Hybride Antriebsanlagen mit Verstellpropellern

Der Begriff hybrider Antriebskonzepte wird in diesem Vorhaben interpretiert als gleichzeitiger Einsatz elektrischer Maschinen in einem dieselmechanischen Antriebsstrang. Der am häufigsten an Bord von Schiffen vorhandene Anwendungsfall sieht den Betrieb dieser elektrischen Maschinen bei konstanter Drehzahl vor, welcher insbesondere in Teillast eine erhebliche Verschlechterung des Propellerfreifahrtwirkungsgrades mit sich zieht. Es wird daher der Einsatz von Frequenzumrichtern vorgesehen, um einen drehzahlvariablen Betrieb von Haupt- und elektrischer Maschine am Bordnetz zu ermöglichen. Die zusätzlichen Investitionskosten sowie die Einsparungen in Bezug auf Betriebs- und Wartungskosten werden quantifiziert und mithilfe des erwarteten Einsatzprofiles des Schiffes ist es bereits in der frühen Projektphase möglich, die Amortisationszeit zu prognostizieren und eine Entscheidungshilfe für oder wider hybride Antriebskonzepte zu geben.

Gasmotorenperformance - Untersuchung des transienten Betriebsverhaltens von Gas-Großmotoren im Manöver

Getrieben durch die zunehmende Debatte um umweltfreundliche Schiffsantriebe wird zurzeit der Einsatz von Erdgas anstelle des üblichen Schweröls favorisiert. Gasmotoren werden seit langer Zeit erfolgreich in stationären Anlagen zur Stromerzeugung eingesetzt. Der Betrieb auf Schiffen ist verhältnismäßig neu und wesentlich dynamischer. Die Herausforderung hierbei ist es, ein dem Dieselmotor vergleichbares Dynamikverhalten zu erzielen. Begrenzend wirken hier die Klopf- und Aussetzergrenze von Gasmotoren.
In diesem Projekt sollen Maßnahmen untersucht werden, die dazu führen, dass ein dem Dieselmotor gleichwertiges dynamisches Verhalten erreicht wird. Einflussgrößen sind dabei natürlich die Luftversorgung der Motoren und seine Regelungsstrategie, aber auch die Laststeuerung durch den Verstellpropeller, sowie eine mögliche elektrische Unterstützung durch die Hilfsmaschinen und/oder eine Batterie. Die zu untersuchenden Lastfälle sollen typische Manöverzustände von Schiffen repräsentieren. Zu unterscheiden sind hier normale Anwendungen (Containerschiffe, Bulker, Tanker,…) sowie hochtransiente Anlagen (Offshore Supplier, Schlepper,…). In diesem Vorhaben soll ein Simulationstool (Fast Running Modell oder Real Time) geschaffen werden, das eine Parameteroptimierung zulässt und grundsätzliche Aussagen zur Anlagenauslegung gestattet.

Auslegung und Optimierung hybrider Antriebsanlagen

Artikel Bereits in der frühen Projektphase eines Schiffsneubaus wird die Antriebsanlage konzeptioniert und ausgelegt. Treibende Faktoren wie schwankende Rohölpreise und sich ändernde Gesetzeslagen bezüglich Emissionen und Kraftstoffzusammensetzung führen zur Entwicklung alternativer Antriebskonzepte auf Basis von Verbrennungsmotoren in Kombination mit elektrischen Antrieben. In diesem Beitrag wird das Ergebnis der Entwicklung einer Simulationsmethode vorgestellt, die zur Auslegung von Hybridantriebsanlagen mit Viertakt-Dieselmotoren entworfen worden ist.
Prof. Dr.-Ing. Friedrich Wirz und Leif-Erik Jannsen, M.Sc. in: Schiff&Hafen, Ausgabe 07/2017
www.schiffundhafen.de

Hybride Antriebsanlagen mit Verstellpropellern

Vortrag Hybride Antriebskonzepte ermöglichen unter Einsatz von Frequenzumrichtern den Betrieb elektrischer Maschinen in einem dieselmechanischen Antriebsstrang bei variabler Drehzahl. Dieser bietet gegenüber dem Konstantdrehzahlbetrieb signifikante betriebliche Vorteile im Teillastbereich der Anlage, da die Verstellpropeller näher an der Designsteigung betrieben werden und die Laufzeiten einzelner Dieselmotoren an Bord verringert werden können. Um die Vorteile einer Hybridanlage optimal nutzen zu können, wurde an der Technischen Universität Hamburg eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, eine über den gesamten Betriebsbereich wirkungsgradoptimierte Kombinator-Propellerkurve zu berechnen. Hierbei werden reale Fahrprofile sowie die vorliegende Gesamtanlagenkonfiguration berücksichtigt. Unter Einbeziehung der Bordnetzlast kann somit der Kraftstoffverbrauch unterschiedlicher Anlagenkonfigurationen bereits im frühen Entwurfsstadium quantifiziert werden. Weiterhin werden eine erste Abschätzung der Laufzeiten an Bord befindlicher Dieselmotoren durchgeführt und mittels herstellerspezifischer Wartungsintervalle die Wartungskosten prognostiziert. Durch die Gegenüberstellung mit anderen Propulsionskonzepten wird die Entscheidungsfindung für oder gegen ein Hybridkonzept erheblich vereinfacht.
Leif-Erik Jannsen, M.Sc., und Prof. Dr.-Ing. Friedrich Wirz in: 112. Hauptversammlung der Schiffbautechnischen Gesellschaft, Hamburg, Deutschland, 2017

• Brentrup, Felix: Simulationsgestützter Entwurf eines Gas-Hybrid-Antriebskonzeptes für eine Ro-Ro-Fähre auf Basis der bestehenden dieselmechanischen Anlage. Masterarbeit 04/2019

• Bui, Trong-Nghia: Modellierung und Parametrisierung der Maschinenanlage eines Flüssiggastankers zum Zweck der Simulation transienter Vorgänge im Manöver. Bachelorarbeit 01/2019

• Krafft, Andreas: Entwicklung einer Programmschnittstelle zwischen Matlab®-Simulink® und der Entwurfsmethodendatenbank E4. Masterarbeit 12/2018

• Dijk, Jan-Erik: Analysis of the Knocking Phenomenon in Marine Gas Engines. Projektarbeit 10/2018

• Sedlatschek, Stefan: Prognose von Propellerschub und –drehmoment auf Basis der Wageningen C-Serie. Bachelorarbeit 01/2018

• Rockhoff, Christin: Dreidimensionale Modellierung eines Großmotorenprüfstandes zum Zwecke der Simulation von Gasaustrittsgefährdung und Explosionsausbreitung. Projektarbeit 08/2017

• Stöcker, Jan Henrik: Konzeption eines elektromechanisch angetriebenen Festflossenstabilisators für Schiffe. Bachelorarbeit 07/2017

• Podzun, Daniel: Korrektur von motorseitiger Schwingungserregung auf Betriebspunkten abseits der nominellen Propellerkurve. Projektarbeit 04/2017

• Brentrup, Felix: Untersuchung der Massenkraftverläufe und Steuerzeiten eines Niederdruck-Hydraulikmotors mit Optimierung der Gehäusekurve. Bachelorarbeit 06/2016