Maritime Innovationen: Energiespeicher und Batterielogistik

AKTIE

Die elektrifizierte Schifffahrt gewinnt weltweit an Bedeutung. Bis 2030 sollen elektrifizierte Fähren, Schlepper und Frachtschiffe einen Wert von 14,2 Milliarden US-Dollar haben. Da elektrische Antriebe immer beliebter werden, ist die Bedeutung der Energiespeicherung und Batterielogistik für Energieerzeuger von größter Bedeutung.

Laut einer Studie aus dem Jahr 2022, die sich auf die Energiespeicherung konzentrierte, stehen verschiedene Lithium-Ionen-Batteriechemien zur Verfügung, wobei Quellen darauf hinweisen, dass Lithium-Mangan-Kobaltoxid die praktikabelste Lösung für Schiffe ist. Da die Nachfrage nach elektrifizierten Schiffen weiter wächst, steigt auch der Bedarf an einer nachhaltigen und zuverlässigen Versorgung mit Lithium.

Das weltweit erste vollelektrische autonome Frachtschiff wurde 2021 in Norwegen vom Stapel gelassen. Das 80 Meter lange und 3200 Tonnen schwere Schiff wird von acht Lithium-Ionen-Batterien mit einer Kapazität von 6,8 MWh angetrieben, die fast ausschließlich aus Wasserkraft stammen.

Ein zentrales Problem beim Elektroantrieb ist die fehlende Ladeinfrastruktur. Obwohl Energiespeicherunternehmen es mögenStemmann-Technik Obwohl sich die Unternehmen mit dem Problem befassen, sind Lademöglichkeiten am Hafen in Häfen immer noch rar. Doch diese Hürde macht einer neuen Lademethode Platz: Strombojen.

Strombojen, die für die Aufladung an Offshore-Windstandorten vorgesehen sind, könnten auch für Ankerplatzanwendungen adaptiert werden. Die Option könnte Landstrom bereitstellen, während Schiffe auf einen verfügbaren Liegeplatz oder Anweisungen für die nächste Reise warten.

Superkondensatoren und Supraleiter sind Energiespeichertechnologien, die sich im maritimen Bereich in unterschiedlichem Entwicklungs- und kommerziellem Einsatz befinden.

Obwohl diese Technologien noch nicht auf Schiffen eingesetzt werden, werden sie aufgrund ihrer Eigenschaften, die sie von Batterien unterscheiden, als alternative Energiespeicherquelle für spezielle Zwecke angestrebt. Superkondensator-Energiespeicher eignen sich nicht gut für die primäre Energiespeicherung auf einem Schiff, können jedoch als Ergänzung zu Spitzenlasten, zum Motorstart oder zur dynamischen Positionierungsergänzung nützlich sein.

HYBRID

Hybridsysteme können in zwei Konfigurationen unterteilt werden: Serienhybrid oder Parallelhybrid. Reihen- und Parallelantriebsstränge ermöglichen es dem Motor und dem Elektromotor, unabhängig voneinander oder im Verbund miteinander Leistung zu liefern.

Serielle Hybridsysteme ähneln Diesel-Hybrid-Antrieben, sind jedoch mit einer Energiespeicherung gekoppelt. Die Propeller werden vollständig von Elektromotoren angetrieben, während Dieselgeneratoren sowohl für den Antrieb als auch für die Hilfsenergie sorgen. Die Batteriebank kann durch einen dieselbetriebenen Generator, Landstrom oder andere natürliche Energiequellen wie Wind, Sonne und Wasserkraft aufgeladen werden. Diese Batterien werden bei geringem Strombedarf geladen und bei Spitzenstrombedarf entladen.

Parallelhybridsysteme sind eine Kreuzung zwischen konventionellem Antrieb und einem dieselelektrischen System. Parallele Hybridsysteme eignen sich am besten für Schiffe mit unterschiedlichen Antriebsleistungsanforderungen. Ideale Kandidaten sind Hafenhilfs- und Begleitschlepper, die typischerweise leistungsstarke Dieselmotoren benötigen, die Propeller mit großem Durchmesser antreiben. Bei der Unterstützung bei der Bewegung oder dem Abbremsen von Hochseeschiffen wird die Spitzenleistung nur während eines kleinen Prozentsatzes der Betriebszeit des Schiffes benötigt, während die übrigen Vorgänge im Leerlauf oder bei geringer Leistung erfolgen.

Hybride mechanisch-elektrische Systeme erfreuen sich weltweit wachsender Beliebtheit. Im Jahr 2018 lieferte Norwegen einen dieselelektrischen Hybridkatamaran, Vision of the Fjords, der zu 100 % mit Batteriestrom betrieben werden kann.

Washington State Ferries (WSF), das größte Fährunternehmen in den USA, rüstet derzeit 16 Fähren auf mechanisch-elektrische Hybridsysteme um. Das Programm hat bisher 1,33 Milliarden US-Dollar aus Zuschüssen sowie staatlichen und bundesstaatlichen Mitteln erhalten, für eine vollständige Finanzierung sind jedoch noch weitere 2,37 Milliarden US-Dollar erforderlich.

Maersk testet ein 600-kW-Schiffsbatteriesystem an Bord der Maersk Cape Town, einem 250 Meter (820 Fuß) langen Containerschiff mit einer Tragfähigkeit von 4.500 TEU, um die Leistung und Zuverlässigkeit des Schiffes zu verbessern. Dieses Schiff verfügt außerdem über ein Abwärmerückgewinnungssystem, das das Laden der Batterie durch Abwärme ermöglicht.

BATTERIE (ALLE ELEKTRISCH)

Lithium-Ionen-Batterien sind die beliebteste Energiequelle für vollelektrische Schiffe. Ihre hohe Energie- und Leistungsdichte gepaart mit ihrem relativ langen Lebenszyklus machen sie zu idealen Kandidaten für den Seetransport.

Es gibt drei primäre Lithium-Ionen-Batteriechemien, jede mit ihren eigenen bevorzugten Eigenschaften. Dabei handelt es sich um Nickel-Mangan-Kobalt (NMC), Lithium-Eisenphosphat (LFP) und Lithium-Titanat-Oxid (LTO).

Die NMC-Batteriechemie macht den Großteil der heutigen Elektroflotte aus und enthält von allen drei Zusammensetzungen die höchste spezifische Energie. Die wünschenswerten Merkmale der beiden zusätzlichen Chemikalien sind ein verlängerter Lebenszyklus und eine erhöhte Stabilität, obwohl sie jeweils niedrigere spezifische Energien aufweisen.

In Gee's Bend, Alabama, wurde die Gee's Bend-Fähre auf 100 % Lithium-Ionen-Batterie-Repower umgerüstet. Die Fähre wird mit zwei Reihen von 135-kWh-Batterien und neuen 480-VAC-Induktionsmotoren für den Antrieb betrieben.

Wenn Schiffe über weite Strecken unterwegs sind, sind die Hauptherausforderungen beim Einsatz batterieelektrischer Antriebe die Zeit unter Strom und die Kapazität zum Aufladen. Dadurch ist die Energiemenge, die von Bordbatterien gespeichert werden kann, begrenzt. Es gibt einige Unternehmen, die sich mit diesem Problem für Langtransportschiffe befassen.

Asea Brown Boveri,EST-FloattechUndFleetzerohaben jeweils Container-Batteriesysteme entwickelt, die gegen Inversion, Stöße und G-Kräfte an Bord eines Schiffes resistent sind.

Letztes Jahr,FleetZero sicherte sich 15,5 Millionen US-Dollar und ist auf der Suche nach einem Schiff, das für den Betrieb mit Containerbatterien umgerüstet werden kann. Der Plan des Unternehmens besteht darin, die Schifffahrtsrouten in kürzere Fahrten zu unterteilen, sich dabei auf kleinere Häfen zu konzentrieren und ein Batterie-Sharing-System zu nutzen.

LADESTATIONEN

Schiffe, die auf kürzeren, festen Routen verkehren, wie Fähren und Schlepper, eignen sich optimal für den Elektrobetrieb. Diese Routen können den Bedarf an Ladeinfrastruktur im Vergleich zu größeren Frachtschiffen vereinfachen. Batteriepakete können Fähren für die Dauer ihrer Reise vollständig mit Strom versorgen, und vorhersehbare Routen ermöglichen den effizienten Einsatz der Ladeinfrastruktur an Land.

In Deutschland ansässigStemmann-Technik ist ein Energiespeicherunternehmen, das Landstromversorgungssysteme für Containerschiffe und Fähren entwickelt. Die Systeme sind so konzipiert, dass sie Gezeitenänderungen und Schiffsbewegungen standhalten.

Eine weitere Lademöglichkeit, die Staus in Häfen entlasten soll, sind Offshore-Ladebojen. Maersk Supply Service und Ørsted haben sich zusammengetan, um im Jahr 2023 eine Lade-Pilotboje zu testen. Der Test wird in einem der Windparks von Ørsted in der Nordsee stattfinden, wobei die Stillstrom-Protoboje die Serviceschiffe (SOVs) und die Besatzung mit Strom versorgt Transferschiffe (CTVs), die auf der Farm im Einsatz sind.

Ladebojen ermöglichen das Kaltbügeln vor Anker. Die Gesamtreduzierung der Emissionen hängt davon ab, ob der von der Boje bereitgestellte Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind- oder Wasserkraft stammt.

ENTSTEHENDE ENERGIESPEICHERTECHNOLOGIEN

Eine neue Energiespeichertechnologie, die noch nicht kommerziell eingesetzt wird, ist die supraleitende magnetische Energiespeicherung (SMES). Ursprünglich für den Lastausgleich und landseitige Systeme im Netzmaßstab vorgesehen, wird SMES nun für gepulste Strom- und Spitzenlastausgleichssysteme an Bord von Schiffen in Betracht gezogen.

SMES besteht aus einer supraleitenden Spule, die auf eine kryogene Temperatur abgekühlt wird, die es ihr ermöglicht, einen supraleitenden Zustand zu erreichen. Der Betrieb von SMES basiert auf der Vorstellung, dass ein elektrischer Strom in jedem Ladezustand unbegrenzt durch ein geschlossenes System fließt, das Strom leitet.

Beim Laden fließt der Strom nur in eine Richtung und das Energieaufbereitungssystem erzeugt eine positive Spannung an der Spule, um Energie zu speichern. Während der Entladung wird das Stromaufbereitungssystem so modifiziert, dass es durch die Erzeugung einer Gegenspannung das System als Last an der Spule nachahmt.

KMU-Systeme sind in der Lage, schnell zu reagieren. Sie können in Sekundenschnelle den Modus vom Laden zum Entladen und umgekehrt wechseln, was sie zu idealen Kandidaten für gepulste Energie und Peak-Shaving an Bord von Schiffen macht.

Superkondensatoren bieten die gleiche Schnelligkeit beim Umschalten zwischen der Lade- und Entladephase und stehen kurz davor, auf den maritimen Markt zu kommen. Superkondensatoren speichern Elektrizität in Form von elektrostatischer Energie, im Gegensatz zu Batterien, die Energie durch entsprechende elektrochemische Reaktionen speichern.

Ein zusätzlicher Vorteil von Superkondensatoren ist ihre längere Lebensdauer im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien.

Nidec-Industrielösungen (NIS) arbeitet mit Designern und Schiffsarchitekten an der Implementierung von Schnelllade-Superkondensatoren für eine vollelektrische Fähre in Frankreich. Das System von Nidec wird auf 128 Superkondensatoren basieren, die über jeden Rumpf des Katamarans verteilt sind. Anstelle des herkömmlichen Batterieladesystems, dessen Aufladung mehr als 30 Minuten dauert, wird erwartet, dass die Superkondensatoren von Nidec das Aufladen der Fähre in nur 4 Minuten ermöglichen.

In Deutschland ansässigSkeleton-Technologienentwickelt ein Superkondensatormodul, das sowohl Luft- als auch Flüssigkeitskühlungstests unterzogen wurde und einen Marinezertifizierungsprozess durchläuft.

Allerdings gibt es Einschränkungen hinsichtlich der Gesamtenergiemenge, die Superkondensatoren speichern können. Diese gespeicherte Energie entlädt sich auch selbst, wenn sie über einen längeren Zeitraum gespeichert wird.

Insgesamt bestimmen die betrieblichen Anforderungen eines Schiffes sein spezielles Energiespeichersystem. Da Elektrifizierung und alternative Antriebssysteme ihre Präsenz in der Schifffahrtsindustrie im Laufe der Zeit immer weiter etablieren, ist davon auszugehen, dass Energiespeichersysteme je nach Schiffstyp weiterhin deutliche Fortschritte machen werden.

Ben Hayden ist ein Einwohner von Maine, der in den Werften im Norden von Massachusetts aufgewachsen ist. Seine Leidenschaft für das Geschichtenerzählen entstand in einem freiberuflichen Film, der nachhaltige Unternehmen, Landwirte und Fischer während einer Fahrt entlang der Küste von Maine in den Mittelpunkt stellte.