AT521319A1

AT521319A1 - Verfahren und Einrichtung zur Energiebereitstellung mit Zero-Emission für Off-Highway Anwendungen

Info

Publication number: AT521319A1
Application number: ATA160/2018A
Authority: AT
Inventors: Herbert Wancura Ing
Original assignee: Herbert Wancura Ing
Priority date: 2018-06-04
Filing date: 2018-06-04
Publication date: 2019-12-15
Also published as: AT521319B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und System zur Bereitstellung von Betriebsenergie für Off-Highway Anwendungen, also jene Anwendungen, die sich nicht auf Straßenfahrzeuge beziehen, jedoch in der Mehrzahl mobile Einheiten betreffen, wobei die Bereitstellung der Energie keine lokalen Schadstoffemissionen erzeugt, gekennzeichnet dadurch, dass das System aus mindestens einem in einem geschlossenen Gehäuse, vorzugsweise einer ISO-Ladeeinheit, aber auch in anderen Geometrien ausgeführt sein kann, welche den Handling und Befestigungserfordernissen der Anwendung genügen, Leistungsbereitstellungsmodul, welcher einerseits mit Vorrichtungen zum elektrischen Anschluss an das mit Energie zu versorgende Zielobjekt und mindestens einer Brennstoffzelleneinheit sowie mit den für den sicheren Betrieb derselben erforderlichen Nebenaggregaten zur dauerhaften luftschadstofffreien Erzeugung von elektrischer Energie aus wasserstoffhaltigem Gas und mindestens einem Energiespeicher zur Speicherung von aus dynamischen Vorgängen innerhalb des Energieversorgungszielobjektes rückgewonnener Energie welche über den elektrischen Anschluss an den Leistungsbereitstellungsmodul weitergeleitet werden, ausgerüstet ist und über Vorrichtungen zum Anschluss einer Versorgung mit wasserstoffhaitigern Gas verfügt und gemeinsam mit mindestens einem weiteren Modul, welches ebenfalls als ISO-Ladeeinheit, aber auch in anderen Geometrien ausgeführt sein kann, welche den Handling- und Befestigungserfordernissen der Anwendung genügen, und welches weitere Modul mit Einheiten zur Speicherung und Bereitstellung von wasserstoffhaltigem Gas ausgerüstet ist, wobei beide oder eine Pluralität von solchen Modulen auf einem gemeinsamen Grundgerüst so angeordnet sind, dass Ihre Position zueinander ausreichend präzise definiert ist, dass eine sichere, lös- und wieder schließbare Gasleitungsverbindung auch dann herstellbar ist, wenn das Modul zur Bereitstellung des wasserstoffhaltigen Gas bei nicht mehr ausreichendem Füllstand ganz oder in Teilen von diesem Grundgerüst entfernt werden kann, um es durch ein entsprechend gefülltes Modul oder Teilmodul zu ersetzen und durch diesen Wechsel ein Tankvorgang vermieden werden kann.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Energiebereitstellung mit Zero-Emission für OffHighway -Anwendungen

Zusammenfassung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und System zur Bereitstellung von Betriebsenergie für Off-Highway Anwendungen, also jene Anwendungen, die sich nicht auf Straßenfahrzeuge beziehen, jedoch in der Mehrzahl mobile Einheiten betreffen, wobei die Bereitstellung der Energie keine lokalen Schadstoffemissionen erzeugt, gekennzeichnet dadurch, dass das System aus mindestens einem in einem geschlossenen Gehäuse, vorzugsweise einer ISOLadeeinheit, aber auch in anderen Geometrien ausgefuhrt sein kann, welche den Handling und Befestigungserfordemissen der Anwendung genügen, Leistungsbereitstellungsmodul, welcher einerseits mit Vorrichtungen zum elektrischen Anschluss an das mit Energie zu versorgende Zielobjekt und mindestens einer Brennstoffzelleneinheit sowie mit den für den sicheren Betrieb derselben erforderlichen Nebenaggregaten zur dauerhaften luftschadstofffreien Erzeugung von elektrischer Energie aus wasserstoffhaltigem Gas und mindestens einem Energiespeicher zur Speicherung von aus dynamischen Vorgängen innerhalb des Energieversorgungszielobjektes rückgewonnener Energie welche über den elektrischen Anschluss an den Leistungsbereitstellungsmodul weitergeleitet werden, ausgerüstet ist und über Vorrichtungen zum Anschluss einer Versorgung mit wasserstoffhaltigem Gas verfugt und gemeinsam mit mindestens einem weiteren Modul, welches ebenfalls als ISOLadeeinheit, aber auch in anderen Geometrien ausgefuhrt sein kann, welche den Handlingund Befestigungserfordemissen der Anwendung genügen, und welches weitere Modul mit Einheiten zur Speicherung und Bereitstellung von wasserstoffhaltigem Gas ausgerüstet ist, wobei beide oder eine Pluralität von solchen Modulen auf einem gemeinsamen Grundgerüst so angeordnet sind, dass Ihre Position zueinander ausreichend präzise definiert ist, dass eine sichere, lös- und wieder schließbare Gasleitungsverbindung auch dann herstellbar ist, wenn das Modul zur Bereitstellung des wasserstoffhaltigen Gas bei nicht mehr ausreichendem Füllstand ganz oder in Teilen von diesem Grundgerüst entfernt werden kann, um es durch ein entsprechend gefülltes Modul oder Teilmodul zu ersetzen und durch diesen Wechsel ein Tankvorgang vermieden werden kann.

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Ing. Herbert Wancura

Verfahren und Einrichtung zur Energiebereitstellung mit Zero-Emission für Off-Highway -Anwendungen

Teil 1: Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein System zur Bereitstellung von Betriebsenergie für Off-Highway Anwendungen, also jene Anwendungen, die sich nicht auf Straßenfahrzeuge beziehen, jedoch in der Mehrzahl mobile Einheiten betreffen, wobei die Bereitstellung der Energie keine lokalen Schadstoffemissionen erzeugt.

Stand der Technik:

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die Energieversorgung von mobilen Anwendungen, beispielsweise in typischen Straßenanwendungen, wie Personenkraftwagen, Bussen oder Fernlastwagen, überwiegend über die Verwendung einer Verbrennungskraftmaschine erfolgt, welche mit zumeist fossilen Kraftstoffen versorgt wird, und die in diesen Kraftstoffen enthaltene Energie über den Verbrennungsprozess in thermische Energie und in der Folge durch geeignete konstruktive Ausführung in mechanische Energie verwandelt wird. Grundsätzlich funktioniert auch die Energieversorgung für die Mehrheit der sogenannten Off-Highway Systeme, also Fahrzeuge aus dem Bereich der Land- und Forstwirtschaft, des Bausektors oder der (fahrbaren) Industriemaschinen inklusive Bodenabfertigungsgeräten des Flugbetriebes, sowie Bergbau-, Schienen- und Marineanwendungen gleich. Handelt es sich um Fahrenergie, so kann die so in der Verbrennungskraftmaschine erzeugte mechanische Energie dann zumeist mittels Getrieben unterschiedlicher Bauart an den Traktionsbedarf angepasst und sodann über die Antriebselemente, bspw. Räder oder Raupenantriebe, für den Vortrieb des Fahrzeugs sorgen. Seit vielen Jahren sind auch Kombinationen bekannt und im Einsatz, welche die von der Verbrennungskraftmaschine erzeugte mechanische Energie in einem Generator in elektrische Energie verwandeln, welche dann in geeigneter Weise geschalten und /oder umgeformt als Antriebsenergie für elektrische Fahrmotoren zur Verfügung steht, die wiederum für die Bewegung des Fahrzeugs sorgen. Des Weiteren sind im Off-Highway Sektor hydraulische Antriebe weit verbreitet, bei denen die mechanische Energie der Verbrennungskraftmaschine durch eine hydraulische oder hydropneumatische Verdichtungsanlage in eine Druckerhöhung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums umgesetzt wird, welcher in den Antriebseinheiten, die als Expansionsmaschine(n) ausgeführt sind, welche einerseits zur Bewegung des Fahrzeuges dienen, aber auch von Nebenaggregaten, wie bspw. Hebe- oder Drehvorrichtungen umgesetzt wird.

In den letzten Jahren wurden zunehmend hybride Antriebssysteme dem Stand der Technik hinzugefugt. Darunter versteht man i. d. R. die Kombination von mehreren, zumeist auf unterschiedlichen Prinzipien beruhenden, Energieversorgungssystemen, welche durch gemeinsame Anwendung, spezifische Schwächen des einzelnen Systemelements auszugleichen versuchen. Besonders häufig sind dabei Kombinationen von Systemen

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anzufinden, die geeignet sind, durch Energiespeicherung den gesamten Energieverbrauch zu senken, indem sie bspw., aber nicht ausschließlich, die bereits einmal vom Hauptenergiekonverter aufgebrachte Energie zur Beschleunigung oder Änderung der Potentialenergie eines Gegenstandes, wie bspw. einer Last oder eines Fahrzeuges, im Zuge einer Verzögerung des Fahrzeuges oder eines Absenkens der Last durch geeignete Vorrichtungen und Schaltungen zumindest teilweise wieder zurückgewinnen und in dem Energiespeicher für zukünftige Verwendung, z.B. den nächsten Hebe- oder Beschleunigungsvorgang, zur Verfügung halten. Geeignete Schaltungen ermöglichen dann die Hinzufügung der gespeicherten Energie. Die dabei eingesetzten Energie Speicher können auf mechanischen Prinzipien (Schwungrad, Druckspeicher), elektrochemischen Verfahren (vorwiegend wieder aufladbare Akkumulatoren unterschiedlicher Typen oder Kondensatoren sehr hoher Kapazität, sogenannte „Super- oder Ultrakondensatoren“) beruhen. Weiters ist noch zu unterscheiden, ob die Energiespeicher ausschließlich durch die systeminternen Komponenten gefüllt und entladen werden (geschlossenes System) oder ob diesen Speichern auch von externen Systemen, wie bspw. das Stromversorgungsnetz, durch geeignete Einrichtungen, wie z.B. Ladestationen in unterschiedlichen Ausführungen, Energie zugeführt werden kann (diese werden häufig als Plug-in Hybride bezeichnet).

Der Hauptenergiekonverter bestimmt dabei die im Gebrauch bzw. Einsatz entstehenden lokalen Schadstoffemissionen. Handelt es sich dabei um eine Verbrennungskraftmaschine, so sind die dabei entstehenden Schadstoffemissionen durch geeignete Maßnahmen verringerbar, jedoch in der realen Welt nicht auf „Null“ zu reduzieren. Die oben beschriebene Hybridisierung ist jedoch ein tauglicher Weg zur Verminderung der Emissionen, da sie je nach Auslegung des Designs begrenzten Betrieb ohne den Hauptenergiekonverter ermöglicht, oder diesen in schadstoffkritischen Betriebszuständen, wie dies typisch die Beschleunigung darstellt, entlastet.

Gleichzeitig steigt der öffentliche und rechtliche Druck, neben dem Straßenverkehr auch andere Formen der Energieumwandlung in mobilen Anwendungen auf „Nullemission“ bzw. Zero Emission umzustellen. Dabei geht es vor allem um die Frage der typischen Luftschadstoffe, wie Stickoxide, Feinstaub, Kohlenwasserstoffe oder Kohlenmonoxid, nicht jedoch primär um das klimaschädliche Gas Kohlendioxid, auch wenn die EPA auch dieses als Luftschadstoff definiert hat. Allerdings sind auch hier in den letzten Jahren verstärkte Bemühungen zu erkennen, der Reduktion dieser Emission hohe Bedeutung zuzumessen, nicht zuletzt seit der Unterzeichnung der Pariser Klimakonvention.

Aus der Literatur ist zwar eine Reihe von Verfahren zur Hybridisierung von Off-Highway Antriebssystemen bekannt, so wurde bspw. in Deutschland bereits 1996 von Wolf ein HybridAntriebssystem für Straßenbahnen in der DE 19617987 offen gelegt. Neuerere Anmeldungen sind z.B. Kumar et al in US2005/0005814 oder mit einem stärkeren Fokus auf die Schienenanwendung derselbe in US 2003/0233959 und in Zusammenarbeit mit King (King et al) in US2005/0285554. Weitere Veröffentlichungen zu diesem Thema sind bspw. Donelly in US 2005/007937 (auch WO 2005/086910) oder Mack in US2007/025184 (auch WO 2008/073353) oder Kanda et al in US2012/0152815 und Luo Linnye et al in CN103552476; Guo Yichao et al in CN 107585168 bzw. Chen Pingsong et al in CN107554308; all diese

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beschreiben ein Verfahren zur Hybridisierung einer Lokomotive bzw. eines LokomotivenVerbunds. Mehr auf systemischen Überlegungen hinsichtlich gesamter Züge beruhen die Anmeldungen von Read (US 2008/0083576) oder Schmitz (US2009/0293759). All diesen Anmeldungen ist jedoch gemeinsam, dass der Fokus der Anmeldung auf ein Hybridsystem gelegt wird, in dem der Hauptenergiekonverter (in den englischsprachigen Unterlagen häufig als „prime mover“, manchmal auch als „engine gen-set“ bezeichnet) jedenfalls eine Verbrennungskraftmaschine ist, welche die Zielsetzung der „Nullemission“ in Bezug auf die Luftschadstoffe nicht erfüllt, und auch der Frage der Kohlendioxidemissionen nicht thematisiert.

Somit kann festgehalten werden, dass sowohl die ausgeführten Lösungen als auch die zitierten Veröffentlichungen in Bezug auf die Zielsetzung „Bereitstellung der Energie bei Nullemission“ erhebliche Mängel aufweisen.

Diesen Mangel in Bezug auf Zero Emission behebt vor allem Miller et al in US 8381658, der eine Hybrid-Lokomotive auf Basis von Wasserstoff und Brennstoffzelle und deren Betriebsverfahren offen legt. Ähnliche Konzepte für Schienenfahrzeuge werden auch von Wang Tianhong et al im Utility Model CN20652050loder Li Kelei et al in CN205168223 bzw. Yang Bin et al in CN204915683 verfolgt und dargestellt. Außerhalb der Patentwelt hat die Firma Alstom einen Schienen-Triebwagenzug mit grundsätzlich ähnlicher Architektur, also einem Wasserstoff-Brennstoffzellen-Batteriehybridantrieb als Weiterentwicklung Ihrer Dieselregionalzugreihe „Coradia“ in einer als „Coradia iLint“ bezeichneten Variante auf der „Innotrans“-Fachmesse in Berlin im Oktober 2016 dem Fachpublikum als Prototyp vorgestellt und mittlerweile auch wesentliche Schritte zur Zulassung für den Regelbetrieb erfolgreich umgesetzt.

Während diese Verfahren bzw. deren Ausführungen die Nachteile der weiter oben beschriebenen Hybridsysteme in Bezug auf Nullemission beheben, weisen sie andere Mängel auf, die einer breiteren Nutzung im Off-Highway Segment, insbesondere im Schienensektor, im Wege stehen. Hier ist vor allem die sich aus den physikalischen Eigenschaften des Wasserstoffs und der sich daraus ergebenden volumetrischen Energie-Speicherdichte sowie die ebenfalls unbefriedigende Energiedichte aller sonstigen Speicherverfahren zu nennen wobei letztere in nahezu allen derzeit zur Verfügung stehenden Ausführungen zusätzlich noch Eigenschaften aufweisen, die einen Einsatz im Off-Highway Segment nicht sinnvoll darstellbar machen. Dazu zählen in der Mehrzahl der gebräuchlichen Technologievarianten für Energiespeicher bspw. Eigenschaften in Bezug auf deren Fähigkeit Energie bei besonders niedrigen (z.B. < -10°C) Temperaturen zu specihem oder abzugeben, die in vilen Fällen problematischen Eigenschaften bei höheren betriebstemperaturen, weclhe aufwändige Sicherheits- und Kühlsysteme erfordern, oder deren begrenzte Zyklierbarkeit, also Lebensdauer, im Falle von sehr großen Lade- und Entladeströmen, wie sie während der Speicherung von rückzugewinnender Bremsenergie auftreten können. Die Einschränkungen, welcher insbesondere aus der Kombination aus verfügbarem und auch nach den eisenbahnrechtlichen Vorschriften tatsächlich nutzbaren Bauraum und den vorgenannten problematischen Eigenschaften von Wasserstoff und den verfügbaren Energiespeichem ergeben, machen den Einsatz von Lösungen mit höheren Anforderungen an Leistung und

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Betriebsdauer zwischen Tank- oder elektrischen Ladevorgängen schwierig umzusetzen. Erschwerend kommt hinzu, dass der Tankvorgang für Wasserstoff nicht beliebig beschleunigt werden kann, da seine physikalischen Eigenschaften zu einer unzulässigen Belastung der Speichergefäße fuhren würden. Im Schienensektor lassen sich daher Lösungen, welche über den Straßenbahn und Light Rail Sektor bzw. Kurzstrecken-Regionalverkehr oder Verschubbzw. Rangierdienste hinausgehen, nur mit sehr großen operativen Einschränkungen realisieren.

So weist die vorstehend zitierte Lösung der Fa. Alstom bei Höchstgeschwindigkeiten von 140 kmh'¹ auf weitgehend ebenen Streckenprofilen nur eine Gesamtreichweite von 600-800km zwischen Betankungsvorgängen auf. Da derzeit aus zulasssungstechnischen Gründen mit Betankungsverfahren und -anschlüssen aus dem Wasserstoff-Bus-Sektor gearbeitet wird, welche typisch nur ca. 1/6 der Wasserstoffmenge eines typischen Kurzstrecken Regionaltriebwagenzuges für einen Tagesbetrieb an Bord speichern müssen, vervielfacht sich die Zeit des Tankvorganges erheblich. Dem wird versucht durch Parallelisierung der Tankleitungen zu begegnen, aber dies erhöht in jedem Fall den Infrastrukturaufwand und kann auch das Verfahren des Zuges erfordern, was sowohl zeitverlängernd als auch kostenerhöhend wirkt.

Höhere Speicherdrücke oder deutlich vergrößerte Tankzuleitungsquerschnitte wären naheliegende Lösungsansätze, diese sind jedoch im Rahmen der derzeitigen gesetzlichen und normativen Regularien entweder nicht darstellbar, oder benötigen aufwändige Entwicklungen, die noch nicht bekannt sind.

In den USA sind Lösungen mit Verbrennungskraftmaschinen, welche als NiedrigEmissionslösungen konzipiert sind und daher mit Erdgas in entweder Druck- (CNG, Compressed Natural Gas)oder tiefkalter, flüssiger Varianten (LNG, Liquefied Natural Gas) versorgt werden, im Einsatz. Diese greifen das aus der Zeit der Dampflok bekannte Prinzip des Brennstoff-Tenders auf, und stellen unmittelbar hinter die Zugmaschine einen Tankwaggon, welcher mit der Zugmaschine außer über die Zugverbindung und die notwendigen Pneumatischen Bremsleitungen auch über eine Versorgungsleitung verbunden ist, und so die Versorgung des sogenannten „Prime Movers“ mit gasförmigem oder flüssigem Kraftstoff sicherstellt und damit die entsprechenden räumlichen Einschränkungen zumindest teilweise wieder aufhebt. Nach derzeitiger Vorschriftslage ist in der Mehrzahl der Länder eine solche Lösung, welche eine beschädigbare, oder mit sonstigen Undichtheitsrisiken versehene Leitung zwischen Waggons oder Waggons und der Zugmaschine/Lokomotive vorsieht, nicht zulassungsfähig. Für andere landgestützte Systeme, die sich in unwegsamen Gelände bewegen müssen, wie dies bspw. für Bergbaufahrzeuge im Tagebau oder land- und forstwirtschaftliche Fahrzeuge gilt, ist eine solche Anhängerlösung aus Gründen der Fahrdynamik des Gespanns und den daraus abzuleitenden Sicherheitsproblematiken ebenfalls nicht realistisch. Eine häufigere Betankung reduziert die betrieblich nutzbare Verfügbarkeit und erhöht somit die Anforderungen an die Flottengröße um den Ziel-Durchsatz zu erreichen.

Ebenfalls als bekannt kann vorausgesetzt werden, dass elektrischer, netzgebundener Betrieb, beispielsweise über Oberleitungen, oder ähnliche Vorrichtungen, einen lokal

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luftschadstofffreien Betrieb ermöglicht, jedoch an das Vorhandensein einer entsprechenden Infrastruktur gebunden ist, welche regional in sehr unterschiedlicher Dichte vorliegt. Selbst in Ländern mit einer hohen „Elektrifizierungsrate“, verbleiben Anwendungen oder Teilbereiche wo die Elektrifizierung aus Gründen der Betriebssicherheit (z.B. Gefahr von sicherheitsrelevanten Problemen die sich aus der zentralen Aufgabe eines Containerterminals und allfällig ebendort verlegten Oberleitungen ergäbe) nicht möglich ist.

Ein weiteres Problem besteht bei grenzüberschreitendem Verkehr, da die Elektrifizierung der Fahrwege an der Grenze plötzlich enden kann, die Transportaufgabe aber mit Nullemissionsvorgaben gesamthaft umzusetzen wäre.

Es wäre somit naheliegend, für mobile Applikationen, welche bereits im netzgebundenem Betrieb bewegt werden, eine Hybridisierung mittels Speicherlösungen, bspw. Batterien, beispielsweise als Anhängelösungen, wie in den Anmeldungen von Schmitz oder auch von Emori et al, in der US2004/0216636 vorgeschlagen, durchzuführen. Eine Nachrechnung dieser Ansätze zeigt aber, dass eine Hybridisierung, welche lediglich regenerierte Bremsenergie speichert und/oder für die Bereitstellung von Zusatzenergie für die Bewältigung von Steigungen erforderlich ist, in der von den Erfindern dargestellten Form noch realisierbar erscheint, eine primäre Energieversorgung jedoch an den bereits weiter oben beschriebenen Energie-Speicherdichten, insbesondere unter den für einen typischen Heavy Duty Betriebsbedingungen, wie sie für die Auslegung Off-Highway Lösungen zu Grunde zu legen wären, nicht dargestellt werden kann.

Somit fehlt nach wie vor eine Energieversorgungslösung für mobile Off-Highway Anwendungen, welche die Anforderung einer lokalen Nullemission erfüllt, den sicherheitstechnischen Vorschriften der wichtigsten Segmente genügt, hohe Energieeffizienz aufweist und das Potential bietet, auch in Bezug auf klimaschädliche Gase, wie Kohlendioxid, optimierte Varianten integrieren zu können. Diese Anforderung wird durch die nachstehend beschriebene Erfindung gelöst.

Abbildungen:

Abbildung 1 zeigt das Prinzip des vorgeschlagenen Energiebereitstellungssystems in vereinfachter Aufriss-Darstellung.

Abbildung 2 detailliert die modulare Hybrid-Power Unit in ihren wesentlichen Elementen in einem Aufriss-Schema

Abbildung 3 zeigt eine vereinfachte axonometrische Darstellung einer möglichen Ausführungsvariante eines einzelnen Hybrid Power Moduls

Abbildung 4 zeigt die grundsätzliche elektrische Verschaltung einer modularen Hybrid Power Unit

Abbildung 5 zeigt die prinzipielle Anschluss-Struktur des Anschlusseinheit für die Gasverbindung

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Abbildung 6 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Wasserstoffbereitstellungseinheit nut besonderen Sicherheitsmerkmalen für die Variante Druckwasserstoff als vereinfachte Schnittzeichnung

Abbildung 7 zeigt den schematischen Aufbau einer Variante der Wasserstoffbereitstellungseinheit mit on-board Erzeugung von Wasserstoff

Abbildung 8 zeigt die Anordnungsvariante für den bi-modalen Betrieb von Eisenbahnen

Abbildung 9 zeigt schematisch eine mögliche Anordnung für den Einsatz in Marineanwendungen am Beispiel eines Fährschiffes

Abbildung 10 zeigt exemplarisch eine Variante zur Anordnung für den Einsatz in SchwerLastkraftwagen, wie sie im Tagebau von Erzen und Mineralien Verwendung finden.

Beschreibung

Das Grundprinzip der Erfindung ist aus Abbildung 1 ersichtlich. Auf einem festen Grundgerüst „A“, welches entweder eine getrennte Einheit oder bereits Teil des auszurüstenden Systems sein kann und daran auf- bzw. eingebauten festen Montage bzw. Verankerungspunkten welche die Anordnung der weiteren das System bildenden Elemente zueinander exakt definieren, wird eine Hybrid Power Unit „B“ fixiert, diese ist bevorzugt in einem eigenen Gehäuse, insbesondere einer international genormten Ladeeinheit (Container), untergebracht oder kann zumindest entsprechende Befestigungs- und Handling-Einrichtungen nutzen. Diese Hybrid Power Unit „B“ verfügt über die Anschluss-An- bzw. Einbauten „C“ und „D“, wobei die Anschlusseinheit „C“ die Energieversorgung des Fahrantriebes bzw., so der Fahrvorgang nicht die Primärfunktion darstellt, auch jener Antriebe, die andere Hauptfunktionen, wie bspw., aber nicht ausschließlich, heben, baggern, drehen oder sogenannter „Hotellasten“ (Beleuchtung, Klimatisierung, etc.) sicherstellt. In der Regel wird diese Vorrichtung eine elektrische Verbindung mit Kabel und Stecker in der Leistung angemessener Dimensionierung und den mechanischen und sonstigen Sicherheitsvorschriften angemessenen Ausführung sowie entsprechende Datenleitungen und deren sichere Anschlussverbindungen umfassen, in besonderen Fällen kann die Verbindung auch automatisiert erfolgen. Von Bedeutung ist dabei jedoch, dass diese elektrische Verbindung lösbar ist und die einzige energiebezogene Verbindung zwischen dem Energiebereitstellungssystem und dem zu versorgenden System darstellt; dies ist im Hinblick auf die Zulassbarkeit der Lösung in einer Reihe von Anwendungen essentiell. In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist das zuvor beschriebenen Grundgerüst „A“ zusätzlich mit Einrichtungen zur elektrischen Verbindung und Durchleitung von sowohl Hochleistungsstrom als auch Datentransfer ausgerüstet, welche mit den Anschlussteilen der Anschlusseinheit „B“ kompatibel ist und so eine Kaskadierung mehrerer Energiebereitstellungssysteme ermöglicht. Die Anschlusseinheit „D“ ist eine automatisch verbindende Vorrichtung zum pneumatischen (Gasleitungs-)Anschluss der Hybrid-Power Unit an eine Wasserstoff-Versorgungseinheit „E“, welche wiederum mit Gehäuse bzw. Rahmen in Form einer international genormten Ladeeinheit (Container), ausgeführt ist oder zumindest entsprechende Befestigungs- und Handling-Einrichtungen nutzen kann. Da die

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Verankerungspunkte der Elemente „B“ und „E“ auf dem Grundgerüst „A“ definiert und bekannt sind, kann einfach und sicher ein automatischer Vorgang des Anschlusses stattfinden und die Hybrid-Power Unit aus der Wasserstoffversorgungseinheit mit Wasserstoff in geeigneter Menge und Druck versorgt werden. Durch diese Möglichkeit des „Auto-Dockings“ der Versorgung kann in wesentlich kürzerer Zeit, als dies bei einem regulären Tankvorgang möglich wäre, ein Tausch - in der Abbildung 1 angedeutet durch die dünnen beidseitigen Pfeile - zwischen einer „leeren“ und einer „vollen“ Wasserstoffversorgungseinheit stattfinden, der Vorgang der Befüllung derselben kann asynchron und allenfalls in zentralen Stellen durchgeführt werden. Dies reduziert die Zahl der erforderlichen Betankungseinrichtungen, erhöht durch die Normierbarkeit und die damit über die mögliche Austauschbarkeit der Systeme die Zahl der möglichen Anbieter und kann somit wesentlich zur Wirtschaftlichkeit der Bereitstellung beitragen.

Abbildung 2 zeigt schematisch den Aufbau der modularen Hybrid Power Unit „B“. Diese enthalten als konstituierende Baugruppen standardisierte, und somit kostengünstiger zu fertigende Elemente oder Module, welche in den Abbildungen 3 und 4 näher ausgeführt sind, und im Falle der zulassungstechnischen Erfordernis auch als einzelne, mechanisch abgeschlossene Einheiten - angedeutet in Abb. 2 durch die schraffiert gezeichneten Trennwände (Schotten), ausgeführt und innerhalb der vorgegebenen Längengrenzen des gemeinsamen Gehäuses oder Rahmens zusammengefugt werden können. Diese so untergebrachten Module, welche in der Zeichnung mit Bi (200), B₂ (300), B₃ (400), usw. bezeichnet werden, enthalten als Kern der Null-Emissionsfahigkeit bei Netzunabhängigkeit ein oder mehrere Sub-Module (x05.1 - x05.n), welche in Brennstoffzellentechnologie ausgeführt sind und den vom Wasserstoffbereitstellungssystem gelieferten Wasserstoff über die bekannte elektrochemische Reaktion in Strom und Wärme umgewandelt werden. Jedes der Submodule verfugt dabei über ein eigenes Luftbereitstellungsaggregat und einen eigenen Controller, um die für die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems kritischen Luftverhältnisse und das entsprechende Feuchtemanagement Sorge tragen zu können. Die Zahl der Submodule richtet sich nach der Anwendung und dem sich daraus ergebenden Leistungsprofil, der Leistungsdichte der am Markt verfügbaren Brennstoffzellensysteme, sowie dem im Modul verfügbaren Raum. Die nicht anderweitig nutzbare Abwärme wird über seitliche und dachseitig angeordnete Wärmetauscher mit Fremdbelüftung (bspw. gemäß 220) abgeführt, für ein erleichtertes Verständnis siehe auch die axonometrische Darstellung in Abb.3.

Für hohe Wirtschaftlichkeit ist die Nutzung von sich aus den Betriebs- oder Fahrprofilen bzw. der Topographie ergebenden Möglichkeiten zur Energierückgewinnung von höchster Bedeutung. Daher verfügt jedes der Module über entsprechende Einrichtungen zur Energiespeicherung. Nun ist entsprechend ausgebildeten Personen bekannt, dass sich die dynamischen Eigenschaften der Energiespeicher, aber auch der Brennstoffzellen voneinander unterscheiden, und dieser Unterschied -auch je nach Baugröße und Type des Systems -bis zu mehreren Größenordnungen betragen kann. Weiters ist bekannt, dass insbesondere bei elektrochemischen Speichervorrichtungen die Fähigkeit hohe Leistungen liefern bzw. absorbieren zu können, i.d.R. zu Lasten der speicherbaren Energiedichte geht. Die bisher im

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Stand der Technik bekannt gegebenen Lösungen gehen darauf jedoch nicht ein. Jedes Power Modul verfügt daher über mindestens ein Energiespeicherelement, welches die in der Anwendung zu erwartenden Energieströme aufnehmen und wieder abgeben kann. Dieses Element ist mit der Zeichnungsnummer „n03“, also bspw. „203“ oder „303“ gekennzeichnet. Sollten sich aus der Anforderung die Notwendigkeit, bzw. wirtschaftliche Sinnhaftigkeit ergeben, eine Kombination von Speichertechnologien einzusetzen, um sowohl die Lastdynamik als auch die Energiemenge darzustellen, so kann dies durch die Hinzufügung der Speicherelemente „n08“, und, nachdem diese üblicherweise ähnlich der Brennstoffzellenmodule in definierten Modulen geliefert werden, in den Abbildungen 2 und 3 gemäß ihrer Reihenfolge als bspw. 208.1, 208.2, etc. bezeichnet, erfolgen. Dabei weisen dann der Energiespeicher „n03“ und „n08“ deutlich unterschiedliche, aber im Hinblick auf die Anwendung komplementäre Eigenschaften hinsichtlich Energiespeicherdichte und Lastdynamik auf. Die konkrete Auslegung kann mit Hilfe von in der Industrie gebräuchlichen Simulations-und Optimierungswerkzeugen auf Basis der Lastprofile und der Kenndaten der einzelnen Module vorgenommen werden.

Zur Verdeutlichung der Logik sei ein Beispiel aus der Eisenbahnanwendung, insbesondere im Frachtbetrieb, dargestellt. Die Überwindung des sogenannten „Losbrechmoments“ erfordert wesentlich höhere Leistungen als wirtschaftlich sinnvoll in einer Lösung ausschließlich aus Brennstoffzellensystemen darstellbar wäre. Die Hybridisierung mit einem spitzenlastfahigen Energiespeicher ist daher sinnvoll. Nimmt man als dafür verfügbare Technologie sogenannte Superkondensatoren, so können zwar damit sehr hohe Leistungen für diesen Anfahrvorgang zur Verfügung gestellt werden, die maximale Dauer der Leistungsbereitstellung auf diesem Niveau ist jedoch auf Grund der geringen Speicherdichte auf Zeiträume von einer Größenordnung von deutlich unter einer Minute beschränkt (typisch max. 15 Sekunden). Die bei einem Bremsvorgang aus 100 kmh'¹ anfallenden Energiemengen für einen mehrere tausend Tonnen schweren Zug können mit dieser Technologie nur mit sehr extremem Raumbedarf abgedeckt werden, welcher selbst in der vorgeschlagenen Lösung nicht dargestellt werden könnte und außerdem kostenmäßig nicht realistisch wäre. Gleichzeitig wären die sich aus einem solchen Array ergebenden, maximalen Spitzenleistungen nicht sinnvoll einsetzbar. Die Lösung wird daher entweder ein Energiespeichersystem sein müssen, welches hohe Energiedichten aber niedrigere Lastdynamik und Zyklenfähigkeit aus einem Modul, bspw. eine kostengünstige Batterietechnologie, mit jenem einen spitzenlastfahigen Speichersystem kombiniert. Die Kombination dieser Systeme zusammen mit der Brennstoffzelle ermöglicht sodann ein optimiertes Lastmanagement, bei der auch der jeweils geeignete Ladezustand der Energiespeicher berücksichtigt und ggfs. auch unabhängig von der Verfügbarkeit von rückgewinnbarer Energie wiederhergestellt werden kann.

Das Zusammenwirken dieser Module wird, wie in in Abbildung 4 dargestellt, auf einem Modul-DC-Bus („n02, bspw. 202, 302, etc. auf Abbildung 3), welcher typisch in seinem Spannungsniveau „floated“, sichergestellt. Der Modulcontroller, bspw. in Abb. 4 als „209“ (mit steigender Anzahl der Module, die jeweils über einen solchen Modulcontroller verfügen, werden diese entsprechend der Modul- Nummer „n09“ und über einen kaskadierföhigen Bus, wie bspw. CAN verbunden, wobei der jeweils erste Modulcontroller, also jener mit der

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niedrigsten Ordnungszahl „n“ typisch die Master Funktion“ übernimmt; sind besondere Sicherheitserfordemisse gegeben, wird diese Hierarchie entsprechend angepasst und kann zu Gruppen von Controllern fuhren, welche parallel die gleichen Tasks durchführt und über „Watchdog-Systeme“ miteinander verbunden sind, und so bei Ausfall eines Systems die Funktionen des anderen Modulcontrollers übernehmen können) bezeichnet, regelt dabei die Brennstoffzellenleistung gemäß Leistungsanforderung eines darüber liegenden Leistungsreglers (bspw. des Traktionsreglers des zu versorgenden Fahrzeuges) und den Betriebszustandsdaten der einzelnen Module, die wiederum alle über ein eigenes on-board Controller System (Fuel Cell Controller, Batterie Management System, etc.) verfügen, wie dies die Buspfeile zwischen dem Controller „n09“ und den einzelnen Subeinheiten andeuten. Da die Brennstoffzellenmodule die einzigen Komponenten des Systems sind, die nicht bidirektional betrieben werden können, sind sie über das Sicherheitsmodul, bezeichnet als “n06“ in der Abb. 4 (in Form von „206.“1 oder „206.2“, etc. bzw. „306.1“, usw.) an den jeweiligen Modul-DC-Bus angebunden. Dieses Sicherheitsmodul besteht im Wesentlichen aus einem steuerbaren Leistungsrelais und einer „Reverse-Current“ Sperre, bspw. in Form einer Schottky-Diode.

In Richtung des Energieversorgungszieles wird die am Modul-DC-Bus anstehende Spannung in einem Modul DC/DC Konverter auf ein Power Modul Intermediate Spannungsniveau geregelt und an den System-DC-Bus (Abb. 4, Nr. „104“) geliefert. Durch die Spannungsstabilisierung wird sichergestellt, dass die Verteilung der Leistung zwischen den einzelnen Modulen gleichmäßig sein kann.

Der System-DC-Bus wird dann entweder über eine Umrichtereinrichtung (Abb. 2 bzw.4, Nr. 103) an die Ziel-Versorgungsspannung angepasst. Dies kann in einer besonders vorteilhaften Ausführung im Falle einer Gleichstrombedarfes ein weiterer DC/DC Konverter sein, welcher die Spannung bspw. bei Eisenbahnsystemen auf ein standardisiertes Zielniveau von 1,5 oder 3kV hebt, so eine Verbindung mit der externen Spannungsversorgung bspw. bei Mehrspannungslokomotiven, wie sie in Europa im grenzüberschreitenden Verkehr zum Einsatz kommen, angestrebt wird; in anderen Fällen kann eine Anpassung an den Gleichstrom-Zwischenkreis des Fahrumrichters eine Möglichkeit bieten. Sollte es erforderlich sein, dass die Ausgangsspannung als Wechsel oder Drehstrom zur Verfügung steht, so ist die Umrichtereinheit „103“ entsprechend als DC/AC Unit gemäß dem Stand der Technik auszuführen. Die in Abb. 3 mit den Zeichnungsnummern „101“ und „102“ bezeichneten Elemente stellen gemeinsam die elektrische Verbindung (Element „C“ in der Abb. 1) dar.

Die „Anschlusseinheit „D“ besteht typisch aus einem einfaltbaren, geteilten Kragarm welcher zum Zwecke des Anschlusses aus- bzw. eingefahren wird. Dies ist grundsätzlich manuell möglich und entlastet die Bediener, wird aber in einer vorteilhaften Ausführung, wie in Abb. 2 gezeigt durch eine pneumatische Zylindereinheit oder einen elektrischen Linearaktuator betätigte werden und so eine „Auto-Docking“-Funktion ermöglichen. Wie in Abbildung 2 „D“ und bezüglich des Anschluss-Systems in Abbildung 5 gezeigt, trägt ein solcher Arm an seinem in Richtung des Wasserstoffversorgungsmoduls „E“ gerichteten Ende eine Platte mit mindestens einem Anschlussstutzen(20, 21, 23, etc), welcher pneumatisch oder elektromechanisch ver- bzw. entriegelbar ist. Im Regelfall wird diese Platte jedoch mehrere

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solcher Konnektoren aufweisen, um einerseits Redundanz im Fehler- bzw. Undichtheitsfall zu bieten, und andererseits die für hohe Leistungen erforderlichen Durchflüsse zu realisieren. Die Platten (10, 40), welche man als Führungsplatte bezeichnen könnte, weist typisch konische Bohrungen (10.1) auf, die der Zentrierung der Platte mittels typisch konischen Führungspins (z.B. 43) auf dem Gegenstück der Wasserstoffversorgungseinheit dienen (40) und so sicherstellen, dass die jeweiligen Anschlussstutzen (21 zu 41, 22 zu 42, 23 zu 43, etc.) passgenau übereinander zu liegen kommen. Die Wegfindung ist durch die bekannten und fixen Positionen de Einheiten „B“ und „E“ auf dem Rahmen „A“ leicht und sicher wiederholbar möglich. Die entsprechenden Konnektoren sind über mit Flammsperren ausgerüstete Ventileinheiten entlüftbar und verfügen über automatische Versiegelungs-„Pins“ wie sie für brennbare Gasverbindungen Stand der Technik sind. Die in dichtheitsüberwachten, flexiblen Leitungen geführten Panzerschläuche werden an der Power Unit, ,“B“ Stirnwand an diese angeschlossen. Auch hier werden - im Regelfall angeschlossen bleibende Sicherheitskupplungen eingesetzt, welche ein weiteres Austreten von Gas bei einer unbeabsichtigten oder unfallbedingten Trennung verhindern. Somit kann im unwahrscheinlichen Falle eines Unfalles der Gasaustritt auf jene Menge begrenzt werden, die sich im Schlauchsystem zum Zeitpunkt der Öffnung befunden hat. Im Regelfall wird diese Verbindung bereits auf einem im Vergleich zu für Wasserstoffspeicherung üblichen Speicherdrücken deutlich verringerten Druckniveau stattfmden (typisch 0,3-1 MPa) und die sich in der Leitung befindenden Mengen daher gering sein. Neben diesen Druckleitungen werden in einem separaten Kabelkanal mit entsprechend geeigneten Anschlüssen auch Energieversorgungsleitungen für den Betrieb der Sicherheitsventile und sonstiger Überwachungseinrichtungen geführt, wobei der hierfür erforderliche Energiebedarf im Vergleich zur Energieversorgungsleistung typisch unter 2% beträgt und in NiederspannungsGleichstromkreisen (bspw. 24V) ausgeführt wird.

In einer vorteilhaften Ausführung ist diese Autodocking-Anschlusseinheit, wie in Abbildung 2 gezeigt, im eingefahrenen Zustand innerhalb des Containerrahmens angeordnet, so dass diese beim Wechsel der Wasserstoffversorgungs-Ladeeinheit vor Beschädigung geschützt ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann über dieses Docking-Anschluss-System auch ein Kühlwasserkreislauf (beispielhaft in Abb. 7 dargestellt und als Hinweis auf die ebenfalls mögliche Auto-Docking Variante als Konnektor 50.1) geführt werden, welcher durch das Kühlmittel der Brennstoffzellensysteme durchströmt wird und damit bspw. tiefkalter, flüssiger Wasserstoff „rückvergast“ werden kann.

Sobald die Anschlusseinrichtung an die Wasserstoffversorgungseinheit angeschlossen ist, kann die Systemsteuerung die Dichtheit und das Druckniveau in der bzw. den Druckleitungen überprüfen und im positiven Falle eine Freigabe des Gasflusses in Richtung Power Module durch das Steuersystem auslösen.

Die Wasserstoffversorgungseinheit „E“ selbst ist, wie bereits in der Einführung beschrieben, wiederum als getrennte Einheit mit eigenem Gehäuse oder zumindest Rahmen so ausgefuhrt, dass eine sichere Verankerung auf dem Grundgerüst exakt in der dafür vorgesehenen Position möglich ist. In einer vorteilhaften Ausführung sind diese Verankerungsmöglichkeiten sowohl am Grundgerüst als auch auf Seite der Wasserstoffversorgungseinheit so ausgefuhrt, dass eine

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Verwendung von international genormten Ladeeinheiten (Containern), bzw. zumindest die

Bewegung und Befestigung dieser vorgesehenen Einrichtungen möglich und ohne

Einschränkungen umsetzbar ist.

Die Form der Wasserstoffspeicherung und -bereitstellung in der Wasserstoffversorgungseinheit kann den Anforderungen gemäß variieren. In der einfachsten Variante werden Standard ISO Container, welche mit mehr als einem Druckbehälter sowie jeweils einem Hochdruckventil und je nach Anzahl der konkret vorliegenden Druckbehälter (nach dem Stand der Technik derzeit bis zu 200) und der Art der gewünschten Verschaltung , die sich aus den gewünschten Gasflussgrößen ergibt, einer korrespondierenden Anzahl von Niederdruckventilen ausgerüstet sind , durch den Hersteller mit der Gegenplatte (Nr. „40“ auf Abb. 5) der Auto-Docking-Anschlusseinheit („D“) ausgerüstet und sind sodann für die Verwendung in vorliegenden System geeignet. Solche standardisierten Wasserstoffspeicherund Transporteinheiten sind bereits verfügbar, bspw. aber nicht ausschließlich von den Herstellern Wystrach in Deutschland oder Calvera in Spanien.

Im Einsatz als Teil eines Wasserstoff-basierten Energieversorgungssystems kann die in diesen Einheiten zum Einsatz kommende Architektur unter Umständen in Bezug auf Sicherheitsanforderungen als nicht ausreichend angesehen werden. Dabei ist nicht zu erwarten, dass die Druckbehälter als solche das Problem darstellen werden, da diese besonders strengen Anforderungen und Prüfregimen unterzogen werden, welche auch „grobe Beschädigungsszenarien“ enthalten und überprüfen, sondern die Sicherung der Ventile und Leitungen. So zeigen Unfallbilder beispielsweise aus dem Schienensektor bei Entgleisungen oder Kreuzungsimfallen, dass nicht zuletzt auf Grund ihrer hohen Masse die Ladeeinheiten aus Ihren Verankerungen gerissen und nicht selten ineinander bzw. übereinander geschoben werden. Die starken Rahmenelemente von einender im Unfall-Szenario begegnenden Ladeeinheiten können dann, zusammen mit der Geometrie des Rahmens (Keilwirkung) und den hohen Beschleunigungswerten trotz der hohen Belastbarkeit der einzelnen Druckgefäße zu einer Beschädigung des Systems führen, wobei vor allem zu erwarten ist, dass durch das Eindringen von systemfremden Gegenständen, die Anordnung der Druckbehälter zueinander sich verändert und diese Verschiebungen zu unzulässigen Spannungen und in der Folge zum Bruch der Verbindungsleitungen zwischen den Druckbehältem oder zum Abbruch von Ventilkörpern von den Druckbehältem führen kann und in der Folge unerwünschte Mengen von Wasserstoff freigesetzt werden könnte.

Eine mögliche Lösung für diese Beanstandung zeigt Abb. 6. Hier wird einerseits die Gesamtheit der Druckbehälter in Gruppen unterteilt, welche jeweils in getrennten und mit dichten Gehäusen versehenen Teilabschnitte, wie sie Abb. 6a schematisch dargestellt sind untergebracht werden, so dass der Beschädigungsfall potentiell nur ein oder wenige solcher Teilsegmente betreffen kann und somit die Schadenswirkung minimiert wird. Der Zwischenraum zwischen den Druckbehältern einerseits, und den Druckbehältem und den Gehäusewänden anderseits, wird dabei durch energieabsorbierende, verformbare Strukturen (1), wie beispielsweise Kunststoffzylinderhüllen und Schäume oder wabenartige Konstruktionen, wie sie als energieabsorbierende Strukturen hinter Stoßfängern von StraßenKraftfahrzeugen üblich sind, ausgefüllt. Die Auslegung ist dabei so vorzunehmen, dass sich

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Behälter selbst bei einer eindringenden Kante (Keilwirkung) aufeinander abstützen können, und durch das Zusammenwirken der Eigenschaften der Struktur die Energie möglichst effizient angebaut werden und so die Eindringtiefe und die Beschädigung und das Gasaustrittspotential so gering wie möglich gehalten werden kann. Im vorliegenden Konzept wird oberhalb der sogenannten Neckholder-Ebene (Abb. 6a, „2“), also im Bereich der Hochdruck und Niederdruckventile, welche normgemäß mit Überdruck- (insbesondere durch Übertemperatur) und Druckabfall-Sicherheitsvorrichtungen ausgerüstet sein müssen, sowie der Leitungen eine zweigeteilte Energieabsorptionsstruktur (Abb. 6a, „3a“ und „3b“ vorzusehen sein, welche einerseits eine Stützfunktion für die Ventile übernimmt, aber zusätzlich sicherstellt, dass allfällig austretende Gase zu einem der in den Gehäusewänden angebrachten Ausströmöffnungen (Außenbehälterentlüftungen, Abb. 6a, „4a, 4b, 4c“, etc.), welche mit Flammsperren (Abb. 6a, „5“) versehen sein können, gelangen kann, um eine gefährliche Ansammlung von Wasserstoff zu vermeiden. Da in diesem Sektor auch die Gasaustritts- und folglich die Brandgefahr höher ist, ist die Ausführung dieser Stützstruktur aus brandsicheren/brandhemmenden Materialien, wie bspw. mineralische Stoffe, z.B. Perlite, oder gleichwertigen Lösungen in offenporiger Verarbeitungsweise vorzusehen. Im Regelfall werden hier die Hochdruckventile mehrerer Druckbehälter über Rohrleitungen (Abb. 6a, „6“) auf jeweils ein Niederdruckventil (Abb.6a, „7“) zusammengefasst werden, wobei die Zusammenfassung entlang den erwarteten Eindringrichtungen erfolgen wird. Somit werden im Unfallfalle die so gebildeten Arrays nur relativ zueinander verschoben, ein Vorgang, welcher in der Leitungsausgestaltung berücksichtigt werden kann und so ein Abriss der Leitungen weitestmöglich verhindert werden kann. Ab dem Ausgang des Niederdruckventils sind die in den Leitungen befindlichen Gasmengen und damit die von diesen ausgehenden Gefahren deutlich verringert; wobei die entsprechenden Verbindungen im Anforderungsfalle mit Austrittssicherungen und Flammsperren ausgeführt werden können. In einer aus Sicherheitsüberlegungen besonders vorteilhaften Ausführung sind die Ventileinheiten so ausgeführt, dass sie Hochdruck- und Niederdruck-Reduktionsstufe in einer physikalischen Einheit verbinden, so dass lediglich Niederdruckverbindungen mit niedrigerem Gefährdungspotential vorliegen. In jedem Fall ist jede dieser Einheiten mit einer Überwachung von Wasserstoffaustritt (8) zu versehen, und im Falle einer Detektion von unzulässigen Wasserstoffkonzentrationen, die Energiezufuhr zu den Ventilen zu unterbrechen. Da diese normgemäß „stromlos geschlossen“ auszuführen sind, ist ein weiterer Austritt von Gas nur mehr im unwahrscheinlichen Falle der Beschädigung des eigentlichen Druckbehälters gegeben.

Die Verbindung zwischen den einzelnen Behältergruppen erfolgt über in Sicherheitsummantelungen geführten Panzerschlauchleitungen, die über die bereits mehrfach beschriebenen gegen Gasaustritt bei Trennung gesicherten Schlauchverbindungselementen verkoppelt sind.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung der in Abb. 6 gezeigten Variante ist die Wasserstoffversorgungseinheit auch mit einer weiteren „Auto-Docking“-Anschlusseinheit verbunden, so dass, bei entsprechender Verfügbarkeit von Raum und Anordnungs/Befestigungspunkten am Grundgerüst „A“ auch mehr als eine Wasserstoffversorgungseinheit

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Wasserstoff an die Power Module Unit „B“ liefern kann. Sollte es jedoch notwendig werden, die Systemgrenzen des Grundgerüstes zu überschreiten, so wird aus Sicherheitsüberlegungen vorzugsweise eine Anordnung gewählt, bei der auf einem weiteren Grundgerüst eine zweite

Energieversorgungseinheit angeordnet wird, und lediglich eine Verbindung über die

Anschlusseinheit „C“, also auf der elektrischen Seite, erfolgt.

Kann mit der in Systemen, die auf Druckgefaßen beruhen, trotz der vorstehend beschriebenen Ladeeinheitenstruktur mit einer Vielzahl von Druckgefäßen und der Kaskadierung derselben, nicht das Auslangen gefunden werden, und besteht eine ausreichend leistungsfähige Versorgungsinfrastruktur für Flüssigwasserstoff, so kann die Wasserstoffversorgung natürlich auch mit Wasserstoff in tiefkaltem Zustand erfolgen. Das grundsätzliche Schema für diese Anordnung kann in Abbildung 7 dargestellt werden. Dabei wird die Wasserstoffversorgungseinheit in mindestens zwei Einheiten geteilt, dem auswechselbaren, eigentlichen Kryo-Tankmodul „E₂“, der über die Leitung No. „10“ mit dem Zwischenmodul „Ei“ verbunden wird. Dabei handelt es sich um eine standardmäßige, kryogene Flüssigkeiten bzw. Gase taugliche Verbindung, die ebenfalls automatisiert werden kann. Diese Verbindung ist seit der Anlage am Flughafen München Stand der Technik. Im Zwischenmodul Ejwird der tiefkalte Wasserstoff aus dem Kryo-Tank (30) mittels Kryo-Pumpe (22) entnommen, und mittels Wärmetauscher(n) (24) mit der Abwärme der Brennstoffzellensysteme, die üBer die aus der Anschlusseinheit weiter geführten Zu- und Rückleitungen (26, 27) soweit erwärmt, dass ein Gasstrom von Wasserstoff über die Leitung „28“ zur Verfügung gestellt werden kann. Als Pufferspeicher und zum Start des Systems enthält der Zwischenmodul zumindest einen Druckbehälter (25) welcher den Start eines Teilmoduls der Brennstoffzellensysteme ermöglicht. Bei besonders kalten oder sonstigen kritischen Umgebungsbedingungen kann es notwendig werden, die Abwärme aus den Brennstoffzellen durch den Einsatz von Wasserstoffbrennern (29) zu ergänzen bzw. zu substituieren; allerdings kann dann für die begrenzte - Zeit des Betriebes mit Brenner kein reiner Nullemissionsbetrieb mehr dargestellt werden.

Geht man von der Bedingung der vollständigen Nullemission ab, so können auch noch ähnlich strukturierte Systeme mit Reformer- oder sonstigen Dehydrogenierungsverfahren eingesetzt werden, wobei - analog zu der in Abb. 7 gezeigten Konfiguration - dann die Aufteilung Zwischenmodul Ei und Tankmodul E₂ aufrecht bleibt. Der Zwischenmodul enthält dann die für die Reformierung von bzw. in Kohlenwasserstoffen (z.B. Methanol oder Ethanol, die als Kohlenwasserstoffvarianten auch klimaneutral hergestellt werden können) oder Ammoniak gebundenen Wasserstoff notwendigen Reaktoren und Gasreinigungseinrichtungen für unterschiedliche Reinheitsgrade, bzw. im Falle von Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) Systemen die für die Dehydrogenierung erforderlichen Einheiten, die sich jedoch nicht vom breit bekannten Stand der Technik für diese Technologien unterscheiden und hier nicht weiter detailliert werden. Das Tankmodul ist dann ein für die Wasserstoffträgerflüssigkeit geeigneter Tankbehälter in einem Befestigungs- und Handlingrahmen, der den Montage- und Handhabungserfordemissen entspricht, bspw. ein ISO Tank-Container.

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Grundsätzlich ist in ähnlicher Architektur auch eine Variante mit Elektrolyse darstellbar, insbesondere, nachdem nunmehr auch Elektrolyseure (bspw. von der Fa. Fronius in Österreich vorgestellt und in Forschungsprojekten eingesetzt), welche den Wasserstoff auf für Speicherung tauglichen Druckniveaus von 30MPa bereitstellen. Das eigentliche Tankmodul E2 müsste dann aber nochmals geteilt werden und zwar in das Tankmodul E2.1 für den Wasservorrat, welcher mit zur Elektrolyse geeigneten Wasserqualitäten gefüllt wäre, sowie mindestens einem Druckgasmodul E2.2, welches konstruktiv den Druckgasspeichem, wie sie entweder kommerziell bereits angeboten werden, oder wie in Abb. 6a dargestellt wurden, entsprechen würde. Wie bereits aus dieser Aufzählung erkennbar, würde diese Konfiguration in Bezug auf Gesamt-Energiespeicherdichten eine suboptimale Lösung darstellen. Da die Elektrolyse die hohen aus dynamischen Vorgängen rückgewinnbaren Leistungen derzeit nicht umsetzen kann, wäre eine on-board Wasserstofferzeugung nur möglich, in dem das eigentliche Energieversorgungs-Zielobjekt, bspw. eine Lokomotive, im Netzbetrieb laufend zusätzlich belastete würde. Ob dies sinnvoll wirtschaftlich darstellbar wäre, kann derzeit mangels verfügbarer Daten über im mobilen Heavy-Duty Einsatz nutzbaren Elektrolyseuren nicht beurteilt werden.

Die Abbildungen 8 bis 10 zeigen schematisch Anordnungsbeispiele für unterschiedliche Anwendungen und sind in sich jeweils maßstäblich korrekt dargestellt.

Abb. 8 stellt dabei eine Variante für den bi-modalen Nullemissions Betrieb von Schienenfahrzeugen dar. In diesem Fall ist das Grundgerüst A bereits in den Containertragwagen standardmäßig integriert

Abb.9 zeigt eine schematische Darstellung einer Marineanwendung der Erfindung im Bereich Zero-Emission Fährschiffe. Hier ist die Positionierung des gesamten Systems aus Sicherheitsgründen am obersten Deck, der Antrieb der Schiffspropeller erfolgt elektrisch. Gezeigt soll hier auch werden, dass die Anordnung des Grundgerüsts nicht notwendigerweise ausschließlich entlang einer einzigen Plattformebene und in einer Richtung erfolgen muss, sondern, wie in der Abbildung gezeigt, auch gewinkelt und mit Höhensprüngen erfolgen kann, solange sich klare Positionen ergeben, aus denen die Verbindung von Hybrid Power Unit und Wasserstoffversorgungseinheit gesichert und gegebenfalls automatisch hergestellt werden kann.

Abb. 10 zeigt schematisch eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung in der Anwendung für im Tagebau eingesetzte Schwerstlastkraftwagen. Hier erfolgt die Anordnung übereinander und mit leichter Versetzung in Längsrichtung, die Gestaltung des Grundgerüsts kann als „H-Rahmen“ bezeichnet werden.

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Ing. Herbert Wancura

Claims

Teil 2: Ansprüche

1. Verfahren und Einrichtung zur Energiebereitstellung mit Null-Emission für OffHighway Anwendungen, gekennzeichnet dadurch, dass das System aus mindestens einem in einem geschlossenen Gehäuse, vorzugsweise einer ISO-Ladeeinheit, aber auch in anderen Geometrien ausgefuhrt sein kann, welche den Handling und Befestigungserfordemissen der Anwendung genügen, Leistungsbereitstellungsmodul, welcher einerseits mit Vorrichtungen zum elektrischen Anschluss an das mit Energie zu versorgende Zielobjekt und mindestens einer Brennstoffzelleneinheit sowie mit den für den sicheren Betrieb derselben erforderlichen Nebenaggregaten zur dauerhaften luftschadstofffreien Erzeugung von elektrischer Energie aus wasserstoffhaltigem Gas und mindestens einem Energiespeicher zur Speicherung von aus dynamischen Vorgängen innerhalb des Energieversorgungszielobjektes rückgewonnener Energie welche über den elektrischen Anschluss an den Leistungsbereitstellungsmodul weitergeleitet werden, ausgerüstet ist und über Vorrichtungen zum Anschluss einer Versorgung mit wasserstoffhaltigem Gas verfugt und gemeinsam mit mindestens einem weiteren Modul, welches ebenfalls als ISO-Ladeeinheit, aber auch in anderen Geometrien ausgefuhrt sein kann, welche den Handling- und Befestigungserfordemissen der Anwendung genügen, und welches weitere Modul mit Einheiten zur Speicherung und Bereitstellung von wasserstoffhaltigem Gas ausgerüstet ist, wobei beide oder eine Pluralität von solchen Modulen auf einem gemeinsamen Grundgerüst so angeordnet sind, dass Ihre Position zueinander ausreichend präzise definiert ist, dass eine sichere, lös- und wieder schließbare Gasleitungsverbindung auch dann herstellbar ist, wenn das Modul zur Bereitstellung des wasserstoffhaltigen Gas bei nicht mehr ausreichendem Füllstand ganz oder in Teilen von diesem Grundgerüst entfernt werden kann, um es durch ein entsprechend gefülltes Modul oder Teilmodul zu ersetzen und durch diesen Wechsel ein Tankvorgang vermieden werden kann.
2. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Energiespeicherung von rückgewinnbarer Energie durch mehr als eine Energiespeichervorrichtung unterschiedlichen Typs erfolgt, wobei diese sich vor allem in der Fähigkeit einerseits hohe Lasten in kurzer Zeit aufzunehmen oder abzugeben und anderseits hohe Energiemengen zu speichern, unterscheiden und zueinander komplementär verhalten.
3. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu Zwecken der leichteren Skalierbarkeit das Gesamtsystem in standardisierte Leistungsbereitstellungsmodule aufgeteilt ist, und jedes dieser Module in Lage ist autonom innerhalb des Systems Energie bereit zu stellen bzw. aufzunehmen, wobei die elektrische Zusammenschaltung innerhalb des Systems auf einem Modulbus,

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welcher als Gleichstromsystem ausgefuhrt ist, erfolgt und dieser dann mit einem übergeordneten Systembus bspw. über einen oder mehrere GleichspannungsGleichspannungs-Wandler derartig verschaltet ist, dass die gewünschte elektrische Zielspannung erreicht wird.
4. Verfahren und Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Wasserstoffbereitstellungseinheit gelieferte wasserstoffreiche Gas, Wasserstoff von einer Reinheit ist, dass die von den in den Leistungsbereitstellungseinheiten erforderlichen Maximaltoleranzen für Verunreinigungen eingehalten werden.
5. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Wasserstoffbereitstellungseinheit zu liefernde Wasserstoff als Druckgas gespeichert wird, wobei dafür innerhalb des Struktur- und Manipulationsrahmens oder des Gehäuses mindestens ein Druckbehälter mit Zulassung für den erforderlichen Speicherdruck eingesetzt wird, und dieser Druckbehälter mit einem Hochdruckventil mit mindestens einer integrierten Druckreduktionsstufe und den in der Norm geforderten Sicherheitsvorrichtungen ausgerüstet ist und über ein weiteres Druckreduktionsventil auf den für den Betrieb erforderlichen Niederdruck verringert wird, und das zu liefernde Gas an einer Anschlussplatte mit wenigstens einem Gasdruckanschluss mit den erforderlichen Sicherheitseinrichtungen zur Verfügung gestellt wird.
6. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichervolumen auf mehr als ein Modul aufgeteilt ist, wobei jedes Modul aus einer Vielzahl von Druckbehältem aufgebaut ist, welche in einem bis auf mindestens eine mit Flammsperre ausgerüstete Entlüftungsöffnung geschlossenen Gehäuse untergebracht sind und jene Druckbehälter durch Anordnung und mechanische Sicherheitseinrichtungen so gesichert sind, dass die im Unfall und Beschädigungsfall maximal freigesetzte Menge Wasserstoffs minimiert wird.
7. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbehälter durch Anordnung und energieabsorbierende Zwischenstrukturen sich gegenseitig stützen können und so die Eindringtiefe eines Objektes minimiert wird, und die Hoch- und Niederdruckventile, sowie die entsprechenden Rohr und Schlauchleitungen durch offenporige Schaumstrukturen oder ähnliche, gasdurchlässige, aber mechanisch unterstützend wirkende Strukturen geschützt sind.
8. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff in einem durch Isolation vor Wärmeeinwirkung geschützten Tank in einem Teilgehäuse oder einem Montagerahmen, in so tiefkaltem Zustand gespeichert wird, dass die überwiegende Mehrheit des Wasserstoffs in flüssigem Zustand vorliegt.
9. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffbereitstellungseinheit über einen weiteren Modul verfügt, welcher über eine Kryopumpe flüssigen Wasserstoff entnimmt und einem Wärmetauscher oder Wärmetauscher-System derart zuführt, dass die von der Abwärme der Brennstoffzelleneinheiten des Leistungsbereitstellungssystems erwärmte Kühlflüssigkeit als Heizmedium eingesetzt und so über die Gegenseite des Wärmetauschers bzw. des Wärmetauscher-Systems geführt wird, dass der flüssige

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Wasserstoff verdampft und in gasförmigem Zustand zur Verfügung steht und an einer Anschlussplatte mit wenigstens einem Gasdruckanschluss mit den erforderlichen Sicherheitseinrichtungen zur Verfügung gestellt wird.
10. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass zur Zwischenpufferung bzw. dem Start der Anlage gasförmiger Wasserstoff, welcher durch die Erwärmung erzeugt wird, parallel in mindestens einem Druckbehälter gespeichert wird und dieser Druckspeicher zu diesem Zweck mit der Lieferleitung verbunden ist.
11. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul mit dem Kryotank zur Speicherung tiefkalten, flüssigen Wasserstoffs bei nicht mehr ausreichendem Füllstand von diesem Grundgerüst entfernt werden kann, um es durch ein entsprechend gefülltes Modul oder Teilmodul zu ersetzen und durch diesen Wechsel ein Tankvorgang vermieden werden kann und die Entnahmeleitung des Moduls zu diesem Zweck mit einer für kryogene Flüssigkeiten geeigneten, trennbaren und wieder verbindbaren Kupplung ausgerüstet ist.
12. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen und Wiederbinden der Entnahmeleitung mittels geeigneter Kupplung und Vorrichtung automatisiert erfolgen kann.
13. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserstoffreiche Gas in einer verfahrenstechnischen Anlage, welche eine in einem getrennten Sub-Modul der Wasserstoffbereitstellungeinheit untergebracht ist, aus einem geeigneten chemischen Wasserstoffträger erzeugt wird und als Gasstrom zur Verfügung gestellt wird.
14. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der chemische Wasserstoffträger, ein einfach zu reformierender und aus erneuerbaren Quellen herstellbarer Kohlenwasserstoff, beispielsweise Methanol oder Ethanol, ist.
15. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der chemische Wasserstoffträger Ammoniak ist.
16. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der chemische Wasserstoffträger ein einfach zu hydrogenierender bzw. dehydrogenierender flüssiger Wasserstoffträger (engl.: Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC), beispielsweise Dibenzyltoluol, ist.
17. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Leistungsbereitstellungseinheit und Wasserstoffbereitstellungeinheit durch einerseits mindestens eine mit Sicherheitskupplungen versehene, für wasserstoffreiches Gas auf dem erforderlichen Druck und Temperatumiveau geeignete Schlauchleitung und andererseits mindestestens je eine Niederspannungsversorgungsleitung und Signalleitung für Ventile und Überwachungseinrichtungen hergestellt wird.
18. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen durch mechanische Führung und Schnellkupplungen, bevorzugt auf Montageplatten angeordnet sind, unterstützt wird.
19. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Betrieb von Verdampfungseinrichtungen für tiefkalten Wasserstoff erforderliche

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Wärmeenergie über Kühlmittelleitungen, welche die Wärme aus den

Brennstoffzelleneinheiten des Leistungsbereitstellungsmoduls weiterleiten bereit gestellt wird und die Stromversorgung über einen getrennten Kanal auch die für den

Betrieb der Kryopumpe erforderliche Leistung bereitstellt.
20. Verfahren und Einrichtung nach Ansprüchen 17-19, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung und Lösung der Verbindungen durch geeignete Vorrichtungen automatisiert ablaufen kann.