-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, Vorrichtung und Produkt eines Treibstoffbehältnis-Systems für CO2-minimierte Wasserfahrzeug-Antriebe, das Funktionsformen des Wasserfahrzeugs als Treibstoffbehältnis nutzbar macht oder diese durch Treibstoffbehältnisse nach Patentanspruch 1 ersetzt.
-
Wasserfahrzeuge, zum Beispiel Schiffe und Boote nach dem Stand der Technik, sind Fahrzeuge, die sich auf dem Wasser oder im Wasser fortbewegen können. Die Antriebsarten sind sehr unterschiedlich: Es existieren muskelkraftbetriebene Fahrzeuge, Fahrzeuge, die nur stromabwärts gelenkt werden, an einem Seil oder einer Kette vom Land aus gezogene Fahrzeuge, windbetriebene und maschinenbetriebene Fahrzeuge. Der notwendige Auftrieb wird in der Regel durch das archimedische Prinzip erzeugt, seltener mittels Tragflügel oder Turbinen und des Luftkissenprinzips.
-
Maschinenbetriebene Wasserfahrzeuge verfügen über Energiewandlersysteme unterschiedlichster Arten und Formen. Es sind Wasserfahrzeuge bekannt, die mit Verbrennungskraftmaschinen oder Strömungsmaschinen betrieben werden und den dafür benötigten Brennstoff in Behältnissen an Bord mitführen. Es sind weiterhin bekannt Wasserfahrzeuge, die mit Elektromotoren betrieben werden, die benötigte Energie wird zum Beispiel von einem Brennstoffzellensystem bereitgestellt, deren Treibstoff an Bord mitgeführt wird. Ferner existieren nuklearbetriebene Wasserfahrzeuge deren zum Beispiel Druckwasserreaktoren zum Beispiel Dampf für Dampfturbinen erzeugen. Die Dampfturbine treibt den Propeller an.
-
Ebenfalls bekannt sind Kombinationen aus zum Beispiel Wind- und Maschinenantrieb für unterschiedliche Betriebsarten und Betriebsbedingungen.
-
Treibstoffbehältnisse beinhalten in der Regel nur den Treibstoff und dienen keinem anderen Zweck an Bord des Wasserfahrzeugs.
-
WO002015113886A1 zu einem Treibstofftank an Bord eines Schiffs: „Die Erfindung betrifft ein Schiff mit mindestens einem Deckshaus als Decksaufbau, wobei ein Maschinenraum mit mindestens einer Antriebsmaschine vorgesehen ist und mindestens ein Treibstofftank für Flüssiggas vorhanden ist. Der Treibstofftank für Flüssiggas ist im Bereich des Deckshauses oder eines Decksaufbaus unterhalb des Hauptdecks des Schiffes vorgesehen. Unter sicherheitstechnischen Gesichtspunkten, einer guten Frachtraumnutzung und auch der Möglichkeit einer Nachrüstung eines Treibstofftanks für Flüssiggas ist vorgesehen, den Treibstofftank insbesondere als C-Tank in einem Treibstoffraum anzuordnen, der benachbart zum Maschinenraum vorgesehen ist, wobei der Anschlussdom des Treibstofftanks in dem zum Treibstoffraum benachbarten Gasbetriebsraum anschlussmäßig verbunden ist.“
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Treibstoffbehältnis-System für CO2-minimierte Wasserfahrzeug-Antriebe.
-
Ein Wasserfahrzeug-Antrieb besteht dabei aus mindestens einem Energiewandlersystem, das die im Treibstoff gespeicherte chemische Energie in mechanische Energie zum Antrieb wandelt, mindestens einem Treibstoffbehältnis-System, mit dessen Hilfe das Energiewandlersystem mit Treibstoff versorgt wird, mindestens einer Antriebseinheit mit oder ohne Kupplungseinheit und mit oder ohne Getriebeeinheit, die die bereitgestellte Energie zum Antrieb des Wasserfahrzeugs durch zum Beispiel eine/n Schraube/Propeller in Wasser nutzt. Mittels mindestens einer Regel-/Steuerungseinheit wird ein solches System geregelt/gesteuert. Die einzelnen Bauteile, Komponenten, Systeme und/oder Subsysteme sind funktionsrelevant miteinander verbunden und/oder vernetzt.
-
Treibstoffbehältnisse dieses Systems können Ein- oder Mehr-Kammer-Systeme sein, deren Formen unterschiedlich sein können und deren Kammern unterschiedliche Stoffe in unterschiedlichen Zuständen, die im Wesentlichen definiert sind durch Druck, Temperatur und Dichte, beinhalten können.
-
In 1 (1) ist eine schematische Abbildung einer beispielhaften Umsetzung des Treibstoffbehältnis-Systems für CO2-minimierte Wasserfahrzeug-Antriebe in zum Beispiel einem Katamaran dargestellt. Die Treibstoffbehältnisse (1) sind als Auftriebskörper des Katamarans ausgeführt. Das System verfügt über ein Energiewandlersystem, zum Beispiel mit Brennstoffzelle (2), das auf dem Deck des Wasserfahrzeugs (3) montiert ist und mittels Wasserstoffleitungen (8) mit Wasserstoff versorgt wird. Die Unterseite der Treibstoffbehältnisse jeweils mit einem Schwert (4) versehen. Der Mast (5) ist in diesem Beispiel auch als Treibstoffbehältnis ausgeführt. Das Antriebssystem besteht aus einer Antriebseinheit, zum Beispiel elektrischer Außenbordmotor (6), für den motorbetriebenen Fahrzustand. Die Antriebseinheit, zum Beispiel elektrischer Außenbordmotor (6), ist mittels einer elektrischen Leitung (7) mit dem Energiewandlersystem, zum Beispiel mit Brennstoffzelle (2), verbunden.
-
In 2 sind in einer Prinzipdarstellung beispielhafte Systemkomponenten und -bauteile in ihrer Vernetzung dargestellt. Das dargestellte System verfügt über einen Energiewandler, zum Beispiel Brennstoffzelle (9), die mittels einer Zuleitung für Luft (17) und einer Wasserstoffleitung (8) gespeist wird, ein Energiezwischenspeichersystem, zum Beispiel Sekundärbatterie inklusive Batterie-Management-System (10), eine zentrale Regel-/Steuerungseinheit inklusive Regel-/Steuerungsprogramm (11), einen Elektromotor (12) mit Kupplungseinheit (15) und Getriebeeinheit (16) und inklusive Welle und Propeller zum motorbetriebenen Antrieb, Bordsysteme (13) wie zum Beispiel Beleuchtung, Funk etc. und Leistungselektronik, zum Beispiel Wechselrichter (14). Energiewandler, zum Beispiel Brennstoffzelle (9), Energiezwischenspeichersystem, zum Beispiel Sekundärbatterie inklusive Batterie-Management-System (10), Elektromotor (12) und Bordsysteme (13) sind jeweils mit der zentralen Regel-/Steuerungseinheit inklusive Regel-/Steuerungsprogramm (11) vernetzt. Die Komponenten sind funktionsrelevant verbunden/vernetzt, wie der Abbildung zu entnehmen ist. Der Energiewandler, zum Beispiel Brennstoffzelle (9), ist mit dem Energiezwischenspeichersystem, zum Beispiel Sekundärbatterie inklusive Batterie-Management-System (10), den Bordsystemen (13) und dem Elektromotor (12) verbunden. Das Energiezwischenspeichersystem, zum Beispiel Sekundärbatterie inklusive Batterie-Management-System (10) ist mit Bordsystemen (13) und Elektromotor (12) verbunden.
-
In 3 ist in einer Prinzipdarstellung eine beispielhafte Umsetzung des Treibstoffbehältnis-Systems für CO2-minimierte Wasserfahrzeug-Antriebe in einem Schlauchboot dargestellt. Dazu wird der Auftriebskörper eines zum Beispiel Schlauchboots mindestens teilweise aus einem Treibstoffbehältnis (18) dargestellt. Das Boot verfügt außerdem über mindestens ein Energiewandlersystem (19), bestehend aus einem Brennstoffzellensystem, einem Energiezwischenspeichersystem, zum Beispiel Akkumulator inklusive Batterie-Management-System, und einer Antriebseinheit, zum Beispiel elektrischer Außenbordmotor (20), die von dem Energiewandlersystem (19) mit Energie versorgt wird. Wasserstoffleitungen (21) verbinden die Treibstoffbehältnisse (18) mit dem Energiewandlersystem (19).
-
In 3 ist ein beispielhafter Schnitt A-A durch ein Treibstoffbehältnis dargestellt. Der Schnitt A-A wird in 4 und 5 näher beschrieben.
-
In 4 ist der Schnitt A-A in einer Prinzipdarstellung für eine beispielhafte Ausführung des Auftriebskörpers als Mehr-Kammer-Treibstoffbehältnis mit innenliegendem Treibstofftank dargestellt. Der Auftriebskörper besteht in diesem Fall aus einer äußeren Kammer beziehungsweise äußerem Raum (22) und einer inneren Kammer beziehungsweise innerem Raum (23). In der äußeren Kammer beziehungsweise dem äußeren Raum (22) befindet sich ein Gas(-gemisch), zum Beispiel Luft, die innere Kammer beziehungsweise der innere Raum (23) stellt in diesem Fall das eigentliche Treibstoffbehältnis dar und beinhaltet den Treibstoff (24). Eine Druckminderer-/Ventileinheit (25) ermöglicht eine Befüllung/Entleerung der unterschiedlichen Kammern (vgl. 6). An der Innenwand der äußeren Kammer beziehungsweise des äußeren Raumes (22) befinden sich Lager für die innere Kammer beziehungsweise den inneren Raum (26). Der Schnitt B-B ist ein Querschnitt durch ein Mehr-Kammer-Treibstoffbehältnis. Eine Detailansicht des Domdeckels (27) ist in 6 dargestellt.
-
In 5 ist der Schnitt A-A in einer Prinzipdarstellung für eine beispielhafte Ausführung des Auftriebskörpers als Ein-Kammer-Treibstoffbehältnis dargestellt. Im Inneren des Ein-Kammer-Treibstoffbehältnis befindet sich der Treibstoff (24). Eine Druckminderer-/Ventileinheit (28), ermöglicht eine Befüllung/Entleerung. Der Schnitt B-B ist ein Querschnitt durch ein Ein-Kammer-Treibstoffbehältnis.
-
In 6 ist in einer Prinzipdarstellung eine Detailansicht des Domdeckels (27) für ein ZweiKammer-System dargestellt (vgl. 4). Die äußere Kammer beziehungsweise der äußere Raum (22) wird an einem Ende mittels eines Domdeckels mit Radialdichtungskonzept nach Stand der Technik mit Innen- und Außengewinde (30) abgeschlossen. Der Domdeckel mit Radialdichtungskonzept nach Stand der Technik mit Innen- und Außengewinde (30) umfasst die Druckminderer-/Ventileinheit (25), bestehend aus Befüll-/Entleerstutzen für die innere Kammer beziehungsweise den inneren Raum (31), Befüll-/Entleerstutzen für die äußere Kammer beziehungsweise den äußeren Raum (32) und jeweils Ventileinheiten (33) und Druckminderern (34). Die Übergänge zwischen den Behältniswänden und den Bestandteilen der Druckminderer-/Ventileinheit (25) sind mittels Radialdichtungskonzept nach Stand der Technik (29) abgedichtet.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, Vorrichtung und Produkt eines Treibstoffbehältnis-Systems für CO2-minimierte Wasserfahrzeug-Antriebe darzustellen.
-
Bei einem zum Beispiel wasserstoffbetriebenen System kann in den Auftriebskörpern Wasserstoff gespeichert oder eingelagert werden. Der Wasserstoff kann als Energieträger zum Betrieb von zum Beispiel elektrischen Antriebseinheiten genutzt werden. In so einem Fall ist als Energiewandler ein Brennstoffzellensystem als Energiewandlungssystem vor dem Elektromotor mit oder ohne Getriebeeinheit und mit oder ohne Kupplungseinheit installiert.
-
Bei einem konventionellen Verbrennungsmotor kann zum Beispiel ein Brenngas, zum Beispiel Wasserstoff, direkt oder indirekt in die Brennkammern des Verbrennungsmotors eingebracht und verbrannt werden. Die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors wird nach dem Stand der Technik somit in Rotation versetzt und kann zum Beispiel über ein Getriebe eine Schraube beziehungsweise einen Propeller des Wasserfahrzeugs antreiben.
-
In einer weiteren Anwendung können zum Beispiel die Auftriebskörper eines Wasserflugzeugs als Treibstoffbehältnisse ausgelegt werden.
-
Vorteilhafterweise können in einem Wasserfahrzeug mit einem Mehrfach-Auftriebskörper-System mehrere Gase bei Überdruck gespeichert werden. Denkbar wäre für ein elektrisches Antriebssystem mit einem Brennstoffzellensystem als Energiewandler, die Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff in zum Beispiel zwei Kammern/Räume aufzuteilen, um diese im Betriebszustand zum Beispiel auch stöchiometrisch optimal dem Brennstoffzellensystem zuführen zu können.
-
Durch die geringe Dichte des zum Beispiel Wasserstoffs in Treibstoffbehältnissen ist es möglich, sie mindestens teilweise als Auftriebskörper eines Wasserfahrzeugs zu nutzen. Die äußere Hülle/Panzerung der Treibstoffbehältnisse für Gase unter Druck nach Stand der Technik gewährleistet eine ausreichende mechanische Festigkeit, um sie zum Beispiel als Auftriebskörper einzusetzen. Eine weitere Verstärkung gegen zum Beispiel mechanische Einwirkungen von außen ist ebenfalls möglich. Je nach Treibstoffart beziehungsweise - dichte, sind unterschiedliche Ausführungsformen für Auftriebskörper möglich (vgl. 4 und 5). Treibstoff (24), dessen Dichte geringer ist als die von Wasser, macht eine vollständige Darstellung eines Auftriebskörpers mittels eines Ein-Kammer-Treibstoffbehältnisses möglich (vgl. 1 und 5).
-
Ist die Dichtedifferenz zwischen Wasser und Auftriebskörper nicht so groß, dass der Auftrieb vom Auftriebskörper mit einer Kammer realisiert werden kann, ist eine Darstellung eines Auftriebskörpers mit zum Beispiel innenliegendem Treibstoffbehältnis realisierbar (vgl. 1 und 4). In der inneren Kammer beziehungsweise dem inneren Raum (23) des Auftriebskörpers ist beispielsweise der Treibstoff (24) gespeichert. In der äußeren Kammer beziehungsweise dem äußeren Raum (22) befindet sich zum Beispiel ein Gas(-gemisch). Das zum Beispiel Gas(-gemisch) erzeugt den nötigen Auftrieb und senkt die mittlere Dichte des Wasserfahrzeugs auf einen Wert, der geringer ist als die Dichte von Wasser. Damit schwimmt das Wasserfahrzeug auf der Wasseroberfläche.
-
Auch andere Funktionsformen und hier vor allem zylindrische Funktionsformen mit Hohlraum wie zum Beispiel Masten (5) können als Treibstoffbehältnisse ausgeführt werden. Die für die Auslegung von Masten im Regelfall relevante Belastung ist die Belastung auf Zug auf den äußeren Fasern. Treibstoffbehältnisse für Gase unter Überdruck sind nach Stand der Technik ebenfalls auf Zugbeanspruchung ausgelegt und können deshalb die Funktion eines Masts vor allem im Betrieb des Wasserfahrzeugs erfüllen und zugleich den Betriebsbeanspruchungen eines Treibstoffbehältnisses standhalten.
-
Eine zentrale Regel-/Steuerungseinheit inklusive Regel-/Steuerungsprogramm (11) regelt/steuert vorteilhafterweise die situationsgerechte Verteilung der vom Energiewandlersystem, zum Beispiel mit Brennstoffzelle (2), bereitgestellten Energie an zum Beispiel die Antriebseinheit, zum Beispiel elektrischer Außenbordmotor (6), die Bordsysteme (13) und/oder das Energiezwischenspeichersystem, zum Beispiel Sekundärbatterie inklusive Batterie-Management-System (10).
-
Vorteilhafterweise könnte bei einem Mehr-Auftriebskörper-System mindestens ein Ein-Raum-Treibstoffbehältnis (vgl. 5) mit mindestens einem Mehr-Raum-Treibstoffbehältnis, zum Beispiel Zwei-Raum-Treibstoffbehältnis (vgl. 4), in der Weise kombiniert werden, dass Gewichtsunterschiede zwischen den Auftriebskörpern ausgeglichen werden können. Typischerweise wäre dies möglich für Wasserstoff und Sauerstoff und für Antriebssysteme mit Brennstoffzellensystem.
-
Durch Rein-/Reinstgase (bis zu 99,998 % Reinheit) wie zum Beispiel Wasserstoff und Sauerstoff können deutlich höhere Wirkungsgrade bei der Verbrennung von zum Beispiel Wasserstoff erreicht werden und damit hocheffiziente Antriebe für Wasserfahrzeuge.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein bereits existierendes System damit ausgerüstet werden kann. Genauso wie dass ein neues System mit diesem System aufgebaut werden kann.
-
Durch die Nutzung von Auftriebskörpern und anderen Funktionsformen als Treibstoffbehältnis kann der Nutztraumanteil für zum Beispiel Passagiere oder Gepäck an Bord eines Wasserfahrzeugs gesteigert werden. Räume die bei herkömmlichen Konstruktionen für Treibstoffbehältnisse vorgesehen sind, können anderweitig genutzt werden oder die Gesamtkapazität für an Bord verfügbaren Treibstoff kann mittels des Treibstoffbehältnis-Systems für CO2-minimierte Wasserfahrzeug-Antriebe gesteigert werden. Dadurch steigen Komfort und/oder Reichweite der Wasserfahrzeuge.
-
Bei zum Beispiel Wasserflugzeugen, die mit gasförmigem Treibstoff wie zum Beispiel Wasserstoff betrieben werden, ist der Masseunterschied zwischen Startmasse und Landemasse geringer als mit herkömmlichem flüssigen Treibstoff.
-
Durch eine Kombination des Treibstoffbehältnis-Systems für CO2-minimierte Wasserfahrzeug-Antriebe mit zum Beispiel einem Brennstoffzellensystem und elektrischem Antriebsstrang, sind hocheffiziente und CO2-neutrale Wasserfahrzeuge darstellbar.
-
Somit ist eine technische Lösung angegeben für ein Treibstoffbehältnis-System für CO2-minimierte Wasserfahrzeug-Antriebe.
-
Mit anderen Worten wird die genannte Aufgabe gelöst durch die Darstellung und das Ersetzen von bekannten Funktionsformen an und/oder in Wasserfahrzeugen durch Treibstoffbehältnisse, die aufgrund ihrer Konstruktion die Funktion der bisherigen Funktionsform und eines Treibstoffbehältnisses vereinigen, zum Beispiel Auftriebskörper.
- 1 Prinzipdarstellung eines beispielhaft ausgeführten Systems in einem Katamaran
- 2 Prinzipdarstellung beispielhafter Systemkomponenten und -bauteile und deren Vernetzung
- 3 Prinzipdarstellung eines beispielhaft ausgeführten Systems in einem Schlauchboot
- 4 Prinzipdarstellung eines Querschnitts durch ein beispielhaft ausgeführtes Treibstoffbehältnis, umgeben von einem Gasgemisch und äußerer Hülle
- 5 Prinzipdarstellung eines Querschnitts durch ein beispielhaft ausgeführtes Treibstoffbehältnis
- In 6 ist in einer Prinzipdarstellung eine Detailansicht des Domdeckels
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Treibstoffbehältnis
- 2
- Energiewandlersystem, zum Beispiel mit Brennstoffzelle
- 3
- Deck des Wasserfahrzeugs, zum Beispiel Katamaran
- 4
- Schwert
- 5
- Mast
- 6
- Antriebseinheit, zum Beispiel elektrischer Außenbordmotor
- 7
- Elektrische Leitung
- 8
- Wasserstoffleitung
- 9
- Energiewandler, zum Beispiel Brennstoffzelle
- 10
- Energiezwischenspeichersystem, zum Beispiel Sekundärbatterie inklusive Batterie-Management-System
- 11
- Zentrale Regel-/Steuerungseinheit inklusive Regel-/Steuerungsprogramm
- 12
- Elektromotor
- 13
- Bordsysteme, zum Beispiel Antriebseinheit, Beleuchtung usw.
- 14
- Leistungselektronik, zum Beispiel Wechselrichter
- 15
- Kupplungseinheit
- 16
- Getriebeeinheit
- 17
- Zuleitung für Luft
- 18
- Treibstoffbehältnis
- 19
- Energiewandlersystem, zum Beispiel mit Brennstoffzelle
- 20
- Antriebseinheit, zum Beispiel elektrischer Außenbordmotor
- 21
- Wasserstoffleitung
- 22
- Äußere Kammer beziehungsweise äußerer Raum
- 23
- Innere Kammer beziehungsweise innerer Raum
- 24
- Treibstoff
- 25
- Druckminderer-/Ventileinheit
- 26
- Lager für die innere Kammer beziehungsweise den inneren Raum
- 27
- Detailansicht des Domdeckels
- 28
- Druckminderer-/Ventileinheit
- 29
- Radialdichtungskonzept nach Stand der Technik
- 30
- Domdeckel mit Radialdichtungskonzept nach Stand der Technik mit Innen- und Außengewinde
- 31
- Befüll-/Entleerstutzen für die innere Kammer beziehungsweise den inneren Raum
- 32
- Befüll-/Entleerstutzen für die äußere Kammer beziehungsweise den äußeren Raum
- 33
- Ventileinheit
- 34
- Druckminderer
-
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
-
- WO 002015113886 A1 [0006]
