Einfluss umweltfreundlicher Schiffantriebsanlagen auf den Entwurf von Marineschiffen
Dr.-Ing. Martin Schöttelndreyer, Dipl.-Ing. Hartmuth Grobelin, thyssenkrupp Marine Systems GmbH, Hamburg
Die typischen Antriebskonzepte bei militärischen Schiffen bestehen aus Verbrennungsmaschinen wie Diesel und Gasturbinen und elektrischen Antrieben, typischerweise E-Motoren. Zur Stromerzeugung wird zurzeit überwiegend auf dieselgetriebene und gasgetriebene Stromerzeuger gesetzt.
Bei tkMS wurden für die Weiterentwicklung leichter Fregatten verschiedene Antriebskonzepte entwickelt. Grundlage dafür war eine klassische Combined Diesel and Diesel (CODAD) Antriebskonfiguration. Daraus ableitend wurde eine Studie für ein hybrides Antriebskonzept als Combined Diesel-Electric and Diesel (CODELAD) entworfen mit dem primären Ziel, ein leises Schiff zu gestalten. Diese Entwicklung wurde konsequent weiter betrieben bis hin zu einem Integrated Full Electric Propulsion Antriebskonzept (IFEP).
Ziel der Untersuchungen ist es, die genannten Antriebskonzepte zu vergleichen und die Ergebnisse in Form von Kennziffern und Empfehlungen darzustellen. Damit wird ein Beitrag zur Gestaltung einer optimalen Antriebskonfiguration für vorgegeben Anforderungen an das Schiff geleistet.
Zum Vergleich der Konfigurationen wird davon ausgegangen, dass der Schiffsentwurf (CODAD) mit seinen Hauptabmessungen und Schottabständen (sicherheitsrelevant) sowie der elektrischen Bordlast sich nicht verändert. Innerhalb dieser Grenzen ergeben sich verschiedene Anpassungen, woraus sich differenzierte Werte für die Reichweite, die Geschwindigkeit sowie die Seeausdauer innerhalb und außerhalb von Emission Control Area (ECA) ergeben.
Beim zugrundeliegenden Schiffsentwurf werden die Anlagenkomponenten klassifiziert.
Antriebsmotoren als Diesel, stromerzeugende Dieselgeneratoren und Brennstoffzellen werden unter Kategorie a) zusammengefasst.
Batterien gehören zu Kategorie b) und die Brennstoffe gehören zur Kategorie c). Unter Kategorie d) werden schiffsseitig notwendige Systeme aufgeführt, die für einen sicheren und klassekonformen Betrieb notwendig sind. Dazu gehören insbesondere Kühlung, Lüftung, Komponentensicherung, Instandhaltung/Austauschbarkeit und Automatisierung.
Damit können folgende Kategorien definiert werden:
a) Energieerzeugende und –vernichtende Komponenten
b) Energiespeichernde Komponenten
c) Energieabgebende fossile Komponenten
d) Zugehörige technische Schiffsbetriebssysteme
In den Ausführungen werden die typischen und für den Antrieb notwendigen Aggregate untersucht. Typisch für Schiffe in der Größenordnung der leichten Fregatten sind Antriebsdiesel im Leistungsbereich von 4 bis 10 MW, Gensets von 0,6 bis 3 MW und E-Motoren im Bereich von 0,5 bis 7 MW. Ebenfalls untersucht wird die Fähigkeit von Brennstoffzellen im Bereich von 1 bis 4 MW.
Batterien sind als Energiespeicher insbesondere bei Forderungen nach sehr geringen Schallwerten als Antriebleistung interessant. Hier sind Werte bis zu 10 MWh realistisch. Für Batterien und Brennstoffzellen ist die Energiedichte als Verhältnis von Leistung und Gewicht zu beachten.
Untersucht werden ebenfalls die zur Energieerzeugung notwendigen Brennstoffe. Typisch sind hierbei F75/F76, E-Fuels, Methanol, Ammoniak und reiner Wasserstoff. Dabei ist die Auswirkung der Energiedichte auf die Tankkapazität zu untersuchen.
Impact of environment-friendly ship propulsion systems on the design of naval vessels
