Intelligente Auslegungswerkzeuge für Hybridantriebe
Thilo Jürgens-Tatje, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Friedrich Wirz, Technische Universität Hamburg
Die Elektrifizierung der Mobilität schreitet schnell voran. Auch auf immer mehr Wasserfahrzeugen werden bereits heute Batteriesysteme eingesetzt. Sinkende Kosten und steigende Emissionsanforderungen werden den Einsatz von Batterien an Bord von Schiffen in Zukunft weiter begünstigen. Die Art und Weise, wie ein Batteriesystem an Bord optimal genutzt werden kann, ist jedoch stark vom jeweiligen Schiff und dessen Einsatzprofil abhängig. Denkbar sind in dieser Hinsicht diverse Einsatzszenarien für Batteriesysteme:
Die umfangreichste, wenngleich auch simpelste Anwendung ist das voll-batterieelektrische Antriebssystem. Diese Antriebskonfiguration eignet sich jedoch nur für Schiffe, die nur sehr kurze Strecken zurücklegen und über regelmäßige Ladestopps verfügen. Für Anwendungsfälle, in denen ein solches Schiff auch längere Einsätze spontan erfüllen können muss, ist die Ergänzung eines Range-Extenders ggf. sinnvoll. Hierbei handelt es sich um einen Motor oder eine Brennstoffzelle, die bei niedrigen Ladeständen der Batterie zusätzliche Energie liefert.
Für Schiffe, die weitere Strecken ohne Unterbrechung zurücklegen müssen, eignen sich Batteriesysteme nicht als primäre Energiespeicher. Stattdessen werden kostenintensive alternative Kraftstoffe notwendig sein, um die gesetzten Klimaziele zu erreichen. Hier sind lediglich ergänzende Batteriesysteme zur Effizienzsteigerung denkbar. Zu den möglichen Regelkonzepten für diesen Anwendungsfall zählt das sogenannte Peak-Shaving- oder Load-Leveling. Dabei werden die Motoren oder Brennstoffzellen auf einen möglichst effizienten Betriebsbereich oder -punkt eingeschränkt. Abweichende Leistungsanforderungen aus dem Schiffsbetrieb werden durch ein Batteriesystem abgefangen. Diese Systeme sind sowohl mit also auch ohne Plug-in-Möglichkeit, also Landstromnutzung, denkbar.
Demgegenüber stehen Konzepte bei denen die Leistung nicht gleichzeitig aus Motor/Brennstoffzelle und Batterie entnommen wird, sondern zeitlich getrennt. Die Batterie ermöglicht es in diesen Konzepten die Hauptenergieversorgung für eine Zeit lang auszuschalten, um den Komfort der Passagiere zu steigern oder eine zeitweise komplett emissionsfreie Fahrt zu realisieren.
Auch Mischkonzepte können für gewisse Schiffe durchaus sinnvoll sein. So kann eine Peak-Shaving-Batterie durch geschickte Auslegung unter anderem auch für eine Silent-Night-Anwendung genutzt werden.
Die Auswahl eines passenden Konzepts und die anschließende Dimensionierung der Komponenten sind sehr aufwändig und müssen für jedes Schiff individuell durchgeführt werden. Schon kleine Fehldimensionierungen können mögliche Effizienzgewinne zunichte und schlimmstenfalls das Antriebssystem unbrauchbar für die geplante Anwendung machen. Hinzu kommt, dass es im Entwurfsprozess diverse Hürden zu nehmen gilt. So ist die Auswahl im Bereich Brennstoffzellen und Motoren für alternative Kraftstoffe noch ebenso beschränkt, wie die Auswahl geeigneter Batteriesysteme. Im Entwurfsprozess sind Faktoren wie die Zellalterung durch das gegebenen Leistungsprofil oder die korrekte Berücksichtigung aller Verluste essentiell. Insbesondere die Zellalterung ist leider nur sehr schwer zu prognostizieren, zumal die Datenbasis, welche als Bemessungsgrundlage herangezogen wird, häufig nicht hinreichend ist.
Diese Veröffentlichung soll einen möglichen Weg aufzeigen, den Entwurf von hybriden Antriebssystemen systematisch zum optimalen Ergebnis zu führen. Dabei werden verschiedene Softwarebausteine genutzt, um den Entwurf weitestgehend zu automatisieren. Der Fokus dieses Vorgehens liegt dabei auf einer schnellen effizienten Lösungsfindung. So lassen sich innerhalb kürzester Zeit diverse Konfigurationen untersuchen, auswerten und vergleichen. Dabei wird bewusst auf ganzheitliche Simulationen verzichtet, um Aufwand, Kosten und Zeit zu sparen. Das Endergebnis kann dann bei Bedarf in einer Schiffssimulationssoftware wie HyPros (vgl. STG HV 2021) validiert und bezüglich besonderer Manöver untersucht werden.
