Antrieb im Wandel: Die Zukunft fährt elektrisch

Schon kleine Kinder lernen: Elektrizität und Wasser vertragen sich nicht gut und können zusammen zur ernsthaften Gefahr werden. Im maritimen Einsatz kann diese Binsenweisheit allerdings in gewisser Weise in den Wind geschossen werden. Immer mehr Reedereien setzen verstärkt auf den Einsatz von elektrischen Motoren wie denen von Elin und nutzen diese sowohl als Hilfs, Neben- sowie primär auch als Hauptantrieb. Denn die Vorteile elektrischer Motoren liegen auf der Hand: Sie sind sauberer und deutlich leiser als klassische Verbrenner. Die Herausforderung ist jedoch, dass sie starken Umwelteinflüssen wie Spritzwasser und Salz im maritimen Einsatz trotzen müssen. Hochwertigen Elektromotoren gelingt dies, und so gewährleisten sie für den Schiffsbetrieb höchste Verfügbarkeit und Betriebssicherheit.

Um die Schifffahrt zu modernisieren, kommen Reedereien an elektrischen Motoren heutzutage kaum mehr vorbei. Bis 2050 soll der Seeverkehr klimaneutral sein – so die Maßgabe der Internationalen Seeschifffahrts-Organisation (IMO). Als Umweltbelastung ist jedoch nicht nur der Ausstoß von CO2 zu betrachten, sondern vor allem auch die Geräuschentwicklung: Je geringer die Vibrationen, desto leiser ist ein Antrieb und desto achtsamer ist der Umgang mit der Natur. Klassische Verbrenner können beide Aspekte nicht erfüllen, weshalb sie langfristig von modernen Technologien wie eben Elektromotoren abgelöst werden; kurzfristig sind vor allem Hybridlösungen hoch im Kurs, die einen sanften Übergang zur Erreichung besagter Klimaziele optimal unterstützen. Doch die Herausforderungen in diesem Wandel sind hoch: Elektromotoren gilt es vor Umwelteinflüssen wie Wasser und Salz zu schützen. Zudem kann es keine Standard-Lösungen geben, weil die modernen Antriebe vielfach in Retrofit- und Plug&Play-Konzepten umgesetzt werden müssen – Reedereien tauschen ja nicht gleich ihre Flotten in Gänze aus, sondern „nur“ den Antrieb. Elektromotoren müssen sich daher unter anderem an den vorhandenen Bauraum anpassen und gleichzeitig technisch optimal ausgelegt sein – bei höchstmöglicher wirtschaftlicher Effizienz.

Gelingen kann dies mit leistungsstarken Elektroantrieben, bei denen bereits bei der Entwicklung die individuellen Rahmenbedingen und Anforderungen mitberücksichtigt werden. „Wir nehmen uns deshalb initial viel Zeit für unsere Kundinnen und Kunden und gehen vertieft in den technischen Diskurs“, beschreibt Bernd Passath, Sales Manager bei ELIN Motoren und Experte für maritime Antriebstechnik. Das österreichische Unternehmen blickt auf eine 130-jährige Geschichte zurück und ist im maritimen Umfeld inzwischen als Spezialist für anspruchsvolle Kleinserien und elektrische Antriebe positioniert.

Schutzklassen und Rahmenbedingungen initial festlegen

Bereits zu Beginn der Angebotsphase müssen beispielsweise die Schutzklassen festgelegt werden, sprich: Es muss klar sein, wie gut der Elektromotor gegen das Eindringen von Wasser und salzhaltiger Luft geschützt sein muss. „Schutzklassen bis IP68 sind möglich, wo der Motor zeitweise oder dauerhaft untergetaucht werden darf“, so Passath. Neben der Schutzklasse gilt es die vorliegenden Rahmenbedingungen zu berücksichtigen: Jedes Schiff ist anders zu verstehen, jeder Bauraum setzt andere Voraussetzungen für die Größe des Elektromotors, zum Teil sind sogar die Aufnehmungen bereits vorgegeben. Auch die Hebellänge ist entscheidend: Ein Schiff mit einer Länge von 300 Metern stellt andere Herausforderungen als eines mit nur 50 Metern Länge.

Zudem ist die Technologie des Elektromotors ausschlaggebend für die individuelle Entwicklung: Denkbar und je nach den Anforderungen können Permanentmagnet-, Synchron- oder Asynchronmaschinen in den unterschiedlichsten Ausführungen und Leistungsklassen eingesetzt werden. An die Motorfrequenz des Elektromotors stellen sich für den Einsatz auf Schiffen zudem spezifische Anforderungen, weil ein Variabler Frequenzbetrieb (Variable Frequency Drive, VFD) notwendig ist. Der Einsatz von Schleifringtechnologien wäre grundsätzlich ebenfalls möglich; auf Schiffen werden sie jedoch nur selten eingesetzt, während Käfigmotoren aufgrund ihrer Robustheit und Zuverlässigkeit deutlich häufiger zur Anwendung kommen. Zu klären sind des Weiteren Fragen nach der Motorleistung, der Drehzahl und der Betriebsart. Möglich ist der Einsatz eines Elektromotors im Dauerbetrieb bei kontinuierlich hoher Drehzahl – bei der Überfahrt auf hoher See zum Beispiel. Aber auch für Halbtaucher in Häfen eignen sich elektrische Antriebe. „Da Halbtaucher hohe Gewichte und Volumen bewegen, brauchen sie kurzfristig sehr, sehr viel Leistung“, weiß Passath.

Je nach Schiffsklasse spezifische Anforderungen

Auch an die Lagerkonzepte stellen sich für Elektromotoren in der Schifffahrt gewisse Anforderungen. „Hinter den einzelnen Schiffsklassen steht ein großes Versicherungsnetzwerk, da müssen die Schiffe und eben auch die Elektromotoren spezifische Kriterien erfüllen“, erklärt der Experte. Als ein Beispiel für eine Anforderung ist der Wellengang beziehungsweise Schwingungen zu nennen: Der Wellengang wirkt auf das Schiff ein, die Schwingungen werden vom Schiff auf das Fundament übertragen; letztlich muss der Elektromotor diese Kräfte abfangen können. Je nach Schiffsklasse muss der Motor entsprechend anders ausgelegt sein, um die Herausforderungen auf See erfüllen zu können. „Das muss alles individuell abgeklärt werden“, betont der Experte.

Zusätzlich zu den Schiffsklassen stellen auch Klimaklassen bestimmte Bedarfe an einen Elektromotor. Je nachdem, in welchen Gebieten ein Schiff unterwegs ist, braucht der Motor beispielsweise eine Antikondensatheizung, zusätzliche Temperatursensoren, um ein Überhitzen frühzeitig zu erkennen. Zwischenfälle auf hoher See gilt es schließlich tunlichst zu vermeiden, deshalb ist auch das Thema Redundanz ein entscheidendes. Schiffe haben oftmals gewisse Redundanzen integriert, als Beispiel führt der Experte den elektrifizierten Voith-Schneider-Propeller an: „Den Voith-Schneider-Propeller haben wir erfolgreich elektrifiziert und zwei separate Wicklungen in den Elektromotor integriert. Selbst wenn eine Spulenseite mal ausfallen sollte, kann das System weiterlaufen.“

Elektromotor in Gesamtsystem integrieren

Ein Elektromotor ist übrigens nicht isoliert zu betrachten, vielmehr muss die moderne Antriebstechnik im Gesamten als System funktionieren. „Wir arbeiten oft mit Systemintegratoren zusammen, die beispielsweise die Umrichtertechnik und das Boardnetzwerk angeboten bekommen und dann dafür den optimalen Motor mit gewissen elektrischen Charakteristika suchen“, erklärt Passath. Der Antrieb muss letztlich effizient sein und höchstmögliche Wirkungsgrade erreichen. „Nehmen wir einen Frequenzrichter als Beispiel: Der hat einen gewissen Wirkungsgrad und dahinter einen elektrischen Motor mit einem weiteren Wirkungsgrad geschaltet. Das Boardnetzwerk mit seinen vielen Leitungen hat wieder einen Wirkungsgrad. Aber Wirkungsgrad mal Wirkungsgrad mal Wirkungsgrad – das wird am Ende nicht besser“, führt Passath aus.

Deshalb muss der Elektromotor möglichst gut auf das Gesamtsystem abgestimmt werden, um die Energieeffizienz zu steigern und den Motor harmonisch in das bestehende Boardnetz einzubinden. Denn das Boardnetzwerk wird bei Revitalisierungsprojekten „ungerne angefasst“, wie es der Experte formuliert; schließlich sind auf einem Schiff hunderte Kilometer Kabel verlegt, der Aufwand dieses zu erneuern wäre viel zu groß. Zusätzlich soll der elektrische Antrieb auch in die vorhandenen Schiffsautomations- und Energiemanagementsysteme integriert werden. Diese sind bei vielen Neubauten bereits üblich und haben eine wichtige Funktion: Statt von einer gesamten Crew werden hochmoderne Schiffe nur noch von zwei bis drei Personen navigiert und per Satellit getrackt. „Dadurch können die Betriebszustände kontinuierlich überwacht werden“, weiß der Experte. In naher Zukunft sollen diese Daten auch für die Entwicklung der Elektromotoren genutzt werden. „Bislang war es schwierig, diese Daten aus den Reedereien zu bekommen“, so Passath. Durch modernes Monitoring und den daraus gewonnenen Felddaten können Belastungen des Schiffes besser erfasst werden, sodass die elektrische Maschine gezielt an die Anforderungen angepasst und optimal ausgelegt werden kann.

Fazit

Elektrische Antriebe gewinnen in der Schifffahrt zunehmend an Bedeutung, da sie umweltfreundlicher, leiser und zukunftsfähiger sind als klassische Verbrennungsmotoren. Trotz der anspruchsvollen maritimen Bedingungen – insbesondere durch Wasser, Salz und mechanische Belastungen – können moderne Elektromotoren bei entsprechender Auslegung zuverlässig und sicher betrieben werden. Entscheidend ist dabei eine individuelle Anpassung an Schiff, Einsatzgebiet und Gesamtsystem. So bilden maßgeschneiderte, effizient integrierte Elektromotoren eine zentrale Grundlage für die nachhaltige Transformation der Schifffahrt.

Autorin:         Julia Kowal, Redakteurin für Wordfinder