Europa — Deutschland — Auf dem Weg zu einem elektrischen Schiffsantrieb

Wohin geht die Entwick­lung im Bere­ich der Fre­gat­ten?

Die Ausle­gung von Fre­gat­ten fol­gt (noch) nicht diesem Weg. Eine weit­ere CODE­LAG-Lösung liegt in der ital­ienis­chen FREMM-Anord­nung vor; sie ähnelt dem Konzept der F 125. Hier befind­et sich der E-Motor jedoch zwis­chen Getriebe und Pro­peller auf der Welle und kann nicht mech­a­nisch getren­nt wer- den. Der Getriebe­satz wird über eine Lamel­lenkup­plung von der Pro­peller­welle abgekop­pelt. Die oben vorgestellte »Advanced Pro­peller Clutch« kommt nicht zum Ein­satz. Eine gegebe­nen­falls notwendi­ge Wartung der E-Motoren wird den Schiffs­be­trieb stärk­er als beim Konzept der F 125 bee­in­flussen. Grun­didee und Konzept unter­schei­den sich im weit­eren jedoch nicht.

Erst­ma­lig für eine weit­er im Bau befind­liche Korvette wird ein voll­ständig elastisch gelagertes Getriebesys­tem CODAG mit Cross-Con­nect in Kom­bi­na­tion mit einem unmit­tel­bar hin­ter dem Getriebe starr aufgestell­ten Schublager zum Ein­satz kom­men. Das hier ver­wen­dete »Advanced Thrust Bear­ing« ver­fügt neben den üblichen Kippseg­menten über ein kom­plex­es Sys­tem hydraulis­ch­er Stößel, welche den Schub der Kippseg­mente auf das Gehäuse des Lagers leit­en. Die Erweiterung der inzwis­chen bekan­nten elastis­chen Lagerung kom­plex­er Getriebesys­teme durch das beschriebene »Advanced Thrust Bear­ing« stellt hier den Tech­nolo­giesprung dar. Elastisch gelagerte Getriebesys­teme mit inte­gri­ertem Schublager sind jedoch für Mega­jacht­en ein einge­führtes Konzept.

Das für F 125 oder FREMM beschriebene Konzept ist zukün­ftig auch auf höhere Leis­tun­gen, stärkere Tur­binen oder E-Antriebe über­trag­bar. Es ist zu ver­muten, dass jedoch auch aktuelle CODE­LAG-Pla­nun­gen eine elek­trische Leis­tung von zweimal 4 bis 5 MW bei ein­er in der Summe instal­lierten Leis­tung von knapp 30 MW bein­hal­ten wer­den. Auch bei CODELAG liegt der Schw­er­punkt somit weit­er­hin auf der »mech­a­nis­chen Seite« der Energieerzeu­gung und -umset­zung. Dies kann sich erst ändern, wenn höhere Leis­tun­gen in den E-Motoren – z.B. bei Anwen­dung neuer Tech­nolo­gien – vor­liegen.

Nicht mit Blick auf die Leis­tung, jedoch auf die zum Ein­satz kom­menden hochdrehen­den Tur­binen stellt das COGAG-Getriebe für die nor­wegis­che SKJOLD-Klasse, ein Sur­face Effect Ship, eine beson­dere Leis­tung dar. Die größere Tur­bine leis­tet 4.200 kW bei 16.000 1/min, die kleinere Tur­bine 2.100 kW bei 20.000 1/min. Die Summe der Leis­tun­gen wird auf einen Water­jet mit 1.000 1/min abgegeben. Das Gewicht dieser hochanspruchsvollen Getriebekon­struk­tion mit Alu­mini­umge­häuse beträgt nur 3,6 t.

Was kön­nte nun ein »Voll-Elek­trisches- Schiff« im Zuge der dargestell­ten Entwick­lungsrich­tung bedeuten? Szenario in solchen Diskus­sio­nen ist der Ein­satz langsam laufend­er Elek­tro­mo­toren mit direk­tem Antrieb auf die Pro­peller­welle. Übliche Fre­gat­ten bedür­fen somit eines Antriebes von ca. 20 MW je Welle, dies bedeutet bei heutigem Stand der Tech­nik allein ein Elek­tro­mo­torengewicht von 100 t. Auch mit­tel­fristig scheinen hier aktuelle Forschung­spro­gramme in Großbri­tan­nien und USA nicht zu greif­baren Lösun­gen zu kom­men, die in der Fre­gat­ten­klasse einge­set­zt wer­den kön­nten. Der eben­so län­gere Zeit disku­tierte Ein­satz von POD-Antrieben hat sich wohl inner­halb der Nis­che der Kreuz­fahrer durchge­set­zt, mil­itärische Fahrpro­file sind anders, ins­beson­dere das Kri­teri­um der Schock­fes­tigkeit macht den POD mil­itärisch solange fraglich bis aufwendig, bis diese Eigen­schaft nicht nach­weis­bar gek­lärt ist.

Die CODE­LAG-Anord­nung ähn­lich FREMM oder F 125 zeigt wohl den Königsweg für die näch­ste Entwick­lungszeit. Erst in einem weit­eren Schritt kön­nen wohl Ansätze wie der »Tiefge­tauchte Water­jet« in Verbindung mit inte­gri­erten POD-Antrieben (Com­bined POD and Water­jet – COPAW)3 in kon­se­quenter Nutzung der neuen Tech­nolo­gie der Supraleitung ins Auge gefasst wer­den. Dann wäre die Zeit auch reif für eine Brennstof­fzelle als Energiequelle. Um hohe Leis­tun­gen bei kleinerem Gewicht in E-Motoren (wie auch Gen­er­a­toren) zu erre­ichen, set­zte man mit gutem Grund auf die Tech­nolo­gie der Supraleitung und ins­beson­dere der der Hochtem­per­atur­supraleitung (HTS).

Was ist nun aus dieser Supraleitung gewor­den?

Die Ent­deck­ung der Hochtem­per­atur­supraleit­er (HTS) durch Georg Bed­norz und Alex Müller 1986, dass also Mate­ri­alien (im Wesentlichen keramis­che Werk­stoffe) den Strom ver­lust­frei auch bei Tem­per­a­turen wesentlich höher als bei supralei­t­en­den Met­allen leit­en, erweck­te große Euphorie bei Inge­nieuren und Physik­ern: Der ver­lust­lose Strom­trans­port bei der tech­nisch ein­fach­er zu erre­ichen­den Tem­per­atur flüs­siger Luft (77 K = -196o C) schien nun in Reich­weite ein­er indus­triellen Anwen­dung zu sein. Mate­ri­al­fra­gen bes­tim­men aber heute noch die Diskus­sion, sie kön­nen nur mit erhe­blichem Aufwand beherrscht wer­den. Der eigentliche physikalis­che Mech­a­nis­mus der Supraleitung bei hohen kri­tis­chen Tem­per­a­turen gilt auch in der Wis­senschaft weit­er­hin als nicht ver­standen.

Geht man jedoch von Ideen und möglichen Aus­sicht­en aus, so sind als Vorteile von HTS-Motoren und Gen­er­a­toren gegenüber herkömm­lichen Anla­gen gle­ich­er Leis­tungsklasse ins­beson­dere eine Gewicht­serspar­nis von bis zu 65 Prozent und der verbesserte Wirkungs­grad auf bis zu 99,5 Prozent tech­nisch inter­es­sant. Darüber hin­aus ermöglicht der Ein­satz der HTS im Motoren­bau die Anwen­dung von völ­lig neuen Dimen­sio­nen in den Leis­tungsklassen: Die auf­grund der bei herkömm­lichen Motoren erforder­lichen Bau­größen auftre­tenden hohen dynamis­chen Kräfte beste­hen hier so nicht! Trotz der einzuset­zen­den Energie zur Küh­lung des HTS-Mate­ri­als ist die HTS-Tech­nik infolge der gerin­gen Ver­luste wirtschaftlich sin­nvoll. Es wird erwartet, dass sich diese Tech­nik über den Motoren- und Gen­er­a­toren­bau hin­aus auch in pas­siv­en Anla­gen wie Trans­for­ma­toren und Drosseln durch­set­zen kann. Auf umweltschädliche Trans­for­ma­torenöle kann z.B. ganz verzichtet wer­den. Der heutige (deutsche) Stand ist gekennze­ich­net durch eine Entwick­lung eines Schiff­santrieb­smo­tors von 4 MW Leis­tung und 315 kNm Drehmo­ment, der ein Gewicht von 38 t (kon­ven­tionelle Tech­nik würde 53 t ergeben) und ein Vol­u­men von 38 m3 (gegenüber 62 m3) aufweist.

Beschle­u­nigt wer­den kön­nte die Entwick­lung zum »ganzheitlich elek­trischen« Schiff durch ver­schärfte Umweltschutz- und Emis­sions­bes­tim­mungen. Diesel­gen­er­a­toren zur Stromerzeu­gung dür­fen beispiel­sweise in skan­di­navis­chen Häfen nicht mehr uneingeschränkt einge­set­zt wer­den. Bei den jet­zi­gen Mega­jacht­en ist der (durch seine Abgase das Son­nen­deck verqual­mende) Diesel­gen­er­a­tor schon weit­ge­hend ver­ban­nt – zugun­sten der sauberen Brennstof­fzelle.

Faz­it

Aus dieser bish­eri­gen Darstel­lung kön­nen fol­gende The­sen abgeleit­et wer­den:

  • Der elek­trische Antrieb und ins­beson­dere die volle Nutzung der elek­trischen Energie an Bord von Schif­f­en (VES) bleiben beste­hen­des Ziel; es ist zurzeit nur in größeren Ein­heit­en tech­nisch sin­nvoll zu erre­ichen, da Gewicht und Vol­u­men beste­hende und entschei­dende Randbe­din­gun­gen sind. Der Ein­satz von z.B. Energiewaffen4 mit ihren hohen Anforderun­gen bleibt beson­deren Ein­heit­en vor­be­hal­ten.
  • Solange die Supraleitung in Form der HTS nicht in eine Größenord­nung vorstößt, die mit 20 MW pro Ein­heit gekennze­ich­net sein dürfte, ist der große Sprung nicht zu erwarten.
  • Bis dahin bleibt es bei der mech­a­nisch erzeugten und verteil­ten Energie aus Wärmekraft­maschi­nen über Getriebe unter­schiedlich­ster Art; CODELAG scheint ein opti­maler Weg zu sein, um zumin­d­est die ele­gante Regelung im Antrieb­sstrang über E-Motoren zu gewin­nen.
  • Der Ein­satz von neuen Ele­menten, wie der Tiefge­tauchte Water­jet mit ein­er Ableitung und Nutzung der Abgase unter Wass­er oder die Brennstof­fzelle mit Reformertech­nik (?) kön­nen der klas­sis­chen Antrieb­stech­nik noch weit­er reichende Impulse geben. Von all diesen Beschränkun­gen wie Aus­sicht­en wird sich der Schiff­bauer nicht so bedrän­gen lassen, dass in Zukun­ft nicht neue Ideen mit bish­er nicht bekan­nten Leis­tun­gen aufwarten wür­den. Eine Auf­gabe ist auch immer eine Her­aus­forderung.

Die Supraleitung

Im Jahre 1908 war es dem Physik­er Heike Kam­mer­lingh Onnes gelun­gen, das Edel­gas Heli­um zu ver­flüs­si­gen. Dies hat in Bezug auf die ver­füg­baren Unter­suchungsmeth­o­d­en den ganz neuen Tem­per­aturbere­ich zwis­chen 1 und 10 K »am absoluten Nullpunkt« erschlossen. Bei seinen Exper­i­menten zur Leit­fähigkeit von Queck­sil­ber bei niedri­gen Tem­per­a­turen war er von der Vorstel­lung aus­ge­gan­gen, dass bei 0 K kein Strom­fluss mehr möglich wäre, da dann die beweglichen Elek­tro­nen fest an den Atom­rümpfen »ange­froren« seien. Zu sein­er Über­raschung stellte er fest, dass bei Tem­per­a­turen unter 4,2 K der elek­trische Wider­stand des Queck­sil­bers jedoch schla­gar­tig auf Null sank, also ger­ade nicht unendlich hoch wurde. Die Leitung des elek­trischen Stroms erfol­gte unter­halb dieser kri­tis­chen Tem­per­atur ver­lust­frei. Onnes nan­nte dieses Ver­hal­ten »Super­con­duc­tiv­i­ty« und erhielt für diese Ent­deck­ung 1913 den Nobel­preis.

Eine physikalis­che Erk­lärung dieses Phänomens kon­nte erst 1957 durch Bardeen, Coop­er und Schri­ef­fer in der so genan­nten BCS-The­o­rie (nach den Anfangs­buch­staben ihrer Namen) vorgestellt wer- den; sie erhiel­ten dafür 1972 den Nobel­preis. Die BCS-Idee geht davon aus, dass die Bil­dung von so genan­nten Coop­er-Paaren aus zwei Elek­tro­nen durch eine schwache Wech­sel­wirkung und unter­halb der kri­tis­chen Tem­per­atur möglich ist und dieses Ver­hal­ten den wider­stand­slosen Ladungstrans­port garantiert. Bei zu großer Energieein­wirkung von außen (Wärmezu­fuhr, große Stromdicht­en, Bestrahlung etc.) wer­den die Coop­er-Paare wieder aufge­brochen und die nor­male Wech­sel­wirkung im Met­all tritt ein.

Für die Ent­deck­ung der Hochtem­per­aturleit­er (meist keramis­che Werk­stoffe), deren kri­tis­che Tem­per­atur höher liegt und die damit tech­nisch ein­fach­er zu erre­ichen ist, durch Bed­norz und Müller 1986, erhiel­ten diese gle­ich­falls den Nobel­preis im darauf fol­gen­den Jahr. Die BCS-The­o­rie kann dieses neue Phänomen jedoch nicht erk­lären.

Wie es in dieser Mate­ri­alk­lasse zur Supraleitung kommt, ist immer noch unver­standen! Ein­er tech­nis­chen Anwen­dung ste­ht dieser Man­gel jedoch nicht ent­ge­gen. »Für bahn­brechende Arbeit­en in der The­o­rie über Supraleit­er und Supraflüs­sigkeit­en« wurde auch der Physik-Nobel­preis im Jahre 2003 ver­liehen.