Das Binnenfrachtschiff MS Goblin fährt mit einem dieselelektrischen Antriebssystem anstelle eines reinen Dieselantriebs den Rhein hinauf. Somit werden mehr als 10 Prozent Kraftstoff und 3.000 Euro an Instandhaltungskosten gespart. Für die Leistungs- und Netzsteuerung werden Frequenzumrichter genutzt.

Das Schifffahrtsunternehmen von Familie Vranken ist auf den Transport von Trockengut auf der Rheinroute spezialisiert. Unter ihrer Flagge fährt auch das Binnenfrachtschiff MS Goblin, bei dem nicht auf einen reinen Dieselantrieb, sondern auf einen Hybridantrieb des Unternehmen Hybrid Ship Propulsion gesetzt wurde. Durch das dieselelektrische Antriebssystem fallen die Betriebskosten deutlich geringer aus –  genauer gesagt braucht das Schiff 12,5 Prozent weniger Kraftstoff. Doch der Lieferant des Antriebssystems, die Hybrid Ship Propulsion, sieht noch weiteres Potenzial: „Anfangs haben wir uns nur auf Flussschiffe konzentriert. Aber wir sehen auch ein großes Potenzial für Hybrid- und Elektroantriebssysteme bei Hafenschleppern und Fähren. Sie können bis zu 25 Prozent Kraftstoff einsparen“, erklärt Henri Kruisinga, kaufmännischer Leiter. Für die Lösung kommen die Frequenzumrichter Vacon NXP Liquid Cooled Drive von Danfoss zum Einsatz.
Der verringerte Kraftstoffverbrauch ließ sich eindeutig nachweisen. „Wir haben den Treibstoffverbrauch der MS Goblin und des Schwesternschiffes MS Lutin auf einer Rundfahrt genau gemessen und verglichen. Beide Schiffe hatten dieselbe Last geladen und fuhren hintereinander. Die Schiffe erbrachten genau dieselbe Leistung, aber die MS Goblin verbrauchte 12,5 Prozent weniger Treibstoff als die MS Lutin“, erklärt Danny Pols, Kapitän und Miteigentümer der MS Goblin.
Zudem liegen die Instandhaltungskosten für die MS Goblin pro Jahr um 3 .000 € unter denen der MS Lutin. Grund: Die Dieselmaschine der MS Goblin ist weniger Stunden in Betrieb ist. Die Instandhaltungskosten beinhalten Ersatzteile und Verbrauchsstoffe wie zum Beispiel Schmieröl, Filter, Kraftstoffeinspritzdüsen und sonstiges. Zudem erfordert ein typischer Dieselmotor nach 20.000 Betriebsstunden eine vollständige Überholung. Die geringere Anzahl an Betriebsstunden pro Motor  auf der MS Goblin verlängert die Zeitabstände für diese aufwendigen Wartungsarbeiten deutlich.

Hybridantrieb mit drei Leistungsmodi

Der Hybridantrieb kann in drei unterschiedlichen Modi arbeiten. Das System erreicht dann sein Leistungs- und Verbrauchsoptimum, wenn der Modus den Bedingungen der jeweiligen Route möglichst genau entspricht.

1. Reiner E-Modus
   In dieser Betriebsart läuft die MS Goblin ohne die Hauptmaschinen. Stattdessen treibt nur der (gegebenenfalls kleinere) Dieselgenerator das Schiff an. Die Hauptmaschine und die Rückwärtskupplung sind nicht in Betrieb und das System nutzt nur das Axiallager der Rückwärtskupplung. Der E-Modus sorgt für eine leise, komfortable Schifffahrt. Der Generator kann in unterschiedlichen Geschwindigkeiten laufen, um so den Kraftstoffverbrauch und den Lärmpegel zu verringern. Theoretisch wäre auch ein Pufferung über Batterie möglich, dies ist bei der MS Goblin aber nicht der Fall.
2. Reiner Diesel-Modus (konventionell)
   In diesem Modus sorgen ausschließlich die Dieselmotoren für den Antrieb der MS Goblin. Doch auch der E-Motor rotiert, während das Schiff im Diesel-Modus arbeitet, da er um die Schraubenwelle herum angebracht und über eine Flansch mit der Schraubenwelle verbunden ist. Der E-Motor versorgt dann als Wellengenerator das elektrische System an Bord mit Strom, und zwar über den Vacon MicroGrid. Während das Schiff in Bewegung ist, versorgt das Vacon-MicroGrid-System das Stromnetz an Bord immer mit reinen 50 Hz. Das heißt, der Dieselgenerator muss nicht in Betrieb sein, wenn das Schiff im Diesel-Modus arbeitet. Auch dies spart Energie durch die bessere Auslastung der Hauptmaschinen und reduziert in diesem Fall wiederum entsprechend Betriebsstunden beim Generator.
3. Hybrid Diesel + E-Modus
   Die MS Goblin bietet den Vorteil, dass sie gleichzeitig im Diesel- und E-Modus arbeiten kann. Durch diese Flexibilität nutzt sie die gesamte verfügbare Leistung für den Antrieb. Die Hauptmaschinen laufen mit der höchsten Geschwindigkeit und der E-Motor addiert seinen Schub hinzu. Die MS Goblin lässt sich während der Fahrt reibungslos von einem Modus in einen anderen umschalten, um jederzeit mehr Leistung zu bekommen, falls nötig.
   Das gesamte Hybridantriebssystem wurde von der Schiffsklassifizierungsgesellschaft abgenommen und genehmigt, um zu garantieren, dass alle Vorgänge einwandfrei funktionieren. Selbst bei einem abrupten Wechsel von „volle Kraft voraus“ zu „voll zurück“ (in einem Notfall) lässt sich das Schiff vom E-Modus in den Diesel-Modus oder den Hybrid-Modus Übergangslos umschalten.

Hybridtechnik – welche Komponenten sind notwendig?

Betrachtet man das elektrische Netz und alle elektrischen Antriebe an Bord gesamtheitlich, kommt Hybridisierung automatisch ins Spiel: Hybrid-Schiffe werden aus zwei oder mehr Energiequellen gespeist, oft auch zusätzlich mit integrierten Energiespeichern in Form von Batterien oder Superkondensatoren (Super-Caps). Die Nutzung mehrerer Energiequellen zur Stromversorgung von Schiffen ist durch bedarfsgerechte und optimierte Ausnutzung der Energie um 20 bis 30  Prozent effizienter. Zudem macht die Hybridtechnik Schiffe flexibler und dynamischer im Hinblick auf optimierten Energieverbrauch oder Leistungsaufnahme. Zu den Vorteilen zählen geringere Emissionen, niedrigere Betriebskosten aufgrund geringeren Kraftstoffverbrauchs sowie verbesserte langfristige Effizienz des Spannungsversorgungssystems. Nötig für die Umsetzung derartiger Lösungen sind eine Reihe an wichtigen Komponenten, die im nachfolgenden geschildert werden.
Wellengenerator PTI/PTO: Zur Optimierung des Hauptantriebs des Schiffs wird ein Wellengenerator mit Power Take In-/Power Take Out-Technologie eingesetzt (PTI/PTO). Dieser Wellengenerator speist entweder das restliche Bordnetz oder gibt überschüssige, anderweitig erzeugte Leistung an die Schiffsschraube ab. Die variable Drehzahlregelung des an die Welle des Hauptmotors gekoppelten Wellengenerators stellt sicher, dass dieser Leistungsbeitrag bestmöglich genutzt wird. Wenn der Wellengenerator mit Vacon-Frequenzumrichtern optimiert ist, die über Mikrogrid-Umrichter-Technologie verfügen, profitieren die Schiffe von folgenden Vorteilen:

• Die Motordrehzahl lässt sich an den tatsächlichen Lastbedarf anpassen und optimieren. Treibstoffeinsparungen von bis zu 30 Prozent, weniger CO2- und NOx-Emissionen,
• variable Frequenz und Spannung des Wellengenerators, während Nennspannung und -frequenz im Stromnetz des Schiffes konstant bleiben,
• optimierter PTO- oder PTI-Betrieb des Wellengenerators,
• kontinuierlicher Parallelbetrieb von Wellengenerator und Hilfsgeneratoren.

Um das Antriebssystem weiter zu optimieren, können Anwender den Kombimodus wählen. In diesem Betriebsmodus werden variable Drehzahl und variable Steigung der Schiffsschraube kombiniert.

Alternativer Hauptantrieb: Ein elektrischer Hauptantrieb bringt große Freiheiten beim Schiffsdesign. Schiffe lassen sich weitaus effizienter bauen, wenn Konstrukteure traditionelle Grenzen bei der Auslegung der Geräte aufgrund von mechanischen Beschränkungen (z. B. Erfordernis, dass die Hauptmotoren sich in der Nähe der Schraubenwellen befinden und an diesen ausgerichtet sind) nicht beachten müssen. Wenn ein VLT- oder Vacon-Umrichter die Schiffsschraube regelt, kann das Antriebssystem die für das Drehen der Schiffsschraube verfügbare Leistung mit leichteren und weniger robusten mechanischen Konstruktionen vorhalten, als dies bei einer konstanten Leistungsübertragung ansonsten erforderlich wäre: Aufgrund der Inflexibilität der konstanten Leistungsübertragung produziert diese exzessive mechanische Belastung. Fällt dies weg, wird der Bau des Schiffs billiger und die Struktur leichter. Mit elektrischem Antrieb bieten sich folgende Vorteile:

• Anstelle von Diesel-Hauptmaschinen können eine beliebige Zahl im optimalen Bereich arbeitender Generatoren die Energie liefern, was eine hohe Redundanz ermöglicht.
• Die Kombination aus Motor und Umrichter braucht nur Energie, wenn die Propeller arbeiten – kein Leerlaufverbrauch.
• Der Umwelt kommen der niedrigere Treibstoffverbrauch und niedrigere Abgasemissionen zugute.