Schiffs-Energiespeichersystem

Was ein Schiffs-Energiespeichersystem ausmacht

Ein Schiffs-Energiespeichersystem (ESS) ist eine Batterieanlage rund um Lithium-Ionen-Zellen, in Module und Gestelle gepackt, mit eigenem Batteriemanagementsystem (BMS) und so in das Energiemanagementsystem des Schiffs eingebunden, dass es unter selbsttätiger Führung aus der Schalttafel laden und in sie entladen kann. Es unterscheidet sich von einer USV in der Aufgabe: Eine USV besteht dazu, bei einem Netzausfall eine kurze Lücke für wichtige Verbraucher zu überbrücken, bemessen in Minuten; ein Schiffs-ESS ist ein arbeitender Teil der Kraftanlage, bemessen in Kilowattstunden, um Antriebs- oder Hotellast über Minuten bis Stunden zu tragen, um die Spitzen zu glätten oder zu "kappen", die einen Dieselgenerator sonst in schlechte Teillast zwängen, oder um vollelektrisches Manövrieren und Hafenliegezeiten bei abgestellten Generatoren zu erlauben.

Hauptkomponenten

Batteriemodule und Gestelle

Zellen werden zu Modulen und Module zu Gestellen zusammengefasst, jedes Gestell mit eigener Absicherung, eigenen Schützen und Temperaturfühlern. Zu den in Fahrt befindlichen Schiffs-Lithium-Ionen-Chemien zählen NMC (höhere Energiedichte, empfindlicher gegen Fehlbehandlung) und LFP (geringere Energiedichte, verträglicher gegenüber Überladung und Wärmebelastung); die Wahl wirkt sich sowohl auf den Platzbedarf als auch auf die geforderte Löschanordnung aus.

Batteriemanagementsystem (BMS)

Das BMS überwacht Zellspannung, Temperatur und Strom auf Modulebene, gleicht die Zellen aus und wirft die Gestellschütze bei jeder Größe außerhalb der gesetzten Grenzen ab. Es ist die erste Schutzebene und meldet Ladezustand und Alterungszustand an das Energiemanagementsystem des Schiffs.

Leistungswandlung (DC/AC-Umrichter)

Bidirektionale Umrichter verbinden den DC-Kreis der Batterie mit der AC-Schalttafel des Schiffs, führen Lade- und Entladeleistung und folgen den Befehlen des Energiemanagementsystems für Spitzenlastkappung, den Ersatz drehender Reserve oder den emissionsfreien Betrieb.

Wärmeführung und Brandschutz

Batterieräume erhalten eine eigene Lüftung, oft mit Zwangsluft oder in flüssigkeitsgekühlter Gestellbauart, eine Gasmeldung für ausgasende Batterien und eine feste Feuerlöschanlage, geeignet für Lithium-Ionen-Brände, denn eine übliche CO2-Anlage kann eine Zelle im thermischen Durchgehen nicht aufhalten.

Auswahl und Auslegung

Die Auslegung beginnt bei der Aufgabe, die die Batterie erfüllen muss: reine Spitzenlastkappung braucht hohe Leistung für kurze Stöße und eine mäßige Energiemenge; emissionsfreie Hafenliegezeiten oder vollelektrische Kurzstreckenfahrten brauchen eine weit höhere nutzbare Energiemenge bei entsprechend höheren Anschaffungskosten und mehr Gewicht. Die wichtigsten Werte sind die nutzbare Kapazität in kWh, die dauernde und die Spitzenentladeleistung in kW, die Zyklenlebensdauer bei der vorgesehenen Entladetiefe und der Wirkungsgrad im Lade-Entlade-Kreis. Der Einbauort zählt ebenso viel wie die elektrische Bemessung: Batterieräume müssen so liegen, dass sich die Lüftungsschächte geradlinig führen lassen und die Brandgrenzen keine angrenzenden Fluchtwege beeinträchtigen.

Vorschriften und Klasse

Alle großen Klassifikationsgesellschaften haben eigene Vorschriften für batteriebetriebenen und hybriden Antrieb und fordern typisch einen Klassezusatz für Batterieleistung oder Batteriesicherheit, eine Gefährdungsanalyse, die Trennung des Batterieraums von Unterkunft und Maschinenräumen durch Trennflächen der Klasse A, eine eigene Lüftung und Gasmeldung sowie eine feste Löschanlage, geeignet für die eingebaute Chemie. Die vorläufigen IMO-Leitlinien für Lithium-Ionen-Batterieanlagen auf Schiffen und die einheitlichen IACS-Anforderungen werden in der zugelassenen Anordnung üblich herangezogen. Die Besichtigung umfasst wiederkehrende Prüfungen der Schutzfunktionen des BMS sowie der Brand- und Gasmeldeanlagen im selben Zyklus wie die übrigen Sicherheitssysteme des Schiffs.

Typische Fehler

• Zellungleichgewicht — eine oder mehrere Zellen laufen gegenüber dem übrigen Gestell aus dem Gleichgewicht, was die nutzbare Kapazität mindert und, wenn unentdeckt, eine Zelle in Richtung Überspannungsabschaltung treibt.
• BMS-Kommunikationsfehler — der Verlust der Daten zwischen Gestell-BMS und Energiemanagementsystem nimmt das Gestell als Schutzvorgabe außer Betrieb und schneidet die verfügbare Leistung genau dann, wenn sie gebraucht werden könnte.
• Ausfall der Kühlung — eine erhöhte Gestelltemperatur beschleunigt den Kapazitätsverlust und leitet schlimmstenfalls ein thermisches Durchgehen in einer Zelle ein.
• Kapazitätsverlust über die Vorgabe hinaus — die übliche Alterung mindert die nutzbaren kWh über Jahre des Zyklierens; fällt sie unter die Anforderung der Aufgabe, muss das Gestell und nicht bloß eine Zelle ersetzt werden.

Worauf es beim Lieferanten ankommt

• Eine Baumusterzulassung für genau diese Batteriechemie und Gestellbauart von der Klassifikationsgesellschaft, nach der das Schiff gebaut ist.
• Ein belegter Prüfbericht zur Ausbreitung des thermischen Durchgehens für Gestell und Gehäuse, nicht bloß Prüfdaten auf Zellebene.
• Fernüberwachung und Diagnoseunterstützung für das BMS, denn die frühe Erkennung eines Zellungleichgewichts ist weitgehend eine Softwarefunktion.
• Ein klarer Weg für Lebensende und Entsorgung oder Zweitnutzung der Batteriemodule, vor dem Einbau vereinbart.

Jede vom BMS erzwungene Gestellabschaltung als Meldung behandeln und nicht als Störauslösung: Die Anlage sagt damit, dass eine Zelle ihr sicheres Fenster verlassen hat, und sie ohne Prüfung der Ursache zurückzusetzen, ist der Weg, auf dem ein Batterieraumbrand beginnt.