Sparsame Schiffe dank Supraleitung

Siemens hat den weltweit ersten Generator mit Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) in Betrieb gesetzt, der zukünftig Schiffe besonders energiesparend antreiben soll. Die Anlage enthält statt einer Magnetspule aus Kupfer dünne Supraleiter-Drähte, die elektrischen Strom nahezu ohne Widerstand leiten. Das führt fast zu einer Halbierung von Gewicht und Volumen und einer deutlichen Reduzierung der Energieverluste – letztlich also zu einer erheblichen Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrades. Der neue Generator eignet sich insbesondere für Kreuzfahrtschiffe und große Motor-Yachten.

Nicht nur Autos werden sparsamer. Auch Schiffe sollen zunehmend mit weniger Treibstoff auskommen. Dazu soll zukünftig eine Technik entscheidend beitragen, die bislang eher in der Grundlagenforschung oder bei Medizingeräten zu Hause war – die Hochtemperatur-Supraleitung. So haben Siemens-Forscher jetzt den weltweit ersten supraleitenden Generator mit Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) mit einer stattlichen Leistung von 4 MegaVoltAmpere (MVA) in Betrieb genommen. Diese Leistung würde ausreichen, um eine luxuriöse Motoryacht von 50 Metern Länge mit Strom zu versorgen und anzutreiben. Hochtemperatur-Supraleiter sind Stoffe, die elektrischen Strom bei einer Temperatur ab rund -160 Grad Celsius (und tiefer) nahezu ohne Widerstand und verlustfrei transportieren. In dem neuen Generator ersetzen die HTS die herkömmlichen Drähte aus Kupfer im Rotor. Wie bei jedem anderen Generator auch werden die Drähte zu einer Magnetspule aufgewickelt, die – von einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben – im Generator rotiert. Dadurch entsteht in der feststehenden konventionellen Ständerwicklung eine elektrische Spannung. Der Vorteil der HTS-Drähte besteht darin, dass sie dank des vernachlässigbaren Widerstands zehnmal mehr Strom aufnehmen können als Kupfer. Der Generator kann so auf kleinerem Bauraum effizienter elektrische Energie erzeugen.

Der neuartige Synchrongenerator mit HTS-Wicklung im Rotor wurde gemeinsam von Siemens Corporate Technology und den Siemens-Bereichen Industrial Solutions & Services/Industrial Plants/Marine Solutions (I&S IP MAS) und Automation & Drives/Large Drives (A&D LD) entwickelt. Der HTS-Draht stammt von der European Advanced Superconductors GmbH & Co. KG (EAS), Hanau, einem der weltweit führenden Hersteller und Entwickler von Supraleitern.

Die Maschine von der Größe eines Smart-Kleinwagens hat 10mal mehr Leistung als das Vorgängermodell, das rund drei Jahre lang im Systemprüfhaus von Siemens A&D in Nürnberg getestet wurde. Auf Herz und Nieren wurde dabei auch das mit Neon betriebene Kühlsystem geprüft, das den Supraleiter auf eisige Temperaturen bringt. Das sehr kompakte, wartungsfreie, verlustarme Prinzip der Rotorkühlung hat dort seine Standzeit über die Projektlaufzeit nachgewiesen.

Zukünftig sollen die HTS-Generatoren insbesondere auf so genannten voll-elektrischen (VE) Schiffen eingesetzt werden. Deren Propeller werden nicht direkt durch große Dieselmotoren und lange Wellen angetrieben. Der Treibstoff wird stattdessen verbrannt und setzt Kraftmaschinen zur Stromerzeugung in Bewegung. Über Kabel gelangt die Energie dann zu den Motoren, die in unmittelbarer Nähe der Schiffsschrauben sitzen. Der VE-Antrieb spart folglich Platz, denn statt Motor und Welle gibt es mehrere kleine Energieerzeugungseinheiten, die sich im Rumpf besser unterbringen lassen. Die Schiffe können schlanker ausgelegt werden, was den energiezehrenden Wasserwiderstand deutlich verringert.

Inzwischen sind rund 30 Prozent aller Schiffsneubauten vollelektrisch, bei den Kreuzfahrtschiffen sogar beinahe jeder Neubau. Schließlich läuft der elektrische Antrieb – zum Vorteil der Passagiere – sehr viel ruhiger als der tuckernde Diesel, zum anderen dient die Energie nicht nur der Fortbewegung, sondern auch der Hotellerie an Bord. Ein Drittel etwa wird für Küche, Beleuchtung und Passagier-Komfort verbraucht. „Dieser Trend wird sich fortsetzen“, sagt Bernd Wacker, Projektleiter bei Siemens Corporate Technology in Erlangen. Diese Popularität hat ihren Grund. Kreuzfahrtschiffe oder Privatyachten bewegen sich nicht unbedingt im gleichmäßigen Tempo übers Meer, sondern fahren viele Häfen an und legen Zwischensprints ein. Da sich an Bord großer VE-Schiffe mehrere kleine Energieerzeuger befinden, pro Schiffsschraube etwa drei, kann je nach Bedarf die optimale Zahl an Generatoren zugeschaltet werden. Stets läuft nur ein Teil auf Hochtouren, die anderen Maschinen ruhen. Das ist effizienter als ein großer Dieselantrieb im Teil-Last-Betrieb.

Mit ihrem HTS-Generator, der mit Förderung des Bundesforschungsministeriums entwickelt wurde, haben die Siemens-Ingenieure den Vorteil der VE-Antriebe noch vergrößert. Gegenüber herkömmlichen Generatoren wurden Gewicht und Volumen nahezu halbiert. Die annähernd verlustfreie elektrische Erregung der HTS-Wicklung führt zu einer deutlichen Reduzierung der Verluste und damit zu einer erheblichen Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrades um mehr als 2% zu vergleichbaren konventionellen Maschinen – auf 98,7% – dabei ist die kryogene Rotorkühlung bereits eingerechnet.

Inzwischen wurde die 4MVA-Maschine erfolgreich in Betrieb genommen. Nachdem die Betriebseigenschaften dieser neuartigen Maschine ermittelt sind, wird sie einem längeren intensiven Systemtest unterzogen. Ein Projektziel besteht darin, die Anwendungstauglichkeit für den Einsatz auf Schiffen nachzuweisen. Hierfür wird das Projekt vom Germanischen Lloyd in Hamburg von Anfang an, beginnend mit der Entwicklung, über den Bau bis hin zum Systemtest, begleitet und hinsichtlich der Anforderungen an die Klassifikationsvorschriften der internationalen Seeschifffahrt geprüft.