DE102008012406A1

DE102008012406A1 - Flurförderzeug mit einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102008012406A1
Application number: DE102008012406A
Authority: DE
Inventors: Michael Meinhardt; Norbert Pfeiffer
Original assignee: Still Wagner GmbH and Co KG
Current assignee: STILL GmbH
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-09-10

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Antriebsanordnung (1) für ein Flurförderzeug mit elektrischen Verbrauchern, insbesondere mindestens einem elektrischen Fahrantriebsmotor und mindestens einem elektrischen Hubantriebsmotor. Die Antriebsanordnung (1) weist mindestens eine Brennstoffzelle (11) und mindestens einen Kurzzeitspeicher (12) auf. Erfindungsgemäß weist die Antriebsanordnung (1) als zusätzlichen Energiespeicher mindestens eine Batterie (13) auf. Gegenstand der Erfindung ist ebenso ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antriebsanordnung (1), bei dem die Brennstoffzelle (11) zumindest während des Ladens der Batterie (13) mit gleich bleibender Leistung betrieben wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Flurförderzeug mit elektrischen Verbrauchern, insbesondere mindestens einem elektrischen Fahrantriebsmotor und mindestens einem elektrischen Hubantriebsmotor, wobei die Antriebsanordnung mindestens eine Brennstoffzelle und mindestens einen Kurzzeitspeicher aufweist. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antriebsanordnung sowie eine Steuervorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Als Flurförderzeuge werden Fahrzeuge für den innerbetrieblichen Warentransport, wie beispielsweise Gabelstapler, Schubmaststapler, Schubgabelstapler, Hubwagen und Industrieschlepper bezeichnet. Die Leistungszyklen von Flurförderzeugen sind im Vergleich zu den Leistungszyklen von Kraftfahrzeugen grundlegend anders. Beispielsweise benötigen Flurförderzeuge, die mit einer Lasthebevorrichtung ausgerüstet sind, während des Anhebens von schweren Lasten besonders viel Energie. Diese Hubenergie kann während des Absenkens der Lasten zurückgewonnen werden. Die hierbei frei werdende elektrische Leistung ist zu groß, um sie vollständig in eine übliche Batterie einzuspeisen. Aus diesem Grund können Antriebsanordnungen aus Kraftfahrzeugen, die beispielsweise als Hybridsysteme oder Brennstoffzellensysteme ausgeführt sind, nicht in Flurförderzeuge übernommen werden.
Eine Antriebsanordnung für ein Flurförderzeug der genannten Art ist beispielsweise aus der EP 1 398 201 A2 bekannt. Um die Leistung der Antriebsanordnung an die fortlaufend wechselnde Leistungsanforderung der Verbraucher anzupassen, wird üblicherweise die elektrische Ausgangsleistung der Brennstoffzelle variiert. Dies hat einen negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad und auf die Lebensdauer der Brennstoffzelle.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Antriebsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antriebsanordnung zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird bezüglich der Antriebsanordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Antriebsanordnung als zusätzlichen Energiespeicher mindestens eine Batterie aufweist. Sowohl die Batterie als auch der Kurzzeitspeicher werden zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie eingesetzt. Der Kurzzeitspeicher ist vorzugsweise als kapazitiver Energiespeicher – häufig als Ultracap beizeichnet – ausgeführt und kann verschleißfrei beliebig oft geladen und entladen werden. Dies erlaubt es, die Brennstoffzelle konstant im optimalen Betriebspunkt zu betreiben. Schwankungen der Leistungsanforderungen der elektrischen Verbraucher werden durch den Kurzzeitspeicher ausgeglichen, der dabei fortlaufend ge- und entladen wird. Die zusätzlich vorhandene Batterie wird eingesetzt, um in Betriebssituationen, in denen die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle und des Kurzzeitspeichers nicht ausreicht, zusätzliche elektrische Energie zu liefern. Dies kommt insbesondere dann vor, wenn der Kurzzeitspeicher entladen ist oder wenn die elektrischen Verbraucher eine besonders große Leistung abfordern. Die Antriebsanordnung ist so ausgelegt, dass während des normalen Betriebs des Flurförderzeugs die Schwankungen der Leistungsanforderung der elektrischen Verbraucher hauptsächlich von dem Kurzzeitspeicher ausgeglichen werden. Die Anzahl der Lade- und Entladezyklen der Batterie ist so minimiert.
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht die Ausführung der Batterie als Bleibatterie. Bleibatterien sind einfach und kostengünstig, ihre Lebensdauer ist jedoch maßgeblich durch die Anzahl der Lade- und Entladezyklen bestimmt.
Weiter umfasst die Antriebsanordnung mindestens einen Wasserstofftank. Der Wasserstofftank speichert den für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderlichen Wasserstoff. Der Wasserstofftank ist vorzugsweise als Druckbehälter ausgeführt. Sofern eine mit Methanol betriebene Brennstoffzelle eingesetzt wird, ist anstelle des Wasserstofftanks ein Tank für flüssiges Methanol vorgesehen.
Zur Verbindung des Wasserstofftanks mit der Brennstoffzelle umfasst die Antriebsanordnung eine Gasstrecke. Die Gasstrecke umfasst Gasleitungen sowie verschiedene Armaturen, wie beispielsweise Druckminderer und Ventile.
Mit besonderem Vorteil sind die Bauteile der Antriebsanordnung auf einem gemeinsamen Träger angeordnet, sodass die Antriebsanordnung als Modul in dem Flurförderzeug montierbar ist. Zu dem Modul gehören insbesondere die Brennstoffzelle, der Kurzzeitspeicher, die Batterie, der Wasserstofftank und die Gasstrecke. Der Aufbau als Modul ermöglicht eine Vormontage der Antriebsanordnung, die dann mit wenigen Arbeitsschritten in das Flurförderzeug eingesetzt werden kann. Insbesondere ist es möglich, den großen Batterieblock von ausschließlich batteriebetriebenen Flurförderzeugen durch die erfindungsgemäße modulare Antriebsanordnung zu ersetzen.
Die Bauteile der Antriebsanordnung sind individuell auf dem Träger konfigurierbar. Es ist beispielsweise möglich, die Konfiguration der Antriebsanordnung auf die typischen Arbeitszyklen am jeweiligen Einsatzort des Flurförderzeugs abzustimmen.
Auf dem Träger der Antriebsanordnung kann darüber hinaus ein Zusatzgewicht angeordnet sein. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Antriebsanordnung den großen Batterieblock eines ausschließlich batteriebetriebenen Flurförderzeugs ersetzen soll. Das Gesamtgewicht der Antriebsanordnung einschließlich des Zusatzgewichts entspricht dann dem Gewicht des großen Batterieblocks. Die Gesamtmasse und der Gesamtschwerpunkt bleiben dadurch gleich, sodass das Flurförderzeug seine volle Tragfähigkeit behält.
Die Antriebsanordnung steht mit einer elektrischen Steuervorrichtung in Wirkverbindung, die den Energiefluss zwischen den Elementen der Antriebsanordnung in Abhängigkeit von der momentanen Betriebssituation steuert. In der Steuervorrichtung ist das Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung hinterlegt.
Das Verfahren zum Betreiben der Antriebsanordnung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Brennstoffzelle zumindest während des Ladens der Batterie mit gleich bleibender Leistung betrieben wird. Die Brennstoffzelle wird dabei in ihrem optimalen Betriebspunkt betrieben, in dem sie den besten Wirkungsgrad besitzt. Darüber hinaus verlängert sich die Lebensdauer der Brennstoffzelle dadurch, dass eine fortlaufende Anpassung der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle vermieden wird.
In einer ersten Betriebssituation – während des Ladens der Batterie, wenn weder der Fahrantrieb noch der Hubantrieb elektrische Energie verbrauchen und der Kurzzeitspeicher vollständig geladen ist – wird die Leistung der Brennstoffzelle vollständig der Batterie zugeführt.
In einer zweiten Betriebssituation – während des Ladens der Batterie, wenn weder der Fahrantrieb noch der Hubantrieb elektrische Energie verbrauchen und der Kurzzeitspeicher nicht vollständig geladen ist – wird ein Teil der Leistung der Brennstoffzelle dem Kurzzeitspeicher zugeführt und wird ein anderer Teil der Leistung der Brennstoffzelle der Batterie zugeführt.
In einer dritten Betriebssituation – während des Betriebs der elektrischen Verbraucher, wenn die Leistungsanforderung der elektrischen Verbraucher geringer ist als die Leistung der Brennstoffzelle – wird ein Teil der Leistung der Brennstoffzelle den elektrischen Verbrauchern zugeführt und wird ein anderer Teil der Leistung der Brennstoffzelle dem Kurzzeitspeicher und/oder der Batterie zugeführt.
In einer vierten Betriebssituation – während des Betriebs der elektrischen Verbraucher, wenn die Leistungsanforderung der elektrischen Verbraucher größer ist als die Leistung der Brennstoffzelle und der Kurzzeitspeicher zumindest teilweise geladen ist – wird die Leistung der Brennstoffzelle vollständig den elektrischen Verbrauchern zugeführt und wird die von den elektrischen Verbrauchern zusätzlich benötigte Leistung vom Kurzzeitspeicher bereitgestellt.
In einer fünften Betriebssituation – während des Betriebs der elektrischen Verbraucher, wenn die Leistungsanforderung der elektrischen Verbraucher größer ist als die Leistung der Brennstoffzelle und wenn der Kurzzeitspeicher entladen ist – wird die Leistung der Brennstoffzelle vollständig den elektrischen Verbrauchern zugeführt und wird die von den elektrischen Verbrauchern zusätzlich benötigte Leistung von der Batterie bereitgestellt.
In einer sechsten Betriebssituation – wenn die Batterie und der Kurzzeitspeicher vollständig geladen sind und die elektrischen Verbraucher keine oder nur wenig Energie anfordern – wird die Leistung der Brennstoffzelle reduziert oder wird die Brennstoffzelle abgeschaltet.
In einer siebten Betriebssituation – wenn die Leistung der Brennstoffzelle zum Laden des Kurzzeitspeichers nicht ausreicht – wird der Kurzzeitspeicher von der Batterie geladen.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls eine Steuervorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens. Die genannten Betriebssituationen sind in der Software und/oder der Hardware der Steuervorrichtung hinterlegt. Die Steuervorrichtung erzeugt in Abhängigkeit von der Betriebssituation Steuersignale, die der Antriebsanordnung zugeführt werden. Die Antriebsanordnung enthält entsprechende Leistungselektronikkomponenten, die die Verteilung der elektrischen Energie bewirken.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
1 einen Gabelstapler mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem,
2 eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung,
3 ein Schema für die Energieverteilung.
1 zeigt ein als Gabelstapler ausgeführtes Flurförderzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem. Der Gabelstapler ist von der Bauart eines Elektro-Gegengewichts-Gabelstaplers, bei dem anstelle eines Batterieblocks eine Antriebsanordnung 1 mit einer Brennstoffzelle angeordnet ist. Die Antriebsanordnung umfasst einen Träger 2, auf dem sämtliche Komponenten der Antriebsanordnung 1 angeordnet sind. Dies ermöglicht es, die Antriebsanordnung 1 komplett als Baueinheit an einem Rahmen 3 des Gabelstaplers zu montieren. Weitere wesentliche Bauteile des Gabelstaplers sind eine Fahrerkabine 4 mit Fahrerschutzdach 5, ein relativ zum Rahmen 3 neigbares Hubgerüst 6, ein am Hubgerüst 6 auf- und abbewegbares Lastaufnahmemittel 7 sowie ein am Rahmen 3 befestigtes Heckgewicht 8.
In 2 ist eine Antriebsanordnung 1 mit einem Träger 2 dargestellt. Der Träger umfasst sowohl eine Grundplatte als auch tragende Seitenwände. Die verschiedenen Komponenten der Antriebsanordnung 1 sind an dem Träger montiert. Folgende Komponenten der Antriebsanordnung sind dargestellt: zwei Druckgasbehälter 10 für gasförmigen Wasserstoff, Brennstoffzellen 11, ein als kapazitiver Energiespeicher ausgeführter Kurzzeitspeicher 12, eine Batterie 13, eine elektrische Steuervorrichtung 14 sowie ein Kühler 15.
Die kompakte Anordnung aller Komponenten der Antriebsanordnung 1 ermöglicht auf einfache Weise den Tausch der kompletten Antriebsanordnung 1. Im Falle von Wartungs- oder Reparaturarbeiten kann durch einen einfachen Austausch gegen eine gleichartige Antriebsanordnung 1 das Flurförderzeug weiterbetrieben werden, während diese Arbeiten stattfinden. Für die nachträgliche Umrüstung eines Flurförderzeugs von einem batterieelektrischen Antrieb auf einen Brennstoffzellenantrieb ist nur ein Austausch des Trägers 2 mit der Antriebsanordnung 1 erforderlich, ohne Umbauten am Flurförderzeug vornehmen zu müssen.
3 verdeutlicht das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Antriebsanordnung 1 anhand einer typischen Betriebssituation. Auf der Rechtsachse des Diagramms ist die Betriebszeit T in Stunden aufgetragen, auf der Hochachse die Leistung P in Watt.
Die konstante Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 11 ist mit der oberen Kurve 20 dargestellt. Die Leistungsaufnahme des Flurförderzeugs bei Grundlast ist mit der Kurve 21 dargestellt. Die Grundlast umfasst die Leistungsaufnahme des Flurförderzeugs bei Stillstand einschließlich der Leistungsaufnahme durch den Fahrantrieb bei ebener Fahrbahn. Die zum Laden des Kurzzeitspeichers erforderliche Leistung ist mit der Kurve 22 verdeutlicht. Der verbleibende Rest der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 11 – in dem Diagramm die Höhe der Fläche 23 zum jeweiligen Zeitpunkt – steht zum Laden der Batterie 13 zur Verfügung.
Aus dem Diagramm wird deutlich, dass zum Beginn des dargestellten Betriebszyklus, zum Zeitpunkt T1, das Flurförderzeug die Grundlastleistung abfordert und gleichzeitig der Kurzzeitspeicher 12 geladen wird. Die hierfür nicht benötigte Leistung der Brennstoffzelle 11 wird zum Laden der Batterie 13 verwendet. Zum Zeitpunkt T2 ist der Kurzzeitspeicher 12 vollständig geladen. Zum Laden der Batterie 13 steht entsprechend mehr Energie zur Verfügung. Zum Zeitpunkt T3 befindet sich das Flurförderzeug in einer Arbeitspause, in der die Aggregate des Flurförderzeugs keine Energie verbrauchen. In dieser Betriebssituation steht die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 vollständig zum Laden der Batterie 13 zur Verfügung. Zum Zeitpunkt T4 sind die Batterie 13 und der Kurzzeitspeicher 12 vollständig geladen und die Aggregate des Flurförderzeugs fordern ebenfalls keine Energie an. In dieser Situation wird die Leistung der Brennstoffzelle 11 auf einen Minimalwert reduziert oder die Brennstoffzelle 11 wird abgeschaltet.
Bei diesem Betriebsverfahren wird die Brennstoffzelle 11 gleichmäßig in Ihrem optimalen Betriebspunkt betrieben, wodurch ihre Lebensdauer maximiert wird. Der Kurzzeitspeicher 12 ist auf kurzzeitige Entnahme und kurzzeitige Speicherung von elektrischer Energie ausgelegt. Er wird über einen längeren Zeitraum von der Brennstoffzelle 11 oder von der Batterie 13 geladen und stellt seine Energie kurzzeitig für Belastungsspitzen zur Verfügung. Außerdem wird der Kurzzeitspeicher 12 mittels der hohen Rückspeiseströme der Aggregate des Flurförderzeugs, die bei der Rückgewinnung von Hubenergie oder Bremsenergie auftreten, kurzzeitig geladen.
Die Batterie 13 wird in kontinuierlichen Zyklen geladen und wieder entladen. Das Laden der Batterie 13 mittels der Brennstoffzelle 11 erfolgt kontinuierlich. Hierdurch können für die Batterie 13 kostengünstige Blei-Akkus verwendet werden, deren Lebensdauer unter anderem durch die Anzahl der Ladungszyklen begrenzt ist. Die Batterie 13 wird auch dadurch geschont, dass sie nur dann Leistungsspitzen abdecken muss, wenn der Kurzzeitspeicher 12 entladen ist.
Abhängig vom Belastungsfall am Einsatzort des Flurförderzeugs können die Elemente der Antriebsanordnung 1 optimal ausgelegt und zusammengeschaltet werden. In einem Einsatzfall mit geringen Spitzenleistungen wird ein kleiner Kurzzeitspeicher 12 gewählt. In Einsatzfällen mit kurzen Einsatzzeiten des Flurförderzeugs können eine kleine Batterie 13 und eine Brennstoffzelle 11 mit geringer Leistung gewählt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1398201 A2 [0003]

Claims

Antriebsanordnung (1) für ein Flurförderzeug mit elektrischen Verbrauchern, insbesondere mindestens einem elektrischen Fahrantriebsmotor und mindestens einem elektrischen Hubantriebsmotor, wobei die Antriebsanordnung (1) mindestens eine Brennstoffzelle (11) und mindestens einen Kurzzeitspeicher (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsanordnung (1) als zusätzlichen Energiespeicher mindestens eine Batterie (13) aufweist.
Antriebsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (13) als Bleibatterie ausgeführt ist.
Antriebsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzzeitspeicher (12) als kapazitiver Energiespeicher ausgeführt ist.
Antriebsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsanordnung (1) mindestens einen Wasserstofftank (10) umfasst.
Antriebsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsanordnung (1) eine Gasstrecke zur Verbindung des Wasserstofftanks (10) mit der Brennstoffzelle (11) umfasst.
Antriebsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile der Antriebsanordnung (1) auf einem gemeinsamen Träger (2) angeordnet sind, sodass die Antriebsanordnung (1) als Modul in dem Flurförderzeug montierbar ist.
Antriebsanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile der Antriebsanordnung (1) individuell auf dem Träger (2) konfigurierbar sind.
Antriebsanordnung (1) nach einem Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Träger (2) der Antriebsanordnung (1) ein Zusatzgewicht angeordnet ist.
Antriebsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsanordnung (1) mit einer elektrischen Steuervorrichtung in Wirkverbindung steht, die den Energiefluss zwischen den Elementen der Antriebsanordnung (1) in Abhängigkeit von der momentanen Betriebssituation steuert.
Verfahren zum Betreiben einer Antriebsanordnung (1) für ein Flurförderzeug mit elektrischen Verbrauchern, insbesondere mindestens einem elektrischen Fahrantriebsmotor und mindestens einem elektrischen Hubantriebsmotor, wobei die Antriebsanordnung (1) mindestens eine Brennstoffzelle (11) und mindestens einen Kurzzeitspeicher (12) und mindestens eine Batterie (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (11) zumindest während des Ladens der Batterie (13) mit gleich bleibender Leistung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ladens der Batterie (13), wenn weder der Fahrantrieb noch der Hubantrieb elektrische Energie verbrauchen und der Kurzzeitspeicher (12) vollständig geladen ist, die Leistung der Brennstoffzelle (11) vollständig der Batterie (13) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ladens der Batterie (13), wenn weder der Fahrantrieb noch der Hubantrieb elektrische Energie verbrauchen und der Kurzzeitspeicher (12) nicht vollständig geladen ist, ein Teil der Leistung der Brennstoffzelle (11) dem Kurzzeitspeicher (12) zugeführt wird und ein anderer Teil der Leistung der Brennstoffzelle (11) der Batterie (13) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs der elektrischen Verbraucher, wenn die Leistungsanforderung der elektrischen Verbraucher geringer ist als die Leistung der Brennstoffzelle (11), ein Teil der Leistung der Brennstoffzelle (11) den elektrischen Verbrauchern zugeführt wird und ein anderer Teil der Leistung der Brennstoffzelle (11) dem Kurzzeitspeicher (12) und/oder der Batterie (13) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs der elektrischen Verbraucher, wenn die Leistungsanforderung der elektrischen Verbraucher größer ist als die Leistung der Brennstoffzelle (11) und der Kurzzeitspeicher (12) zumindest teilweise geladen ist, die Leistung der Brennstoffzelle (11) vollständig den elektrischen Verbrauchern zugeführt wird und die von den elektrischen Verbrauchern zusätzlich benötigte Leistung vom Kurzzeitspeicher (12) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs der elektrischen Verbraucher, wenn die Leistungsanforderung der elektrischen Verbraucher größer ist als die Leistung der Brennstoffzelle (11) und wenn der Kurzzeitspeicher (12) entladen ist, die Leistung der Brennstoffzelle (11) vollständig den elektrischen Verbrauchern zugeführt wird und die von den elektrischen Verbrauchern zusätzlich benötigte Leistung von der Batterie (13) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Betriebssituation, wenn die Batterie (13) und der Kurzzeitspeicher (12) vollständig geladen sind und die elektrischen Verbraucher keine oder nur wenig Energie anfordern, die Leistung der Brennstoffzelle (11) reduziert wird oder die Brennstoffzelle (11) abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Betriebssituation, wenn die Leistung der Brennstoffzelle (11) zum Laden des Kurzzeitspeichers nicht ausreicht, der Kurzzeitspeicher (12) von der Batterie (13) geladen wird.
Steuervorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 17.