Potentials of hybrid Propulsion

Potentials of hybrid Propulsion A balanced approach for improved economy, ecology and safety Copyright Siemens AG, I&S OGM MAS Agenda 1. Introduction 2. Requirements for modern propulsion 3. Definition of hybrid propulsion 4. Examples 5. Improvement potentials 6. Summary 7. Discussion Introduction Conventional and electric propulsion systems are established solutions. Based on sound investigations of operating profile(s), ship engine plant can be designed for an combination of conventional and diesel-electric propulsion where their specific advantages complement each other. This presentation shall show the potentials of well balanced, energetically configured and managed machinery plants. Agenda 1. Introduction 2. Requirements for modern propulsion 3. Definition of hybrid propulsion 4. Examples 5. Improvement potentials 6. Summary 7.

Potentiale hybrider Schiffsantriebe Abstract Im Schiffsantrieb kommen konventionelle (mechanische) und elektrische Antriebssysteme mit ihren jeweiligen System-immanenten Gegebenheiten zum Einsatz. Die Randbedingungen der jeweiligen Projekte beeinflussen die Entscheidungen zur Auswahl und Konfiguration der jeweiligen Antriebsarten. Gegenstand dieses Vortrages ist es, die Abgrenzung zwischen konventionellen und elektrischen Antriebsanlagen um sog. Hybridvarianten – d.h. einer Kombination aus mechanischem mit elektrischem Antrieb und Bordnetz in einer Antriebskonfiguration aus beiden Basisausprägungen - zu erweitern und an Hand von Beispielen daraus resultierende Optimierungs- potentiale aufzuzeigen. Text Die Anforderungen an eine moderne Antriebsanlage sind vielfältig - von den Aspekten aus dem traditionellen Anforderungsprofil, wie Schiffsgeschwindigkeit, dynamisches Verhalten, Betriebskosten bis hin zu Verfügbarkeit, Wartbarkeit, Emissionen, etc. Diese Aspekte in einem Antriebskonzept zu realisieren, fordert die Kreativität und das ganzheitliche Denkvermögen der in diesem Prozess eingebundenen Menschen von der Konzept- über die Entwurfs- (einschließlich der Bewertung über Life Cycle) bis zur Erprobungsphase in nicht unerheblichem Umfang. Durch den Einsatz von hybriden Antriebsanlagen wird das Portfolio der Lösungsansätze für Antriebsanlagen erweitert – und damit die Variationsmöglichkeiten, eine für das spezifische Anforderungsprofil optimierte Anlage zu konfigurieren. Für diesen Ansatz ist die traditionelle Unterscheidung zwischen Haupt- und Hilfsbetrieb aufzuheben und nunmehr als ganzheitliche Betrachtung der installierten Leistung zu Grunde zu legen. Definiert man Hybride Antriebe als einen Begriff für Propulsionssysteme, die als Kombination aus mechanischer und elektrischer Antriebsanlage mit dem Bordnetz integriert sind, kann bei einer ersten vereinfachten Herangehensweise von einer Erweiterung des konventionellen Leistungskennfeldes einer Anlage im unteren Lastbereich (Schwachlast/Manövrierbetrieb) als auch im oberen Lastbereich (Boosterbetrieb) gesprochen werden. Die zusätzliche Energie wird aus den entsprechend dimensionierten und abgestuften Stromerzeugungsaggregaten des Bordnetzes auch mit Hilfe von Waste Heat Recovery Systemen gedeckt. Der präzisen Analyse des Anforderungsprofils kommt dabei eine gewichtige Rolle zu, da es bei dieser Herangehensweise eben stark auf die Auslegung und Abstimmung von Propulsions- und Bordnetzanlage ankommt, um die gegenseitigen Synergien zu identifizieren und den größtmöglichen Nutzen zu ziehen. Im Umkehrschluss erlaubt dieser Approach jedoch auch die Maximalleistung mit einem Booster abzudecken und eine kleinere Hauptmaschine(n) zu wählen. Daraus entstehen Vorteile für das zu installierende Gewicht/Volumen und die Auslastung der Verbrennungsmaschine – d.h. insgesamt eine höhere Auslastung bei besserem Wirkungsgrad und eine relative Spreizung des Anlagenkennfeldes bei Teillast. Das ermöglicht einen signifikanten Beitrag zu minimierten TCOs (Total Cost of Ownership). Eine derartige Konfiguration bei einem Groß-Containerschiff kann z.B. auch um eine Schaltkupplung zwischen Hauptmotor und Wellenanlage erweitert werden, was bei Nutzung des Boosterantriebes und geöffneter Schaltkupplung erhebliche Vorteile beim Manövrieren (und Emissionen) bringt. Des Weiteren lässt sich über so eine Lösung eine zweiter, unabhängiger Schiffsantrieb realisieren – ein klarer Sicherheitsgewinn. Durch den Einsatz eines Waste Heat Recovery Systems ergibt sich darüber hinaus die Möglichkeit, bis zu 12% der vom Hauptmotor abgegebenen Leistung als elektrische Energie ins Bordnetz rückzuspeisen – bzw. die CO2 Emissionen dementsprechend zu mindern. Das wirkt sich positiv auf die Betriebskosten und die Emissionen aus – vom möglichen CO2 Trading ganz abgesehen. Es sei hier nur kurz auf einen der Beschlüsse des G8 Gipfels 2007 verwiesen der eine Nachfolgeregelung für das 2012 terminierende Kyoto Protokoll festlegt! Das bedeutet, eine Form von CO2-Indexierung wird kommen – in 5 Jahren (und die Liefertermine für die größeren Neubauten liegen bereits jenseits von 2010)! Ein weiterer interessanter Anwendungsfall für Hybridantriebe ist die Konzeption von Antriebsanlagen für Eisfahrt. Der wegen der höheren Fahrtwiderstandes des Schiffes bei Eisfahrt erhöhte Leistungsbedarf wäre über eine WGA-/Boosteranlage relativ einfach abzudecken – bei leichter Nachrüstbarkeit und dem Vorteil in Freifahrt, das Bordnetz über die Hauptmaschine (mit) abdecken zu können. Speziell aus dem Vergleich der Drehmomentverläufe lässt sich der Vorteil erkennen: eine um 30 % kleinere Hauptmaschine kann bei gleicher Vortriebsleistung eingesetzt werden – bei einem zusätzlichen Leistungsbedarf im Bordnetz von z.B. 2 – 2,5 MW (was nur bei Bedarf im Eis zugeschaltet wird). Die Propulsionskennlinien ließen sich mit einem CPP noch optimaler variieren würden damit noch weiteres Betriebskostensenkungspotential erschließen. Eine Schaltkupplung zwischen Hauptmaschine und Wellenleitung könnte wiederum relativ leicht zu einem „means of secundary propulsion“ (FSIR) verhelfen. Um Einsparpotentiale aus hybriden Antriebsanlagen besser darstellen zu können, wurden Vergleiche von typischen Lastprofilen eines Containerschiffes, eines RoPax, eines Offshore Supply Vessels und eines Kreuzfahrtschiffes zugrunde gelegt. Dann wurden die installierten Leistungen für konventionelle Antriebsanlagen und für hybride Varianten (bei konstanter installierter Propulsionsleistung) – in den jeweiligen typischen Laststufen – ins Verhältnis gesetzt und miteinander verglichen. Die Auswertung der Ergebnisse ergab, daß bei den betrachteten Fällen der Einsatz hybrider Antriebsanlagen eine Absenkung der installierten Leistung zwischen 15 und 35% im Vergleich zu konventionellen Antriebanlagen ermöglicht. Diese Ergebnisse zeigen das ökonomische, ökologische und sicherheitstechnische Optimierungspotential (in gegenseitiger Ergänzung) von Antriebsanlagen, die als hybride Anlagen konzipiert wurden. Somit liegt es nahe, sich während der Konzeption von neuen Schiffsvarianten auch mit hybriden Antriebsvarianten zu beschäftigen. SIEMENS verfügt über die entsprechende Kompetenz, um Kunden bereits im Vorfeld qualifiziert zu beraten.