DE102006041031B4 - Betriebsverfahren für ein Schiff mit Elektroantrieb und Verbrennungskraftmaschinen-Zusatzantrieb sowie zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Schiff - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zum Betrieb eines Schiffes (1) mit
– zumindest einem Elektromotor (2) als Hauptmaschine zum Antrieb des Schiffes (1), wobei der Elektromotor (2) eine Wellenanlage (3) antreibt, die mit einem Schiffpropeller (4) gekuppelt ist
– zumindest einer mit der Wellenanlage (3) kuppelbaren Verbrennungskraftmaschine (5), insbesondere einer Gasturbine oder einem oder mehreren Dieselmotoren, als Zusatzantrieb zur Erreichung der Höchstgeschwindigkeit des Schiffes (1),
– einem elektrischen Bordnetz (10), durch das der zumindest eine Elektromotor (2) und weitere elektrische Verbraucher (18) des Schiffes (1) mit elektrischer Energie versorgt werden und
– Stromgeneratoren (9) zur Erzeugung elektrischer Energie für das Bordnetz (10),
dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Elektromotor (2) auch als Generator betreibbar ist, wodurch ein hinsichtlich seiner Richtung änderbarer Energiefluss (14) zwischen dem Bordnetz (10) und der Wellenanlage (3) herstellbar ist, und dass durch Steuerung der Richtung und Größe dieses Energieflusses (14) eine für das Bordnetz...
– zumindest einem Elektromotor (2) als Hauptmaschine zum Antrieb des Schiffes (1), wobei der Elektromotor (2) eine Wellenanlage (3) antreibt, die mit einem Schiffpropeller (4) gekuppelt ist
– zumindest einer mit der Wellenanlage (3) kuppelbaren Verbrennungskraftmaschine (5), insbesondere einer Gasturbine oder einem oder mehreren Dieselmotoren, als Zusatzantrieb zur Erreichung der Höchstgeschwindigkeit des Schiffes (1),
– einem elektrischen Bordnetz (10), durch das der zumindest eine Elektromotor (2) und weitere elektrische Verbraucher (18) des Schiffes (1) mit elektrischer Energie versorgt werden und
– Stromgeneratoren (9) zur Erzeugung elektrischer Energie für das Bordnetz (10),
dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Elektromotor (2) auch als Generator betreibbar ist, wodurch ein hinsichtlich seiner Richtung änderbarer Energiefluss (14) zwischen dem Bordnetz (10) und der Wellenanlage (3) herstellbar ist, und dass durch Steuerung der Richtung und Größe dieses Energieflusses (14) eine für das Bordnetz...
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Schiffes gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein für die Durchführung des Verfahrens geeignetes Schiff gemäß Patentanspruch 10.
- Schiffe mit einem Antriebssystem bestehend aus einem Elektroantrieb und einem Verbrennungskraftmaschinen-Zusatzantrieb werden in Zukunft insbesondere im Navy-Bereich für Korvetten und Fregatten verstärkt Anwendung finden. Hierbei dienen ein oder mehrere Elektromotoren als Hauptmaschinen zum Antrieb des Schiffes für einen unteren Geschwindigkeitsbereich (z. B. bis einschließlich Marschfahrt) und zumindest eine Verbrennungskraftmaschine wie z. B. eine Gasturbine alleine oder mit dem (den) Elektromotor(en) als Zusatzantrieb für einen höheren Geschwindigkeitsbereich (z. B. Geschwindigkeiten größer als Marschfahrt) bis zur Höchstgeschwindigkeit. Alternativ können als Zusatzantrieb statt einer Gasturbine beispielsweise auch ein oder mehrere Dieselmotoren vorgesehen sein.
- Das Antriebssystem ist somit zu unterscheiden von dem bei großen Cargoschiffen, insbesondere bei großen Containerschiffen, eingesetzten Antriebssystemen mit einer Verbrennungskraftmaschine, üblicherweise einem großen Dieselmotor, als Hauptmaschine zum Antrieb des Schiffes und einem elektrischen Wellenmotor (in der Fachliteratur häufig als „Booster" bezeichnet) als elektrischem Zusatzantrieb zum Erreichen der Höchstgeschwindigkeit des Schiffes oder als Notantrieb bei Ausfall der Verbrennungskraftmaschine.
- Ein Beispiel für ein Antriebssystem, in dem zwei Elektromotoren als Hauptmaschinen zum Antrieb des Schiffes und als Verbrennungskraftmaschinen-Zusatzantrieb eine Gasturbine ver wendet wird, ist das in der Fachliteratur als CODLAG (COmbined Diesel ELectric And Gas) bezeichnete Antriebssystem. Ein CODLAG-Antriebssystem soll beispielsweise für die neuen Fregatten Klasse F 125 der deutschen Marine Verwendung finden (siehe z. B. Aufsatz „Fregatte Klasse F 125" von T. Becker in „Marineforum" 11-2005). Bis zur Marschfahrt von ca. 20 kn treiben hierbei zwei Elektromotoren jeweils eine Propellerwelle direkt ohne Getriebeuntersetzung an. Ein mechanischer Gasturbinenantrieb wird auf die beiden Propellerwellen zugeschaltet, um die Höchstgeschwindigkeit von ca. 26 kn zu erreichen.
- Die Stromerzeugung für die Elektromotoren und für das Bordnetz des Schiffes erfolgt üblicherweise durch mehrere Stromerzeugungsaggregate, die jeweils aus einem Stromgenerator und einer diesen antreibenden Hilfsmaschine, wie z. B. einem mittel schnell laufenden Dieselmotor, bestehen.
- Bei der Fregatte F 125 sind beispielsweise vier Stromerzeugungsaggregate von jeweils ca. 3 MW vorgesehen, so dass insgesamt eine Generatorleistung von 12 MW für die zwei Elektromotoren und die weiteren elektrischen Verbraucher zur Verfügung steht. Der Leistungsbedarf der elektrischen Verbraucher beträgt etwa 1 MW. Die Elektromotoren sind auf eine Leistung von jeweils ca. 4.5 MW ausgelegt, so dass die Gesamtleistung des Elektroantriebs ca. 9 MW beträgt. Die Gasturbine hat eine Leistung von 20 MW. Da die Höchstgeschwindigkeit nur relativ selten gefordert wird, stehen auf der Antriebsseite große Energiereserven zur Verfügung, die häufig nicht genutzt werden. Auch auf der Bordnetzseite stehen häufig Energiereserven zur Verfügung, die nicht genutzt werden.
- Die
DE 101 48 785 A1 offenbart ein Schiff mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor-Zusatzantrieb. Hierzu ist zwischen den Verbrennungsmotor und ein Antriebssystem (z. B. ein Schiffspropeller) ein Start-Generator geschaltet. Der Start-Generator kann dabei als ein von dem Verbrennungsmotor angetriebener Generator betrieben werden, der Batterien des Schiffes lädt. Es ist somit ein Energiefluss von dem Verbrennungsmotor zu den Batterien herstellbar. Für kurze Zeit ist es auch möglich, den Verbrennungsmotor abzukuppeln und den Start-Generator als Motor zu betreiben, der das Abtriebssystem antreibt. Der Start-Generator kann hierbei z. B. mit elektrischer Energie aus den Batterien oder einem Bordnetz gespeist werden. Es ist somit ein Energiefluss von einem Bordnetz zu dem Abtriebssystem möglich. - Die
DE 296 04 437 U1 offenbart ein Schiff mit einem Hybridantrieb bestehend aus einem Dieselmotor und einem Elektromotor mit jeweils gleichem Drehmoment. Bei verbrennungsmotorischer Fahrweise treibt der Dieselmotor sowohl das Schiff als auch den Elektromotor an, der als Generator betrieben wird und Batterien lädt, d. h. es fließt Energie von dem Dieselmotor zu den Batterien. Bei elektromotorischer Fahrweise treibt der Elektromotor das Schiff an und wird dabei mit elektrischer Energie aus den Batterien versorgt, wodurch ein Energiefluss von den Batterien zu einer Propellerwelle entsteht. Bei generatorischer Betriebsweise treibt der Dieselmotor den als Generator betriebenen Elektromotor an, der die Batterien lädt oder in ein Bordnetz einspeist, d. h. es fließt Energie von dem Dieselmotor zu den Batterien oder dem Bordnetz. - Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines eingangs erläuterten Schiffes und ein für die Durchführung des Verfahrens geeignetes Schiff anzugeben, mit denen die eingangs erläuterten Energiereserven nutzbar gemacht werden können.
- Die Lösung der auf das Verfahren gerichteten Aufgabe gelingt dadurch, dass der zumindest eine Elektromotor auch als Generator betreibbar ist, wodurch ein hinsichtlich seiner Richtung änderbarer Energiefluss zwischen dem Bordnetz und der Wellenanlage herstellbar ist, und dass durch Steuerung der Richtung und Größe dieses Energieflusses eine für das Bordnetz benötigte Mindestleistung bereitgestellt und dabei gleichzeitig auch die für den Vortrieb des Schiffes situationsbedingt benötigte Mindestantriebsleistung für den Schiffspropeller bereitgestellt wird.
- Der hinsichtlich seiner Richtung änderbare Energiefluss zwischen dem Bordnetz und der Wellenanlage eröffnet eine bisher nicht bekannte Flexibilität in der Energieverteilung im Zusammenspiel der Energieerzeugung für den Antrieb des Schiffes und der Energieerzeugung für das Bordnetz. Durch einen Energiefluss von der Wellenanlage zu dem Bordnetz können bestehende Energiereserven auf der Antriebsseite auf der Bordnetzseite nutzbar gemacht werden. So kann bei Ausfall von Stromerzeugungsaggregaten eine ausreichende Versorgung elektrischer Verbraucher des Bordnetzes mit elektrischer Energie sichergestellt und es können somit Bordnetzstörungen bis hin zu einem Blackout des Schiffes vermieden werden.
- Bei einem Schiff mit zwei Wellenanlagen, für die als Zusatzantrieb gemeinsam eine einzige Verbrennungskraftmaschine oder jeweils eine eigene Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist, können bei einem Ausfall des Zusatzantriebs für eine der beiden Wellenanlagen (z. B. aufgrund einer Getriebestörung) bestehende Energiereserven auf Seite der ungestörten Wellenanlage zur zusätzlichen Energieversorgung für den Elektromotor der gestörten Wellenanlage genutzt werden. Umgekehrt können bestehende Energiereserven auf der Bordnetzseite flexibel zum Antrieb einer oder mehrerer Wellenanlagen des Schiffes genutzt werden, wodurch die zumindest eine Verbrennungskraftmaschine entlastet werden kann. Mit diesen Maßnahmen kann die Betriebssicherheit des Schiffes weiter erhöht werden.
- Zum anderen können durch den nunmehr möglichen Energieaustausch zwischen Bordnetz und Wellenanlage die Energieerzeuger, d. h. die zumindest eine Verbrennungskraftmaschine und die Hilfsmaschinen zum Antrieb der Stromgeneratoren, gezielt zusätzlich belastet oder entlastet und somit deren Betriebsparameter wie z. B. Treibstoffverbrauch, Emissionen oder Laufzeiten, beeinflusst werden. Derartige Beeinflussungsmöglichkeiten können in besonderen Einsatzfällen wünschenswert sein, zum Beispiel bei Vorliegen besonderer Anforderungen hinsichtlich der Einsatzdauer, der Betriebskosten, der Detektierbarkeit des Schiffes oder der Höchstwerte für Abgasemissionen.
- Die mit der Erfindung gegebene Energieaustauschmöglichkeit zwischen Bordnetz und Antrieb kann auch zur Vermeidung unnötiger Leistungsreserven bei den Energieerzeugern genutzt werden, wodurch die Anschaffungskosten für die installierte Maschinenleistung reduziert werden können.
- Die Größe des Energieflusses und somit der Energieaustausch ist nur dadurch begrenzt, dass in jedem Fall eine für das Bordnetz benötigte Mindestleistung bereitgestellt und dabei gleichzeitig auch die für den Vortrieb des Schiffes situationsbedingt benötigte Mindestantriebsleistung für den Schiffspropeller bereitgestellt werden muss.
- Durch Steuerung der Richtung und Größe des Energieflusses kann das Gesamtsystem bestehend aus der zumindest einen Verbrennungskraftmaschine und von Hilfsmaschinen zum Antrieb der Stromgeneratoren gezielt in einem vorgebbaren Betriebspunkt betrieben werden.
- Der vorgebbare Betriebspunkt kann von Vorteil ein Betriebspunkt sein, in dem der Treibstoffbedarf des Gesamtsystems minimal ist. Hierdurch können beispielsweise der Treibstoffverbrauch und somit auch die Treibstoffkosten verringert werden. Bei gleicher Treibstoffmenge kann die Fahrtstrecke vergrößert oder bei gleich bleibender Fahrtstrecke die benötigte Treibstoffmenge und somit auch der Platzbedarf für Tanks und Gewicht verringert werden.
- Der vorgebbare Betriebspunkt kann aber auch von Vorteil ein Betriebspunkt sein, in dem die Geräuschemissionen und/oder die Wärmeemissionen des Gesamtsystems minimal sind. In einem derartigen Betriebspunkt kann beispielsweise die Detektierbarkeit des Schiffes, z. B. bei einer Patrouillenfahrt, erschwert werden.
- Weiterhin kann der vorgebbare Betriebspunkt von Vorteil ein Betriebspunkt sein, in dem die Abgasemissionen des Gesamtsystems minimal sind. In einem derartigen Betriebspunkt kann dann ein Einsatz des Schiffes auch in ökologisch sensiblen Gebieten ermöglicht werden. Insbesondere beim Hafenzugangsbetrieb bestehen schon heute in vielen Häfen besondere Anforderungen an die Abgasemissionen.
- Der vorgebbare Betriebspunkt kann aber auch ein Betriebspunkt sein, in dem die Laufzeiten der Hilfsmaschinen und/oder der Verbrennungskraftmaschine und somit der hierfür benötigte Wartungsaufwand minimal sind.
- Der vorgebbare Betriebspunkt kann auch durch mehrere Betriebsparameter charakterisiert sein, wobei den Betriebsparametern jeweils Prioritäten zugeordnet sind und in dem vorgebbaren Betriebspunkt die Betriebsparameter in der Reihenfolge ihrer Priorität optimiert sind. Bevorzugt umfassen die Betriebsparameter hierbei den Treibstoffbedarf und/oder die Abgasemissionen und/oder die Geräuschemissionen und/oder die Wärmeemissionen und/oder die Maschinenlaufzeiten in dem Gesamtsystem bestehend aus der zumindest einen Verbrennungskraftmaschine und den Hilfsmaschinen. Beispielsweise gilt erste Priorität für eine möglichst niedrige Abgasemission des Gesamtsystems, zweite Priorität einem möglichst niedrigen Treibstoffverbrauch des Gesamtsystems und dritte Priorität für möglichst geringe Laufzeiten der Hilfsmaschinen in dem Gesamtsystem.
- Bevorzugt wird bei Motorbetrieb des Elektromotors und einem Ausfall eines Stromgenerators der Elektromotor so schnell in den Generatorbetrieb umgeschaltet, dass in dem Bordnetz die elektrische Bordnetzenergie ohne Blackout des Bordnetzes, vorzugsweise sogar völlig unterbrechungsfrei, aufrechterhalten wird. Hierdurch kann die Betriebssicherheit noch weiter erhöht werden.
- Bei einem zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Schiff gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 10 ist erfindungsgemäß der Elektromotor auch als Generator betreibbar, wodurch ein hinsichtlich seiner Richtung änderbarer Energiefluss zwischen dem Bordnetz und der Wellenanlage herstellbar ist, und das Schiff weist eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Richtung und Größe dieses Energieflusses auf.
- Von Vorteil weist die Steuereinrichtung ein Steuerprogramm mit Programmteilen zur Einstellung jeweils unterschiedlicher vorgebbarer Betriebspunkte des Gesamtsystems bestehend aus der zumindest einen Verbrennungskraftmaschine und von Hilfsmaschinen zum Antrieb der Stromgeneratoren auf.
- Von Vorteil umfassen die vorgebbaren Betriebspunkte einen Betriebspunkt, in dem der Treibstoffbedarf des Gesamtsystems minimal ist. Bevorzugt umfassen die vorgebbaren Betriebspunkte auch einen Betriebspunkt, in dem die Geräuschemissionen und/oder die Wärmeemissionen des Gesamtsystems minimal sind Weiterhin können die vorgebbaren Betriebspunkte einen Betriebspunkt umfassen, in dem die Abgasemissionen des Gesamtsystems minimal sind. Vorzugsweise umfassen die vorgebbaren Betriebspunkte auch einen Betriebspunkt, in dem die Laufzeiten der Hilfsmaschinen und/oder der Verbrennungskraftmaschine minimal sind. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile der verschiedenen Betriebspunkte gelten entsprechend auch für das erfindungsgemäße Schiff.
- Bevorzugt kann die Steuereinrichtung zur Steuerung der Richtung und Größe des Energieflusses steuernd auf den Betrieb des Elektromotors, der Verbrennungskraftmaschine, von Hilfsmaschinen zum Antrieb der Stromgeneratoren, einer Kupplung zwischen Verbrennungskraftmaschine und Wellenanlage, vorzugsweise auch auf einen Verstellantrieb für die Steigung der Blätter des Schiffpropellers, einwirken.
- Von Vorteil ist das Schiff als Fregatte oder Korvette ausgebildet.
- Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert. Es zeigt:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schiffes, -
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schiffes und -
3 einen Verfahrensablauf zur Einstellung eines vorgebbaren optimalen Betriebspunktes bei dem Schiff gemäß1 . - Ein in
1 gezeigtes Schiff1 , beispielsweise eine Fregatte oder eine Korvette, weist ein Antriebssystem mit zwei Elektromotoren2 auf, von denen jeder direkt, d. h. ohne ein zwischengeschaltetes Getriebe, jeweils eine Propellerwelle3 antreibt, die wiederum mit einem verstellbaren Schiffspropeller4 gekoppelt ist. Die Elektromotoren2 dienen als Hauptantrieb für den Vortrieb des Schiffes1 im unteren Geschwindigkeitsbereich (z. B. Geschwindigkeiten bis einschließlich Marschfahrt). Eine Gasturbine5 dient alleine oder mit den Elektromotoren2 als Zusatzantrieb für den höheren Geschwindigkeitsbereich (z. B. Geschwindigkeiten größer als Marschfahrt) bis hin zur Erzielung der Höchstgeschwindigkeit. Die Gasturbine5 kann bei Bedarf über eine Getriebe-/Kupplungseinheit6 mechanisch mit den Propellerwellen3 gekuppelt werden. - Ein Bordnetz
10 dient zur Versorgung der Elektromotoren2 sowie weiterer elektrischer Verbraucher18 (z. B. Querstrahlruder, Beleuchtung, Navigationssysteme) mit elektrischer Energie. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in1 nur zwei elektrische Verbraucher18 dargestellt, in der Praxis werden eine größere Anzahl derartiger Verbraucher18 , teilweise auch über weitere Bordnetze, aus dem Bordnetz10 mit elektrischer Energie versorgt. - Die Erzeugung der elektrischen Energie für das Bordnetz
10 und somit auch für die Elektromotoren2 erfolgt durch mehrere Stromerzeugungsaggregate7 , die jeweils aus einem Dieselmotor8 und einem von dem Dieselmotor8 angetriebenen Stromgenerator9 bestehen. Als Dieselmotoren8 kommen beispielsweise mittel schnell laufende Viertakt-Dieselmotoren zum Einsatz. - Jeder der Elektromotoren
2 ist über eine elektrische Leitung11 mit dem Bordnetz10 verbunden, wobei in die Leitung11 ein Umrichter12 und ein Transformator13 geschaltet sind. Im Motorbetrieb des Elektromotors2 versorgt der Umrichter12 den Elektromotor2 mit elektrischer Energie aus dem Bordnetz10 . Im Generatorbetrieb des Elektromotors2 wandelt der Umrichter12 den von dem Elektromotor2 erzeugten Strom in Strom mit der Frequenz des Bordnetzes10 um. - Mit Hilfe jedes der Elektromotoren
2 ist ein hinsichtlich seiner Richtung änderbarer Energiefluss14 zwischen dem Bordnetz10 und der jeweils zugehörigen Propellerwelle3 herstellbar. Bei Motorbetrieb entsteht durch Umwandlung zumindest eines Teils der elektrischen Bordnetzenergie in mechanische Energie zum Antrieb der Propellerwelle ein Energiefluss14 von dem Bordnetz10 zu der Propellerwelle3 und bei Generatorbetrieb durch Umwandlung zumindest eines Teils der mechanischen Energie der Propellerwelle3 in elektrische Energie zur Einspeisung in das Bordnetz3 ein Energiefluss14 von der Propellerwelle3 zu dem Bordnetz10 . - Eine elektronische Steuereinrichtung
15 dient zur Steuerung der Richtung und Größe der Energieflüsse14 . Die Steuereinrichtung15 kann hierzu über Steuerleitungen19 steuernd auf den Betrieb der Elektromotoren2 , der Umrichter12 , der Gasturbine5 , der Dieselmotoren8 , der Getriebe-/Kupplungseinheit6 und auf nicht näher dargestellte Verstellantriebe für die Steigung der Blätter der Propeller4 einwirken. Die Steuereinrichtung15 weist ein Steuerprogramm26 mit mehreren Programmteilen27 zur Einstellung jeweils unterschiedlicher vorgebbarer Betriebspunkte des Gesamtsystems bestehend aus der Gasturbine5 und den Dieselmotoren8 auf. Die Steuereinrichtung15 ist hierbei bevorzugt in ein nicht näher dargestelltes Power-Management-System des Schiffes1 integriert. - Die Steuereinrichtung
15 steuert nun die Energieflüsse14 derart, dass eine für das Bordnetz10 benötigte Mindestleistung bereitgestellt und dabei gleichzeitig auch die für den Vortrieb des Schiffes situationsbedingt benötigte Mindestantriebsleistung für die Propeller4 bereitgestellt wird. Durch die Steuerung der Richtung und Größe der Energieflüsse14 wird hierbei das Gesamtsystem bestehend aus der Gasturbine5 und den Dieselmotoren8 in einem vorgebbaren, optimalen Betriebspunkt betrieben. - Statt einer Gasturbine können beispielsweise auch ein oder mehrere Dieselmotoren als Zusatzantrieb vorgesehen sein. So zeigt
2 ein Schiff30 , das dem Schiff1 aus1 entspricht, mit der Ausnahme dass als Zusatzantrieb statt einer Gasturbine nun für jede der Propellerwellen3 als Zusatzantrieb für höhere Geschwindigkeiten ein Dieselmotor31 vorhanden ist, der direkt mit der Propellerwelle3 kuppelbar ist. - Beim Betrieb des Schiffes
1 (bzw. in entsprechender Form auch bei dem Schiff30 ) werden, wie in3 dargestellt, nach einer Aktivierung der Steuereinrichtung15 in einem ersten Schritt20 von der Steuereinrichtung15 vom Schiffspersonal zu optimierende Betriebsparameter abgefragt. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines auf einer Ausgabeeinheit16 , z. B. eines Displays, angezeigten Auswahlmenüs erfolgen. Das Schiffspersonal kann anschließend über eine Eingabeeinheit17 , z. B. eine Tastatur, einen oder mehrere der angezeigten Betriebsparameter auswählen und den ausgewählten Betriebsparametern Prioritäten zuordnen. Alternativ können die zu optimierenden Betriebsparameter auch bereits fest in der Steuereinrichtung15 abgespeichert sein. - Anschließend erfasst die Steuereinrichtung in einem Schritt
21 den aktuellen Mindestenergiebedarf für den Antrieb der Schiffspropeller3 und für die elektrischen Verbraucher18 . Der aktuelle Mindestenergiebedarf kann beispielsweise anhand der aktuellen Leistungsabgaben der Stromgeneratoren9 sowie des von der Brücke gewünschten Drehzahlsollwertes für die Schiffspropeller ermittelt werden. - Anschließend werden in einem Schritt
22 die aktuellen Betriebspunkte der Gasturbine5 und der Dieselmotoren8 hinsichtlich der zu optimierenden Betriebsparameter und daraus der aktuelle Betriebspunkt des Gesamtsystems aus Gasturbine5 und Dieselmotoren8 hinsichtlich der zu optimierenden Betriebsparameter ermittelt. Die Bestimmung der Betriebspunkte bzw. der zu optimierenden Betriebsparameter erfolgt entweder direkt durch Messung der Betriebsparameter der Gasturbine5 und der Dieselmotoren8 , z. B. deren Treibstoffverbrauch, oder indirekt durch Ableitung dieser Betriebsparameter aus anderen gemessenen Betriebsparametern. - Daraufhin wird in einem Schritt
23 von der Steuereinrichtung15 ein optimaler Betriebspunkt des Gesamtsystems ermittelt, bei dem die für das Bordnetz10 benötigte Mindestleistung und gleichzeitig auch die für den Vortrieb des Schiffes situationsbedingt benötigte Mindestantriebsleistung bereitgestellt wird und gleichzeitig die Betriebsparameter für das Gesamtsystem in der Reihenfolge ihrer Priorität optimiert sind. Hierzu sind in der Steuereinrichtung15 für jeden der Dieselmotoren8 und für die Gasturbine5 Daten abgespeichert, die den Zusammenhang der Energieabgabe mit den jeweiligen Be triebsparametern, z. B. dem jeweiligen Treibstoffverbrauch, Emission oder Laufzeit angeben. - Bestehen hinsichtlich der zu optimierenden Betriebsparameter Abweichungen zwischen dem optimalen und dem aktuellen Betriebspunkt des Gesamtsystems können diese dem Schiffspersonal in einem Schritt
24 auf der Ausgabeeinheit16 angezeigt und somit das Schiffspersonal, z. B. durch Ausgabe von Handlungsempfehlungen, zur Einstellung der optimalen Richtung und Größe der Energieflüsse14 von dem Bordnetz10 zu den Propellerwellen3 oder umgekehrt und somit zur Heranführung des Betriebspunktes des Gesamtsystems an den optimalen Betriebspunkt veranlasst werden. Wenn ein bestimmter Grenzwert für die Abweichungen überschritten wird, kann von der Steuereinrichtung15 auch ein Warnsignal an ein Alarmsystem gegeben werden. - Alternativ kann die Steuereinrichtung
15 in dem Schritt24 auch selbständig und automatisiert durch entsprechende Steuerung der Energieflüsse14 zwischen den Propellerwellen3 und dem Bordnetz10 den Betriebspunkt des Gesamtsystems an den gewünschten optimalen Betriebspunkt heranführen. Die Steuereinrichtung15 greift hierzu über die Steuerleitungen19 steuernd auf den Betrieb der Elektromotoren2 , der Umrichter12 , der Gasturbine5 , der Dieselmotoren8 , der Getriebe-/Kupplungseinheit6 und der nicht näher dargestellten Verstellantriebe für die Steigung der Blätter der Propeller4 ein und steuert hierüber die Leistungsabgaben und somit Betriebspunkte der Dieselmotoren8 und der Gasturbine5 , die Stromflüsse durch die Umrichter12 und somit die Energieflüsse14 derart, dass die zu optimierenden Betriebsparameter in der Reihenfolge ihrer Priorität optimiert werden. - Von der Steuereinrichtung
15 wird nun, solange im Schritt25 Bedarf nach einer weiteren Optimierung erkannt wird und – wie in2 durch einen Rücksprung von Schritt25 auf Schritt21 verdeutlicht ist – laufend der aktuelle Energiebedarf ermittelt, bei Änderungen des Energiebedarfs der optimale Be triebspunkt ermittelt und anschließend Abweichungen des aktuellen Betriebspunktes dem Schiffspersonal anzeigt oder selbständig durch entsprechende Steuerung der Energieflüsse14 ein optimaler Betriebspunkt für das Gesamtsystem eingestellt. Mit Hilfe einer selbstlernenden Struktur in der Steuereinrichtung15 können noch weitere Optimierungen erfolgen. Wenn kein weiterer Optimierungsbedarf im Schritt25 erkannt wird, wird das Verfahren beendet.
Claims (17)
- Verfahren zum Betrieb eines Schiffes (
1 ) mit – zumindest einem Elektromotor (2 ) als Hauptmaschine zum Antrieb des Schiffes (1 ), wobei der Elektromotor (2 ) eine Wellenanlage (3 ) antreibt, die mit einem Schiffpropeller (4 ) gekuppelt ist – zumindest einer mit der Wellenanlage (3 ) kuppelbaren Verbrennungskraftmaschine (5 ), insbesondere einer Gasturbine oder einem oder mehreren Dieselmotoren, als Zusatzantrieb zur Erreichung der Höchstgeschwindigkeit des Schiffes (1 ), – einem elektrischen Bordnetz (10 ), durch das der zumindest eine Elektromotor (2 ) und weitere elektrische Verbraucher (18 ) des Schiffes (1 ) mit elektrischer Energie versorgt werden und – Stromgeneratoren (9 ) zur Erzeugung elektrischer Energie für das Bordnetz (10 ), dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Elektromotor (2 ) auch als Generator betreibbar ist, wodurch ein hinsichtlich seiner Richtung änderbarer Energiefluss (14 ) zwischen dem Bordnetz (10 ) und der Wellenanlage (3 ) herstellbar ist, und dass durch Steuerung der Richtung und Größe dieses Energieflusses (14 ) eine für das Bordnetz (10 ) benötigte Mindestleistung bereitgestellt und dabei gleichzeitig auch die für den Vortrieb des Schiffes situationsbedingt benötigte Mindestantriebsleistung für den Schiffspropeller (4 ) bereitgestellt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Steuerung der Richtung und Größe des Energieflusses (
14 ) das Gesamtsystem bestehend aus der zumindest einen Verbrennungskraftmaschine (5 ) und von Hilfsmaschinen (8 ) zum Antrieb der Stromgeneratoren (9 ) in einem vorgebbaren Betriebspunkt betrieben wird. - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Betriebspunkt ein Betriebspunkt ist, in dem der Treibstoffbedarf des Gesamtsystems minimal ist.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Betriebspunkt ein Betriebspunkt ist, in dem die Geräuschemissionen und/oder die Wärmeemissionen des Gesamtsystems minimal sind
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Betriebspunkt ein Betriebspunkt ist, in dem die Abgasemissionen des Gesamtsystems minimal sind.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Betriebspunkt ein Betriebspunkt ist, in dem die Laufzeiten der Hilfsmaschinen (
8 ) und/oder der Verbrennungskraftmaschine (5 ) minimal sind. - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Betriebspunkt durch mehrere Betriebsparameter charakterisiert wird, wobei den Betriebsparametern jeweils Prioritäten zugeordnet und in dem vorgebbaren Betriebspunkt die Betriebsparameter in der Reihenfolge ihrer Priorität optimiert sind.
- Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsparameter den Treibstoffbedarf und/oder die Abgasemissionen und/oder die Geräuschemissionen und/oder die Wärmeemissionen und/oder die Maschinenlaufzeiten in dem Gesamtsystem bestehend aus der zumindest einen Verbrennungskraftmaschine (
5 ) und den Hilfsmaschinen (8 ) umfassen. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Motorbetrieb des Elektromotors (
2 ) und einem Ausfall eines Stromgenerators (9 ) der Elektromotor (2 ) so schnell in den Generatorbetrieb umgeschaltet wird, dass in dem Bordnetz (10 ) die elektrische Bordnetzenergie ohne Blackout des Bordnetzes aufrechterhalten wird. - Schiff (
1 ) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit – zumindest einem Elektromotor (2 ) als Hauptmaschine zum Antrieb des Schiffes (1 ), wobei der Elektromotor (2 ) eine Wellenanlage (3 ) antreibt, die mit einem Schiffspropeller (4 ) gekuppelt ist, – zumindest einer mit der Wellenanlage (3 ) kuppelbaren Verbrennungskraftmaschine (5 ), insbesondere einer Gasturbine oder einem oder mehreren Dieselmotoren, als Zusatzantrieb zur Erreichung der Höchstgeschwindigkeit des Schiffes (1 ), – einem elektrischen Bordnetz (10 ) zur Versorgung des zumindest einen Elektromotors (2 ) und weiterer elektrischer Verbraucher (18 ) des Schiffes (1 ) mit elektrischer Energie – Stromgeneratoren (9 ) zur Erzeugung elektrischer Energie für das Bordnetz (10 ), dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Elektromotor (2 ) auch als Generator betreibbar ist, wodurch ein hinsichtlich seiner Richtung änderbarer Energiefluss (14 ) zwischen dem Bordnetz10 ) und der Wellenanlage (3 ) herstellbar ist, und dass das Schiff (1 ) eine Steuereinrichtung (15 ) zur Steuerung der Richtung und Größe des Energieflusses (14 ) aufweist. - Schiff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (
15 ) ein Steuerprogramm mit Programmteilen zur Einstellung jeweils unterschiedlicher vorgebbarer Betriebspunkte des Gesamtsystems bestehend aus der zumindest einen Verbrennungskraftmaschine (5 ) und von Hilfsmaschinen (8 ) zum Antrieb der Stromgeneratoren (9 ) aufweist. - Schiff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren Betriebspunkte einen Betriebspunkt umfassen, in dem der Treibstoffbedarf des Gesamtsystems minimal ist.
- Schiff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren Betriebspunkte einen Betriebspunkt umfassen, in dem die Geräuschemissionen und/oder die Wärmeemissionen des Gesamtsystems minimal sind
- Schiff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren Betriebspunkte einen Betriebspunkt umfassen, in dem die Abgasemissionen des Gesamtsystems minimal sind.
- Schiff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren Betriebspunkte einen Betriebspunkt umfassen, in dem die Laufzeiten der Hilfsmaschinen (
8 ) und/oder der Verbrennungskraftmaschine (5 ) minimal sind. - Schiff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung zur Steuerung der Richtung und Größe des Energieflusses (
14 ) steuernd auf den Betrieb des Elektromotors (2 ), der Verbrennungskraftmaschine (5 ), von Hilfsmaschinen (8 ) zum Antrieb der Stromgeneratoren (9 ), einer Kupplung (6 ) zwischen Verbrennungskraftmaschine (5 ) und Wellenanlage (3 ) einwirken kann. - Schiff (
1 ) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es als Fregatte oder Korvette ausgebildet ist.
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