Energieführungssysteme für die maritime Transformation Hafenanlagen: Was moderne Landstromsysteme offerieren

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TSUBAKI KABELSCHLEPP GmbH

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dataTec AG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Die Elektrifizierung von Hafenanlagen ist ein wichtiger Hebel zur Dekarbonisierung des maritimen Verkehrs. Moderne Landstromsysteme versorgen hier Schiffe bei Liegezeiten aus dem öffentlichen Stromnetz. Erst das Zusammenspiel aus Hochspannungstechnik, Leistungselektronik, Sicherheitsarchitektur und intelligentem Kabelmanagement gewährleistet eine zuverlässige Energieübertragung.

Die maritime Energiewende verlagert einen zentralen Teil der Energieversorgung von Schiffen während der Hafenliegezeit vom bordeigenen Dieselgenerator auf das öffentliche Stromnetz. Dieses Landstrom-Konzept, international als „Shore Power“ oder „Cold Ironing“ bezeichnet, reduziert nicht nur lokale Emissionen von Stickoxiden, Schwefeloxiden, Feinstaub und CO₂, sondern erhöht zugleich die Energieeffizienz und verringert die Lärmbelastung in Hafenstädten. Besonders bei großen Kreuzfahrt- und Containerschiffen kommen dabei Hochspannungs-Landstromsysteme (High Voltage Shore Connection, HVSC) zum Einsatz, deren Leistungsbedarf im zweistelligen Megawattbereich liegt.

Die technische Grundlage bildet die internationale Normenreihe IEC/ISO/IEEE 80005, welche die elektrische Schnittstelle zwischen Schiff und Land definiert und Anforderungen an Spannungsniveaus, Stecksysteme, Sicherheitsfunktionen, Kommunikationsprotokolle sowie Prüf- und Betriebsverfahren festlegt. Sie adressiert sowohl die landseitige Hochspannungsverteilung als auch Transformatoren, Frequenzumrichter, Überwachungssysteme und die eigentliche Schiff-Land-Verbindung. Die Standardisierung gewährleistet, dass Schiffe weltweit an unterschiedlichsten Hafenstandorten sicher und kompatibel mit Landstrom versorgt werden können.

Leistungselektronik als Herzstück moderner Landstromanlagen

Eine der größten technischen Herausforderungen entsteht durch die unterschiedlichen elektrischen Infrastrukturen von Schiff und Hafen. Viele Schiffe arbeiten mit Bordnetzen von 6,6 kV oder 11 kV bei Frequenzen von 60 Hz. Da die öffentlichen Stromnetze der Häfen häufig andere Spannungs- und Frequenzniveaus (50 Hz) bereitstellen, müssen leistungsfähige Umrichter- und Transformatoranlagen zwischengeschaltet werden.

Moderne Landstromstationen setzen deshalb zunehmend auf modulare Umrichtersysteme. Mehrere Leistungsmodule werden parallel betrieben und können abhängig vom tatsächlichen Energiebedarf eines Schiffes flexibel zu- oder abgeschaltet werden. Dadurch verbessert sich die Energieeffizienz insbesondere im Teillastbetrieb. Gleichzeitig sinkt die thermische Belastung einzelner Leistungshalbleiter, was die Anlagenverfügbarkeit erhöht.

Die bei der Umwandlung durch die Leistungselektronik und Oberwellen verursachten Verlustleistungen erfordern jedoch leistungsfähige Kühlkonzepte und eine sorgfältige Netzrückwirkungsanalyse.

Safety Loop und Kommunikationssysteme sichern den Betrieb

Aufgrund der hohen übertragenen Leistungen sind umfassende Sicherheitsmaßnahmen erforderlich. Die Norm IEC/IEEE 80005 fordert deshalb ein mehrstufiges Sicherheits- und Kommunikationssystem zwischen Schiff- und Landstromanlage.

Eine zentrale Funktion übernimmt die sogenannte Safety Loop. Dabei handelt es sich um einen permanent überwachten Niederspannungs-Sicherheitskreis, in den sämtliche Steckverbinder, Verriegelungen und Kabelzustände eingebunden sind. Wird die Schleife durch eine mechanische Beschädigung, einen gelockerten Steckverbinder oder übermäßige Zugkräfte unterbrochen, wird die Hochspannung innerhalb kürzester Zeit abgeschaltet, sodass kein Lichtbogen entsteht und Schäden an der elektrischen Infrastruktur verhindert werden.

Kabelmanagement: Herausforderung dynamische Bewegungen

Während die elektrische Energieversorgung weitgehend standardisiert ist, stellt die mechanische Verbindung zwischen Schiff und Hafen eine deutlich komplexere Aufgabe dar. Schiffe verändern während der Liegezeit ihre Position. Ursachen hierfür sind Gezeiten (Tiedenhub außerhalb der Ostsee bis zu 7 m), Wellengang, Windlasten sowie Änderungen des Tiefgangs durch Be- und Entladevorgänge.

Die für die Energieübertragung eingesetzten Hochspannungsleitungen besitzen große Leiterquerschnitte und entsprechend hohe Eigengewichte. Gleichzeitig müssen sie über lange Distanzen flexibel bewegt werden können, ohne dass unzulässige Biegebeanspruchungen oder Zugkräfte auf die Leitungen wirken. Herkömmliche Kabelaufhängungen reichen für diese Anforderungen häufig nicht aus.

Energieführungssysteme als zentrale Infrastrukturkomponente

Für diese Anforderungen hat Tsubaki Kabelschlepp mit dem Shore Power System TKSPS spezielle Energieführungssysteme entwickelt. Sie übernehmen die sichere Führung von Energie-, Steuer- und Datenleitungen zwischen Landstromstation und Übergabepunkt am Schiff.

Die Systeme basieren auf großdimensionierten Energieketten, die entweder gleitend oder rollend geführt werden. Abhängig vom Hafenkonzept verlaufen sie unterirdisch im Kai oder innerhalb speziell entwickelter Führungskanäle entlang der Kaikante (Bild 1). Dadurch bleiben die Leitungen vor mechanischen Beschädigungen, UV-Strahlung, Salzwassereinwirkung und anderen Umwelteinflüssen geschützt. Gleichzeitig werden Verkehrs- und Umschlagflächen von störenden Kabelinstallationen freigehalten.

Das für Kreuzfahrt- und Containerschiffe entwickelte Kabelmanagementsystem TKSPS ermöglicht Verfahrwege von mehreren hundert Metern und ist für die Aufnahme hoher Zusatzlasten ausgelegt. Integrierte Zugentlastungssysteme verhindern, dass mechanische Belastungen direkt auf die elektrischen Leiter wirken. Dadurch lassen sich Leiterbrüche, Isolationsschäden und Kontaktprobleme nachhaltig vermeiden.

Korrosionsschutz für den dauerhaften Einsatz im maritimen Umfeld

Der Einsatz in unmittelbarer Küstennähe stellt besonders hohe Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe. Salzhaltige Luft, hohe Luftfeuchtigkeit, UV-Strahlung und starke Temperaturschwankungen können die Lebensdauer technischer Anlagen erheblich beeinträchtigen.

Aus diesem Grund werden die Energieführungssysteme mit umfangreichen Korrosionsschutzmaßnahmen ausgestattet. Je nach Anwendung kommen Ausführungen bis zur Korrosivitätsklasse C5-M zum Einsatz, die speziell für maritime Umgebungen mit hoher Salzbelastung entwickelt wurde.

Ergänzt wird dies durch UV-beständige Kunststoffe, seewasserresistente Materialien und korrosionsgeschützte Metallkomponenten. Dadurch können die Systeme über Jahrzehnte hinweg zuverlässig betrieben werden.

Zustandsüberwachung erhöht Verfügbarkeit

Neben der mechanischen Robustheit gewinnt die kontinuierliche Überwachung des Anlagenzustands zunehmend an Bedeutung. Moderne Landstromanlagen werden deshalb mit Condition-Monitoring-Systemen ausgestattet, die Belastungen und Verschleißzustände permanent erfassen (Bild 2).

Hierzu werden Sensoren zur Überwachung von Zug- und Schubkräften sowie weiterer mechanischer Belastungsgrößen innerhalb der Energieführung integriert. Die erfassten Daten werden in Echtzeit an die Anlagensteuerung übermittelt und ermöglichen eine frühzeitige Erkennung kritischer Betriebszustände. Wartungsmaßnahmen können dadurch zustandsorientiert geplant werden, bevor ungeplante Stillstände auftreten.

Ergänzend kommen schwimmende Mitnehmersysteme zum Einsatz, die Parallelitätsfehler zwischen Energiekette und Führungssystem ausgleichen. Dadurch werden Querkräfte reduziert und der Verschleiß der mechanischen Komponenten minimiert. In Kombination mit der integrierten Sensorik entsteht ein hochverfügbares Gesamtsystem, das speziell für die dynamischen Anforderungen moderner Hafenanlagen ausgelegt ist.

Energieführung als Schlüsselfaktor der Hafen-Elektrifizierung

Landstromanlagen sind weit mehr als reine Einspeisepunkte für elektrische Energie. Sie vereinen Hochspannungstechnik, Leistungselektronik, Kommunikationssysteme, Sicherheitsarchitekturen und mechanische Energieführung zu einem hochkomplexen Gesamtsystem. Die eigentliche Herausforderung besteht nicht allein darin, Landstrom bereitzustellen, sondern diese Energie unter wechselnden Umwelt- und Betriebsbedingungen dauerhaft sicher und normgerecht zum Schiff zu übertragen.

Energieführungssysteme übernehmen dabei eine Schlüsselrolle. Sie verbinden Hafeninfrastruktur und Schiff und schaffen damit eine wesentliche Voraussetzung für die erfolgreiche Elektrifizierung und Dekarbonisierung moderner Hafenstandorte. Die Elektrifizierung der Häfen ist keine Zukunftsvision mehr, sondern gelebte Praxis. (kr)

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