Ro-Pax, d. h. Roll-on/Roll-off-Passagierschiffe, fahren meistens kurze Strecken zwischen Inseln in einem Archipel. Die Betriebsprofile* der Schiffe ändern sich ständig. Das wirft Probleme hinsichtlich der Energieeffizienz und des Kraftstoffverbrauchs auf. C&A Electric und VACON Korea haben eine effiziente Energieerzeugungslösung entwickelt, welche die Gebrauchseigenschaften von Wellengeneratoren verbessert. Diese Lösung kommt auf zwei Ro-Pax-Schiffen zum Einsatz, die für die Attica Group, die Muttergesellschaft von Blue Star Ferries, gebaut wurden.
Star Ferries bestellte zwei neue Ro-Pax-Schiffe bei einer in Korea ansässigen Werft. Die Attica Group legt besonderen Wert auf Umweltaspekte und investiert kontinuierlich in neue Technologien. Deshalb beauftragte sie die Werft, eine hochmoderne und energieeffiziente Energieerzeugungslösung für ihre Ro-Pax-Schiffe zu entwickeln. Trotz des engen Zeitplans konnte VACON Korea gemeinsam mit ihrem Systemintegratorpartner C&A Electric liefern, was der Schiffsbauer brauchte – eine Anlage auf Basis eines Wellengenerator-Umrichteraggregats.
Die Lieferung von VACON an C&A Electric umfasste vier wassergekühlte Wellengenerator-Umrichteraggregate mit 1500 kVA, die auf einer modifizierten Standardausführung des VACON® NX Compact Cube basieren. Der Einspeise-Hauptschalter wurde entfernt, da dieser bereits in der Niederspannungsschaltanlage integriert ist. Der Nennstrom ist hoch und die Nennspannung niedrig (400 V, 50 Hz), was für Ro-Pax-Schiffe typisch ist. Dies stellte einige Herausforderungen an die Auslegung der erforderlichen Filter.
„Obwohl die Entscheidung für die Erstellung einer ausgeklügelten Lösung erst kurz vor der Fertigstellung des Energieerzeugungskonzepts fiel, fanden wir eine gute Lösung, die auch den Herausforderungen anspruchsvoller Bedingungen und begrenzten physischen Raums Rechnung trägt“, sagt Jussi-Pekka Sampola, Managing Director von VACON® Korea Ltd.
Ro-Pax, d. h. Roll-on/Roll-off-Passagierschiffe, fahren meistens kurze Strecken zwischen Inseln in einem Archipel. Die Betriebsprofile* der Schiffe ändern sich ständig. Das wirft Probleme hinsichtlich der Energieeffizienz und des Kraftstoffverbrauchs auf. C&A Electric und VACON Korea haben eine effiziente Energieerzeugungslösung entwickelt, welche die Gebrauchseigenschaften von Wellengeneratoren verbessert. Diese Lösung kommt auf zwei Ro-Pax-Schiffen zum Einsatz, die für die Attica Group, die Muttergesellschaft von Blue Star Ferries, gebaut wurden.
Im Juni 2009 bestellten die Attica Group und Blue Star Ferries zwei neue Ro-Pax-Schiffe bei einer in Korea ansässigen Werft. Die Attica Group legt besonderen Wert auf Umweltaspekte und investiert kontinuierlich in neue Technologien. Deshalb beauftragte sie die Werft, eine hochmoderne und energieeffiziente Energieerzeugungslösung für ihre Ro-Pax-Schiffe zu entwickeln. Trotz des engen Zeitplans konnte VACON Korea gemeinsam mit ihrem Systemintegratorpartner C&A Electric liefern, was der Schiffsbauer brauchte – eine Anlage auf Basis eines Wellengenerator-Umrichteraggregats.
Die Lieferung von VACON an C&A Electric umfasste vier wassergekühlte Wellengenerator-Umrichteraggregate mit 1500 kVA, die auf einer modifizierten Standardausführung des VACON® NX Compact Cube basieren. Der Einspeise-Hauptschalter wurde entfernt, da dieser bereits in der Niederspannungsschaltanlage integriert ist. Der Nennstrom ist hoch und die Nennspannung niedrig (400 V, 50 Hz), was für Ro-Pax-Schiffe typisch ist. Dies stellte einige Herausforderungen an die Auslegung der erforderlichen Filter. C&A Electric ist ebenfalls mit dem Projekt zufrieden. „Man ging davon aus, dass die von den Dieselgeneratoren gelieferte elektrische Energie bei laufendem Betrieb der großen Strahlrudermotoren unzureichend sein würde. Deshalb suchte der Schiffsbauer nach einem Weg, die Leistung des Schiffsnetzes zu erhöhen. Wir schlugen vor, zur Übertragung des Stroms, den die an Bord des Schiffs installierten Wellengeneratoren erzeugten, VACON®-Frequenzumrichter einzusetzen. Dies war eine sehr anspruchsvolle Lösung, da der mit dem Wellengenerator verwendete Frequenzumrichter in der Lage sein musste, parallel zum netzspeisenden Dieselgenerator zu arbeiten. Dank unserer intensiven Gespräche und der Zusammenarbeit mit VACON Korea konnten wir eine erfolgreiche Lösung finden“, so einer der Mitarbeiter des Projektteams von C&A Electric. „Ich gehe davon aus, dass diese Referenz weitere Geschäftsmöglichkeiten für C&A Electric und VACON® in Schiffbauprojekten eröffnen wird, in denen Redundanz- und Energiesparmöglichkeiten für das Stromnetz von wesentlicher Bedeutung sind“, merkt er abschließend an.
Die Blue Star Delos, das erste der beiden Ro-Pax-Schiffe, ist nun seit Mitte November 2011 auf griechischen Inselrouten im Einsatz. Das zweite Schiff, die Blue Star Patmos, wurde am 12. Juli 2012 an den Eigner übergeben und ist seitdem auf den Inseln der Nord-Ägäis im Einsatz.
Energieerzeugung an Bord eines Schiffs
Traditionell wird elektrische Energie an Bord eines Schiffs durch Dieselgeneratoren, Wellengeneratoren und Notstromaggregate erzeugt. Im Normalbetrieb produzieren die Wellengeneratoren den Strom an Bord; Dieselgeneratoren kommen zum Einsatz, wenn zusätzliche elektrische Energie erforderlich ist oder die Verwendung der Wellengeneratoren nicht möglich ist. Dies ist meistens der Fall, wenn das Schiff vor Anker liegt oder während des Anlegevorgangs am Kai.
Wenn Schiffe vor Anker liegen, gelten strenge Abgasgrenzwerte. Eine Möglichkeit ist der Einsatz hochwertigen, hochoktanigen Kraftstoffs, der weniger Abgase verursacht. Dieser ist jedoch kostspielig. Weitere Optionen sind das Reinigen der Abgase von Schwefeloxid (SOx) und Stickoxid (NOx) oder die Nutzung einer Landstromversorgung. Beide Optionen bieten Möglichkeiten für die Frequenzumrichtertechnologie.
Konventioneller Wellengenerator
Der Wellengenerator ist über Kupplungen oder ähnliche Getriebekomponenten mit der dieselbetriebenen Hauptmaschine gekoppelt. Die Hauptmaschinen treiben die verstellbaren Schiffsschrauben des Hauptantriebssystems des Schiffs an. Der Schraubenschub lässt sich durch Verstellen der Blattanstellwinkel der CPP-Schiffsschraube in einem sogenannten „Verbundmodus“ steuern, sodass die Drehzahl der Hauptmaschine nur geringfügig schwankt, meistens im Bereich von 400-500 U/min. Wenn die Drehzahl des Wellengenerators variiert, ändert sich seine elektrische Frequenz. Dies gilt als Ausfall der Stromversorgung. Im Verbundmodus bleibt die Drehzahl des Diesels und der Schrauben, und damit die elektrische Frequenz, konstant. Die Änderung der Schubleistung erfolgt durch Änderung der Steigung (des Blattanstellwinkels) der CPP-Schrauben. Dieser veränderte Anstellwinkel sorgt für die Änderung des Schraubenschubs und der Geschwindigkeit des Schiffs. Bei Drehzahlen unterhalb der Nenndrehzahl sinkt der Wirkungsgrad einer CPP-Schraube schnell. Dies bedeutet, dass der Diesel weiterhin nahezu bei Volllast laufen muss, und damit mehr Kraftstoff verbraucht. Es ist mit anderen Worten nicht möglich, die Schubkraft der Schraube pro Geschwindigkeit und die Kosteneffizienz bei der Energieerzeugung gleichzeitig zu optimieren.
Der Kraftstoffverbrauch des Hauptmotors ändert sich über einen Lastbereich von 40-100 % nicht wesentlich, sodass bei typischen CPP-Betriebsbereichen mit sehr geringer Steigung (30-40 % Last) der Kraftstoffverbrauch selbst dann hoch ist, wenn sehr wenig Schub erzeugt wird.
Generator- und Netzumrichter von VACON®
Ein VACON®-Generator-Umrichter (INU) erzeugt Gleichstrom für seinen DC-Zwischenkreis, indem er den Wellengenerator steuert. Der VACON®-Einspeiseumrichter (GTC) nutzt diese Energie, um den Haupt-Netzverteiler mit konstanter Frequenz und Spannung zu versorgen.
Die Belastbarkeit des Generators ist abhängig von Generatordrehzahl/Kühleigenschaften und dem Nennspannungsverhalten in Abhängigkeit von der Drehzahl (U/min). Die Spannung ist vom automatischen Spannungsregler (ASR) und den Eigenschaften des Generators abhängig. Die Steuerung und Synchronisierung mit dem elektrischen Netz des Schiffs des VACON®-Einspeiseumrichters erfolgt mit den gleichen Signalen, die auch zur Steuerung und Synchronisation herkömmlicher Wellen- oder Dieselgeneratoren dienen. Das Power Management System (PMS) überwacht und steuert die Energieerzeugung und den Energieverbrauch des Schiffs.
Technische Kriterien für netzgekoppelte Wellenumrichter
Bei der Auslegung und Konstruktion eines netzgekoppelten Wellengeneratorsystems sind verschiedene Aspekte zu berücksichtigen. Der Systementwickler muss sich besonders auf anspruchsvolle Betriebsarten konzentrieren, z. B. die Vermeidung eines Blackouts in einem der Verbrauchersegmente im Fehlerfall. Schließlich ist ein Stromausfall der schlimmste anzunehmende Zwischenfall für ein Schiff auf See.
Einflussfaktoren:
- Lastausgleich zwischen den Energiequellen; Ein- und dreiphasige Zwischenkreiskopplung
- Der Wellengenerator widersteht allen Anlauf-/Ausfallströmen (magnetisierende Einschaltstromstöße) der Motor-/Transformatorlast an jedem Betriebspunkt
- Spanne zwischen Nennlast und maximaler Kurzzeitüberlast
- Minimaler Leistungsfaktor der Last und möglicher Kompensationsbedarf
- Netzsynchronisation, Zwischenkreiskopplung, Modi der Lastaufnahme und -abgabe
- Selektivität des Schutzsystems, Modus für das Auslösen von Sicherungen zur Isolierung des ausgefallenen Segments außerhalb des Verteilersystems
- Mögliche Ausfallarten der Energieerzeugung, Reaktionszeit des Energiemanagementsystems und Unterstützung der Netzstabilität
- Möglicher Netzcode
Bitte beachten Sie, dass VACON seit Dezember 2014 zur Danfoss Gruppe gehört.