Technische Datei: Wellengeneratoren 101

May 16, 2023

2. Juni 2023

Yaskawa Environmental Energy / The Switch beleuchtet, wie man auf Schiffen effizient Strom erzeugen kann.

Ein Schiff ist wie eine schwimmende Stadt, die Strom benötigt, um den Betrieb und die Annehmlichkeiten an Bord zu betreiben. Wie also kann man diesen Strom mobil erzeugen? Diese Frage beschäftigt die Schifffahrtsindustrie seit mehr als 150 Jahren, als aufregende neue Technologien an der Spitze des neuen Zeitalters der Elektrizität entwickelt wurden. Heute haben sich die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Stromerzeugung an Bord von Schiffen erneut verstärkt. Die neuen Vorschriften der Internationalen Seeschifffahrtsorganisation und andere neue Protokolle bedeuten, dass Schiffseigner und -betreiber Wege finden müssen, um Emissionen zu reduzieren und ihre Schiffe effizienter zu machen.

Der Antrieb ist ein offensichtlicher Bereich, in dem nach Verbesserungen gesucht werden muss, und die Treibstoffe, die ihn antreiben. Auch Wellengeneratoren spielen im modernen Antriebssystem eine Schlüsselrolle und bedürfen daher ebenfalls einer genauen Prüfung.

Treibende Kraft

Jeder kann sich vorstellen, wie eine Propellerwelle aussieht und was sie bewirkt, aber was genau ist ein Wellengenerator und wie trägt er zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen bei? Wir sind wieder bei der Stromerzeugung, aber diese im Rumpf versteckten Einheiten sind nicht so mysteriös, wie sie klingen mögen. Eigenständige Generatorsätze (Gensets) benötigen eine externe Brennstoffquelle, um zu funktionieren und Strom zu erzeugen, und dies geschieht normalerweise durch einen vom Hauptmotor des Schiffes getrennten Hilfsdieselmotor.

Wellengeneratoren machen Stromaggregate und ihre Hilfsmotoren überflüssig, da sie direkt an die Propellerwelle angeschlossen werden und Strom erzeugen, indem sie den Antriebsantrieb nutzen, der bereits vom Hauptmotor bereitgestellt wird. Deshalb werden sie Wellengeneratoren genannt. Aggregate können dann abgeschaltet werden, was Kraftstoff spart und Emissionen senkt.

Darüber hinaus ist die Nutzung des größeren 2-Takt-Hauptmotors auf diese Weise viel effizienter als die 4-Takt-Motoren, die normalerweise die Stromaggregate antreiben. Das finnische Unternehmen Yaskawa Environmental Energy / The Switch hat ein System entwickelt, das laut eigenen Angaben den Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Wellengeneratoren um weitere 2 bis 4 % senken kann.

Das Large Drive Test Center, wo alle PM-Maschinen vor der Auslieferung an die Werften getestet werden. Bild mit freundlicher Genehmigung von Yaskawa Environmental Energy / The Switch

Eine kleine Geschichte

Die ersten Wellengeneratoren wurden in den 1960er Jahren entwickelt und traten an die Stelle der Aggregate, die in den vergangenen Jahrzehnten an Bord von Schiffen Strom erzeugt hatten.

Diese ersten Wellengeneratoren stellten einen großen Fortschritt dar und reduzierten die Notwendigkeit des Einsatzes von Stromaggregaten. Es gab jedoch noch einen großen Nachteil: Sie waren direkt an die Schiffsantriebswelle und das Netz angeschlossen, jedoch ohne dazwischen liegenden Frequenzumrichter.

Das bedeutete, dass der Wellengenerator nur an seine Grenzen stoßen konnte, da er nur eine konstante Drehzahl des Schiffsantriebs bewältigen konnte. Wenn sich die Geschwindigkeit des Schiffes änderte, würde die Frequenz des erzeugten elektrischen Stroms schwanken und es unbrauchbar machen. Deshalb musste der Wellengenerator abgekoppelt werden, um Platz für das Aggregat zu schaffen.

Dieses Frequenzproblem wurde in den 1980er Jahren mit der Einführung von Frequenzumrichtern gelöst. Dann kam der Wellengenerator zum Einsatz, der jede Geschwindigkeit von Null bis zur Nenngeschwindigkeit des Schiffes bewältigen und eine konstante Frequenz in das Schiffsnetz einspeisen konnte.

Die Kombination aus konventionellem Wellengenerator und Frequenzumrichter kann als einzige Stromerzeugungsquelle an Bord eines Schiffes oder als Ergänzung zu den Stromaggregaten verwendet werden, wodurch die Notwendigkeit der Kraftstoffverbrennung reduziert wird.

Wellengeneratoren können auch als Energiequelle verwendet werden, um den Propeller bei sehr niedrigen Drehzahlen anzutreiben, was beim Einlaufen in den Hafen nützlich ist, um Emissionen zu sparen. Darüber hinaus kann das System für gelegentliche Antriebsleistungssteigerungen von bis zu 15 % eingesetzt werden, wenn dies zum Durchbrechen von Eis oder gegen starken Gegenwind erforderlich ist.

Trotz dieser Vorteile gibt es jedoch einige Schlüsselbereiche, in denen herkömmliche Wellengeneratoren nicht ausreichen. An dieser Stelle geht der Permanentmagnet-Wellengenerator „The Switch“ noch einen Schritt weiter und bringt Einsparungen, die mit immer strengeren Emissionsbeschränkungen immer größer werden. Herkömmliche Wellengeneratoren erfordern immer noch einen Stromfluss in einer Rotorwicklung, um das Magnetfeld zu erzeugen Es kommt immer zu Energieverlusten durch Wärme. Dieser Wärmeverlust führt zu einem geringeren Wirkungsgrad der Energieumwandlung und damit zu einem höheren Kraftstoffverbrauch im Hauptmotor.

Permanente Anziehungskraft

Der Permanentmagnet-Wellengenerator verwendet Neodym-Magnete. Dies bedeutet, dass das Magnetfeld einfacher und effizienter erzeugt werden kann, ohne dass eine externe Stromversorgung erforderlich ist, um den Rotor mit Strom zu versorgen, und so sofort die Menge an benötigtem Kraftstoff einspart.

Durch die einfache Mechanik gibt es zudem nahezu keine Verschleißteile, was die Zuverlässigkeit erhöht. Der erste Permanentmagnet-Wellengenerator wurde 2014 von The Switch installiert und da heute mehr als 100 in Betrieb sind, ist kein einziger Ausfall aufgetreten, so das Unternehmen.

Die Permanentmagnete in diesen Maschinen sind außerdem so stark, dass die gesamte Einheit verkleinert werden kann und normalerweise bis zu 30–50 % weniger wiegt als herkömmliche Maschinen.

Der Wirkungsgrad des Permanentmagnet-Wellengenerators ist der Grund für die zusätzliche Reduzierung der Kraftstoffeinsparungen um 2 bis 4 % – im Vergleich zu den Einsparungen, die bei herkömmlichen Wellengeneratoren erzielt werden. Diese Reduzierung gilt auch für die Emissionen. Über die typische Lebensdauer eines großen Schiffes von 20 bis 25 Jahren können diese Einsparungen zu einer Reduzierung der Treibstoffkosten um 2 Millionen US-Dollar führen und 5.000 Tonnen Kohlendioxidemissionen einsparen.

Der erste Generator erwachte 1831 zum Leben und erhellte das Lächeln des Erfinders Michael Faraday. Wenn er nur sehen könnte, wie weit die Anziehungskraft auf Magnete fortgeschritten ist, denn die Notwendigkeit, Emissionen zu reduzieren, treibt Ingenieure dazu, immer wieder aufregende neue Technologien zu entwickeln.

Das Sortiment an PM-Wellengeneratoren von The Switch. Bild mit freundlicher Genehmigung von Yaskawa Environmental Energy / The Switch

Bild mit freundlicher Genehmigung von Yaskawa Environmental Energy / The Switch

Bild mit freundlicher Genehmigung von Yaskawa Environmental Energy / The Switch