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Still ruht der See

01 Dass Motorschiff MS Bürgenstock der Schifffahrtsgesellschaft des Vierwaldstättersees (SGV) überzeugt durch einen leisen und kraftstoffsparenden Hybridantrieb (Bild: Roger Gruetter)

01 Dass Motorschiff MS Bürgenstock der Schifffahrtsgesellschaft des Vierwaldstättersees (SGV) überzeugt durch einen leisen und kraftstoffsparenden Hybridantrieb (Bild: Roger Gruetter)

02 Beim Einbau der tonnenschweren modularen Antriebseinheit war Präzision gefragt – seit Mai 2018 fährt die MS Bürgenstock mit ihrem Hybridantrieb auf dem Vierwaldstättersee (Bild: Shiptec AG)

02 Beim Einbau der tonnenschweren modularen Antriebseinheit war Präzision gefragt – seit Mai 2018 fährt die MS Bürgenstock mit ihrem Hybridantrieb auf dem Vierwaldstättersee (Bild: Shiptec AG)

03 Durch seine mehr als 500 verschiedenen Module ist das IO-System 750/753 universell einsetzbar (Bild: Wago Kontakttechnik GmbH & Co. KG)

03 Durch seine mehr als 500 verschiedenen Module ist das IO-System 750/753 universell einsetzbar (Bild: Wago Kontakttechnik GmbH & Co. KG)

04 Die Controller der Serie 750 kombinieren Echtzeitanforderungen mit IT-Diensten (Bild: Wago Kontakttechnik GmbH & Co. KG)

04 Die Controller der Serie 750 kombinieren Echtzeitanforderungen mit IT-Diensten (Bild: Wago Kontakttechnik GmbH & Co. KG)

Eingebettet in einem beeindruckend idyllischen Bergpanorama, sorgt der Vierwaldstättersee in der Zentralschweiz mit seiner fjordartigen Form und den vielen verwinkelten Buchten für eine urige Atmosphäre. Damit der tägliche Schiffsverkehr die Idylle nicht so sehr stört und die Umwelt schont, hat das neue Motorschiff MS Bürgenstock einen leisen und kraftstoffsparenden Hybridantrieb. Aventics hat dabei für eine optimale Aussteuerung zwischen den Energiequellen „Elektro“ und „Diesel“ gesorgt – mithilfe des modularen IO-Systems 750 von Wago.
Nach zweijähriger Planungs- und Bauzeit war es Ende Mai so weit: Das neue Shuttle-Schiff MS Bürgenstock (Bild 1) der Schifffahrtsgesellschaft des Vierwaldstättersees (SGV) stach feierlich zur Jungfernfahrt in See, um künftig auf der Linie Luzern – Kehrsiten – Bürgenstock täglich von früh morgens bis Mitternacht im Stundentakt im Einsatz zu stehen. Besucher, die bei der Schiffstaufe aber auf den typischen Sound des Dieselmotors warteten, hörten erst einmal wenig: Der von der Shiptec AG als Shuttle konzipierte Katamaran wurde mit der Vorgabe entwickelt, ihn im Luzerner Seebecken nur im Elektromodus gespeist aus Batterien fahren zu lassen – erst auf rund der Hälfte der Strecke schaltet der Schiffsführer auf die Dieselmotoren um. Rudolf Stadelmann, Geschäftsführer bei Shiptec: „Die MS Bürgenstock ist eine moderne, innovative und ökologisch sinnvolle ‚Brücke‘ zwischen Luzern und dem Bürgenstock Ressort Lake Lucerne.“ Es sei aber auch eine schnelle Brücke, fährt das Schiff doch mit bis zu 35 km/h und schafft die Strecke so in 23 min.
Hybrider Schiffsverkehr auf dem Vierwaldstättersee
Bei der Konzipierung der Antriebstechnik eruierte Shiptec die ökonomisch optimalste Variante. Dafür wurden mit ähnlich großen Schiffen vergleichbare Fahrprofile gefahren und die Bedarfe sowie Verbräuche von Antrieb und Bordnetz erfasst. Basierend auf diesen Daten entschied man sich für ein parallelhybrides Energie- und Antriebssystem. Die Antriebsanlage besteht aus zwei je 552 kW leistenden Scania-Dieselmotoren und zwei permanent erregten Siemens-Synchronelektromotoren mit je 180 kW. „Grundsätzlich nutzen wir beim Fahren außerhalb des Hafenbereichs die Dieselmotoren“, sagt Martin Einsiedler, Leiter Schiffsentwurf und Engineering bei Shiptec. „Hier arbeiten die Elektromotoren als Generatoren, die die Energie für das Schiff und die Systembatterien liefern. Diese Systembatterien wiederum stellen die Energie für den elektrischen Antrieb und die Bordstromversorgung im Luzerner Seebecken zur Verfügung. Etwa 50 % der gesamten Fahrzeit wird rein elektrisch gefahren.“
Die MS Bürgenstock ist übrigens nicht das erste Schiff mit elektrischem Antrieb, das auf dem Vierwaldstättersee fährt: Bereits 2017 wurde das Vorgängermodell, die „MS Diamant“, von der SGV in Betrieb genommen. Dank des leichten Gewichts, der optimierten Rumpfform und des Hybridantriebs kann dieses Kurs- und Eventschiff rund 20 % Energie gegenüber einem konventionellen, dieselbetriebenen Schiff einsparen. „Die MS Bürgenstock ist zwar mit ähnlichen Komponenten wie das Vorgängerschiff ausgestattet, wir sind aber noch einen Schritt innovativer geworden“, erklärt Marius Mudroch, der sich bei Aventics, einem Spezialanbieter für Antriebssteuerungen für Schiffe aus Laatzen, auf die Entwicklung von Hybridsteuerungen im Schiffsautomationsbereich spezialisiert hat. Ist die Diamant mit einem Hilfsdiesel für die Abdeckung der sehr hohen Bordnetzlasten – im Speziellen bei großen Events – ausgestattet, wurde dieser bei der Bürgenstock weggelassen: eine lärm- und abgasemissionsreduzierende sowie platzsparende Maßnahme (Bild 2). Auch das Prinzip der Antriebssteuerung stellt eine Weiterentwicklung dar, unterstreicht der Aventics-Mitarbeiter, der sich auch für das Schweizer Projekt verantwortlich zeigte: „Beim Vorgänger ist es so gewesen, dass der Motor erst einmal auf einen neutralen Zustand gestellt werden musste, um zwischen den Antriebsmöglichkeiten zu wechseln. Dieses Umschalten konnte schon einige Sekunden dauern.“ Bei der Bürgenstock schaltet der Diesel zum Elektroantrieb während der Fahrt zu, nachdem der Schiffsführer den Befehl erteilt hat. „Passagiere bekommen weder das Umschalten noch Zukuppeln oder irgendein Ruckeln mit – das gleicht sich alles von der Antriebsseite aus.“
Komplexes System, zuverlässige Lösung
Um die komplexen Prozesse bei diesem vollhybriden Antriebs- und Energiemanagement reibungslos ablaufen zu lassen und ein ausfallsicheres wie schnelles Umschalten beider Energiequellen zu gewährleisten, sind die Anforderungen an die Antriebssteuerung entsprechend hoch, wie M. Mudroch, unterstreicht: „Das komplizierte an der Hybridtechnologie ist, dass wir zwei Antriebsarten haben, die in ihrer Dynamik und ihrem Verhalten unterschiedlich sind. Der Schiffsführer hat immer die Möglichkeit, je nach Fahrprofil zwischen den Antrieben zu wählen oder kombiniert zu fahren.“ Die unterschiedlichen Fahrprofile sind dabei in der Steuerung hinterlegt – im Falle der Bürgenstock auf dem CAN-Controller des IO-Systems 750 (Bild 3) von Wago.
„Unsere eigenen Steuerungen haben eine begrenzte Anzahl an digitalen wie analogen Ein- und Ausgängen. Daher greifen wir seit Jahren bei größeren Projekten mit vielen Schnittstellen – was bei einem Hybridantrieb der Fall ist – auf die 750er-Serie von Wago zurück“, sagt M. Mudroch, der sich bei Aventics seit zehn Jahren auf die Entwicklung von Hybridsteuerungen im Schiffsautomationsbereich spezialisiert hat. „Das praktische bei dem 750er-System ist, dass wir die Anzahl der Module selbst bestimmen können, im Fall unseres Hybridmotors sind es insgesamt zehn. Als Kopf haben wir den CANopen-Controller 750-837 (Bild 4) gewählt, der sich in Codesys programmieren lässt.“ Ein weiterer Vorteil seien die schnelle Aufstartzeiten: Wird das System eingeschaltet, ist die Steuerung innerhalb von wenigen Sekunden betriebsbereit.
Die Funktionen des Hybridantriebs werden über das Softwarewerkzeug IO-Pro auf Basis von Codesys 2.3 im Wago-Controller programmiert. „Unser Controller dient dann im Prinzip nur noch als normales Fernsteuerungsgerät, das Informationen mit dem Wago-System austauscht“, erklärt M. Mudroch. Alle Kennlinienumschaltungen sind im 750er-System programmiert, hier werden Daten ausgewertet und weitergegeben. Wählt der Kapitän zum Beispiel den Elektromotor an, bereitet der Controller den Hybridantrieb auf den Elektromodus vor. Abhängig von den Anforderungen kann der Elektromotor dann als zusätzlicher Schub im Boost-Betrieb oder als Wellengenerator benutzt werden. Zudem bereitet die Steuerung analoge Werte, wie die Drehzahl des Dieselmotors oder die Hebelposition, auf. Über fest im Speicher verankerte Variablen kann sie aber nicht nur programmiert, sondern auch parametriert werden – Parameter stellen zum Beispiel dar, wann Verzögerungszeiten oder andere Funktionalitäten zum Einsatz kommen sollen, die an- oder abgeschaltet werden müssen.
Hybridantriebe immer innovativer
Zwei unterschiedliche Antriebsquellen, mehr Signale – dadurch erhöht sich entsprechend auch die Anzahl der Fehlermöglichkeiten, gibt M. Mudroch zu bedenken: „Auftretende Fehler müssen von der Steuerung so behandelt werden, dass das Schiff den Anforderungen entsprechen reagiert, zumal für einen Kapitän bei einem Hybrid nicht sofort ersichtlich ist, welcher Teil des Antriebs die Fehlermeldung erzeugt hat.“ Für jeden Modus-Wechsel wird eine Schrittkette gestartet. Nach jedem Schritt kontrolliert die Steuerung, ob er auch vollständig durchgeführt wurde. „Die Regeln der Klassifikationsgesellschaften bestimmen, wie sich das Schiff im Falle eines Fehlers zu verhalten hat“, erklärt der Spezialist für Hybridsteuerungen. Bei einem Seeschiff sollte der letzte Fahrzustand bei einem Fehlerfall möglichst erhalten bleiben, damit der Schiffsführer entscheiden kann, ob er weiterfährt oder den Motor per Notstopp ausstellt. „Binnenschiffe wie die Bürgenstock wiederum schalten den Motor zügig bei einem Ausfall aus, weil die natürlich relativ schnell in Ufernähe kommen“, so der Spezialist für Hybridsteuerungen im Schiffsautomationsbereich weiter.
Für ihn ist ein Ende der Entwicklung bei den Schiffssteuerungen noch lange nicht erreicht, „solange ich mit Wago meine eigene Steuerung mit Programmen und Ein- und Ausgängen erweitern kann, ist noch vieles möglich.“ Dies gelte auch für einen künftigen digitalen Datentransfer zwischen der Steuerung und einer Cloud: „Einen Remotezugriff auf das System haben wir noch nicht, was aber mit den von uns verwendeten, nicht cloudfähigen Controllern zu tun hat. Wenn der Kunde die Anforderungen vorgibt, wäre eine Lösung mit IoT-Controllern von Wago aber sicher eine Option.“ (no)

So viel Wago steckt in der Bürgenstock

Neben den Steuerungskomponenten, die Aventics in der Hybridsteuerung der Bürgenstock einsetzt, vertraut das Laatzener Unternehmen auf weitere Wago-Produkte. „Wir setzen zum Beispiel Reihenklemmen der 870er-Serie ein, für künftige Projekte wollen wir die Top Job S einbauen“, sagt M. Mudroch. Zudem greift das Unternehmen auf einen Konverter aus der Jumpflex-Serie 857 zurück, um Eingangssignale in passende Frequenzsignale zu konvertieren. „Dabei ist Wago auf unsere speziellen Anforderungen individuell und in einer schnellen Umsetzungszeit eingegangen – wir haben eine Firmware bekommen, die in der Form kein anderer hat.“ So bräuchte man bei Schiffen mit Verstellpropellern zum Beispiel nicht nur lineare Kennlinien, sondern auch Knickkurven, die einen oder mehrere Stützpunkte hätten. Eine Anforderung, die in den Konverter einprogrammiert worden ist. Besonders praktisch: Die Schnittstelle ist die gleiche wie beim 750er-IO-System. „Die Zusammenarbeit mit Wago ist historisch gewachsen, für uns ist der schnelle und flexible Support ein Pluspunkt, aber auch, dass wir beim Einsatz von Komponenten alles aus einer Hand bekommen können“, erklärt M. Mudroch.

Lars Kühn ist Leiter der Vertriebsbüros Minden bei der Wago Kontakttechnick GmbH & Co. KG in Minden. lars.kuehn@wago.com

Lars Kühn ist Leiter der Vertriebsbüros Minden bei der Wago Kontakttechnick GmbH & Co. KG in Minden. lars.kuehn@wago.com