DE102013105502A1 - Verfahren zum Speichern von Energie auf einem Wasserfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speichern von Energie auf einem Wasserfahrzeug (2), bei dem während der Fahrt des Wasserfahrzeugs (2) Energie eingetragen und auf dem Wasserfahrzeug (2) gespeichert wird, Umgebungszustände des Wasserfahrzeugs (2) erfasst werden, zukünftige Energieerträge auf einer Vielzahl von Routen (16) in Abhängigkeit von den Umgebungszuständen bestimmt werden, eine Route (16) in Abhängigkeit der Energieerträge ausgewählt und das Wasserfahrzeug (2) auf dieser Route (16) gesteuert wird. Zum Erreichen einer effizienten Berechnung der Route und eines hohen Energieertrags in kurzer Zeit wird vorgeschlagen, dass die Routen (16) jeweils mehrere Abschnitte (24) enthalten und die Energieerträge der einzelnen Abschnitte (24) unter Berücksichtigung der Ausrichtung des jeweiligen Abschnitts (24) zu zumindest einem Umgebungszustand am Ort des Abschnitts (24) bestimmt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speichern von Energie auf einem Wasserfahrzeug, bei dem während der Fahrt des Wasserfahrzeugs Energie eingetragen und gespeichert wird, Umgebungszustände des Wasserfahrzeugs erfasst werden, zukünftige Energieerträge auf einer Vielzahl von Routen in Abhängigkeit von den Umgebungszuständen bestimmt werden, eine Route in Abhängigkeit der Energieerträge ausgewählt und das Wasserfahrzeug auf dieser Route gesteuert wird.
  • Windenergie ist neben Solarenergie die ertragsreichste Energieform bei der Erzeugung von Energie aus erneuerbaren Energiequellen. Durch das zeitlich und räumlich ungleichmäßige Windvorkommen schwankt die gewandelte Leistung der Windenergienutzung allerdings stark. Aufgrund von Wetterschwankungen ist eine konstante Energieerzeugung aus Wind an den meisten geografischen Ort nicht möglich. Eine Lösung dieses Problems ist der Einsatz eines Energieschiffs, das Energie aus Windkraft erzeugt und sich durch eine geschickte Route und Steuerung möglichst an Orten gleichmäßigen Windes aufhält.
  • Aus der DE 10 2007 019 027 A1 ist ein Verfahren zur Gewinnung und Speicherung von Energie bekannt, bei dem ein Wasserfahrzeug auf dem Wasser bewegt und dessen Bewegung in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Navigation des Wasserfahrzeugs erfolgt mittels GPS-Navigation sowie Satelliten- und/oder computergestützer Wettervorhersage, um eine computergestütze Routenplanung für den Einsatz und zur Erreichung der für den vorgesehenen Einsatzzweck optimalen Windverhältnisse zu erreichen. Hierdurch kann die bestmögliche Energieerzeugung, der größtmögliche Nutzungsfaktor sowie die größtmögliche Sicherheit für den Einsatz des Energieschiffs erreicht werden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Speichern von Energie auf einem Wasserfahrzeug anzugeben, mit dem die Energie effektiv eingespeichert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Routen erfindungsgemäß jeweils mehrere Abschnitte enthalten und die Energieerträge der einzelnen Abschnitte unter Berücksichtigung der Ausrichtung des jeweiligen Abschnitts zu zumindest einem Umgebungszustand am Ort des Abschnitts bestimmt werden.
  • Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Herstellung von Wasserstoff aus elektrischer Energie hinsichtlich der Speicherdichte zwar einen Vorteil bietet, durch die hohe Flüchtigkeit von Wasserstoff jedoch auch Probleme bereitet. Vorteilhafter ist die Aufbereitung in Methangas und/oder andere chemische Energieträger, wie Methanol, Benzin, Diesel oder Kerosin, unter Verwendung von CO2 aus der Luft oder einem Verbrennungsprozess, z.B. einem Motor eines Schiffsantriebs. Die Herstellung kann über geeignete Synthesen, wie Fischer-Tropsch-Verfahren, Sabatier-Verfahren, CO-Methanisierung, und mit und entsprechender Aufbereitung der chemischen Energieträger, wie Cracking, Verflüssigung und/oder Aufbereitung zum Austauschgas, erfolgen. Die hierfür benötigten Anlagen mit Elektrolyse und entsprechender Verfahrenstechnik, auch Powerto-Gas-Anlagen und/oder Power-to-Liquid-Anlagen genannt, erreichen eine hohe Wirtschaftlichkeit.
  • Diese hohe Wirtschaftlichkeit kann jedoch erst bei einer hohen konstanten Auslastung erreicht werden. Diese kann durch die volatilen erneuerbaren Energien wie Windkraft und Solarenergie wegen des zeitlich unregelmäßigen Wind- und Solarvorkommens nicht an einem festen Standort gewährleistet werden. Auch hier bietet ein Energieschiff den Vorteil, dem Wind hinterher fahren zu können. Die Windgeschwindigkeiten und Verteilungshäufigkeiten sind über dem offenen Meer deutlich höher und konstanter als an Land oder im Küstenbereich, sodass über ein Energieschiff eine Verstetigung der Nutzung von Windenergie erreicht werden kann. Ein solches Schiff kann Segelenergie nutzen, wobei dies als Synonym für ein kombiniertes Wind-Wasserkraft-System zur Gewinnung und insbesondere Speicherung erneuerbarer Energie, vorwiegend von Windenergie auf See und Meeresströmungen verstanden werden kann.
  • Ein Energieschiff kann durch geschickte Routenführung einem ertragreichen Weg bezüglich der Windausbeute folgen und wird zumindest überwiegend mit Hilfe der Windkraft bewegt. Für gewöhnlich wird bei Segelschiffen sämtliche Windenergie in Bewegung umgesetzt. Bei der Segelenergie eines Energieschiffs kann von einer geschickt geregelten Strömungsmaschine konstant ein Teil dieser Energie zur Energiewandlung eingesetzt werden. Das Schiff fährt somit eine langsamere Geschwindigkeit als möglich wäre, allerdings kann die hierdurch frei werdende Energie zur Energiewandlung und -speicherung, wie beispielsweise über eine Turbinen und einen Generator zur Wandlung der mechanischen in elektrische Energie genutzt und diese Energie gewandelt und gespeichert werden.
  • Der Vorteil gegenüber Offshore-Windkraftanlagen ist somit einerseits, dass es möglich ist, dem Wind zu folgen und daher Flauten so gut wie möglich aus dem Weg gegangen werden kann.
  • Die Erfindung geht von der weiteren Überlegung aus, dass die effektive Energieernte beziehungsweise Energiespeicherung eine Route voraussetzt, auf der mit einem möglichst gleichmäßigen Wind und einem günstigen Kurs gefahren werden kann. Hierzu sind meteorologische Daten heranzuziehen, die analytisch nicht ohne Weiteres erfassbar sind. Entsprechend ist die analytische Berechnung einer optimalen Route mit Schwierigkeiten verbunden. An Stelle dessen schlägt die Erfindung vor, die Energieerträge auf einer Vielzahl von Routen in Abhängigkeit von den Umgebungszuständen, beispielsweise dem Wetter, Wellen, Strömung, Füllstände von Verbrauchsmaterialien und Energiespeicher und dergleichen entlang der Route, zu bestimmen. Die Energieerträge und zweckmäßigerweise auch andere Parameter der Routen werden verglichen, so dass die günstigste Route ausgewählt werden kann.
  • Um zu einem guten Ermittlungsergebnis zu kommen, sollten die Energieerträge vieler Routen berechnet werden, so dass auch besonders günstige Routen mit hoher Wahrscheinlichkeit eines hohen Energieertrags und geringem Risiko des Ertragsausfalls von der Berechnung erfasst werden. Um dies zu erleichtern, wird vorgeschlagen, dass die Routen jeweils in mehrere Abschnitte aufgeteilt werden und die Energieerträge der einzelnen Abschnitte bestimmt werden. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Berechnung der Energieerträge einzelner Abschnitte einfacher ist, als von einer langen und komplexen Route. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass solche Abschnitte, die von mehreren Routen gemeinsam verwendet werden, nur einmal berechnet werden, so dass sich die Energieberechnung der Routen mit gemeinsamen Abschnitten vereinfacht.
  • Das Wasserfahrzeug ist zweckmäßigerweise ein Schiff mit einem Segelantrieb, der durch eine konventionelle Beseglung, einen Drachen, einen Flettner-Rotor oder jede andere geeignete Art des Auffangens von Wind zum Zwecke des Vortriebs des Schiffs umfassen kann. Die eingefangene Windenergie wir hierbei zumindest überwiegend zum Vortrieb des Schiffs eingesetzt. Die überschüssige Energie kann zur Energiewandlung und – speicherung verwendet werden. Dies erfolgt zweckmäßigerweise mit Hilfe einer Wasser Strömungsmaschine, die eine Bewegung des an der Strömungsmaschine vorbeiströmenden Wassers in mechanische Bewegung und zweckmäßigerweise mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie wandelt. Hierfür kann er ein Schraube, eine Turbine oder ein anderes geeignetes Mittel zum Umwandeln von der Bewegungsenergie in mechanische beziehungsweise elektrische Energie aufweisen. Die Strömungsmaschine kann unmittelbar am Schiff angeordnet sein oder hinter dem Schiff hergezogen werden. Die Speicherung auf dem Wasserfahrzeug kann eine Speicherung am Wasserfahrzeug umfassen.
  • Die elektrische Energie wird zweckmäßigerweise mit Verfahrenstechnik, wie Elektrolyseanlage und Methanisierung einem chemischen Energieträger hinzugefügt.
  • Auch zum Manövrieren des Schiffs kann innovative Beseglungstechnik eingesetzt werden, wie beispielsweise der abgestimmte Betrieb mehrerer Flettner-Rotoren, bei denen über unterschiedliche Drehrichtungen und/oder eine Änderung einer Drehzahl zumindest eines Rotors Luftangriffsfläche geändert und damit Kräfte am Schiff zum Zwecke einer Kursänderung geändert werden.
  • Das Schiff kann jedoch auch ein überwiegend motorgetriebenes Schiff sein. Der Energieeintrag kann allein oder zusätzlich durch eine Luft-Strömungsmaschine erfolgen, die vorbeiströmende Luft in mechanische Bewegung und über einen Generator in elektrische Energie umsetzt. Hierfür kann ein Flettner-Rotor, ein Windrad, ein Drachen, ein Skysail oder ein anderes geeignetes Mittel zum Wandeln von Luftbewegung in elektrische Energie vorhanden sein. Ebenso können auf dem Schiff Solarstromanlagen zur zusätzlichen Gewinnung elektrischer Energie für die Energiewandlung und Energiespeicherung angebracht sein.
  • Die Energiespeicherung kann durch Einspeichern von elektrischer Energie in einen elektrischen, elektro-magnetischen, elektro-chemischen, mechanischen oder thermischen Energiespeicher erfolgen, beispielsweise in Akkumulatoren oder beispielsweise in mobile Druckluftspeicher. Die gespeicherte Energie kann auch zum Schiffsantrieb über eine entsprechende Motorisierung verwendet werden. Zum Erzielen einer hohen Energiedichte ist es vorteilhaft, die elektrische Energie in chemische Energie zu wandeln, beispielsweise in das Auftrennen von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff beziehungsweise das Herstellen von Wasserstoff (H2). Das Wasser kann hierzu aus der Versorgungseinheit oder aufbereitet aus dem Meer oder der Luft verwendet werden. Eine Speicherung der Energie kann erleichtert werden, wenn die Energie in Form von Methangas und/oder andere chemische Energieträger, beispielsweise CNG oder flüssigen Kohlenwasserstoffen wie LNG, Benzin, Diesel oder Kerosin, über entsprechende Verfahrenstechnik wie biologische und/oder katalytische Methanisierung, Fischer-Tropsch-Synthese oder Gasverflüssigung an Bord oder an Land gewandelt und eingespeichert wird. Methangas und/oder andere chemische Energieträger können insbesondere aus zuvor erhaltenem Wasserstoff gewonnen werden. Das in manchen Prozessen notwendige CO2 kann über entsprechende Verfahrenstechnik aus der Luft gewonnen oder der Versorgungseinheit entnommen werden.
  • Die Bestimmung der Energieerträge erfolgt zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von zumindest einem Parameter des Wasserfahrzeugs, eines Energiewandlers und/oder eines Füllstands eines Energiespeichers und/oder einer Versorgungseinheit.
  • Die vom Schiff zu fahrende Route wird in Abhängigkeit von Umgebungszuständen bestimmt. Umgebungszustände können Wetterzustände, wie Windrichtungen an verschiedenen Orten, Windstärken, Luftdruck, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, insbesondere Regen, und/oder Wasserzustände, wie Wellenrichtung, Wellenhöhe, Wasserströmungsrichtung, Wasserströmungsstärke, und/oder andere Zustände einer Umgebung des Schiffes sein, die auf den Energieeintrag des Schiffes einen Einfluss haben. Die Umgebungszustände werden zweckmäßigerweise bereichsweise in einem geografischen Feld erfasst, wobei ein Feld zweckmäßigerweise gitterförmig angeordnete Bereiche, beispielsweise Rechtecke mit einer vorbestimmten Größe, aufweist. Die Umgebungszustände werden zweckmäßigerweise zumindest geografisch zweidimensional, insbesondere auch in der Höhe, also dreidimensional, für die Nutzung von Zugdrachen erfasst.
  • Außerdem ist es vorteilhaft, die Umgebungszustände auch in der zeitlichen Dimension zu erfassen, also in einem zeitlichen Raster, zweckmäßigerweise in vorgegebenen Zeitintervallen. So können die Umgebungszustände beispielsweise vierdimensional erfasst werden, mit drei geografischen Dimensionen und einer zeitlichen Dimension. Meteorologische Daten werden von meteorologischen Diensten üblicherweise in festgelegten Zeitabständen bereitgestellt. Das zeitliche Raster, in dem die Umgebungszustände erfasst werden, kann die Zeitintervalle aufweisen, die mit den Zeitabständen eines meteorologischen Dienstes übereinstimmt.
  • Die Energieerträge werden auf einer Vielzahl von Routen in Abhängigkeit von den Umgebungszuständen bestimmt. Aus der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit kann zusammen mit anderen Parametern, wie beispielsweise Wellen, Seegang und Schiffsparametern, eine Geschwindigkeit des Schiffes bestimmt werden. Aus dieser kann anhand von Schiffsparametern und Parametern der Energietechnik an Bord ein voraussichtlicher Energieertrag pro Zeit beziehungsweise pro Routenabschnitt berechnet werden. Als Schiffsparameter wird zweckmäßigerweise eine Rumpfform, eine Rumpfgeschwindigkeit, eine Art und die Fläche der Besegelung, eine Neigung und Ausrichtung des Schiffes und/oder eine Ausrichtung der Besegelung berücksichtigt. Weiter werden zweckmäßigerweise Parameter der Strömungsmaschine berücksichtigt, wie ein Anstellwinkel eines Rotors zur Wind- beziehungsweise Luftströmung und/oder bauartbedingte Parameter der Strömungsmaschine. Darüber hinaus können Parameter der Energietechnik, wie mögliche Leistungsgradienten und Belastungsgrenzen der eingesetzten energietechnischen Komponenten, berücksichtigt werden. Es werden insbesondere zukünftige und mögliche, insbesondere voraussichtliche Energieerträge bestimmt.
  • In Abhängigkeit der Energieerträge wird eine Route ausgewählt und das Schiff wird auf dieser Route gesteuert. Die Auswahl der Route kann anhand eines oder mehrerer Auswahlkriterien erfolgen. Auswahlkriterien können sein: ein maximaler Energieertrag pro Zeit und/oder pro Route, ein möglichst gleichmäßiger Energieeintrag, insbesondere bei unterschiedlichen Wetter- und Meeresbedingungen, eine Vermeidung von extremen Wettersituationen, das Erreichen eines Ziels in vorgegebener oder möglichst kurzer Zeit, das Erreichen eines Ziels mit vollem Energiespeicher, das Erreichen eines Ziels zusammen mit einem Vollwerden des Energiespeichers innerhalb einer festgelegten Zeitspanne vor Erreichen des Ziels, Schiffsparameter, wie Treibstoffmenge und/oder anderer Versorgungsmengen, für die Energiewandlung und die Besatzung, beispielsweise Wasser, CO2, Lebensmittel, Gesundheitszustände von Besatzungsmitgliedern und/oder anderer Parameter.
  • Bei der Auswahl der Route beziehungsweise von einzelnen Abschnitten werden zweckmäßigerweise Grenzwerte berücksichtigt. Solche Grenzwerte können ein maximaler Wind, eine maximale Schiffsbelastung, maximale Kipp- oder Kentermomente, maximale Fahrgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von anderen Parametern, beispielsweise Wind und/oder Wellen, Maximalwerte der Energietechnik, wie beispielsweise maximale Leistungsgradienten und Leistungen der Energiewandler und Energiespeicher, oder andere Grenzwerte sein.
  • Gemäß der Erfindung werden die Routen jeweils in mehrere Abschnitte unterteilt und die Energieerträge der einzelnen Abschnitte werden bestimmt. Eine Route umfasst hierbei mindestens drei, insbesondere mindestens zehn Abschnitte, um eine möglichst genaue Berechnung des Energieertrags zu erhalten. Ein Abschnitt kann ein geradliniger oder krummliniger Abschnitt der Route sein. Die Ausrichtung der Abschnitte zu zumindest einem Umgebungszustand kann eine Ausrichtung zu einer Windrichtung, einer Wellenrichtung und/oder einer Strömungsrichtung sein. Die Windrichtung kann eine absolute Windrichtung sein, wobei auch eine Windrichtung relativ zu einer Strömungsrichtung als absolute Windrichtung bezeichnet wird, so dass ein in einem strömenden Wasser ruhenden Schiff die absolute Windrichtung erfährt.
  • Das Wasserfahrzeug wird auf der ausgewählten Route gesteuert. Dies kann beispielsweise mit Hilfe der Steuereinheit geschehen, die entsprechende Autopilotfunktion übernehmen kann. Auch die Unterstützung von Routenmanövern kann von der Steuereinheit in Abhängigkeit von der ausgewählten Route erfolgen. Solche Unterstützung kann das Steuern von Segelpositionen sein, einer Einstellung der Strömungsmaschine, des Energiewandler und/oder des Energiespeichers und dergleichen. Grundsätzlich besteht natürlich die Möglichkeit, solche Steuerungen manuell vorzunehmen, um auch bei Defekt einer Einheit betriebsfähig zu bleiben, und eine automatisierte Steuerung manuelle zu übersteuern. Eine automatisierte Steuerung durch die Steuereinheit ist jedoch sinnvoll und vorteilhaft, um zu viele manuelle Eingriffe zu vermeiden und um eine exakte Steuerung zu erreichen. Im Prinzip kann die gesamte Routensteuerung automatisiert erfolgen, so dass die Aufgabe einer nautischen und/oder technischen Besatzung im Wesentlichen auf die Überwachung reduziert ist.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfassen die Umgebungszustände zukünftige Wetter- und insbesondere auch Wasserzustände, wie Meereszustände. Die Wetterzustände können aus meteorologischen Daten abgeleitet werden, die Wasserzustände insbesondere aus hydrologischen Daten. Wetterzustände umfassen eine Windrichtung, eine Windgeschwindigkeit, eine Lufttemperatur, eine Luftfeuchtigkeit, insbesondere Niederschlag, und/oder Luftdruck. Wasserzustände können Wassertemperatur, Wellenhöhe, Wellenrichtung und/oder Meeresströmungen in Stärke und Richtung umfassen.
  • Insbesondere in weiterer Zukunft liegende meteorologische Daten können – je nach Wettersituation – unzuverlässig ausfallen. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit zukünftiger Wetterzustände ist es vorteilhaft, bei der Bestimmung zukünftiger Umgebungszustände historische Wetterzustände, insbesondere auch historische Wasserzustände, zu verwenden. Historische Zustände liegen zweckmäßigerweise mehr als eine Woche, insbesondere mehr als einen Monat zurück und können gemittelte Zustände sein, also eine Mittelung oder Wichtung aus vielen früheren Zuständen, insbesondere an einem Ort.
  • Je nach Zuverlässigkeit der Wetterprognosen ist es vorteilhaft, wenn die Energieerträge von Abschnitten mit Wahrscheinlichkeiten und/oder Risiken verbunden werden. Diese können bei der Berechnung der Gesamtenergie einer Route einbezogen werden. So kann beispielsweise der Energieertrag einer Strecke, z.B. der gesamten Route, als Wahrscheinlichkeit in Abhängigkeit von der Energie und insbesondere gewichtet mit einem Ertragsrisiko ausgegeben werden.
  • Gemäß der Erfindung sind die Routen jeweils in mehrere Abschnitte eingeteilt. Die Abschnitte können in Etappen geordnet werden. Während die Abschnitte jeweils einen geografischen Raum auf der Erde einnehmen, kann eine Etappe einen Zeitraum definieren, in der eine oder mehrere Abschnitte liegen. Weiter können die Abschnitte jeweils eine logische Position in einem Berechnungsschema einnehmen, während die Etappe eine logische Ebene angeben kann, in der die logische Position liegt. Im Zeitraum und der Ebene einer Etappe können mehrere Abschnitte liegen.
  • Zweckmäßigerweise umfasst eine Etappe mehrerer Routen alle solche Abschnitte, die von einem einzigen Ausgangspunkt zu verschiedenen Endpunkten verlaufen. Insbesondere umfasst eine Etappe alle Abschnitte, die von einem vorgegebenen Startzeitpunkt bis zu einem vorgegebenen Endzeitpunkt reichen.
  • Die Bestimmung der Energieerträge kann vereinfacht werden, wenn die Routen in einer logischen Baumstruktur angeordnet sind. Die Baumstruktur kann von einem einzigen Startpunkt starten, beispielsweise der momentanen Position des Wasserfahrzeugs, und kann sich von Etappe zu Etappe beziehungsweise von Abschnitt zu Abschnitt weiter verzweigen. Einzelne Abschnitte können in Zusammenführungen zusammengeführt sein. Auch hierdurch kann die Berechnung vereinfacht werden, da nicht jeder Abschnitt einer jeden Route einzeln berechnet werden muss.
  • Zweckmäßigerweise wird zur Berechnung der Energieerträge ein rekursiver Algorithmus verwendet, zweckmäßigerweise mit einem lokalen oder globalen, einem physikalischen, numerischen oder statistischen Optimierungsverfahren, wie einer Baumoptimierung. So können beispielsweise die Energieerträge der einzelnen Abschnitte rekursiv bestimmt werden. Durch die Rekursion können Rechenschritte vereinfacht und die Programmierung der entsprechenden Berechnung verkürzt werden. Als Rekursionsschritte können einander nachfolgende Abschnitte einer oder mehreren Routen verwendet werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein Etappenzeitraum von einem Etappenanfang bis zum Etappenende festgelegt wird und die Abschnitte jeweils eine Fahrstrecke des Wasserfahrzeugs vom Etappenanfang bis zum Etappenende beinhalten. Mehrere Etappen können gleich lang sein, beispielsweise eine halbe Stunde, zwei Stunden, vier Stunden, sechs Stunden, zwölf Stunden oder 24 Stunden, sodass eine zeitliche äquidistante Etappenanordnung entsteht.
  • Es ist jedoch auch möglich, die Etappenzeiträume einander nachfolgender Etappen größer werden zu lassen. Dieser Ausführungsform liegt die Überlegung zugrunde, dass meteorologische Prognosen mit wachsendem Zeithorizont unsicherer werden. Entsprechend kann es sein, dass auch das meteorologische zeitliche Prognoseraster wächst. Durch wachsende Etappenzeiträume kann diesem Umstand Rechnung getragen und Rechenaufwand vermieden werden. Ein Wachsen mehrerer Etappenzeiträume kann ein zwischenzeitliches Gleichbleiben von Etappen beinhalten.
  • Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Länge von Etappenzeiträumen von der Energie abhängig gemacht wird, die während der Etappe eingetragen werden kann. Zweckmäßigerweise werden die Etappenzeiträume mit sinkendem Energieeintrag länger gewählt beziehungsweise mit wachsendem Energieeintrag kürzer gewählt. Hierdurch kann auf eine Befüllung des Energiespeichers in der gewünschten Zeit zeitnah reagiert werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Energieerträge der Routen erst mit einem groben Berechnungsraster und in einem anschließenden Berechnungsdurchgang mit einem feineren Berechnungsraster berechnet werden. Die Feinheit des Berechnungsrasters kann sich nach den Etappenzeiträumen oder Etappenstrecken bemessen, sodass kürzere Etappenzeiträume beziehungsweise Etappenstrecken zu einem feineren Berechnungsraster führen. Zweckmäßigerweise werden die Energieerträge einer Vielzahl von an einem Startpunkt beginnenden Routen mit einem ersten Berechnungsraster und nachfolgend von am gleichen Startpunkt beginnenden Routen mit einem zweiten Berechnungsraster berechnet, das enger ist, als das erste Berechnungsraster. Die Routen starten zwar alle an dem gleichen Startpunkt, können im zweiten Berechnungsdurchgang jedoch von den Routen des ersten Berechnungsdurchgangs abweichen. Eng kann im zeitlichen und/oder räumlichen Sinne verstanden werden.
  • Vorteilhafterweise wird das Berechnungsraster in einander nachfolgenden Berechnungsdurchgängen so lange verfeinert, bis eine Energiedifferenz zwischen ausgesuchten Routen, beispielsweise Optimalrouten des entsprechenden Rasters, unter einen Grenzwert sinkt. Eine weitere Verfeinerung würde nun mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht zu einem besseren Berechnungsergebnis beziehungsweise einer besseren Route führen, sodass auf weitere Berechnungsdurchgänge verzichtet werden kann.
  • Außerdem wird vorgeschlagen, dass zur Festlegung aller Abschnitte einer Etappe ein Erreichbarkeitsgebiet bestimmt wird, das alle Gebiete umfasst, die für das Wasserfahrzeug ausgehend von einem Etappenstartpunkt innerhalb eines vorbestimmten Etappenzeitraums erreichbar sind, insbesondere unter Berücksichtigung von Schiffsparametern, Parametern der Energietechnik sowie meteorologischen und hydrologischen Parametern.
  • Zweckmäßigerweise werden ausgehend vom Etappenstartpunkt alle Abschnitte eines Abschnittsbüschels zur Energieberechnung ausgewählt, deren Abschnittsendpunkte innerhalb eines Etappenzeitraums erreichbar sind. Die Abschnittsendpunkte können in einem regelmäßigen Raster innerhalb des Erreichbarkeitsgebiets angeordnet sein. Ebenfalls können die Abschnittsendpunkte in einem Winkelraster am Rand des Erreichbarkeitsgebiets angeordnet sein. Die Abschnittsendpunkte können vorgegeben voneinander beabstandet sein, beispielsweise durch eine vorgegebene Gitterweite oder einen vorgegebenen Winkel.
  • Zweckmäßigerweise werden bei der Berechnung der Energieerträge auch solche Abschnittsendpunkte berücksichtigt, die nur bei einer Fahrt unter Motor und insbesondere ohne Energieeintrag erreichbar sind. Es kann vorkommen, dass zunächst eine ungünstige Route gefahren werden muss, um zu einem Gebiet mit guten Wetterverhältnissen und einem guten Energieertrag zu gelangen. Hierfür kann das kurzfristige Fahren mit Motor unter Verwendung gespeicherter Energie und/oder mittransportierten Treibstoffen vorteilhaft sein, auch wenn hierbei während dieser Etappe auf einen möglichen Energieertrag verzichtet werden muss.
  • Vorteilhafterweise liegen die Abschnittsstartpunkte und Abschnittsendpunkte der Abschnitte, zu denen der Energieertrag berechnet wird, in einem vorgegebenen Positionsgitter. Alle Punkte des Rasters können als mögliche Abschnittsendpunkte dienen, zweckmäßigerweise sofern sie innerhalb eines vorgegebenen Erreichbarkeitsgebiets liegen und insbesondere wenn sie keinem Ausschlusskriterium unterliegen, z.B. weil sie auf Land liegen oder in einem Sperrgebiet. In einer Etappe können die Energieerträge von allen solchen Abschnitten einer Abschnittsgruppe bestimmt werden, die alle Abschnitte zwischen einem Etappenstartpunkt und allen Gitterpunkten des Positionsgitters enthält. Weiter ist es vorteilhaft, wenn eine Verzweigung alle Gitterpunkte eines vorgegebenen Positionsgitters umfasst, die innerhalb eines vorgegebenen Etappenzeitraums erreichbar sind.
  • Je nach Anordnung der Abschnitte kann es vorkommen, dass ein Abschnitt von mehreren Routen verwendet wird. Insbesondere hierbei ist es vorteilhaft, wenn Energiezwischenwerte einer Route gespeichert und bei der Energiebestimmung teilweise identisch verlaufender Routen verwendet werden. Ein Energiezwischenwert kann der Energieertrag eines Abschnitts oder die Energiesumme von mehreren Abschnitten einer Route umfassen, insbesondere unter Berücksichtigung der Füllstände von Speicher- und Versorgungseinheiten.
  • Insbesondere bei einem Segelantrieb des Wasserfahrzeugs hängt die vom Wind aufgenommene Energie stark von der Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs relativ zur Windrichtung beziehungsweise von der relativen Windrichtung zum Wasserfahrzeug ab. Allgemein sind Windrichtungen quer zur Fahrtrichtung günstiger beziehungsweise energieoptimaler, als Windrichtungen von vorne oder sogar von hinten. Ein guter Energieertrag steht somit bei einer günstigen Fahrtrichtung relativ zur Windrichtung in Aussicht.
  • Um dies zu erreichen wird vorgeschlagen, dass zur Streckenführung eines Abschnitts zumindest eine Vorzugsrichtung bestimmt wird, auf der das Wasserfahrzeug gesteuert wird. Zweckmäßigerweise werden mehrere Vorzugsrichtungen bestimmt und die Fahrstrecke des Abschnitts wird aus Unterabschnitten in den verschiedenen Vorzugsrichtungen zusammengesetzt. Diese Fahrweise berücksichtigt, dass es vorteilhafter sein kann, einen Abschnittsendpunkt nicht auf dem direkten Wege anzufahren, sondern hintereinander mehrere verschiedene Vorzugsrichtungen zu verwenden, also den Abschnitt in die Unterabschnitte einzuteilen, wobei jeder Unterabschnitt eine eigene Vorzugsrichtung aufweist.
  • Zweckmäßigerweise werden die einzelnen Kursrichtungen beziehungsweise Vorzugsrichtungen durch eine Energieertragsoptimierung in Abhängigkeit vom Kurs ausgewählt. Weiter ist es vorteilhaft, wenn bei der Bestimmung der Vorzugsrichtung die Windrichtung und insbesondere auch die Wellenrichtung zum Wasserfahrzeug berücksichtigt werden. Auch ein Füllstand einer Speicher- und/oder Versorgungseinheit findet vorteilhafterweise Berücksichtigung.
  • Eine Vorzugsrichtung kann bestimmt werden, indem ein Energieertrag in Abhängigkeit von Fahrtrichtung und Fahrgeschwindigkeit bestimmt wird. In die Fahrgeschwindigkeit kann eine Stellung der Strömungsmaschine, also die Last der Strömungsmaschine, einbezogen werden. Die Streckenführung eines Abschnitts kann nun aus Unterabschnitten so zusammengesetzt werden, dass sich ein optimaler Energieertrag ergibt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die Routen einen gemeinsamen, vorgegebenen Zielort, der die gemeinsamen Routenenden bildet. Auf diese Weise kann berücksichtigt werden, dass das Wasserfahrzeug – zweckmäßigerweise mit gefülltem Energiespeicher und insbesondere mit leeren Versorungsbehältern – in einen Zielhafen einfährt und die Energieladung löscht und die Versorgungsbehälter wieder befüllt. Anstelle eines Zielhafens kann auch die Position eines Speicherfahrzeugs, beispielsweise eines Tankschiffs, gewählt werden oder eine andere Übergabestelle, beispielsweise eine Gasplattform oder eine andere Energieübergabestelle.
  • Hinsichtlich einer Routenoptimierung ist es außerdem vorteilhaft, wenn ein Rückkehrparameter ausgewertet und das Ergebnis der Auswertung bei der Auswahl der Route einbezogen wird. Insbesondere wird der Rückkehrparameter zu jedem Abschnitt ausgewertet und/oder zugeordnet. Der Rückkehrparameter kann ein Füllgrad des Energiespeichers, eine Entfernung zu einem Ziel, wie ein Entladehafen oder eine Entladestation, sein, eine meteorologische und/oder hydrologische Situation zwischen dem Wasserfahrzeug und einem Ziel. Er kann auch andere Gründe umfassen, die eine Rückkehr zu einem Ziel vorteilhaft erscheinen lassen oder sogar erzwingen. Auf diese Weise können Routen beziehungsweise bereits Abschnitte ausgeschlossen und von einer Energieertragsberechnung ausgenommen werden, bei denen der Rückkehrparameter eine entsprechende Steuerung auf der Route beziehungsweise dem Abschnitt unvorteilhaft erscheinen lässt. Ist beispielsweise ein Energiespeicher schon relativ voll, können sich vom Ziel entfernende Abschnitte ausgeschlossen werden.
  • Der Rückkehrparameter wird sich in aller Regel von Abschnitt zu Abschnitt verändern. In einer einfachen Form enthält der Rückkehrparameter die Aussage, ob das Ziel bei Befahren eines Abschnitts noch erreichbar ist, bevor ein Abbruchkriterium eintritt. Ist dies nicht der Fall, kann der Abschnitt von der Berechnung ausgeschlossen werden.
  • Generell kann als Abbruchkriterium kann verwendet werden:
    • – Der Energiespeicher ist gefüllt,
    • – ein Versorgungsgut ist ausgegangen, z.B. Schiffsdiesel oder Verpflegung,
    • – ein Zielort kann nicht mehr erreicht werden,
    • – die Schiffsfahrt muss unmittelbar oder innerhalb eines Zeitfensters beendet werden, z.B. weil ein unvorhergesehenes Ereignis eingetreten ist,
    • – die Wahrscheinlichkeit für einen errechneten Energieertrag sinkt unter einen vorbestimmten Grenzwert, z.B. weil die meteorologische Situation zu unbestimmt ist,
    • – ein Parameter fällt über oder unter einen vorgegebenen Wert, z.B. eine Schiffsbelastung auf einem Abschnitt – dies kann der Fall sein, wenn eine Route in ein Sturmgebiet hineinführt, so dass diese Route nicht befahren werden sollte, so dass deren Berechnung abgebrochen werden kann – oder ein Energieertrag – dies kann der Fall sein, wenn die Route in ein Flautengebiet führt, und die Berechnung der Route unsinnig erscheint.
  • Anstelle einer solchen Ja/Nein-Entscheidung kann der Rückkehrparameter jedoch graduelle Aussagen, z.B. in Form von Werten, enthalten, und z.B. eine graduelle Rückkehrnotwendigkeit angeben. Wird beispielsweise eine Entfernung zu einem Ziel bei bestimmten Abschnitten größer, so steigt der Rückkehrparameter bei einem hohen Speicherfüllgrad höher als bei noch leerem Energiespeicher an. Entsprechend wird der Rückkehrparameter vorteilhafterweise bei der Auswahl der Entscheidung herangezogen, ob ein nächstfolgender Abschnitt berechnet wird.
  • Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der Rückkehrparameter zur Einschränkung eines Berechnungsraums verwendet wird. Hierdurch kann eine Berechnung der gewünschten Route vereinfacht beziehungsweise zügiger durchgeführt werden. Das Einschränken umfasst das Weglassen möglicher Abschnitte, insbesondere innerhalb des Erreichbarkeitsgebiets einer Etappe. Eine Auswahl der Route kann durch Ausschluss von möglichen Abschnitten erfolgen.
  • Weiter ist es vorteilhaft, wenn der Rückkehrparameter mit steigender gespeicherter Energie gegenüber anderen Parametern zum Auswählen zu berechnender Abschnitte ansteigt. Übersteigt der Rückkehrparameter einen Grenzwert, so kann der entsprechende Abschnitt von der Berechnung ausgeschlossen werden.
  • Vorteilhafterweise enthält der Rückkehrparameter einen Füllstand eines Energiespeichers und einer Versorgungseinheit auf dem Wasserfahrzeug. Weiter ist es vorteilhaft wenn der Rückkehrparameter einen Füllstand einer Versorgungseinheit auf dem Wasserfahrzeug, eine Entfernung und Richtung zu einem vorgegebenen Entladeort und/oder Umgebungszustände zwischen dem Standort des Wasserfahrzeugs und dem Entladeort enthält.
  • Einer zügigen Berechnung einer gewünschten Route ist es außerdem förderlich, wenn eine Route ermittelt wird, auf der das Wasserfahrzeug ein Routenziel mit einem vorgegebenen Routenergebnis, beispielsweise einem vollen Energietank, erreicht, sowie die Zeit, die es hierfür benötigt. Die Berechnung weiterer Routen kann abgebrochen werden, wenn diese zum Erreichen des gleichen Routenziels mit dem gleichen Routenergebnis länger brauchen. Auf diese Weise kann auf das Durchrechnen langer und rechenintensiver Routen verzichtet werden.
  • Die Berechnung kann bis maximal zu einer Zielzeit erfolgen, in der das Wasserfahrzeug das Ziel in der ermittelten Route erreicht hat. Wird nachfolgend eine Route gefunden, mit der das Ziel mit dem gleichen oder einem vergleichbaren Ergebnis schneller erreicht werden kann, kann die Zeit, die auf dieser neuen Route zum Erreichen dieses Ziels mit dem Ergebnis benötigt wird, als neues Abbruchkriterium bei der Berechnung weiterer Routen verwendet werden.
  • Vorteilhafterweise wird die Berechnung der Route wiederholt, insbesondere während das Wasserfahrzeug die Route befährt. Insbesondere wird die Route zu festgelegten Zeiten, bzw. in festgelegten Zeitintervallen erneut berechnet. Eine erneute Berechnung der Route kann z.B. erfolgen, wenn neue Umgebungsdaten vorliegen, wie Wetterdaten und/oder Wasserdaten. Die Route wird sich in der Regel mit der neuen Berechnung gegenüber der alten verändern. Die Route, die das Wasserfahrzeug fährt, wird daher in der Regel erst im Laufe der Fahrt bestimmt.
  • Vorteilhafterweise beginnt die erneut berechnete Route an der momentanen oder einer zukünftigen Position des Wasserfahrzeugs. Hierbei werden jedoch zweckmäßigerweise aktuelle Schiffsparameter berücksichtigt, die von denen der vorhergehenden Berechnung abweichen können.
  • Die Erfindung ist außerdem gerichtet auf eine Vorrichtung zur Routenberechnung, insbesondere auf ein Wasserfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung, die dazu vorbereitet ist, Umgebungszustände eines Wasserfahrzeuges zu erfassen, zukünftige Energieerträge auf einer Vielzahl von Routen des Wasserfahrzeugs in Abhängigkeit von den Umgebungszuständen zu bestimmen und eine Route in Abhängigkeit der Energieerträge auszuwählen. Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung auch dazu ausgeführt, das Wasserfahrzeug auf dieser Route zu steuern.
  • Um das Wasserfahrzeug auf einer Route mit einem möglichst gleichmäßigen Energieertrag steuern zu können wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung dazu vorbereitet ist, die Energieertragsberechnung so vorzunehmen, dass die Routen jeweils mehrere Abschnitte enthalten und die Energieerträge der einzelnen Abschnitte unter Berücksichtigung der Ausrichtung des jeweiligen Abschnitts zu zumindest einem Umgebungszustand am Ort des Abschnitts bestimmt werden.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Speichern von Energie auf einem Wasserfahrzeug. Es wird vorgeschlagen, dass erfindungsgemäß während der Fahrt des Wasserfahrzeugs primäre Energie, wie kinetische Windenergie, solare Strahlung und/oder Meeresströmungsenergie, auf offener Wasserfläche in chemische Energie umgewandelt wird, indem primäre Energie in elektrische Energie gewandelt und dann auf einen chemischen Energieträger übertragen wird. Vorteilhafterweise wird das Wasserfahrzeug auf der ausgewählten Route gesteuert, und wandelt während der Fahrt auf dieser Route die primäre Energie in chemische Energie.
  • Diese Form der Erfindung ist mit dem eingangs genannten Verfahren, dessen erfindungsgemäßen Ausgestaltung und/oder den hierzu beschriebenen Details kombinierbar.
  • Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale können jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammengefasst werden. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen kombinierbar.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die darin angegebene Kombination von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergänzung eingebracht und/oder mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert werden.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Wasserfahrzeugs mit einer nachgezogenen Strömungsmaschine,
  • 2 eine Route des Wasserfahrzeugs von einem Start- zu einem Zielhafen,
  • 3 eine erste Etappe der Route mit einer Vielzahl von rasterförmig angeordneten Abschnittsendpunkten,
  • 4 ein Polardiagramm zur Bestimmung von Energieerträgen in Abhängigkeit von Fahrrichtungen relativ zu Umgebungszuständen und Parametern des Wasserfahrzeugs,
  • 5 mehrere Abschnitte einer ersten und zweiten Etappe, die jeweils in Unterabschnitte eingeteilt sind,
  • 6 eine schematische Darstellung einer Baumstruktur mit sieben Etappen und möglichen Abschnitten in diesen Etappen,
  • 7 ein Flussdiagramm zur rekursiven Berechnung einer energieoptimierten Route des Wasserfahrzeugs,
  • 8 eine schematische Darstellung einer Baumstruktur, die in einem Zielort endet,
  • 9 drei schematische Etappen mit jeweils in einem Winkelraster angeordneten Abschnitten und
  • 10 mehrere Routen, die nach einem statistischen Verfahren ausgewählt wurden.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Wasserfahrzeugs 2 in Form eines Segelschiffs, das einen Energiewandler 4 zum Umwandeln von Wind in Fahrenergie aufweist, beispielsweise eine Besegelung. Das Wasserfahrzeug 2 zieht eine Strömungsmaschine 6 an einer Verbindung 8 hinter sich her, die ein Seil oder ein Kabel zur Übertragung elektrischer Energie von der Strömungsmaschine 6 zu einem Energiewandler 10 zum Umwandeln von elektrischer Energie in Methangas und/oder andere chemische Energieträger aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Strömungsmaschine 7 direkt am oder im Schiffsrumpf angeordnet sein.
  • Die Strömungsmaschine 6, 7 ist in der Art einer Turbine aufgebaut, durch die während der Fahrt des Wasserfahrzeugs 2 Wasser strömt und ein Turbinenrad in Rotation versetzt, das mit einem Generator gekoppelt ist, der aus der mechanischen Bewegungsenergie elektrische Energie erzeugt. Die Strömungsmaschine 6 kann fest am Wasserfahrzeug 2 installiert sein oder lose mechanisch und elektrisch über ein Kabel angebunden hinterher gezogen werden.
  • Der Energiewandler 10 umfasst eine Elektrolysevorrichtung zur Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff und einen Wandler zum Erzeugen von Methangas und/oder andere chemische Energieträger, beispielsweise CNG, LNG, Benzin, Diesel oder Kerosin, aus dem gewonnenen Wasserstoff. Das Methangas und/oder andere chemische Energieträger werden in einen Energiespeicher 12 verbracht und dort gelagert. Das Wasser für die Elektrolyse kann aus einer Versorgungseinheit 11 oder aufbereitet aus dem Meer oder der Luft verwendet werden. Das für manche Prozesse notwendige CO2 über entsprechende Verfahrenstechnik aus der Luft gewonnen oder der Versorgungseinheit 11 entnommen werden. Eine Steuereinheit 14, beispielsweise ein Computer, steuert die Fahrt des Wasserfahrzeugs 2 anhand einer von der Steuereinheit 14 berechneten Route. Die Versorgungseinheit 11 ist nur beispielhaft für mehrere Versorgungseinheiten des Wasserfahrzeugs 2 dargestellt, z.B. für Treibstoff oder andere Versorgungsmittel für den Energiewandelprozess, das Wasserfahrzeug und/oder die Besatzung.
  • Die von dem Wasserfahrzeug 2 zurückgelegte Route 16 ist in 2 dargestellt und verläuft von einem Startpunkt 18 zu einem Zielpunkt 20, wobei Startpunkt 18 und Zielpunkt 20 in diesem Ausführungsbeispiel am gleichen Ort liegen, beispielsweise einem Entladehafen, der eine Vorrichtung zur Übernahme der vom Wasserfahrzeug 2 gespeicherten Energie, beispielsweise LNG, aufweist. Der Hafen liegt an der Küste 26 an einem Meer 22, beispielsweise dem Nordatlantik. Die Route 16 umfasst eine Vielzahl von Abschnitten 24, die hintereinander angefügt die Route 16 ergeben. Hierbei wird der erste Abschnitt 24 während einer ersten Etappe durchfahren, der zweite Abschnitt 24 während einer zweiten Etappe, der dritte Abschnitt 24 während einer dritten Etappe, und so weiter, sodass die Anzahl der Etappen mit der Anzahl der gefahrenen Abschnitte 24 übereinstimmt.
  • In den 3 bis 7 ist eine mögliche Ausführungsform zur Berechnung einer energieoptimierten Route 16 des Wasserfahrzeugs 2 dargestellt. 3 zeigt hierbei drei von einer Vielzahl möglicher Abschnitte 24 einer ersten Etappe. Von dieser Vielzahl der zunächst möglichen Abschnitte 24 wird später einer tatsächlich vom Wasserfahrzeug 2 gefahren.
  • Zur Festlegung der zu berechnenden Abschnitte 24 wird zunächst ein Erreichbarkeitsgebiet 28 festgelegt, das das Wasserfahrzeug 2 in einem vorgegebenen Etappenzeitraum von beispielsweise sechs Stunden erreichen kann. Hierbei werden alle geografischen Orte berücksichtigt, die das Wasserfahrzeug 2 während dieses Etappenzeitraums auf irgendeine Weise erreichen kann. Es wird sowohl eine Fahrt unter Segel als auch unter Motor als auch unter Segel und Motor berücksichtigt, um die absolut maximale Reichweite in jede Richtung zu bestimmen.
  • In dieses Erreichbarkeitsgebiet 28 wird ein Positionsgitter 30 mit einer Vielzahl von möglichen Positionen Pi eingelegt, wobei die Positionen Pi ein regelmäßiges zweidimensionales Gitter bilden. Die auf dem Land liegenden Gitterpunkte werden, wie in 3 angedeutet, nicht berücksichtigt.
  • Ausgehend vom Etappenstartpunkt 18 wird nun zu jeder Position Pi ein Abschnitt gelegt. Hierbei können die Positionen P11 und P26 alleine mit Segelkraft, die Positionen P7 jedoch nur mit zusätzlicher Motorkraft innerhalb des Etappenzeitraums erreicht werden. Während bei den erstgenannten Abschnitten 24 Energie mit Hilfe der Strömungsmaschine 6 geerntet werden kann, muss auf dem letztgenannten Abschnitt 24 zur Position P7 Energie mit Hilfe des konventionellen Schiffsantriebs, z.B. des Schiffsdiesels, aufgewendet werden, sodass die Energiebilanz auf diesem Abschnitt negativ ist. Die aufgewendete Energie wird in die Gesamtenergie der möglichen Routen mit aufgenommen.
  • Bei der Berechnung des Erreichbarkeitsgebiets 28 spielt der Wind in allen Formen, wie wahrer Wind und scheinbarer Wind, eine maßgebliche Rolle, da dieser das Wasserfahrzeug 2 über die Segeltechnik antreibt. Berücksichtigt werden die Auftriebskraft der Segeltechnik, deren Widerstandskraft und aerodynamische Gesamtkraft, sowie Kräfte der Segeltechnik am Schiff, wie Vortriebskraft und Querkraft. Insofern wird bei der Berechnung des Erreichbarkeitsgebiets 28 sowohl der Wind 32, der in 3 durch einen Pfeil angedeutet ist, in seiner Stärke und Richtung berücksichtigt. Ebenfalls werden Wellen 34 berücksichtigt, insbesondere deren Richtung, Höhe und Wellenlänge, die in 3 ebenfalls durch einen Pfeil angedeutet sind. Auch die Wellen beeinträchtigen in ihrer Richtung, Höhe sowie Wellenlänge die Fahrt des Wasserfahrzeugs 2 in erheblichem Maße. Ebenfalls mit einbezogen wird eine Strömung 36, mit der das Wasser über Grund strömt. Wind 32, Wellen 34 und Strömung 36 können hierbei am Etappenstartpunkt 18 zugrunde gelegt werden, an einem anderen Punkt oder gemittelt über ein Gebiet, das dem voraussichtlichen Erreichbarkeitsgebiet 28 möglichst genau entsprechen kann.
  • Wie in 3 dargestellt ist, werden die Punkte P11 und P26 nicht in direkter Linie angefahren. Während dies bei der Position P26 aufgrund der vorgeschobenen Landzunge offensichtlich ist, liegt der Grund bei der Position P11 darin, dass der Abschnitt zum Punkt P11 in zwei Unterabschnitte unterschiedlicher Fahrtrichtung eingeteilt ist. Dies dient einer Energieoptimierung, die anhand der Grafik aus 4 erläutert ist.
  • 4 zeigt ein Polardiagramm, in dem ausgehend von einem Startpunkt 18 einer Etappe, der nicht der Startpunkt 18 innerhalb des Hafens sein muss, sondern in diesem Fall im offenen Meer liegt, die Energieerträge in Abhängigkeit von der Fahrtrichtung, die in 360° relativ zur Windrichtung 32 aufgetragen ist, und zur Fahrgeschwindigkeit, die radial aufgetragen ist. Wind 32 und Wellen 34 sind hierbei berücksichtigt, ebenfalls eine Strömung 36 über Grund, und zweckmäßigerweise auch weitere Parameter des Wasserfahrzeuges 2, wie der Strömungsmaschine 6, der Energiewandler 4 und 10 und des Energiespeichers 12 an Bord.
  • In 4 sind mehrere Zonen mit verschiedenem Energieertrag pro gefahrener Strecke dargestellt, die in diesem Beispiel der Übersichtlichkeit halber nur in vier Ertragsstufen aufgeteilt sind. Der höchste Ertrag pro Zeit ist in 4 am engsten gestrichelt und der niedrigste Ertrag ist ungestrichelt dargestellt. Es ist zu sehen, dass der höchste Ertrag bei Fahrtrichtungen quer zum Wind 32 erreicht wird und der niedrigste Ertrag bei einer Fahrt gegen den Wind – negativer Ertrag – oder unter Höchstgeschwindigkeit zum Rand des Erreichbarkeitsgebiets 28 hin, da bei einer solchen Fahrt die Strömungsmaschine 6 zur Verringerung der Reibung nicht aktiviert sein kann und somit keine Energie eingetragen werden kann. Auch sehr langsame Fahrten sind berücksichtigt, die unmittelbar in der Nähe des Startpunkts 18 liegt. Zwar kann bei geringer Geschwindigkeit die Strömungsmaschine 6 mit sehr hoher Last gefahren werden, der Energieertrag pro Zeit ist hierbei jedoch deutlich geringer als wenn mit höherer Geschwindigkeit und geringerer Strömungsmaschinenlast gefahren wird.
  • Sehr günstige Fahrtrichtungen und Fahrgeschwindigkeiten sind in 4 anhand von mehreren Pfeilen dargestellt. Sie liegen in den Zonen des höchsten Energieertrags. Bei der optimalen Berechnung der Fahrstrecke eines Abschnitts ist also darauf abzustellen, das dieser Abschnitt möglichst in solche Unterabschnitte aufgeteilt wird, deren Fahrtrichtungen und Fahrgeschwindigkeiten möglichst in den ertragreichen Zonen aus dem Diagramm aus 4 liegen.
  • Mehrere solcher Abschnitte sind in 5 gezeigt. Ausgehend von einem Startpunkt 18 sind vier Abschnitte 24a, 24b, 24c, 24d von vielen möglichen Abschnitten einer ersten Etappe und drei weitere Abschnitte 24e, 24f, 24g einer zweiten Etappe dargestellt. Der Abschnitt 24a ist sehr kurz und bewegt sich nur zu einem benachbarten Gitterpunkt des Gitters. Dieser Punkt wird jedoch nicht direkt angefahren, da die eingetragene Energie dann gemäß 4 ungünstig wäre. Besser sind längere Fahrstrecken quer zum Wind 32, sodass der Abschnitt 24a in zwei Unterabschnitte mit fast gegenläufiger Fahrtrichtung eingeteilt ist.
  • Ähnlich verhält es sich mit den Abschnitten 24b–24d. Auch diese sind in jeweils zwei Unterabschnitte eingeteilt, da der direkte Fahrweg zu den angefahrenen Positionen Pi zu einer langsameren Fahrgeschwindigkeit und einer ungünstigeren Fahrtrichtung geführt hätte. Entsprechend dem Diagramm aus 4 werden günstige Fahrtrichtungen und Fahrgeschwindigkeiten gewählt und die Abschnitte 24 werden aus entsprechenden Unterabschnitten zusammengesetzt. In gleicher Weise wird auch bei den Abschnitten 24e–24g der zweiten Etappe verfahren.
  • Wie in 5 dargestellt ist, enden die beiden Etappen 24d + 24g und 24c + 24f an der gleichen Position. Allerdings zeigt die Berechnung, dass die Energieerträge auf diesen beiden Routen unterschiedlich sind. Selbst wenn daher beiden Routen im weiteren Verlauf gleich geführt wären, so sind sie aus Sicht des Energieertrags nicht als gleiche Routen zu betrachten.
  • 6 zeigt die Summe der möglichen Routen in einer Baumstruktur angeordnet, wobei diese Anordnung eine logische Anordnung und nicht eine geografische Anordnung von Routen ist. Der Einfachheit halber sei angenommen, dass in den Erreichbarkeitsgebieten aller Etappen Ei jeweils nur drei mögliche Abschnitte 24 liegen. Ausgehend vom Startpunkt 18 können also während der ersten Etappe E1 drei Abschnitte 24 und somit drei Positionen an den logischen Baum-Punkten Pi angefahren werden. In der zweiten Etappe E2 können drei mal drei Abschnitte gefahren werden, wobei jedoch nur fünf mögliche Positionen, jedoch 9 Baumpunkte Pi,i erreicht werden können.
  • Hierbei ist zwischen logischen Punkten Pi und Positionen im Meer zu unterscheiden. In manchen Baumpunkten Pi fallen zwei oder mehr geografische Positionen zusammen. So kann beispielsweise die Position im Punkt P3,2 auch als Punkt P2,3 auf einer anderen Route erreicht werden. Entsprechend verzweigt sich diese logische Baumstruktur immer weiter fort von Etappe Ei zu Etappe Ei.
  • Selbstverständlich ist es nicht sinnvoll, die Baumstruktur bis ins Unendliche fortzusetzen. Hierzu werden Abbruchparameter definiert. Ein solcher Abbruchparameter ist beispielsweise, wenn der Energiespeicher 12 des Wasserfahrzeugs 2 voll ist. Dies sei beispielsweise nach sechs Etappen erreicht, wenn das Wasserfahrzeug 2 den Punkt P1,1,1,1,1,1 erreicht hat. Auf jedem Abschnitt 24 der sechs Etappen Ei wird der Energieertrag des entsprechenden Abschnitts 24 berechnet und so von Etappe Ei zu Etappe Ei aufsummiert. Der Energieertrag ergibt sich aus den gefahrenen Abschnitten 24 beziehungsweise Unterabschnitten in Verbindung mit der Ertragsberechnung, die beispielhaft zu 4 erläutert wurde.
  • Da beispielsweise nach sechs Etappen der Energiespeicher 12 gefüllt ist, sind solche Routen, bei denen der Energiespeicher 12 erst nach mehr als sechs Etappen gefüllt wäre, nicht mehr sinnvoll, da es in diesem Ausführungsbeispiel ein Ziel ist, den Energiespeicher 12 möglichst schnell, also nach möglichst wenig Etappen, zu füllen. Selbstverständlich können auch andere Abbruchkriterien gewählt werden. Das Abbruchkriterium des gefüllten Energiespeichers 12 in möglichst kurzer Zeit ist nur ein mögliches Abbruchkriterium.
  • Stellt sich nun heraus, dass am Punkt P1,1,1,1,1,2 der Energiespeicher 12 noch nicht voll ist, so wären die Abschnitte der siebten Etappe E7 zu berechnen. Da dies nicht sinnvoll ist, können diese Abschnitte, die in 6 gestrichelt eingezeichnet sind, ausgelassen werden. Die Route zu Punkt P1,1,1,1,1,1 ist somit nun zunächst die optimale Route.
  • Stellt sich nun im Laufe der Berechnung heraus, dass eine andere Route bereits nach weniger Etappen Ei zum gewünschten Routenergebnis, beispielsweise dem vollen Energiespeicher 12 führt, können nachfolgende Berechnungen schon früher abgebrochen werden. Bei dem Ausführungsbeispiel in 6 sei dies schon bei Erreichen der Position P1,1,1,1,2 der Fall, also nach fünf Etappen. Entsprechend können die nachfolgenden Routenberechnungen schon nach der fünften Etappe abgebrochen werden.
  • Es sei nun angenommen, dass sich nachfolgend herausstellt, dass bei Erreichen der Position P1,2,1,2, also bereits nach vier Etappen, der Energiespeicher 12 gefüllt werden kann. Alle nachfolgenden Berechnungen können nun nach der vierten Etappe E4 abgebrochen werden, wie dies in 6 dargestellt ist.
  • Hierbei kann es sich herausstellen, dass auch eine andere Route, im Beipiel zu Punkt P2,2,1,2, bereits nach 4 Etappen zum angestrebten Routenergebnis führt jedoch unter günstigeren Bedingungen. Mehrere Routenergebnisse können hierbei hierarchisch gestaffelt und/oder gewichtet in der Berechnung Berücksichtigung finden. Ein weiteres solches Routenergebnis ist beispielsweise eine Schiffsbelastung. Die Schiffsbelastung kann einen Verschleiß von Schiffselementen umfassen und/oder eine Gefährdung des Schiffes beziehungsweise der Besatzung. Bei unkritischen Werten eines solchen Ergebnisparameters kann dieser gering gewichtet werden. Bei dem Ausführungsbeispiel aus 6 sei beispielsweise am Punkt P2,2,1,2 die Schiffsbelastung am geringsten, der Energiespeicher 12 ist jedoch ebenfalls nach 4 Etappen, also zur gleichen Zeit gefüllt. Entsprechend wäre die optimale Route nun zum Punkt P2,2,1,2 zu führen.
  • Auch weitere Routenergebnisse beziehungsweise Routenparameter können Berücksichtigung finden, beispielsweise eine Fahrt durch ungünstige Gebiete als negativer Parameter, beispielsweise durch Gebiete mit hohem Schiffsverkehr oder mit Eisbergen, oder durch Gebiete mit anderen günstigen oder ungünstigen Einflüssen. Auch weitere Parameter der Speicher- und Versorgungseinheiten 11, 12 werden vorteilhafterweise Berücksichtigung finden, beispielsweise wenn Wasser- oder CO2-Versorgungstanks 11 leer sind.
  • Ein Ablaufdiagramm einer möglichen Routenberechnung ist in 7 dargestellt. Nach einem Programmstart 42 werden in Schritt 44 Bibliotheken geladen und Voreinstellungen festgelegt. In Schritt 46 werden Ort und Zeitpunkt des Starts, also der Startpunkt 18 und die Startzeit festgelegt. Außerdem werden Abbruchkriterien festgelegt, sowie eine Gitterstruktur des Positionsgitters innerhalb der Erreichbarkeitsgebiete 28 der einzelnen Etappen Ei sowie die Etappenzeiträume und andere sinnvolle Parameter. Ferner werden Datenbankzugriffe initialisiert.
  • In Schritt 48 werden Schiffsparameter festgelegt, beispielsweise eine Rumpfform und damit Strömungswiderstände in Abhängigkeit von Fahrgeschwindigkeiten, Fahreigenschaften bei Seegang, Energieladekapazität, also Kapazität des Energiespeichers 12, Windwiderstand und Umlenkparameter der Besegelung und so weiter. In Schritt 50 werden schließlich meteorologische und hydrologische Daten geladen und hieraus die Umgebungszustände in Feldern mit Bereichen und in einem vorgegebenen Zeitraster voneinander beabstandet eingeteilt berechnet.
  • In Schritt 52 wird das Unterprogramm „Abschnittsberechnung“ aufgerufen. Dies ist eine dynamische Optimierungsfunktion nach dem Prinzip des Rücksetzverfahrens (Backtracking). In Schritt 54 wird die nach den entsprechenden Voreinstellungen berechnete optimale Fahrtroute mit zusätzlichen nützlichen Daten ausgegeben. Entlang dieser Route wird das Wasserfahrzeug 2 nun gesteuert, beispielsweise mit Hilfe der Steuereinheit 14, die entsprechende Autopilotfunktion übernehmen kann, und/oder Routenmanöver unterstützt. Solche Unterstützung kann das Steuern von Segelpositionen sein, die Einstellung der Strömungsmaschine 6 und dergleichen. In Schritt 56 ist das Programm beendet.
  • Die Abschnittsberechnung beginnt mit dem Schritt 58. In Schritt 60 wird zunächst geprüft, ob der Energieertrag bis zu dieser Position bereits berechnet wurde. Ist dies der Fall, so kann die Abschnittsberechnung abgebrochen und in Schritt 62 beendet werden. Falls dies nicht der Fall ist, wird das Unterprogramm „Abschnittsenergieberechnung“ aufgerufen.
  • Die Abschnittsenergieberechnung startet mit Schritt 66 und erstellt in Schritt 68 eine Liste aller möglichen Abschnitte des aktuellen Erreichbarkeitsgebiets. Hierzu wird zunächst das Erreichbarkeitsgebiet 28 festgelegt, beispielsweise wie oben beschrieben, und dann wird anhand des vorgegebenen Positionsgitters die Liste der möglichen Abschnitte erstellt.
  • In Schritt 70 werden die notwendigen Berechnungsparameter für jeden einzelnen Abschnitt beziehungsweise jede einzelne Position Pi geladen. In Schritt 72 wird überprüft, ob die Position Pi ein unzulässiger Ort ist, beispielsweise eine Landposition oder ein Sperrgebiet. Ist dies der Fall, wird die entsprechende Position in Schritt 74 aus der Liste entfernt. Falls die Position zulässig ist, wird in Schritt 76 für den nächsten Abschnitt beziehungsweise die nächste Position Pi der mögliche Energieertrag für diesen Abschnitt beziehungsweise die Fahrt zu dieser Position Pi berechnet. Dies geschieht zweckmäßigerweise unter Berücksichtigung aller relevanten Parameter, wie Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Fahrtwinkel zum Wind, Rumpfgeschwindigkeit, Schiffsneigung, Meeresströmung, Segeltechnik, Segelwerte, Schiffsreibung, Auslegungseigenschaften, wie Maschinenkennlinie, Nennleistung, Stromabschaltung, Eigenschaften und Gradienten der Speichertechnologie, Speichergröße, Füllstand der Versorgungseinheiten und so weiter.
  • In Schritt 78 werden dem Abschnitt weitere Parameter zugeordnet, wie Rückkehrparameter und/oder Abbruchparameter. Es wird beispielsweise der Füllstand des Energiespeichers 12 nach Durchlaufen des entsprechenden Abschnitts berücksichtigt, der Ort, dem sich das Wasserfahrzeug befindet, eine Strecke zum Zielpunkt 20, Wetter- und Meersebedingungen bis dorthin, und so weiter. In Schritt 80 endet das Unterprogramm, sodass der Algorithmus in das Unterprogramm „Abschnittsberechnung“ zurückspringt und dieses in Schritt 64 erreicht.
  • Nun wird in Schritt 82 geprüft, ob die in Schritt 68 erstellte Liste aller Abschnitte des Erreichbarkeitsgebiets abgearbeitet ist. Anhand der Baumstruktur aus 6 sei dies beispielhaft erläutert. Ausgehend vom Startpunkt 18 sind in Schritt 68 die drei möglichen Abschnitte 24 zu den Punkten P1, P2, P3 berechnet. In Schritt 76 wurde für jeden dieser Abschnitte der entsprechende Energieertrag berechnet. Für die Gesamtheit der Positionen Pi liegt somit der Energieertrag vor. In Schritt 82 befindet sich das Programm jedoch noch an der Position P1. Die Liste des Abschnittsbündels, das alle Abschnitte 24 ausgehend vom Startpunkt 18 enthält, ist somit noch nicht abgearbeitet, die Prüfung in Schritt 82 ergibt also „nein“.
  • Entsprechend springt das Programm in den Schritt 84. In diesem Schritt erfolgt der rekursive Aufruf des Unterprogramms „Abschnittsberechnung“, sodass das Programm nun zum Programmschritt 58 springt, allerdings jetzt nicht mehr ausgehend vom Startpunkt 18 sondern von der Position P1. Entsprechend des Schritts 64 werden alle aus P1 ausgehende Abschnitte des Abschnittsbündels – also zu den Punkten P1,i – berechnet, das heißt, der Energieertrag dieser Abschnitte wird berechnet. Wiederum landet das Programm in Schritt 82, nun allerdings ausgehend von der Position P1,1. Wiederum ist die Liste der Abschnitte beziehungsweise Positionen P1,i nicht abgearbeitet, die Frage wird mit „nein“ beantwortet und in Schritt 84 springt das Programm rekursiv in den erneuten Start der Abschnittberechnung.
  • Auf diese Weise wird fortgefahren, bis das Programm die Position P1,1,1,1,1,1 erreicht. Wie oben beschrieben, liegt hier ein Abbruchparameter vor, beispielsweise dass der Energiespeicher 12 voll ist. Dies wird in Schritt 78 erkannt. Dieser Abbruch wird in der Abfrage 82 erkannt. Das Erstellen weiterer Listen ist nicht notwendig, das Programm springt zu Schritt 86. In diesem Schritt wird die Energiesumme für alle Abschnitte bis zum entsprechenden Punkt, in diesem Fall P1,1,1,1,1,1, berechnet. Dies ist der Energieertrag an diesem entsprechenden Punkt auf der vorliegenden Strecke in der berechneten Zeit. Nun werden in Schritt 88 alle Energieerträge aller bisher berechneten Abschnitte zwischengespeichert. Das Programm erreicht Schritt 62 und endet. Da das Programm in Schritt 84 rekursiv gestartet wurde, endet es dort, wo es gestartet wurde, nämlich in Schritt 84.
  • Im nachfolgenden Schritt 90 wird geprüft, ob die zuvor berechnete Energiesumme die höchste der bisherigen Energiesummen ist. Ist dies der Fall, so wird diese maximale Energiesumme als bester Energiewert zwischengespeichert. Ist dies nicht der Fall, so wird die Energiesumme verworfen. In beiden Fällen kehrt das Programm zur Abfrage 82 zurück. Nun allerdings wird das nächste Listenelement bearbeitet, in diesem Fall die Position P1,1,1,1,1,2. Durch das Abbruchkriterium wird das Ende der Liste als erreicht angesehen und das Programm berechnet in den nachfolgenden Schritten die Energiesumme der entsprechenden Route und prüft, ob diese maximal ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel aus 6 sei dies nicht der Fall. Im Prinzip müsste daher – wenn nur der Füllgrad des Energiespeichers 12 als Routenergebnis Berücksichtigung fände – eine weitere Etappe E7 berechnet werden. Durch das Abbruchkriterium ist dies allerdings nicht der Fall. Das Programm springt einen Schritt weiter in der Liste zu Position P1,1,1,1,1,3 und stellt dort fest, dass die Energiesumme wiederum nicht die höchste ist und verwirft diese.
  • Im Prinzip hat das Programm die Energiesumme von 3 Routen vollständig berechnet. Da jedoch in Schritt 60 stets geprüft wurde, ob zwischengespeicherte Energieerträge vorliegen, wird die Summe des Energieertrags vom Startpunkt 18 bis zum Punkt P1,1,1,1,1 als zwischengespeicherter Wert verwendet, ohne dass eine Energieberechnung stets erneut notwendig wäre.
  • Ist die Liste der Abschnitte der sechsten Etappe E6 abgearbeitet, so springt das Programm rekursiv in die fünfte Etappe E5 zurück und erreicht den Punkt P1,1,1,1. Von dort werden die entsprechenden drei Abschnitte berechnet und es stellt sich in diesem Ausführungsbeispiel heraus, dass das Routenziel, nämlich ein voller Tank, bereits im Punkt P1,1,1,1,2 erreicht ist. Entsprechend braucht im Folgenden kein Abschnitt der sechsten Etappe E6 mehr berechnet zu werden, da das Routenziel bereits nach der fünften Etappe E5 erreicht werden kann.
  • Entsprechend werden alle in 6 gezeigten Abschnitte 24 rekursiv berechnet, wobei durch das Erreichen des angestrebten Routenergebnisses in Punkt P1,2,1,2 die nachfolgende Berechnung stets nach der vierten Etappe E4 abgebrochen werden kann. Es liegen nun die Ergebnisse sämtlicher Routen vor.
  • Es ist hierbei zu beachten, dass die geografische Position im Punkt P1,2,1,2 eine Vielzahl von Punkten Pi,i,i,i umfasst. Denn die geografische Position kann auf einer Vielzahl von unterschiedlichen Routen erreicht werden, die jedoch trotz des gleichen Routenziels und unterschiedliche Routenenergieerträge haben.
  • Ausgehend von den vorliegenden Routenergebnissen kann nun die optimale Route gewählt werden. Dies sei, wie oben bereits erläutert, die Route zum Punkt P2,2,1,2 wegen der Berücksichtigung der Schiffsparameter.
  • Ein weiteres, alternatives Berechnungsverfahren sei ausgehend von 6 erläutert. Die Schritte aus 7 können beibehalten werden, wobei jedoch anstelle der Rekursion die Abschnitte der Baumstruktur streng hierarchisch berechnet werden. Es werden als zunächst alle Abschnitte der ersten Etappe E1, berechnet, also drei Abschnitte. Dann werden alle Abschnitte der zweiten Etappe E2, berechnet, also neun Abschnitte, und so weiter. Nach vollständiger Berechnung der vierten Etappe E4 ist auch die Energiesumme der Route zu den Punkten P1,2,1,2, P2,2,1,2 bekannt, die zum gefüllten Energiespeicher 12 nach vier Etappen führen. Auf die Berechnung der Abschnitte der fünften Etappe E5 kann verzichtet werden.
  • Ein sehr wesentlicher weiterer Punkt, der bei der Auswahl der Route zu berücksichtigen ist, ist ein Rückkehrparameter. Dieser legt den Zielpunkt 20 fest, beispielsweise einen Hafen oder eine andere Übergabestelle zum Entladen des Energiespeichers. Dieser Rückkehrparameter berücksichtigt, dass die letzte Position der Route in eben diesem Zielpunkt 20 liegen muss. Entsprechend könnte eine Baumstruktur wie in 8 gezeigt, aussehen.
  • In 8 starten die Routen alle im Startpunkt 18 und enden im Zielpunkt 20. Aufgrund von möglichen Umgebungsparametern, Küstenverläufen und dergleichen, muss ein solcher Routenbaum nicht symmetrisch aufgebaut sein. Es kann auch sein, dass mehrere Zielpunkte 20 an verschiedenen geografischen Orten möglich erreichbar sind, sodass die Baumstruktur dann zu zwei Zielpunkten 20 verzweigt. Der Routenbaum in 8 ist nur schematisch und sehr vereinfacht dargestellt. Je nach Abbruchparameter beziehungsweise Rückkehrparameter kann er auch weitere Asymmetrien aufweisen, wobei zu bedenken ist, dass reale logische Baumstrukturen nicht nur Verzweigungen mit drei Abschnitten sondern mit einer Vielzahl von Abschnitten aufweisen.
  • Bei dem Beispiel aus 8 wird am Punkt P1,1,1 die weitere Berechnung des Baums nur noch in eine Richtung, nämlich zum Ziel 20 hin fortgesetzt. Die anderen Richtungen werden nicht mehr berücksichtigt. Dies kann ein strenger Parameter sein, z.B. wenn der Abbruch nach sechs Etappen erfolgen soll, so dass nach drei Etappen vom Ziel weg nun zwingend zum Ziel hin gefahren werden muss.
  • Alternativ ist es möglich den Rückkehrparameter nicht streng, sondern als Gewichtung zu gestalten. So sollte z.B. die Fahrstrecke von P1,1,1 bis zum Zielpunkt 20 auch noch ertragreich sein, sodass in P1,1,1 noch kein Abbruchkriterium im strengen Sinne vorliegt. Es besteht im Prinzip die Möglichkeit, alle Routen streng durchzurechnen, wie zu 6 dargestellt, und schlussendlich nur die Routen zu berücksichtigen, die vor oder bei Vorliegen eines Abbruchkriteriums am Zielpunkt 20 enden.
  • Denn es könnte ja im Prinzip sein, dass in 6 am Punkt P1,1,1,1,1 der Energiespeicher 12 noch nicht voll ist, auf einer Rückkehr jedoch nur sehr wenig Energie eingetragen werden kann, sodass auch von dieser weit vom Zielpunkt 20 entfernten Position mit langsamer Geschwindigkeit zum Ziel zurückgefahren werden kann.
  • Dass eine solche Route schlussendlich nicht optimal ist, liegt auf der Hand und kann bei der Auswahl der zur Berechnung anstehenden Routen bereits von vornherein berücksichtigt werden. Wenn also der Rückkehrparameter streng genommen nur einen Zielpunkt 20 umfassen kann, so ist es weiterführend sinnvoll, den Rückkehrparameter auch andere Parameter umfassen zu lassen, wie ein Füllgrad des Energiespeichers 12 und der Füllstand der Versorgungseinheit 11, eine momentane Entfernung zum Zielpunkt 20, Wetter- und Meeresbedingungen zwischen der momentanen Position und dem Zielpunkt 20 und dergleichen. Auf diese Weise kann aus dem Rückkehrparameter ein Parameter geschaffen werden, der eine Wahrscheinlichkeit angibt, dass die Auswahl von Abschnitten nicht mehr sinnvoll ist, da die optimale Route diese Abschnitte mit dieser Wahrscheinlichkeit nicht benutzt. Solche Abschnitte, bei der diese Wahrscheinlichkeit über einen bestimmten Wert steigt, können von der Berechnung ausgenommen werden.
  • Bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Rückkehrparameter im Punkt P1,1,1 diesen Wahrscheinlichkeitsgrad überschritten, sodass die Abschnitte zu möglichen Punkten P1,1,1,1 und P1,1,1,2 nicht mehr berechnet werden. Lediglich der geografisch zum Zielpunkt 20 gewandte Abschnitt zum Baumpunkt P1,1,1,3 wird in die folgenden Berechnungen aufgenommen. Auf diese Weise kann der Berechnungsraum eingeschränkt und die Berechnung vereinfacht werden. Abschnitte, die geografisch vom Zielpunkt 20 weg weisen, können vom Berechnungsraum ausgeschlossen werden.
  • Bei den zu den 3 bis 8 beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde die Routenberechnung anhand einer logischen Baumstruktur durchgeführt, insbesondere mit einem rekursiven Verfahren, bei dem die einzelnen Abschnitte als Rekursionsschritte verwendet wurden. Dem Verfahren lag das in den 3 und 5 gezeigte Positionsgitter mit geografisch fest definierten Positionen zugrunde. Selbstverständlich ist es auch möglich, ohne ein solches festgelegtes Positionsgitter auszukommen. Weiter sind auch andere Rechenmethoden ohne Rekursion und auch ohne Baumstruktur möglich und sinnvoll, wie beispielsweise physikalische, mathematische, statistische, neuronale, numerische, lokale, globale, lineare und nichtlineare Optimierungsalgorithmen und deren Kombinationen.
  • Im Folgenden wird beispielhaft ein weiteres mögliches Verfahren erläutert, das zwar rekursiv arbeitet und eine logische Baumstruktur verwendet, jedoch auf das Positionsgitter 30 verzichtet. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel aus den 3 bis 8, auf das bezüglich gleichbleibender Merkmale, Funktionen und Verfahrensschritte verwiesen wird. Im Wesentlichen gleichbleibende Parameter, Verfahrensschritte, Etappen und Abschnitte sind grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen beziffert und nicht erwähnte Merkmale sind in den folgenden Ausführungsbeispielen übernommen, ohne dass sie erneut beschrieben sind, es sei denn, sie sind explizit ausgenommen.
  • 9 zeigt eine Vielzahl von Abschnitten innerhalb von drei Etappen E1, E2, E3. Wie zuvor beschrieben beginnt die Route 16 im Startpunkt 18. Ebenfalls wie zuvor beschrieben wird ein Erreichbarkeitsgebiet 28 berechnet, das im Folgenden der Übersichtlichkeit halber als kreisrund dargestellt wird, auch wenn dies in der Realität in aller Regel nicht so ist. Auch Wind 32, Wellen 34 und Strömung 36 werden berücksichtigt. Die Etappen bestehen nun aus geradlinigen Strecken, sodass nach Abschluss des Etappenzeitraums stets der Rand des Erreichbarkeitsgebiets 28 erreicht wird.
  • Die einzelnen Abschnitte 24 der Etappen Ei ergeben sich aus einem Winkelraster, beispielsweise mit äquidistanten Winkeln zwischen Abschnitten 24 oder nach einem vorgegebenen Algorithmus berechneten Winkeln zwischen den Abschnitten 24. Jeder Abschnittsendpunkt wird zum Abschnittsstartpunkt einer Vielzahl von in einem Abschnittsbündel angeordneten Abschnitten der nächsten Etappe verwendet. Insofern kann zur Routenberechnung wiederum das zu 7 beschriebene Verfahren Anwendung finden, wobei jedoch auf die Berechnung von Unterabschnitten verzichtet werden kann. Das Diagramm aus 4 kann dazu verwendet werden, den Energieeintrag auf dem befahrenen beziehungsweise berechneten Abschnitt entsprechend der gewählten Richtung zu berechnen. In analoger Weise wie zuvor beschrieben, mit oder ohne Rückkehrparameter, kann auf diese Weise die optimale beziehungsweise gewünschte Route 16 gefunden werden.
  • Es liegt auf der Hand, dass eine Route 16 nur aus maximal langen Abschnitten 24 keinen Energieertrag bringt, da ein Energieertrag die Fahrt bremsen würde, so dass der Rand des Erreichbarkeitsgebiets 28 nicht erreicht werden würde, wie es zunächst gefordert ist. Daher werden auf den Abschnitten verschiedene Geschwindigkeiten als weitere logische Punkte Pi zugelassen, z.B. mit 80%, 70%, 60%, 50%, 40% und 30% der erreichbaren Maximalgeschwindigkeit. Die Geschwindigkeiten liegen im Wesentlichen in den bevorzugten Zonen aus 4, jedoch nicht nur. Der Etappenzeitraum bleibt für alle Punkte Pi gleich.
  • Verglichen mit dem Beispiel aus 3 wird das Positionsgitter 30, das festgelegte geografische Positionen beinhaltet, durch ein geometrisch unregelmäßiges Gitter ersetzt, bei dem die Gitterpositionen, die in 9 wieder als Punkte dargestellt sind, jedoch stets geradlinig erreicht werden. Ansonsten können die Schritte aus dem vorherigen Verfahren übernommen werden, entweder mit Rekursion und/oder mit hierarchischer Berechnung und/oder Elementen anderer Optimierungsalgorithmen.
  • Eine weitere, in allen bisher beschriebenen Verfahren mögliche und vorteilhafte Methode besteht darin, die gewünschte Route mehrmals zu berechnen, jedoch mit stets kleiner werdenden Etappenzeiträumen. Die Route wird also zunächst nur grob und dann immer feiner berechnet.
  • Die Route kann also in einem ersten Berechnungsdurchgang mit einem ersten Etappenzeitraum für alle Etappen und in einem zweiten Berechnungsdurchgang mit einem kleineren Etappenzeitraum für alle Etappen durchgeführt werden. In einem dritten Berechnungsdurchgang kann der Etappenzeitraum für alle Etappen weiter verringert werden. Die Methode der einander nachfolgenden Berechnungsvorgänge mit einer erst groben und dann feineren Routenstruktur kann selbstverständlich auch angewendet werden, wenn die Etappenzeiträume nicht für alle Etappen gleich lang sind, sondern beispielsweise für weiter in der Zukunft liegende Etappen länger sind als für zukünftig nahe Etappen. Der Etappenzeitraum kann beispielsweise von Berechnungsdurchgang zu Berechnungsdurchgang um einen vorbestimmten Faktor verringert werden oder nach einem anderen Algorithmus verändert, insbesondere verkleinert werden.
  • Bei jedem Berechnungsdurchgang wird eine optimale Route mit einem entsprechenden Energieertrag bestimmt. Je kleiner die Etappenzeiträume gewählt werden, desto aufwändiger wird die Routenberechnung, da mehr Etappen Ei zu berechnen sind. Von Durchgang zu Durchgang werden die Routen auch unterschiedlich aussehen. Mit großer Wahrscheinlichkeit werden sich die Routen jedoch mit wachsender Zahl der Durchgänge aneinander annähern und die Routenenergien der einzelnen Optimalrouten werden sich an einen Energiewert annähern. Sobald daher die Abweichung der Routenenergien aneinander nachfolgender Berechnungsdurchgänge unter einen Grenzwert sinkt, beispielsweise von drei nachfolgenden Durchgängen, kann die Verkleinerung der Etappenzeiträume abgebrochen und die Berechnung beendet werden.
  • Die Methode der einander nachfolgenden Berechnungsdurchgänge, insbesondere mit kürzer werdenden Etappenlängen, kann auch für das Verfahren aus den 3 bis 8 verwendet werden. So kann beispielsweise bei beiden Verfahren eine Etappenlänge von zunächst 48 Stunden auf 24 Stunden, 18 Stunden, zwölf Stunden, zehn Stunden, acht Stunden, sechs Stunden, vier Stunden, zwei Stunden, einer Stunde, 30 Minuten, 15 Minuten, 5 Minuten, 1 Minute im jeweils nachfolgenden Berechnungsdurchgang verringert werden. Selbstverständlich sind auch andere Größenordnungen und Zahlenverhältnisse möglich. Im Bezug auf das erstgenannte Verfahren besteht auch die Möglichkeit, die Gitterweite des Positionsgitters in einem ersten Berechnungsdurchgang gröber zu gestalten als in einem nachfolgenden Berechnungsdurchgang und in jeweils nachfolgenden Berechnungsdurchgängen wiederum enger auszuführen.
  • Weitere Möglichkeiten der Routenoptimierung liegen in statistischen Methoden, mit beispielsweise Monte Carlo Algorithmen, Ameisenalgorithmen oder anderen Ausführungen von physikalischen, mathematischen, neuronalen, numerischen, lokalen, globalen, linearen und nicht-linearen Optimierungsalgorithmen und deren Kombinationen. Im Folgenden wird zu 10 ein Ausführungsbeispiel einer solchen statistischen Berechnungsmethode dargestellt.
  • 10 zeigt mehrere Routen 16 analog zu 2, ausgehend von einem Startpunkt 18 und endend in einem Zielpunkt 20, der im gezeigten Ausführungsbeispiel im Startpunkt 18 liegt, was jedoch nicht zwingend notwendig ist. Unter Einhaltung vorgegebener Randbedingungen, wie Start- und Zielpunkt 18, 20, Schiffseigenschaften und beispielsweise maximaler Routendauer wird eine beliebige Route, beispielsweise eine der gezeigten Route 16, erzeugt und deren Energieertrag wird berechnet. Die Route 16 ist in Abschnitte unterteilt, deren Energieertrags jeweils berechnet und zur Routenenergie summiert wird.
  • Generell werden nach dem Zufallsprinzip eine Vielzahl von Routen 16 erzeugt, die von der ersten Route 16 abweichen und nach dem Zufallsprinzip geformt sein können – unter Berücksichtigung der Randbedingungen. Die Werte der Formparameter sowie die auf der Route gefahrenen Geschwindigkeiten können statistisch gewählt sein. Diese Parameter werden zu dem jeweiligen Routenenergieertrag abgespeichert, beispielsweise in einem mehrdimensionalen Diagramm, indem die Routenenergie gegen die entsprechenden Parameter aufgetragen wird.
  • Mit wachsender Anzahl der unregelmäßig verteilten Punkte auf diesem Diagramm bilden sich lokale Maxima heraus, die auf vorteilhafte Parameterwerte hindeuten. In der Regel wird sich sogar ein absolutes Maximum herausbilden. Erreicht die Punktdichte im Bereich des Maximums oder der Maxima einen Grenzwert, schwankt also der Routenertrag in Abhängigkeit von den Parametern in diesem Maximum unterhalb eines Grenzwerts, so kann die optimale Route ausgewählt werden. Sie ist beispielsweise diejenige mit dem maximalen Energieertrag in kürzester Zeit, beziehungsweise einem Zielertrag in kürzester Zeit.
  • Bei allen genannten Verfahren ist es vorteilhaft, einen zeitlich möglichst gleichmäßigen Energieertrag als eine Randbedingung anzustreben. Ausgehend von 6, 9 oder 10 kann beispielsweise diejenige Route gewählt werden, bei der die Gleichmäßigkeit des Ertrags pro Abschnitt einen Grenzwert überschreitet beziehungsweise die zeitliche Fluktuation des Energieertrags einen Grenzwert unterschreitet. Selbstverständlich ist es vorteilhaft, die Ertragsrate, also der Energieertrag pro Zeit, nahe einer vorgegebenen Ertragsrate, beispielsweise einer optimalen Ertragsrate, zu wählen. Auf diese Weise kann die Belastung des Schiffs durch übermäßige Spitzen gering gehalten und dennoch ein hoher Energieertrag in verhältnismäßig geringer Zeit erreicht werden. Die vorbestimmte optimale Ertragsrate liegt hierbei zweckmäßigerweise unterhalb einer maximalen Ertragsrate, die jedoch üblicherweise mit einer erhöhten Belastung des Wasserfahrzeugs einhergeht und daher als Dauerbelastung vermieden werden sollte. Der Algorithmus optimiert also entsprechend den gewünschten Ertrag mit der höchsten Wahrscheinlichkeit unter Minimierung aller Betriebsrisiken.
  • Allen Ausführungsbeispielen ist es auch gemein, dass für alle Abschnitte zwingend Randbedingungen eingehalten werden, die die Sicherheit des Wasserfahrzeugs 2 beziehungsweise für dessen Besatzung gewährleisten sollen. Solche Randbedingungen können das Vermeiden von zu starken Winden, zu hartem am Wind Segeln, zu hohem Wellengang und/oder andere Kriterien sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Wasserfahrzeug
    4
    Energiewandler
    6
    Strömungsmaschine
    8
    Verbindung
    10
    Energiewandler
    11
    Versorgungseinheit
    12
    Energiespeicher
    14
    Steuereinheit
    16
    Route
    18
    Startpunkt
    20
    Zielpunkt
    22
    Meer
    24
    Abschnitt
    26
    Küste
    28
    Erreichbarkeitsgebiet
    30
    Positionsgitter
    32
    Wind
    34
    Wellen
    36
    Strömung
    42
    Programmstart
    44
    Bibliotheken laden, Voreinstellungen
    46
    Festlegen Routenparameter
    48
    Festlegen Schiffsparameter
    50
    Laden von meteorologischen Daten
    52
    Aufruf „Abschnittsberechnung“
    54
    Ausgabe Route
    56
    Programmende
    58
    Programmstart
    60
    Prüfung ob vorhergehende Berechnung vorhanden
    62
    Programmende
    64
    Aufruf „Abschnittsenergieberechnung“
    66
    Programmstart
    68
    Liste: Abschnitte des Erreichbarkeitsgebiets
    70
    Laden Berechnungsparameter
    72
    Position unzulässig
    74
    Entferne unzulässige Position aus Liste
    76
    Berechnung der Energieerträge der Abschnitte
    78
    Zuordnung von Abbruch-/Rückkehrparameter zu Abschnitt
    80
    Programmende
    82
    Liste aller Abschnitte eines Abschnittsbündels
    84
    Rekursiver Aufruf „Abschnittsberechnung“
    86
    Berechnung Energiesumme
    88
    Zwischenspeichern der Erträge der Abschnitte
    90
    Prüfung ob Energiesumme maximal ist
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007019027 A1 [0003]

Claims (15)

  1. Verfahren zum Speichern von Energie auf einem Wasserfahrzeug (2), bei dem während der Fahrt des Wasserfahrzeugs (2) Energie eingetragen und auf dem Wasserfahrzeug (2) gespeichert wird, Umgebungszustände des Wasserfahrzeugs (2) erfasst werden, zukünftige Energieerträge auf einer Vielzahl von Routen (16) in Abhängigkeit von den Umgebungszuständen bestimmt werden, eine Route (16) in Abhängigkeit der Energieerträge ausgewählt und das Wasserfahrzeug (2) auf dieser Route (16) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Routen (16) jeweils mehrere Abschnitte (24) enthalten und die Energieerträge der einzelnen Abschnitte (24) unter Berücksichtigung der Ausrichtung des jeweiligen Abschnitts (24) zu zumindest einem Umgebungszustand am Ort des Abschnitts (24) bestimmt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungszustände zukünftige Wetter- und Wasserzustände umfassen, die aus historischen Wettersituationen abgeleitet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerträge von Abschnitten (24) mit Wahrscheinlichkeiten verbunden sind, die bei der Berechnung der Gesamtenergie einer Route (16) einbezogen werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Routen (16) in einer logischen Baumstruktur angeordnet werden, die Energieerträge der einzelnen Abschnitte (24) rekursiv bestimmt und einander nachfolgende Abschnitte als Rekursionsschritte verwendet werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Etappenzeitraum von einem Etappenanfang bis zum Etappenende festgelegt wird und die Abschnitte eine Fahrstrecke vom Etappenanfang bis zum Etappenende beinhalten.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerträge einer Vielzahl von an einem Startpunkt (18) beginnenden Routen (16) mit einem ersten Berechnungsraster und nachfolgend von am gleichen Startpunkt (18) beginnenden Routen (16) mit einem zweiten Berechnungsraster berechnet werden, das enger ist, als das erste Berechnungsraster.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Festlegung aller Abschnitte (24) einer Etappe (E) ein Erreichbarkeitsgebiet (28) bestimmt wird, das alle Gebiete umfasst, die für das Wasserfahrzeug (2) ausgehend von einem Etappenstartpunkt (18) innerhalb eines vorbestimmten Etappenzeitraums erreichbar sind.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dass auch solche Abschnittsendpunkte berücksichtig werden, die nur bei einer Fahrt unter Motor und ohne Energieeintrag erreichbar sind.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnittsstartpunkte und Abschnittsendpunkte der Abschnitte (24) in einem vorgegebenen Positionsgitter (30) liegen.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Energiezwischenwerte einer Route (16) gespeichert und bei der Energiebestimmung teilweise identisch verlaufender Routen (16) verwendet werden.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Streckenführung eines Abschnitts (24) Vorzugsrichtungen bestimmt werden und die Fahrstrecke des Abschnitts (24) aus Unterabschnitten in verschiedenen Vorzugsrichtungen zusammengesetzt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Abschnitt (24) ein Rückkehrparameter ausgewertet und das Ergebnis bei der Auswahl der Route (16) einbezogen wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkehrparameter einen Füllstand eines Energiespeichers (12) auf dem Wasserfahrzeug (2), eine Entfernung und Richtung zu einem vorgegebenen Entladeort und Umgebungszustände zwischen dem Standort des Wasserfahrzeugs (2) und der Entladeort enthält.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkehrparameter zur Einschränkung eines Berechnungsraums verwendet wird.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Route (16) ermittelt wird, auf der das Wasserfahrzeug (2) ein Routenziel mit einem vorgegebenen Routenergebnis erreicht sowie die Zeit, die es hierfür benötigt, und dass die Berechnung anderen Routen (16), die zum Erreichen des Routenziels mit dem gleichen Routenergebnis länger brauchen, abgebrochen wird.
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