrolle über die Verbraucher behält. 

ABB hat einen neuen Ansatz zur Energie- und Leistungsverwaltung in Form des Power and Energy Management System – PEMS – übernommen. PEMS verwaltet sowohl das Gleichgewicht von Leistung (traditionelle PMS-Verantwortung) als auch Energie im Energiesystem. Letzteres wird wichtig, wenn Quellen wie Batterien oder Superkondensatoren mit sehr endlichen Energiemengen hinzugefügt werden. Das Gleichgewicht der Leistung nimmt auch in einem DC-Grid-System neue Dimensionen an, wenn Quellen wie variable Geschwindigkeitsgeneratoren, Wellengeneratoren und Batterien parallel arbeiten. 

Was bedeutet es also, “die Stärken” der Energiequellen eines Systems “auszuspielen”? Für ein einfaches Hybridsystem bedeutet dies, dass ES (Energiespeicher) in erster Linie eine Energiepufferfunktion ausführen wird, während die Motoren die Dauerleistung liefern. 

Einige der Funktionen, um dies zu erreichen, sind auf niedrigeren Ebenen implementiert, näher an den Konvertern und ES – typischerweise Funktionen, die eine schnelle Reaktion erfordern, wie standardmäßige Lastverteilung und Überlastschutz. Dies geschieht autonom durch die verschiedenen Energiequellen. Andere Funktionen wurden auf einer höheren Ebene implementiert, wie im traditionellen PMS-Bereich – typischerweise Funktionen, die eine Abstimmung zwischen den Quellen erfordern. Optimale Funktionalität und Leistung werden durch eine enge horizontale Integration zwischen Energiequellen und Verbrauchern sowie durch eine enge vertikale Integration zwischen der schnellen eingebetteten Steuerung von Konvertern und Generatoren und der Systemebenenanwendung erreicht. 

Onboard DC Grid verfügt über eine harmonisierte Steuerungs- und Kommunikationsinfrastruktur, die einen transparenten und blitzschnellen Informationsfluss zwischen den Systemkomponenten ermöglicht. Dies stellt sicher, dass ein ganzheitlicher Ansatz zur Aufgabe, das beste Leistungsvermögen, sei es für Sicherheit oder Effizienz, aus einem Energiesystem herauszuholen, verfolgt wird. Das hohe Maß an Integration bedeutet auch, dass hochwertige Informationen für einen Bediener oder Fernsupport-Ingenieur zur Verfügung stehen, sollte er sie benötigen. Bei Schiffen mit automatischer Ladung vom Ufer aus koordiniert das PEMS den Prozess des Anschließens, Ladens und Trennens von der Ladestation. Das PEMS ist so strukturiert, dass jede Energiequelle ein autonomes Teilsystem bildet. Dies erhöht die Fehlertoleranz der Systemsteuerungen, indem die Interdependenz zwischen den Energiequellen reduziert wird. Teilsystemfunktionalität wird so weit wie möglich auf Teilsystemebene realisiert, wobei das Gesamtsystem nur dann einbezogen wird, wenn es notwendig wird. Das bedeutet auch, dass der Betrieb des Schiffes intuitiv und einfach bleibt, auch wenn er lokal gesteuert wird, da der Großteil der Teilsystemfunktionalität erhalten bleibt. 

Die Verfügbarkeit von ES (Energiespeicherung) ist nur ein Teil der verbesserten Sicherheit, Effizienz und Leistung. Zuerst muss die Energie den Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden. 

Da die meisten Energiespeichermedien auf Gleichstrom (DC) basieren, wird die Integration in ein DC-Verteilungssystem einfacher und funktioneller für weniger zusätzliche Kosten, als dies in ein auf Wechselstrom (AC) basierendes Verteilungssystem der Fall wäre. 

DC-Lösungen erfordern generell weniger Ausrüstung, und der Konverter (falls verwendet) wird auch deutlich kompakter als sein AC-Pendant. Für Grundfunktionen, bei denen keine Selektivität oder Start-Szenarien berücksichtigt werden, ist die AC-Konverter-Lösung fast doppelt so lang wie das DC-Äquivalent. Wenn auch Selektivität, Überspannung und Start-Szenarien berücksichtigt werden, nähert sich dieses Verhältnis der Vier. 

Die Möglichkeit, den ES direkt mit dem DC-Link zu verbinden, kann eine geringfügige Reduzierung der Länge und eine verbesserte Effizienz im Vergleich zur Konverteroption bieten. Dies geht jedoch auf Kosten der Steuerbarkeit des Stroms in und aus dem ES und des Systemspannungsniveaus. 

Aus Steuerungssicht bedeutet diese Option, dass der Energiefluss des ES durch die Summe der Aktionen aller anderen Quellen und Verbraucher im System bestimmt wird. Dies bedeutet, dass diese Verbindungsart nur für eine begrenzte Anzahl von Anwendungen geeignet ist, typischerweise für Systeme mit geringer Komplexität, bei denen Batterien eine dominante Energiequelle darstellen. 

Aus der Perspektive der Systemspannung bedeutet diese Option, dass die Systemspannung durch den ES und seinen Ladezustand definiert wird. Dies kann erheblich variieren und daher erfordern, dass der Rest des Systems überdimensioniert wird. 

Aus diesen Gründen wird die Direkt-Online-Lösung oft gewählt, wenn Effizienz wichtiger ist als Steuerbarkeit. Ein Beispiel hierfür sind Fähren, die im Zero-Emissions-Modus betrieben werden, bei denen große Teile der verbrauchten Energie auf dem Weg zum Propeller durch die Batterie fließen. Die konverterbasierte Lösung wird in Anwendungen bevorzugt, bei denen Steuerbarkeit und Fehlertoleranz wichtiger sind als die Effizienz des ES-Systems. Ein gutes Beispiel hierfür ist ein DP-Schiff, bei dem die Batterie verwendet wird, um das Energiesystem durch Funktionen wie Spitzenlastabschaltung, verbesserte dynamische Unterstützung und rotierende Reserve zu unterstützen. In diesen Fällen hat die ES-Effizienz keinen signifikanten Einfluss auf die Gesamteffizienz des Energiesystems, da die Batterie hauptsächlich als Energiespeicher verwendet wird und während des normalen Betriebs relativ wenig Energie durch sie hindurchfließt. 

Die Kombination aus ES (Energiespeicherung) und Motoren mit variabler Drehzahl bietet einige zusätzliche Synergien. In einem System mit Motoren mit variabler Drehzahl, in dem keine Energiespeicherung enthalten ist, muss der Motor so betrieben werden, dass er immer genügend Reserven hat, um Lastsprünge absorbieren zu können. Die Notwendigkeit, immer einige Leistungsreserven in Reserve zu haben, bedeutet, dass ein gewisses Optimierungspotential ungenutzt bleibt. 

Wenn ein System mit ES ausgestattet ist und die Funktion für verbesserte dynamische Unterstützung aktiviert ist, kann der ES die Rolle des Absorbierens schneller Laständerungen übernehmen und die Motoroptimierung hat eine Einschränkung weniger zu berücksichtigen und kann nun ihren Betrieb noch weiter optimieren. 

Beim Wechsel von festen zu variablen Drehzahlen wird der Geschwindigkeits- gegen Lastpfad von der vertikalen 1800 U/min-Achse (rote Linie, siehe links) zur Propellerkurve (blaue Linie) verlegt. Wird Energiespeicherung hinzugefügt, kann dieser Pfad noch weiter nach links verlegt werden, manchmal bis zur MCR-Kurve (grüne Linie). Der Effekt, den dies auf den spezifischen Brennstoffölverbrauch (SFOC) hat, ist in der Grafik unten links dargestellt. Die Abbildung zeigt den SFOC für das traditionelle AC-System (blau), DC-Grid mit variabler Geschwindigkeit (grün) und DC-Grid mit variabler Geschwindigkeit und Energiespeicherung (orange). 

Gleichstrom (DC) ist von Natur aus einfacher als Wechselstrom (AC). Beim Aufbau einer Systemplattform bedeutet dies, dass es einfacher ist, Fehlerszenarien vorherzusagen und wirksamen Schutz dagegen zu entwickeln. Für das Onboard DC Grid hat dies zu Folgendem geführt: • Geschlossener Busbetrieb in DP2 ohne zusätzliche Ausrüstung, weil gemeinsame Fehlermodi wie Governor- und AVR-Ausfälle effektiver behandelt werden. • Generatoren, die in nahezu 10 Sekunden online sein können (für Hochgeschwindigkeitsmotoren), weil sie nicht auf die Synchronisation warten müssen. • Motoren, die praktisch unmöglich zu überlasten sind, selbst wenn sie mit niedrigeren Geschwindigkeiten betrieben werden. Dies liegt daran, dass jeder Generator einen eingebauten Überlastschutz hat, der die Ausgangsleistung begrenzt. Das Endergebnis ist, dass der Motor nicht abwürgt und in Betrieb bleibt. • Sanftes Klären großer Kurzschlussströme, sodass das System schnell und vorhersehbar wiederhergestellt wird. Dies ist sowohl eine Funktion der Systemkapazität als auch der Konvertersteuerung. Das System ist daher nicht von hässlichen Transienten geplagt, wie dies oft bei AC-Systemen der Fall ist, wenn große Fehlerströme durch Schutzeinrichtungen unterbrochen werden. 

Ein sicheres und fehlertolerantes System ist an sich schon ein Vorteil, aber es gibt noch einen oft vergessenen Nutzen davon. Die Bediener verstehen schnell, dass im seltenen Fall, dass Ausfälle auftreten, das System schnell und zuverlässig wiederhergestellt wird. Ein solches Vertrauen in das System hat sich als erheblich wirtschaftlicher im Betrieb des Schiffs erwiesen, weil das System nicht geteilt wird und zusätzliche Generatoren erst dann zugeschaltet werden, wenn es notwendig ist. 

Neben den oben beschriebenen Vorteilen gibt es zahlreiche weitere Vorteile bei der Gleichstromverteilung. Einige davon sind unten zusammengefasst:  

• Stromübertragung: Die Verteilung auf 1000Vdc statt 690Vac reduziert den Kabelbedarf um bis zu ~40 Prozent und erlaubt die Verwendung kostengünstigerer Kabel. 
• Spannungsverzerrung: (THD), die in AC-Systemen mit Frequenzumrichtern üblich ist, stellt kein Problem mehr dar. 
• Landanschluss: Wenn der Landanschluss auf der DC-Seite erfolgt, können Schiffe Landanschlüsse in verschiedenen Häfen leichter nutzen, da die Netzwerkfrequenz kein Problem mehr darstellt. Außerdem werden Anlaufströme von Motoren und Transformatoren nicht vom Landanschluss bezogen, was mehr betriebliche Flexibilität in Häfen mit Stromversorgung mit geringer Leistung ermöglicht. Wenn ES an Bord verfügbar ist, kann dies parallel betrieben werden, um Spitzenlasten zu übernehmen, was die betriebliche Flexibilität im Hafen noch weiter verbessert. 
• Wellengeneratoren: Variable Wellengeneratoren können auf die gleiche einfache Weise wie variable Generatoren integriert werden. Ebenso kann eine PTI/PTO-Lösung sehr schlank gelöst werden, analog zu ES. 
• Brennstoffzellen: Brennstoffzellen machen bereits ihren Eintritt in die Schifffahrtsindustrie, und die Wirtschaftlichkeit von Brennstoffzellen könnte sie innerhalb weniger Jahre zu einer machbaren Energiequelle machen. Die Integration von Brennstoffzellen in ein Onboard DC Grid System erfolgt sehr schlank, analog zu ES und Wellengeneratoren. 
• Zentrale Antriebsaufstellung: Die Zusammenfassung aller Antriebe in einer zentralen Aufstellung bedeutet, dass der Bedarf an Umgebungsbedingungen (Temperatur und Luftfeuchtigkeit) und Sauberkeit z. B. in Thruster-Räumen reduziert wird. Dies ist besonders während der Konstruktion und Inbetriebnahme nützlich. 
• Zentralisiert vs. Verteilt: Während die meisten Systeme hoch zentralisiert sein werden, unterstützt die DC Grid Plattform auch vollständig verteilte Systeme mit Kabeln oder Stromschienen. • Platz- und Gewichtsreduktion: Die Anzahl der Komponenten im System wurde reduziert, was zu einer Reduzierung des Platzbedarfs um bis zu 30 Prozent im Vergleich zu einem AC-System führt. 
• Elektrische Effizienz: Im Prozess des Wechsels von AC zu DC Verteilung hat sich die elektrische Systemeffizienz um 0,5-1 Prozentpunkte verbessert. 
• Motoren mit variabler Drehzahl: Lüfter und Pumpen stellen einen großen Teil der Hilfslasten an Bord moderner Schiffe dar. Die meisten davon können durch den Einsatz von Antrieben mit variabler Drehzahl deutlich effizienter betrieben werden. Dies ermöglicht die Regelung des Flusses durch Anpassung der Lüfter- oder Pumpengeschwindigkeit statt z. B. Drosselung. Die DC Grid Plattform ist einzigartig geeignet, um dieses Potential auf kosteneffiziente Weise zu erschließen.

Shipping 4.0 weist eine helle Zukunft für den elektrischen Antrieb auf, und die Onboard DC Grid Systemplattform wird im Herzen dieser Transformation stehen. Sie ist einzigartig darauf vorbereitet, aktuelle Energiequellen zu optimieren, neue Energiequellen zu integrieren und das sehr bedeutende Potential, das durch die Digitalisierung geboten wird, zu erschließen. Es scheint, dass die Zukunft der Schifffahrt sehr wohl elektrisch sein könnte!