Schiffsantriebe und Schiffsgeneratoren in Supraleitertechnologie -die Zukunft!!

Captain Hans · 01 August 2009, 20:02:05

Die Entwicklung von neuen Schiffs-Antriebsmaschinen sowie Schiffsgeneratoren geht unaufhörlich voran.
Eine sehr neue und sehr zukunftsträchtige Entwicklung möchte ich hier vorstellen ausserdem ist es eine geniale deutsche Forschungs- und Ingenieursleistung .
Da meine Firma sehr stark mit der Siemnsanlagenbau Schiffahrt zugearbeitet hat
Konnte ich die ersten Tests und die ersten Einbauten miterleben – es ist schon gigantisch welche Leistungsverbesserungen damit erreicht werden können.
Selbst Bill Gates hat seine Superyacht mit solchen Generatoren ausstatten lassen.

Eine erste kommerzielle Anwendung von Hochtemperatursupraleitern (HTS) findet man in den sog. HTS-Generatoren in Schiffen, die Strom für die Bordelektronik und den Antrieb liefern. Diese Generatoren in Kombination mit Elektromotoren haben gegenüber den bisher eingesetzten Dieselmotoren ein viel geringeres Gewicht, denn die Magnetspulen dieser Generatoren sind aus HTS-Keramikbändern gewickelt anstatt aus Kupfer. Der supraleitende Zustand wird bei HTS bereits durch normale Stickstoffkühlung (ca. –196 °C) erreicht. Zudem sind diese Generatoren platzsparender. Dadurch kann der Schiffsrumpf schlanker konstruiert werden, das Schiff liegt besser im Wasser. Weiterer Vorteil ist die Möglichkeit mehrerer Schiffsschrauben mit eigenem Elektromotor, die sich individuell ansteuern lassen. So können auch riesige Tanker oder Frachter auf der Stelle drehen.

Die technischen Vorteile der Hochtemperatursupraleitung (HTS) wie Gewichts-, Volumen- und Energieeinsparung können damit erstmals unmittelbar in betriebliche Vorteile für den Reeder umgesetzt werden. Denn die neue Technologie bringt eine größere Reichweite, weniger Verbrauch und zusätzlichen Raum. Das Projekt wird auf dem Gemeinschaftsstand der Interessengemeinschaft Neue Materialien (NEMA) vorgestellt.

Siemens baut derzeit den ersten HTS-Generator, der in der Lage sein wird, die Aus-gangsleistung von vier Megawatt bei einer Drehzahl von 3600 U/min zu erzeugen. Die-ser neuartige Generator, angetrieben durch eine Gasturbine, ist kompakter, leiser, vib-rationsärmer, mehrfach überlastfähig und unempfindlich gegenüber Laständerungen.

Hier das Größenverhältnis zwischen konventionell und Supraleiter Technologie

Ab 2005 wurde das Antriebssystem in einem Testfeld für Groß-Antriebe einem intensiven Testprogramm unterzogen und soll anschließend in Schiffen und auf Öl-Plattformen eingesetzt werden.

HTS-Drähte ersetzen die herkömmlichen Kupferwicklungen des Rotors der Maschine, der nur halb so groß und schwer wie ein konventioneller sein wird. Hochtemperatur-Supraleiter, gekühlt auf eine Temperatur von -246 Grad Celsius, ermöglichen einen nahezu verlustfreien Stromtransport und eine Stromdichte, die über zehnmal größer ist als in Kupfer. Das dafür eingesetzte wirtschaftliche und wartungsfreie Kühlsystem wur-de bereits in einem 400-Kilowatt-HTS-Motor erfolgreich erprobt. Damit lässt sich ge-genüber konventionellen Motoren die Leistung mehr als verdoppeln oder bei konstanter Leistung ein nur halb so großes Antriebsaggregat einsetzen. Der auf diese Weise ge-wonnene Raum kann im Containerschiff als zusätzlicher Transportraum, im Kreuzfahrt-schiff für weitere Kabinen, genutzt werden.

Forscher von Siemens Corporate Technology haben zusammen mit Kollegen der Siemens-Bereiche I&S Marine Solutions und A&D Large Drives einen neuartigen Propellermotor für Voll-Elektrische-Schiffe (VES) entwickelt: Die Synchronmaschine ist Teil eines elektrischen Antriebssystems, das auf die Technologie der Hoch-Temperatur-Supraleitung (HTS) setzt. Mit einer Leistung von vier Megawatt und einem Drehmoment von über 300 Kilonewtonmetern geht der HTS-Motor ins Rennen.
Die HTS-Technologie bietet dem modernen Schiffbau viele Vorteile: Die Supraleiter der Rotorwicklungen tragen eine Stromdichte, die 100-mal so groß ist wie in herkömmlichen Kupferwicklungen. Dadurch sind deutliche Einsparungen an Masse und Volumen möglich. Außerdem fallen bei der HTS keine elektrischen Verluste an, so dass der Wirkungsgrad steigt. Eine kostengünstigere und wartungsarme Kühlung verspricht das geschlossene und selbst regelnde System, das die supraleitenden Rotorwicklungen des Motors auf 27 Kelvin kühlt. HTS-Motoren schaffen deshalb völlig neue Gestaltungsspielräume bei der Schiffskonstruktion und der Anordnung der Systeme an Bord. In der Folge lassen sich energieeffizientere und besser ausgenutzte Schiffe entwerfen, die die Umwelt schonen und Betriebskosten sparen.

siehe auch meinen Bericht Pod-Antriebe

Siemens hatte durch die Entwicklung des weltweit ersten HTS-Generators mit einer Leistung von vier Megawatt einen erheblichen Beitrag auf dem Weg zum Voll-Elektrischen-Schiff mit Supraleitern geleistet. Der erfolgreich im Nürnberger Systemprüfhaus von Siemens getestete Generator wird jetzt durch eine weitere Neuentwicklung aus dem Hause ergänzt - den HTS-Antriebsmotor. Dieser weist im Vergleich zum Generator ein mehr als 30-mal höheres Drehmoment auf. Er ist erheblich kleiner und leichter als ein konventioneller elektrischer Propellermotor. Derzeit wird der erste HTS-Motor hergestellt. 2009 wollen die Entwickler die Maschine in einem Testfeld für Großantriebe einem intensiven Testprogramm unterziehen.

Der neue Antriebsmotor bedeutet einen weiteren Meilenstein in der Fortentwicklung der HTS-Technologie für den Einsatz in Voll-Elektrischen-Schiffen. Bei Kreuzfahrtschiffen oder Megayachten setzt man schon heute auf die Nutzen des elektrischen Antriebs. Auch bei Navy-Schiffen ist dieser Trend erkennbar; erste Schiffe befinden sich bereits in der Planung. Das voll-elektrische Konzept ist dann von Vorteil, wenn der Energiebedarf starken Schwankungen unterliegt. Luxusliner durchqueren die Meere eher gemächlich, fahren viele Häfen an und legen gelegentlich Zwischensprints ein - die dafür benötigte Antriebsleistung ist daher unterschiedlich groß. Auch der Hotelbetrieb ist nicht immer gleich ausgelastet. Mit HTS-Generatoren kann jedoch die von ihnen erzeugte elektrische Energie je nach Bedarf flexibel im Schiff verteilt werden. Auch Passagiere profitieren von der HTS-Technologie: Zwar sind elektrisch angetriebene Schiffe an sich schon leiser als ihre Diesel-Kollegen, doch die Supraleiter verringern die Vibrationen und reduzieren den Lärm durch die Antriebsmaschinen noch weiter.

Der Propellermotor entstand in einer Zusammenarbeit der Siemens-Geschäftsgebiete Industrial Solution and Services (I&S) Marine Solutions, Automation and Drives (A&D) Large Drives sowie der Unternehmensforschung, Siemens Corporate Technology. Die Projektpartner TransMIT Gesellschaft für Technologietransfer mbH, ThyssenKrupp Marine Systems AG und die Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH unterstützen das Projekt. Gefördert wird das Vorhaben durch das Deutsche Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie.

Für unsere Technik Freaks – technische Erklärungen – Aufbau und Wirkungsweise von Supraleiter.

http://www.elektroniknet.de/home/bauelemente/fachwissen/uebersicht/aktive-bauelemente/leistungshalbleiter/hochtemperatur-supraleiter-steigern-maschinen-wirkungsgrade/druckversion/

halina · 13 Januar 2012, 18:41:38

hallo captain hans,auf dein thema möchte ich eingehen und dazu meine stellungnahme. die physikalischen eigenschaften von supraleitern
sind bereits seit 1911 bekannt,jedoch fehlten bisher die technischen möglichkeiten für eine kommerzielle anwendung. mit der entdeckung der
hochtemperatur-supraleiter-technik im jahr 1986 durch die physiker BEDNORZ und MÜLLER sind jedoch neue einsatzmöglichkeiten erschlossen
worden.bisher sind generatoren + elektromotore mit einer leistung von ca. 5000 kw im einsatz mit positiven ergebnissen.wie schon beschrieben
können erhebliche gewichtseinsparungen und höhere leistungen gegenüber koventiellen antrieben erreicht werden. für eine gewisse euphorie
besteht jedoch z.zt. kein anlass. momentan sind sprungtemperaturen von ca.-170° C notwendig für die kühlung der wicklungen mit flüssigem
stickstoff,und abhängig von den verschiedenen drahtlegierungen. bezogen nun auf möglichen einsatz bei marineschiffen werden ja ganz andere
leistungen benötigt,so etwa 70000 wps bei zerstörern und aufwärts bei grösseren einheiten. ausserdem steht im vordergrund bei kriegsschiffen
die betriebssicherheit. bei ausfall der kühlung und evtl. versagen der sicherheitsabschaltung durch trefferwirkung würden die generatoren und
motore unbrauchbar werden. auf handels-und kreuzfahrtschiffen steht im vordergrund ganz klar das kosten-nutzen-verhältnis und das sieht
bei dieser technik nicht gut aus. die derzeitigen herstellungskosten der spulendrähte sind 10 mal höher als kupferspulen gleicher leistung.
was die kostenseite angeht ist nicht bekannt wieviel stickstoff pro 1000kw innerhalb 24 stunden zugeführt werden muss.
es wird wohl noch lange dauern bis etwa der elektroantrieb auf der QUEEN MARY 2 mit ca.70000 kw durch diese technik ersetzt werden kann.

mit den besten grüssen halina

Captain Hans · 13 Januar 2012, 19:25:02

danke Halina für die Ergänzung zu meinem Bericht

Es wird wohl noch Jahrzehnte dauern bis diese Technologie auf größeren Schiffen eingesetzt werden kann.

liebe Grüße

Hans

torpedo mixer · 14 Januar 2012, 00:18:47

Hallo Kapitain Hans,

die Sache fängt sicher an in den Markt einzudringen. Einerseits durch den "will ich haben" Griff bei dem der keine Geldsorgen hat und da wo Leistungsgewicht im Vordergrund steht.

Siehts Du eine Massenfrachter mit so etwas ausgestattet ? Für die Marschfahrt eher nicht, ich glaube nicht das der Wirkungsgrad eines Diesel geschlagen wird.

Gruß - TM

Captain Hans · 14 Januar 2012, 14:31:08

Hallo TM

Kann ich mir eigentlich auch nicht vorstellen aber für Hilfsmaschinen und kleinere Schiffe schon

viele Grüße

Hans

halina · 14 Januar 2012, 15:35:09

moin moin, die primäre antriebstechnik für die supraleiter-generatoren werden auch weiterhin diesel-motore oder turbinen sein,so dass der
wirkungsgrad dieser antriebe separat betrachtet werden muss,somit ist kein vergleich der wirkungsgrade zwischen dieselmaschine und supra-
leiter-motore möglich.bezogen auf dieses thema stellt sich nur die frage ob HTS-motore einen besseren wirkungsgrad erreichen können als
konventielle elektromotore,diese erreichen bereits bei grösseren kw-leistungen ab ca. 5 MW einen wirkungsgrad von 0,98 , dieser wird wohl
von HTS-motore kaum zu toppen sein.bei kleineren leistungen sieht es etwas günstiger aus,hier liegt er zwischen 0,93-0,95
grüsse halina

Captain Hans · 14 Januar 2012, 16:07:59

Daß Elektromotore, besonders die großen, solche Wirkungsgrade haben können, ist mir schon klar nur muß der Strom erst
einmal erzeugt werden und Diesel besonders Turbinen (Generatoren) kommen nicht einmal in die Nähe solcher Wirkungsgrade.
z.B.: lag der Wirkungsgrad bei Dampfturbinenpumpen (4000m³/h) zwischen 42 und 47 %.
Die Supraleitungs Technologie wird bei Siemens voll weiter betrieben, und sie soll auch auf U-Booten eingesetzt werden

viele Grüße

Hans

halina · 14 Januar 2012, 19:52:22

hallo,ich glaube hier werden äpfel mit birnen verwechselt, TM meint dass der wirkungsgrad von dieselmotoren wohl nicht erreicht werden kann.
der HTS-motor soll doch nicht den diesel -motor oder die turbine ersetzen,sondern den konventiellen elektromotor.für die stromerzeugung im
HTS-generator werden auch weiterhin motore oder turbinen oder in zukunft neue antriebe notwendig sein.
grüsse halina