Die Frequenz machts

"Einfache" Idee senkt den Energieverbrauch der >MS Peter Pan<

 Prof. Dr.-Ing. W. Droste. TUHH, Grad.- Ing. U. Griesmeier. TT-Linie

Dr.-lng. K.-H. Hochhaus. TUHH

 

Dieser Beitrag erschien 1987 in der Fachzeitschrift Hansa als Resultat von Bordmessungen der TUHH (1987 Arbeitsbereich  Hilfsmaschinen und Automation, später umbenannt in Institut für Elektrische Energiesysteme  und Automation) und  zeigt die Zusammenarbeit der Hochschule mit der Werft und Reederei.

 

Laser, chips und bits: Sie machen längst nicht die ganze Ingenieurwissenschaft aus. Zu ihr gehört mitunter ganz einfach "Köpfchen", um ohne viel „high tech“ verblüffende Lösungen zu finden. Ein Beispiel dafür ist der folgende Bericht: Durch "einfache" Änderung der Frequenz (“Gleitfrequenz”) in der Stromversorgung eines Schiffs ließen sich die Energie- und damit die Betriebskosten spürbar senken.

Die Idee entstand ursprünglich bei der Suche nach etwas ganz anderem: der garantierten Betriebssicherheit von isolierten Stromnetzen (“Inselsystemen”) auch bei Überlastungsgefahr. Nicht nur ein Schiff oder Flugzeug stellt ein “Inselsystem” dar, sondern z.B. auch die Notstromversorgung einer Klinik oder eines Betriebes. Doch wie sich zeigt: Die Gleitfrequenz kann mehr Sicherlıeit geben, aber auch weniger Energie verbrauchen.

Einführung

Aus der Zusammenarbeit mit TT-Linie und Seebeck-Werft ergab sich die Möglichkeit, mehrere Meßreisen auf der “Peter Pan" durch zuführen. Die Messungen sollten der Reederei Grundlagen für eine energiesparende Betriebsführung und der Werft Unterlagen für die Auslegung zukünftiger Passagierschiffe geben. Der Arbeitsbereich Hilfsmaschinen und Automation (heute Institut für Elektrische Energiesysteme und Automation) der TUHH erhielt Informationen für die Durchführung von Forschungsarbeiten.  An den Bordmessungen und den Auswertungen konnten Studenten mitarbeiten, die dabei eine praktische Ergänzung ihrer Ausbildung erhielten. An dieser Stelle soll über Messungen an den E-Anlagen berichtet werden, die Aussagen über mögliche Brennstoffeinsparungen ohne zusätzliche Investitionen liefern sollen.

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Schiffsbeschreibung

 Die "Peter Pan“ wurde am 30. Mai 1986 an ihren Eigner. die Hamburger TT-Linie GmbH & Co. von der Seebeck-Werft AG übergeben. Am 2. Juni trat das neue Flaggschiff dieser Reederei seinen Liniendienst zwischen Travemünde und Trelleborg in Südschweden an. Die "Peter Pan" ist ein Fährschiff, mit einer Gesamtkapazität  von 1.600 Passagieren und  550 Pkw bzw. 120 Trailer/Lkw das größte Passagierschiff mit Heimathafen Hamburg. Alle 490 Passagierkabinen verfügen über Dusche und WC.

 

 Das Schiff wurde als Zweischrauben-Motorschiff mit fünf, teilweise durchlaufenden Decks, vier Aufbaudecks und zwei Brückenhausdecks sowie einem beweglichen Hängedeck gebaut. Alle diese Decks sind direkt von der Bugrampe, der Heckrampe oder über Innenrampen befahrbar. Der hintere Teil des  A-Decks ist eingerichtet für den Transport von gefährlicher Ladung. Die Geschwindigkeit auf dem Konstruktionstiefgang von 6,0 m und einer Maschinenleistung von 9457 kW beträgt 21,5 kn.

 

Antriebsanlage

Der Antrieb der zwei Verstellpropeller erfolgt über 2 Getriebe von 4 MaK Dieselmotoren vom Typ 8 M552 mit einer maximalen Leistung von je 4.900 kW bei 500 U/min. ZurVerbesserung des Manövrierverhaltens wurden zwei Bugstrahlanlagen mit Verstellpropeller mit einer Antriebsleistung von je .1000 kW installiert.

 

Stromversorgung

Für die Erzeugung der elektrischen Energie stehen an Bord vier Hilfsdiesel-Generator Aggregate mit einer Ausgangsleistung von je 1.795 kW bereit. Die Generatoren sind Drehstrom-Konstantspannıngs-Generatoren (cos Phi = 0,8; 660 V; 2.244 kVA bei 720 U/min). Die Frequenz beträgt, wie international üblich, 60 Hertz (Hz). Mit einer Gesamtkapazität von 1.600 Passagieren und 550 Pkw bzw. 120 Trailer/Lkw das größte Passagierschiff mit Heimathafen Hamburg. Alle490 Kabinen für1324 Passagiere verfügen über Dusche und WC.

 

Das Schiff wurde als Zweischrauben-Motorschiff mit fünf. teilweise durchlaufenden Decks, vier Aufbaudecks und zwei Brückenhausdecks sowie einem beweglichen Hängedeck gebaut. Alle diese Decks sind direkt von der Bugrampe, der Heckrampe oder über Innenrampen befahrbar. Der hintere Teil des8

 

 Messungen und Messergebnisse

 Die Spannungsregler der Generatoren halten die Spannung unabhängig von der Frequenz im Rahmen der Messgenauigkeit konstant. Für die Messung wurde eine möglichst konstante Bordnetzbelastung benötigt. Dazu wurden die im Aussetzbetrieb arbeitenden Verbraucher. z.B. Kühl- u. Klimaanlagen, abgeschaltet. Die verbleibenden Lastschwankungen wurden durch Dokumentation der Strombelastung berücksichtigt. Die Messdaten wurden von den Schalttafelinstrumenten im Maschinenkontrollraum abgelesen. Bei der ersten Messung ab 23.30 h mit zwei Hauptmotoren und zwei Hilfsdieseln während der Hinreise wurde die Frequenz von 58Hz bis 62 Hz in 1 Hz-Stufen verstellt. Die Zeit zwischen den Stufen betrug ca. 10 Minuten, damit eine Ablesung der Pumpendrücke an den Pumpen im Maschinenraum erfolgen konnte.

 

Bei der 2. Messung ab00.20lı wurde die Frequenzverstellung schneller durchgeführt. Jede Frequenzstufe wurde etwa 30 s gehalten, abgelesen und die nächste Frequenz eingestellt. In Bild I werden die Ergebnisse dieser Messung dargestellt. die Zahlen an den Punkten geben die Reihenfolge an. Zur Kontrolle wurde eine 3. Messung ab01.00 h wiederholt. Die Ergebnisse entsprechen der 2. Messung. Bei den Messungen 2und 3 ergab sich bei Nennfrequenz (60 Hz) etwa l.500 kW Bordnetzleistung. Die Absenkung der Frequenz um 1 Hz ergibt eine Leistungseinsparung von 47 kW. Die Erhöhungung um 1 Hz dagegen einen Mehrverbrauch von 51 kW. Die Einsparungen ergeben sich durch die Drehzahlabsenkung der E-Motoren. Abhängig von der Art der angetriebenen Hilfsmaschinen ergibt sich bei der Frequenzabsenkung eine lineare (Verdrängerpumpe) oder eine kubische Leistungsverringerung (Kreiselpumpe, Lüfter).

 

Auf der Rückfahrt am nächsten Tag wurden diese Messungen mit vier Hauptmotoren bei erhöhter Bordnetzbelastung wiederholt Zur Erhöhung der Netzbelastung wurden zusätzliche Pumpen und der Klimakompressor im Dauerbetrieb zugeschaltet. Bei dieser Messung stellte sich bei Nennfrequenz (60 Hz) die Bordnetzleistung von 1900kW ein. Die Frequenzabsenkung um l Hz ergab bei dieser Netzbelastung eine Leistungsminderung um 60 - 70 kW. Bei allen Messungen wurden die Schiffsanlagen auf einwandfreie Funktion überwacht, es zeigten sich insbesondere bei Frequenzsenkung auf 58 Hz keine Einschränkungen der Betriebsfähigkeit.

Einsparungen

Abhängig von der Bordnetzleistung, Frequenzabsenkung, Brennstoffkosten und Jahresbetriebsstuınden des E-Systems lassen sich durch das Bild 2 die Einsparungen abschätzen. Für die mittlere Leistung von 1.500 kW ergeben sich bei einer Frequenzabsenkung um 2 Hz bei spez. Brennstoffkosten von 200 DM/t und 8.000 Betriebsstunden im Jahr Brennstoffkosteneinsparungen von ca. 30.000 DM/Jahr. Werden die spezifischen, in die Gesamtrechnung der Reederei eingehenden, kWh-Kosten zugrunde gelegt (ca. 0,2 DM/kWh). beträgt die jährliche Einsparung sogar ca. 160.000 DM. Schiffsneubauten können dementsprechend billiger kalkuliert werden.

 

Zusammenfassung

Während einer Hin- und Rückreise der "Peter Pan" wurden Gleitfrequenzmessungen im Bordnetz durchgeführt. Dazu wurde die Bordnetzfrequenz auf 58 Hz abgesenkt und auf 62 Hz angehoben. Die Messdaten wurden von den Schalttafelinstrumenten abgelesen. Als Ergebnis dieser Messungen wurde ein Diagramm erstellt, womit die jährlichen Einsparungen abhängig von der Frequenzabsenkung, der Bordnetzbelastung und dem Treibstoffpreis ersichtlich wird. Wenn die Generatoren in ihrer Spannungsregelung von frequenzunabhängiger Spannung auf eine geeignete Spannungs-Frequenz-Kennlinie umgestellt werden, ergibt sich eine noch größere Leistungseinsparung bei der Frequenzabsenkung, da der Blindstromverbrauch im Bordnetz kleiner wird. Die Umstellung ist ohne großen Aufwand aber nicht ohne Eingriff in die Anlage möglich.

Bild 1: Bordnetzleistung abhängig von der Frequenz (Hinreise, Nacht)

Bild 2: Nomogramm zur Abschätzung von Einsparungen durch die Frequenzabsenkung auf der "Peter Pan"

 

Weitere Geschichte der "Peter Pan"  (aus Wikipedia)

 

Das Schiff wurde von der Schichau Seebeckwerft AG in Bremerhaven als“Peter Pan“ gebaut. Die Kiellegung fand 8. Juli, der Stapellauf am 30. November 1985 statt. Das Schiff wurde im Mai 1986 an die TT-Line abgeliefert, die es auf der Strecke Travemünde-Trelleborg einsetzte.

 

(1987 erfolgten die oben beschriebenen Messungen)

 

1993 wurde das Schiff an Transport of Tasmania verkauft und fuhr unter dem Namen „Spirit of Tasmania“ auf der Route Devonport-Melbourne.

 

2002 erwarb die norwegische Reederei Fjord Line die Fähre. Nach Überführung als Spir nach Frederikshavn wurde das Schiff aufwendig renoviert und im April 2003 als „Fjord Norway“ auf der Strecke Egersund - Haugesund-Bergen in Dienst gestellt. Ab 2005 übernahm die Fjord Norway hauptsächlich die England-Route Bergen-Newcastle und zusätzlich einmal pro Woche die Dänemark-Route. Im September 2006 gab Fjord Line bekannt, dass Schiff und Route zum 16. Oktober 2006 an die Reederei DFDS verkauft würden.

 

Am 16. Oktober 2006 wurde das Schiff in „Princess of Norway“ umgetauft; gleichzeitig erfolgte eine Umflaggung nach Dänemark.

 

Seit dem 30. Mai 2007 wird das Schiff auf der Route IJmuiden - Newcastle eingesetzt, die es zusammen mit seinem Schwesterschiff, der “King Seaways“ (ex. "King of Scandinavia"), bedient. Gleichzeitig wechselte die „Queen of Scandinavia“ auf die Route Bergen - Newcastle. Die Gründe für den Schiffstausch waren zum einen die höhere Geschwindigkeit der „Queen of Scandinavia“ und zum anderen die höhere PKW-Kapazität der „Princess of Norway“.

 

 Im Februar 2011 wurde die „Princess of Norway“ in „Princess Seaways“ umbenannt.

 

"Princess of Norway " ex  "Peter Pan"