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Die Erfindung betrifft eine Anlage für Antrieb und Energieversorgung von Schiffen, insbesondere von Binnenschiffen, die für den Betrieb mit Gasen, z. B., aber nicht ausschließlich, Naturgas (NLG) über Flüssiggas (NPG) oder für den wahlweisen Betrieb mit flüssigen oder gasförmigen Energieträgern gestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus verschiedenen Modulen besteht, geeignet zum Nachrüsten von vorhandenen Schiffen, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage sowohl als Ganzes als auch nur in einzelnen Modulen zur Nutzung kommt.
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Die Probleme der Umweltbewahrung und des Klimaschutzes verlangen von allen Bereichen der Wirtschaft Anstrengungen zur Herabsetzung des Ausstoßes von CO2 und anderen Schadstoffen. Dem trägt die verladende Wirtschaft dadurch Rechnung, dass sie ”GREEN LOGISTIK” betreibt. und dazu u. a. die Erteilung von Transportaufträgen davon abhängig macht, dass durch den Transport nur ein Minimum an Umweltbelastung erzeugt wird.
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Für die Binnenschifffahrt ist in soweit ein bedeutender Marktvorteil, dass sie für den Transport mit dem geringsten Energieaufwand aller Verkehrsträger auskommt. Der Vorteil wird reduziert, solange übliche Dieselkraftstoffe genutzt werden und keine Abgas-Aufarbeitung erfolgt.
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Während für den Lkw-Verkehr in dieser Richtung einschneidende Vorschriften ergangen sind, und die Bahn die Verwendung von Elektro-Energie ohne Umweltbelastung vorgeben kann, Will die Binnenschifffahrt im Markt bestehen, und entsprechend den Zielvorgaben der Politik weitere Güterströme an sich ziehen, ist die Umstellung auf umweltfreundliche Energieträger, z. B. Naturgas (Erdgas, LNG) oder Flüssiggas (LPG) zwingend und eine Überlebensfrage.
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Zusätzlich ergeben sich Probleme bei der Seeschifffahrt. Auf Seeschiffen werden vornehmlich billige Schweröle mit hohem Schwefelgehalt benutzt. Um die Umweltbelastung zu reduzieren werden inzwischen in hoch frequentierten Fahrtgebieten (ECA-Gebieten) z. B. Ostsee, Nordsee, das Seegebiet rund um Nordamerika – der Betrieb mit solchen Energieträgern für die Zukunft verboten. Es muss damit gerechnet werden, dass weitere Fahrtgebiete hinzukommen.
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Nur mit der Umrüstung der Schiffe auf umweltfreundliche Energieträger oder mit nach Kosten und Raumbedarf sehr aufwendigen Abgas-Reinigungsanlagen kann der Wert der Schiffe und ihre uneingeschränkte Einsatzfähigkeit erhalten werden.
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Abgasreinigungs-Anlagen,
- – sog. Scrubber zur Entfernung des Schwefelanteils sind zwar in Prototypen entwickelt, ihre praxisbezogene Ausgestaltung ist aber noch nicht abgeschlossen, ihre Nutzung jetzt ist zusätzlich zu den Kosten mit erheblichen Risiken behaftet.
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Die Umrüstung von vorhandenen Dieselmotoren auf Gasbetrieb befindet sich ebenfalls in einer noch nicht abgeschlossenen Entwicklung.
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Ungelöst ist bisher die Lagerung von gasförmigen Kraftstoffen an Bord. die Tanks für flüssigen Kraftstoff sind ungeeignet, die Umstellung nicht zulässig. Für die Lagerung der Gase an Bord sind bisher nur spezielle Einrichtungen bekannt. Sie sind aber z. B. nur für Tankschiffe umsetzbar, nicht aber für Schiffe mit frei verfügbaren Laderäumen.
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Die Versorgung mit LNG steckt noch in den Anfängen.
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Generell ist erkennbar, dass wohl die Nutzung von Gas (LNG, LPG) eine erfolgversprechende Problemlösung ermöglicht. Aus der bisherigen Darstellung ist aber ersichtlich, dass nicht technische Lösungen in einzelnen Problemfeldern allein erfolgversprechend sind, sondern dass nur eine in einer Anlage aufeinander abgestimmte Lösung zu optimalen Ergebnissen führen kann
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Aufgabe dieser Erfindung ist daher
Eine Anlage für Schiffe in Modul-Bauweise zum Antrieb und zur Energieversorgung vorzustellen die
- – zur Nachrüstung auf Schiffen und für Neubauten geeignet ist,
- – anwendbar ist sowohl bei Austausch der Motoren, der Umrüstung der Motoren auf Gasbetrieb oder Beibehaltung der vorhandenen Motoren ohne Umrüstung, oder Umstellung der Erzeugung des Schiffs-Vortriebs mit Hilfe von E-Energie,
- – eine sichere, vorschriftsgemäße Lagerung des/der gasförmigen Energieträger an verschiedenen Bereichen an Bord ermöglicht,
- – minimale Investition-, Betriebs- und Umrüst- Kosten und Zeitaufwendungen erfordert,
- – mobile und stationäre Versorgungsketten für den Energieträger ermöglicht.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen erläutert. Die Anpassung der Module an unterschiedliche Verhältnisse an Bord der Schiffe wird zu Varianten und Abweichungen von diesen Beispielen führen. Sie sind Bestandteil dieser Erfindung, sofern sie der Aufgabenstellung insgesamt oder in Teilen entspricht.
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1 zeigt ein Binnenschiff in Seitenansicht mit einem Aggregat im Container und einem Wellen-antrieb durch einen geteilten E-Motor
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2 den geteilten E-Motor auf der Welle im Schnitt,
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3 den Wellenantrieb mit üblichen E-Motoren und einem geteilten Antriebsrad
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4 die Unterbringung von Gas-Containern auf einem tragrahmen über der Ladefläche eines Binnenschiffes.
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In 1 ist achtern der Antriebsdiesel erkennbar, auf dem achterlichen Aufbau der Aggregat-Container (4) mit dem Motor für Gasbetrieb ((5) und dem Generator (6).
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Aus dem Lkw.-Bereich stehen Motoren mit bis zu ca. 500 kW zur Verfügung. Für Binnenschiffe üblicher Größe (Groß-Motorschiffe) werden bis zu 1000 KW Antriebsleistung gefordert. Es bietet sich daher an, zwei Motore einzusetzen, die über Kupplungen () und ein Getriebe () den Generator antreiben oder zwei Aggregate eingesetzt werden, die parallel einen Stromkreis für den Antrieb bedienen. Dabei ist von Vorteil, dass bei geringerem Energie-Bedarf, z. B. bei Kanalfahrtsparsam nur mit einem Motor gefahren werden kann.
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Wahlweise kann entweder die jeweils benötigte Fahrtstufe durch Regelung der Drehzahl des/der Motoren eingestellt werden oder der/die Motoren laufen kontinuierlich bei einer bestimmten Drehzahl und die Fahrstufe – die unterschiedliche Drehzahl der Welle, – wird auf elektrischen Wege gesteuert. Dabei werden übliche Steuerungen verwendet.
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Die Verwendung eines Stromerzeugungs-Aggregates bietet weitere wirtschaftliche Vorteile. In der Revierfahrt wird die Volllast-Leistung des Hauptantriebes nicht benötigt, wohl aber zusätzliche Energie z. B. für den Betrieb des Bugstrahl-Ruders. Auf das übliche zusätzliche Diesel-Aggregat für das Bugstrahl-Ruder kann verzichtet werden.
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Insbesondere bei Tankern besteht erheblicher Energiebedarf für den Betrieb der Pumpenanlagen. Dementsprechend sind üblich die Stromerzeugungs-Aggregate mit hoher Leistung ausgelegt, die bezogen auf die Gesamtbetriebszeit des Schiffes nur für einen geringen Zeitraum abgefordert werden.
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Dieser kurzzeitige Energiebedarf während der Liegezeiten des Schiffes kann so ohne Zusatz-Investitions- und Betriebskosten abgedeckt werden.
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In 1 ist die Anlage dargestellt für den Fall, dass der vorhandene Hauptmotor nicht umgerüstet wird, sondern die Antriebsenergie durch ein Stromerzeuger-Aggregat im Container (4) bereitgestellt und diese Energie erfindungsgemäß mit Hilfe eines E-Motors auf die Antriebswelle des Schiffes übertragen wird.
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Problematisch ist, dass zum Einbau des E-Motors oder eines Antriebsrades die Welle ausgebaut werden müsste, um die Bauteile auf die Welle zu schieben. Erhebliche Kosten fallen an und meist ist ein Docken des Schiffes erforderlich.
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Erfindungsgemäß werden deshalb Motoren bezw. Antriebsräder in geteilter Bauweise eingesetzt, die auf die vorhandene fertig montierte Welle aufgesetzt werden können.
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In 2 ist im Schnitt die Schiffswelle sichtbar, um die der E-Motor in geteilter Bauweise angeordnet ist. Der Motor besteht aus zwei Hälften, die z. B. durch Schrauben zusammengehalten werden und gleichzeitig den Anpressdruck für den schlupflosen Übergang der Energie auf die Welle bewirkt.
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Eingesetzt werden Motoren mit Permanent-Magneten als Rotor. Damit entfällt eine Strom-Übertragung auf den Rotor des Motors.
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Die Verhinderung eines Schlupfs kann auch durch andere üblichen Techniken, z. B. Keile, bewirkt werden oder durch Anflanschen am Verbindungsflansch zwischen Motor/Getriebe und Schiffswelle.
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Eine alternative Lösung für den E-Antrieb der Welle ist in 3 dargestellt. Diese Alternative ist vor allem dann angezeigt, wenn die Abmessungen des geteilten E-Motors (8) größer sind als der um die Welle verfügbare Raum.
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In einem solchen Falle wird ein üblicher E-Motor seitlich oder über der Welle angeordnet. Die Energie-Übertragung auf die Welle erfolgt dann über Energie-Übertragungselemente, z. B. Rollenketten, Zahnriemen o. ä. Auf der Welle wird ein zugehöriges Antriebsrad angeordnet, das ebenfalls geteilt ist wie oben geschildert der E-Motor (8).
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Die seitliche Anordnung des Antriebsmotors setzt die Antriebswelle des Schiffes einer Querkraft aus, die bei seiner Konstruktion nicht vorgesehen war. Negative Folgen sind denkbar.
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Erfindungsgemäß kann dem dadurch entgegengewirkt werden, dass beidseitig der Welle zwei E-Motoren angeordnet werden und sich damit die Querkräfte gegenseitig aufheben.
- – Die Stromversorgung wird aus der Stromerzeugung der Aggregate abgezweigt. In solchem Fall ist es sinnvoll, die Aggregate mit konstanter Drehzahl laufen zu lassen und die Einstellung der Fahrtstufen für den Hauptantrieb auf elektrischen Wege zu bewerkstelligen.
- – Für den Fall, dass der/die Hauptantriebs-Motoren umgerüstet werden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass auf die Schiffswelle ein Generator in geteilter Bauweise, wie oben beschrieben, aufgesetzt wird, der während der Marschfahrt mit vorwiegend konstanten Drehzahlen die Stromversorgung sicherstellt. Lediglich während der Revierfahrt werden die vorhandenen Diesel-Aggregate mit teurerem Gasöl eingesetzt.
- – Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das das Stromerzeugungs-Aggregat nach ISO-Container-Normen eingehaust wird. Damit wird der Zeitbedarf für eine Umrüstung mit Werft-Aufenthalt minimiert und damit Kosten gespart.
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Besonders vorteilhaft ist diese Bauweise für ältere Schiffe, bei denen die volle Lebensdauer des neuen Aggregates wahrscheinlich nicht mehr genutzt werden kann. Das Aggregat kann kostengünstig abgebaut und anderweitig, z. B. in der Bau-Industrie eingesetzt werden.
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Zudem ermöglicht die Container-Bauweise, das Aggregat an beliebigem freien Platz auf dem Schiff aufzustellen.
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Die oben erwähnten verfügbaren Motoren mit ca. 500 KW Leistung stammen aus dem Lkw-Bereich. Sie bauen kompakt und erlauben, dass zwei Motoren nebeneinander in einem Container mit ca. 2,5 m Breite untergebracht werden können.
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Die an Bord vorhandenen Tanks für Dieselöl, meist den Konturen des Schiffskörpers angepasst, sind für die Einlagerung sowohl von LNG) Natural Gas) als LNG (Flüssiggas, Autogas) ungeeignet. Die Anlage sieht daher besondere Behälter vor. Dabei ist zu berücksichtigen, dass für beide Gasarten unterschiedliche Behälter notwendig sind:
LNG wird entweder eingelagert bei einer Temperatur von –161° entsprechend einer Reduzierung des Raumbedarfs um den Faktor 600, diese Lagerung erfordert Tankbehälter mit aufwändiger Isolierung und zusätzlichen technischen Einrichtungen, Pumpen., Wärmetauschern, Kompressoren usw. oder unter hohem Druck von z. B. 200 bar mit einem Faktor von ca. 180. Unter so hohem Druck können große Volumina nur mit großem Aufwand realisiert werden, zudem wird das Verhältnis zwischen Leergewichte und Zuladung sehr ungünstig.
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LPG-Flüssiggas – stellt dagegen nur geringe Anforderungen an den Lagerbehälter. Sie sind meist für einen Druck von ca. 6 bar auszulegen und erfordern weder Isolierung noch weitere Technik für den Erhalt der Lagerfähigkeit oder Umwandlung in einen für Motoren nutzbaren Zustand. Nachfolgend werden technische Kennzeichen der Lagerbehälter dargestellt, die für beide Arten von Lagerbehältern kennzeichnend sind.
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Entsprechend der Forderung der Aufgabenstellung
- – eine sichere, vorschriftsgemäße Lagerung des/der gasförmigen Energieträger an verschiedenen Bereichen an Bord ermöglicht,
- – minimale Investitions-, Betriebs- und Umrüst- Kosten und Zeitaufwendungen erfordert,
- – mobile und stationäre Versorgungsketten für den Energieträger ermöglicht.
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Behälter in ihren Dimensionen als ISO-Container oder entsprechend der Norm für Wechselbehälter ausgeführt sind. Sie besitzen weiter normgerecht untere und obere Eckbeschläge. Dadurch sind sie einerseits logistisch leicht händelbar und andererseits auf einfache Art an Bord dadurch sicher positionierbar, das die vorgesehenen Stellflächen mit Halterungen für Eckbeschläge ausgestattet sind.
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Erfindungsgemäß ist die Gestaltung der Anlage für eine zweckmäßige Logistik von entscheidender Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit einer Umrüstung des Schiffes.
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LNG steht gegenwärtig nur in wenigen Hafen zur Verfügung. Die Einrichtung neuer Terminals ist sehr aufwändig und nur lohnend, wenn entsprechende Gasmengen umsetzbar sind. Gegenwärtig gibt es aber nur einzelne für Gasbetrieb eingerichtete Schiffe. Es ist deshalb nur ein minimaler Umsatz zu erwarten.
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Demgegenüber ist Flüssiggas seit Jahrzehnten als lokale Gasversorgung für den Hausbedarf in ländlicher Gegend üblich. Es steht daher besonders im westeuropäischen Einzugsgebiet eine flächendeckende Versorgung durch Anlieferung mit Lkw. Die Anspruchslosigkeit für Lagerung, Transport und Umschlag von Flüssiggas hat diese Entwicklung begünstigt. Demgegenüber steht eine solche flächendeckende Versorgung im Binnenland für Binnenschiffe nur sporadisch zur Verfügung.
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Erfindungsgemäß werden deshalb drei verschiedene Verfahren Logistik-Ketten – vorgesehen:
- – Die ISO-Container werden im Hafen als übliche Gefahrgut-Container an Land gesetzt und gegen bereitstehendes volle Container ausgetauscht. Bereitstellung der vollen Container und Abtransport der leeren Container erfolgen auf der Straße mit üblichen Lkw zeitlich unabhängig an der Anwesenheit des Schiffes. Eine kostenaufwendige Schnittstelle wird eingespart. Das Verfahren ist besonders interessant, wenn die Behälter im Eigentum des Gaslieferanten stehen.
- – Die schiffseigenen Behälter werden an Land gesetzt, dort im ausgewiesenen Gefahrgut-Bereich von Lkw aufgefüllt und gehen im rahmen der üblichen Ladeaktivitäten wieder an Bord.
- – Die Behälter bleiben an Bord und werden von Land mit Lkw oder von einer Tankbarge versorgt.
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Durch die erfindungsgemäße Verwendung von z. B. ISO-Containern als Lager an Bord wird es möglich, die Versorgung des Schiffes trotz unterschiedlicher Gegebenheiten in einzelnen Häfen sicherzustellen. Zudem wird es möglich, auch unter Einhaltung aller denkbaren Sicherheits-Vorschriften eine Versorgung während der Liegezeit zur Ladung/Entladung abzuwickeln. Zusätzliche Liegezeit oder dass Verholen zum einem Versorgungspunkt entfallt.
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Die Verwendung von Containern erlaubt ferner, die an Bord einzulagernde Menge dem Verbrauch bis zur nächsten Versorgungsstelle anzupassen und so den Verlust an Laderaum zu minimieren. Für die Wirtschaftlichkeit einer Umrüstung auf Gasbetrieb ist wesentlich, dass möglichst kein Laderaum des Schiffes für die Aufstellung der Gas-Container benötigt wird. Für Tanker ist die Aufstellung an Oberdeck ohne Beschneidung des Laderaums möglich.
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Sofern bei Schiffen mit Laderaum ein kleiner Teil des Laderaums für die Einlagerung der Container genutzt werden muss, ist dieses Bereich schiffbaulich von dem übrigen Laderaum abzutrennen. Die ist aus Sicherheitsgründen notwendig, weil Flüssiggas schwerer ist als Luft und sich bei Undichtigkeit des Behälters im Laderaum sammeln würde und zur Gefahrenquelle wird. Erfindungsgemäß ist dieser abgeteilte Laderaum zum Entfernen auftretender Gase mit einer Absaug-Einrichtung oder einem Gebläse zum Absaugen auszustatten. Der abgeteilte Raum ist mit einem oder mehreren Sensoren auszustatten, die den Gasaustritt erkennen und den Betrieb der Absauge-/Gebläse-Anlage auslösen.
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Erfindungsgemäß können die ISO-Container auch oberhalb der Ladefläche aufgestellt werden. Dazu ist ein Tragrahmen vorgesehen, der auf dem Setzbord aufgesetzt wird. Er erhält entsprechende Halterungen für das Arretieren der Container. Der Tragrahmen kann auf Rollen angebracht sein, sodass er mitsamt den darauf befindlich4en Container verschoben werden kann, um unterschiedliche Bereiche des Laderaum von zugänglich zu machen.
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Weite Bereiche der deutschen Wasserstraßen, besonders die Nebenflüsse des Rheins und die Kanäle, lassen wegen der geringen Durchfahrthöhe der vorhandene Brücken nur eine Beladung zwei Container übereinander zu. Damit wird die Wirtschaftlichkeit des Transportes eingeschränkt, die Tragfähigkeit des Schiffes nur teilweise ausgenutzt.
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Um durch die Gas-Container die Ladekapazität nicht noch weiter einzuschränken, sind erfindungsgemäß ISO-Container in etwa halber Bauhöhe vorgesehen, die über den zwei Lagen Fracht. Containern gestaut werden. Damit können die zulässigen Durchfahrthöhen für Schiffe mit Gas-Antrieb eingehalten werden ohne die Ladekapazität für Container zu beschneiden.
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Die Tragrahmen sind nach unten dicht ausgeführt, damit austretenden Flüssiggas, schwerer als Luft nicht in den Laderaum gelangen kann.
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Erfindungsgemäß ist weiter denkbar, dass der Tragrahmen integraler Bestandteil der Laderaum-Abdeckung ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schiffsantriebswelle
- 2
- Maschinenraum
- 3
- Antriebsmotor
- 4
- Aggregat-Container
- 5
- Motor für Gasbetrieb
- 6
- Generator
- 7
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- 8
- E-Motor/Generator, geteilt
- 9
- E-Motor-Generator
- 10
- Energieübertragungselement
- 11
- Antriebsrad geteilt
- 15
- Gasbehälter
- 16
- Abtrennung gasdicht
- 17
- Absauge-/Gebläseanlage
- 18
- Sensor/Steuerung
- 14
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- 20
- Tragrahmen
