CN117120332A - 用于水上交通工具的电驱动器 - Google Patents

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Abstract

用于水上交通工具的电驱动器包括至少一个马达(4)以及至少一个推进装置(3)和发电设备(1)，其中发电设备(1)具有至少一个固体氧化物燃料电池(2)以用于氧化燃料。

Description

用于水上交通工具的电驱动器
技术领域
本发明涉及一种用于水上交通工具的电驱动器，带有至少一个电马达、推进装置和发电设备。
背景技术
超过140000艘在海洋上行驶的船只至少具有柴油机，该柴油机要么直接要么经由变速箱将转动力传递到螺旋桨轴上，该螺旋桨轴然后驱动螺旋桨。由于在船只上也需要电，附加地使用所谓的辅助柴油，该辅助柴油产生柴油电流。根据带有大功率的电流需求，发动机持续地运行。迄今为止已知的水上交通工具的内燃机将化石燃料转化为旋转能且在此产生显著量的废气。作为燃料在现代航运中主要使用重油或船用柴油，其由柴油发动机燃烧。结果是从船只烟囱中逸出显著量的CO2，还有NOX、SOX、颗粒、灰烬等等。全球商船运输负责输送全世界贸易的大约90％且产生全球CO2排放的大约2.9％。为了能够遵循欧洲和国际气候目标，该高份额必须显著降低。航运压力是极大的，以为了尽快实现无排放的预设目标。在船只上使用内燃机存在其它缺点。例如可列举由船只和驻扎在海上的海事物体造成的带有对环境的不利影响的噪音排放。这一方面关系到在该处生活和工作的人类，另一方面还关系到海洋环境。尤其地，依赖其听觉以定向、觅食、交流或躲避捕食者的动物可持久地受到损害。通过船只造成的噪声同样是国际海事组织具有约束力的决议的主题。它包含针对船只内不同空间的噪声上限。除柴油发动机外，噪声源主要是螺旋桨轴动力、起源于螺旋桨的压力和轴承力、空调设备、操纵设备，尤其是横向推进器、绞盘、涡流分离、进气口和排气口或轴冲击。
目前，存在各种举措，以借助于可再生或者合成载能体减少航运中的排放。然而在此柴油发动机仍然被用作主驱动器和发电机。在航运中已经存在具体地减少CO2排出的项目。然而，到目前为止想出的解决方案并不是真正可实行的，因为例如燃料箱太复杂且太大。
发明内容
因此，本发明提出如下任务：创建一种用于水上交通工具的至少尽最大可能无排放的驱动器。
该任务通过如下方式解决，即发电设备包括至少一个构造为固体氧化物燃料电池以用于氧化化石或合成燃料的高温燃料电池。
根据本发明未来能够在相关的水上交通工具上省去发动机。替代地，由船载的(或称为在船上的，即anBord)用于氧化化石或合成燃料的至少一个高温燃料电池形成的发电设备代替该技术。预设目标是，将相关的水上交通工具设计成彻底完全无排放的。为此完全代替柴油发动机或者内燃机。替代地，高温燃料电池用作发电设备且在船只上的最好的发电设备与船只中的最合适的燃料集合在一起。发电设备在燃料电池中氧化燃料。由于对此特别合适的燃料的基于高温燃料电池起作用的这种新颖使用的组合，能够实现无排放的或至少极其低排放的船只。
构造为固体氧化物燃料电池(SFOC或SOFC)的高温燃料电池证实为特别合适的，所述高温燃料电池用作发电设备且不仅产生用于一个或多个螺旋桨的转动能量，而且提供用于船只的电流。因此替代柴油发动机，电马达驱动推进装置、例如螺旋桨轴，该电马达代替从柴油发电机(如迄今为止常见的那样)而从SFOC燃料电池得到其能量。
本发明的一种优选的实施形式在此设置，发电设备产生电和/或热功率。SFOC发电设备因此利用化石或合成燃料的能量含量，以为了产生电和热功率。作为废气只产生水蒸气和和二氧化碳。同时发电设备为低噪声的且尽可能消除了作为噪声源的柴油发动机。
在当前情况下特别重要的是燃料，该燃料应来自烷烃组且利用该燃料实现根据本发明的电驱动器且代替重油或者柴油。适宜的是，作为燃料使用甲醇或氨。规定在此不是以氢气运行的任意的燃料电池，而是能够以甲醇或其它烷烃运行且与SFOC燃料电池相关的燃料电池。首次在船只上使用甲醇点燃的SFOC。该组合在任何水上交通工具上是可行的，而不是仅仅在LNG船只上。
驱动器关联有用于接收在发电设备中生成的废气的存储装置在各个方面同样是有利的。例如对于CO2俘获和存储装置而言是这种情况，其俘获在SFOC发电设备中生成的CO2废气且船载地存储。CO2被拦截且存储在MOF结构中而不是分离它。
对于燃料电池而言固有的是，它们面对快速且强烈的负荷变换能够证实为有问题的。然而恰好对于航运而言由于风和海浪引起的这种负荷变换自然定期地出现。因此适宜的是，给驱动器设置用于接收在发电设备中生成的能量的存储装置以用于补偿水上交通工具的功率波动。为此将作为能量存储器的电池集成到船载电网中。
电池存储器能够在几分之一秒内释放或者接收多倍的存储的能量且因此存储负载波动的能量。具体而言这如此形成，即集成到船载电网中的电池用作存储装置，如原则上已经提及的那样。
这导致，SFOC燃料电池供应基本负荷且电池承担功率峰值。在负峰值的情况下能够相应地给电池充电。专用的电力管理系统用于控制，该电力管理系统自动地调节功率分配且确保，SFOC燃料电池优化地运行。
此外，如果例如出于技术原因SFOC发电设备应短暂地或持久地不能供应能量，电池能量存储器用作应急电源。
本发明的一种有利的实施形式设置，电马达从SFOC发电设备和/或存储装置获取其驱动能量，其中通过电池能量存储器补偿在电网中可能的负载波动。
根据本发明的水上交通工具还如下开辟了完全新的可行性，即通过气体增值化在SFOC发电设备中产生的CO2在它到达大气周围环境中之前在合适的俘获装置中分离。根据一种变型方案，CO2能够在较长的时段上船载地存储，以为了在合适的港口在岸上释放或者售卖CO2。就此而言必要的是，水上交通工具船载地设置有至少一个箱体以用于存放通过气体增值化获得的CO2。也就是说，一个或多个箱体集成到船只中，CO2能够存储在所述箱体中。此外设置成，水上交通工具船载地设置有至少一个箱体以用于存放对于发电设备所需要的燃料和至少一个容器以用于存放通过气体增值化获得的CO2。
所获得的CO2能够用作惰性气体以用于降低与乙醇相关的风险证实为另外的有利的实施方案。惰性气体在某些应用中由于与乙醇有关的高的爆炸风险而必须使用。所拦截的CO2那么以通过相应的结构措施支持的方式承担该功能。
在此，应该考虑CO2的聚集状态。设置成，MOF存储器、经冷却的容器和/或压力箱体容器用于暂存CO2。在此在以气态存放CO2时推荐MOF存储器，在固态时推荐干冰且在液态时推荐在5bar和70bar之间的压力下的压力箱体容器。存储单元在此用于存储无压力的、处于压力下的和/或经冷却的CO2或者存储单元用于存储无压力的、处于压力下的和/或经冷却的CO2。
本发明的另一有利的实施形式设置，电能量在中央主配电盘(或称为主开关柜，即Hauptschalttafel)中分配到电力用户(或称为电力负载，即elektrischenNutzer)且电马达由中央主配电盘供给能量。
关于推进装置此外建议，螺旋桨、Azipod、喷射器等用于推进船只。电马达在此得到给推进技术供给能量的功能。在此适宜的是使用电马达，该电马达能够在转动方向上反转。重要的组成部分在此是船载电网，也就是说水上交通工具具有船载电网以用于分配电能量，其中船载电网不仅实施成交流电(AC)、直流电(DC)或两者的组合。
根据本发明的电驱动器的另一中央设备是电力管理。水上交通工具具有电力管理，其控制在主配电盘中可用的功率。
在此电力管理此外得到如下功能：使来自发电设备和能量存储器的功率接收自动化或者优化来自发电设备和能量存储器的功率接收。
电力管理系统控制能量存储器的充电/放电显著地有助于该系统的高效率，其中电力管理系统附加地包含大量安全功能且策略性地控制能量效率。
本发明尤其地通过以下方式而出众，即创造一种用于水上交通工具的电驱动器，带有至少一个马达、带有至少一个驱动单元如一个或多个螺旋桨、Azipod、水喷射器以及发电设备，对于该电驱动器而言迄今为止常见的且在各个方面有问题的燃料重油/柴油和利用其驱动的马达被省去且由电驱动器替代。为此使用带有至少一个固体氧化物燃料电池以用于氧化燃料的发电设备，燃料适宜地为甲醇。还可设想使用其它燃料。发电设备同时以特别环境友好的方式氧化在燃料电池中的燃料。本发明的对象因此是无排放的船只，该船只在船上将液态燃料在发电设备中转化为(电)能量且结果是不产生温室气体、噪声或其它排放。根据本发明的水上交通工具包括电驱动器，其中该电驱动器包括可转动的螺旋桨、吊舱式的推进模块(方位舵)、水射流驱动器或其它任意的电驱动器。根据本发明的水上交通工具此外包括电马达(推进马达)，其转动方向能够变换，且特别是包括SFOC发电设备(高温固体氧化物燃料电池)，其将化石或合成燃料如例如甲醇、氨、乙醇等在燃料电池中氧化，转化为合成气体且产生所需要的电能量。为了存放燃料，根据本发明的船只包括合适的燃料箱体，或者更确切地说CO2俘获和存储设备，其俘获在SFOC发电设备中生成的CO2废气且将它船载地存储。收集的CO2在此不仅是无压力的、冷却的或是可在压力下存储的，带有如下可行性：在岸上在合适的地方释放和售卖收集的CO2。补充地，设置有电池能量存储器系统，其中该电池能量存储器系统不仅应对船只的功率波动，而且优化电能量消耗且附加地用作应急发电设备。此外实现一种用于交流电(AC)、直流电(DC)的船载电网或船载电网的组合，包括合适的主开关设备在内且带有智能的且合适的电力管理系统，其控制用于驱动器的复杂的功率要求且优化电船载消耗，以为了最终能够无排放地且能量高效地运行海事水上交通工具。
为了拦截功率波动，电池能量存储器结合到船载电网中。电池存储器能够在几分之一秒内释放或者接收多倍的存储的能量且因此供应而且存储负载波动的能量。此外，如果例如出于技术原因SFOC发电设备应不能够供应能量，电池能量存储器用作应急电源。为了优化SFOC发电设备的能量生成以及用于驱动器的能量提取，该海事物体设有专用的智能的电力管理系统自动化，其保证，SFOC发电设备一直以优化的运行窗运行，而且所需的驱动和电能量一直可靠地供该海事物体使用。
附图说明
本发明对象的其它细节和优点从下文对附图的描述得出，在该附图中示出了优选的实施例以及对此必要的细节和单个部件，具体而言示出了针对电驱动器的功能的示意图。
具体实施方式
在示图中，构造为船只2的水上交通工具的驱动器总体标记为3且包括电马达4，该电马达集成到电网5中，从而它选择性地从SFOC发电设备1或电池能量存储器6取得其能量。该存储器补偿电网5中的负荷波动。所有电力用户连接在电网5中且在合适的主配电盘7中操控。在此智能电力管理系统控制和优化电力用户的能量供应。以9表示用于储存甲醇或其它燃料的箱体且以10表示用于暂存CO2的存储器。

Claims (20)

1.一种用于水上交通工具的电驱动器，带有至少一个电马达(4)、推进装置(3)和发电设备(1)，
其特征在于，
所述发电设备(1)包括至少一个构造为固体氧化物燃料电池(2)以用于氧化化石或合成燃料的高温燃料电池(2)。
2.根据权利要求1所述的电驱动器，
其特征在于，
所述发电设备(1)产生电和/或热功率。
3.根据权利要求1所述的电驱动器，
其特征在于，
所述燃料来自烷烃组。
4.根据权利要求1所述的电驱动器，
其特征在于，
所述驱动器关联有用于接收在所述发电设备(1)中生成的能量的存储装置(6)。
5.根据权利要求4所述的电驱动器，
其特征在于，
所述存储装置(6)设置成用于补偿所述水上交通工具的功率波动。
6.根据权利要求5所述的电驱动器，
其特征在于，
集成到船载电网(5)中的电池用作存储装置(6)。
7.根据权利要求5所述的电驱动器，
其特征在于，
所述存储装置(6)构造成应急电源。
8.根据权利要求1所述的电驱动器，
其特征在于，
所述马达(4)从SFOC发电设备(1)和/或所述存储装置(6)获取其能量。
9.根据权利要求1所述的电驱动器，
其特征在于，
所述水上交通工具(2)船载地设置有至少一个箱体(9)以用于储存对于所述发电设备(1)必要的燃料。
10.根据权利要求1所述的电驱动器，
其特征在于，
所述水上交通工具(2)船载地设置有至少一个容器(10)以用于储存通过气体增值化获得的CO2。
11.根据权利要求1所述的电驱动器，
其特征在于，
所获得的CO2用作惰性气体以用于降低与乙醇有关的风险。
12.根据权利要求10所述的电驱动器，
其特征在于，
MOF存储器、冷却的容器和/或压力箱容器用于暂存CO2。
13.根据权利要求11所述的电驱动器，
其特征在于，
所述容器(10)用于存储无压力的、处于压力下的和/或冷却的CO2。
14.根据权利要求1所述的电驱动器，
其特征在于，
电能量在中央主配电盘(7)中分配到电力用户上。
15.根据权利要求14所述的电驱动器，
其特征在于，
所述中央主配电盘(7)用于给所述电马达(4)供应能量。
16.根据权利要求1所述的电驱动器，
其特征在于，
螺旋桨、Azipod、喷射器等用作推进(3)所述船只(2)。
17.根据权利要求1所述的电驱动器，
其特征在于，
所述水上交通工具具有船载电网(5)以用于分配电能量。
18.根据权利要求1所述的电驱动器，
其特征在于，
所述水上交通工具具有电力管理系统(8)，该电力管理系统控制在所述主配电盘(7)中可用的功率。
19.根据权利要求18所述的电驱动器，
其特征在于，
所述电力管理系统(8)使来自所述发电设备(1)和所述能量存储器(6)的功率接收自动化。
20.根据权利要求18所述的电驱动器，
其特征在于，
电力管理系统(8)控制所述能量存储器(6)的充电/放电。
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