DE102018010138A1

DE102018010138A1 - Energieversorgungs- und -verteilungseinheit für eine Scrubberanlage eines mit einer mit Schweröl betriebenen Antriebsvorrichtung ausgerüsteten Schiffes oder Wasserfahrzeugs

Info

Publication number: DE102018010138A1
Application number: DE102018010138.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2020-07-02

Abstract

Eine Energieversorgungs- und -verteilungseinheit für eine Scrubberanlage eines mit einer mit Schweröl betriebenen Antriebsvorrichtung (9) ausgerüsteten Schiffs oder Wasserfahrzeugs dient dazu, alle Pumpenmotoren und weitere Verbraucher der Scrubberanlage mit elektrischer Energie zu versorgen. Um den angesichts erhöhter Anforderungen an den Umweltschutz teilweise erheblich steigenden Energiebedarf für den Betrieb von Scrubberanlagen mit einem möglichst geringen Aufwand befriedigen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Energieversorgungs- und -verteilungseinheit (1) einen geregelten Gleichspannungszwischenkreis (2), der eingangsseitig mittels zumindest eines Umrichters (3) an eine der elektrischen Versorgung eines Bordnetzes (10) und weiterer Schiffs- oder Wasserfahrzeugverbraucher (11) dienenden Wechselspannungsversorgungsschiene (8) des Schiffs oder Wasserfahrzeugs anschließbar und der ausgangsseitig mittels jeweils eines vorzugsweise bidirektionalen Wechselrichters (4, 5) an jeweils einen Pumpenmotor (6) und an die weiteren Verbraucher (7) der Scrubberanlage anschließbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Energieversorgungs- und -verteilungseinheit für eine Scrubberanlage eines mit einer mit Schweröl betriebenen Antriebsvorrichtung ausgerüsteten Schiffes oder Wasserfahrzeugs, mittels der alle Pumpenmotoren und weitere Verbraucher der Scrubberanlage mit elektrischer Energie versorgbar sind.
Da die meisten Schiffe als Treibstoff Schweröl verwenden, entstehen im Umfeld dieser Schiffe hohe Emissionen an Schwefeldioxid. Gerade in küstennahen Gebieten stellen diese Emissionen eine hohe Belastung für die Menschen und die Umwelt dar. Die International Maritime Organization hat hierauf reagiert und die Grenzwerte für den Schwefelanteil im Treibstoff deutlich herabgesetzt: Weltweit darf dieser ab 2020 nur noch 0,5 % betragen; in der Nord- und Ostsee sowie an den Küsten vor Nordamerika gilt bereits seit 2015 ein Grenzwert von 0,1 %.
Aufgrund dieser steigenden Anforderungen an die Umweltverträglichkeit auch im Schiffsverkehr werden an das Abgas der Antriebsvorrichtungen von Schiffen stetig steigende Anforderungen gestellt. Dies gilt außer für den NO_x-Gehalt insbesondere auch für den SO_x-Gehalt des Abgases. Um den entsprechenden Anforderungen insbesondere hinsichtlich der SO_x-Werte zu genügen, sind Abgasreinigungsanlagen bzw. Scrubberanlagen erforderlich. Diese Scrubber kühlen zunächst die Abgase auf ca. 60 Grad C. Danach werden die Abgase in einem Waschturm gewaschen, in dem mittels Meerwasser und ggf. eines Stoffes wie z.B. Natriumhydrogencarbonat, die sauren Anteile, insbesondere die Schwefeloxide, des Rauch- bzw. Abgases absorbiert werden. Die Entsorgung des bei diesem Vorgang anfallenden Waschwassers erfolgt entweder durch direkte Verklappung im Meer oder durch Umpumpen des Waschwassers in Ballastwassertanks. Im ersten Fall handelt es sich um ein offenes, im zweiten Fall um ein geschlossenes System.
Durch den Einbau derartiger Scrubberanlagen werden die Schwefelemissionen aus den Abgasen gereinigt und die strengen Umweltschutzvorgaben verbindlich eingehalten. Die Scrubberanlagen waschen das durch die Treibstoffverbrennung entstehende Rauchgas und können platzsparend entsprechend der Single-Line-Bauweise im Kamin der Hauptmaschine oder gemäß der Multi-Stream-Variante an mehreren Komponenten des Schiffes, z.B. am Hauptmotor, an den Hilfsmaschinen, am Kessel, eingebaut werden. Dabei können sowohl offene (Open-Loop), geschlossene (Closed-Loop) und Hybrid-Verfahren zum Einsatz kommen.
Bei vielen Schiffen kommen solche Abgasreinigungs- bzw. Scrubberanlagen nicht nur in Verbindung mit den Hauptantriebsmaschinen der Schiffe zum Einsatz sondern auch für die Hilfsmaschinen zum Antrieb der elektrischen Generatoren. Denn bei entsprechend großen Schiffen sind auch diese so groß (etwa 2 bis 5 MW), dass sie ebenfalls wirtschaftlich nur mit dem gleichen Schweröl wie die Hauptmaschinen betrieben werden können. Entsprechend müssen die Abgasreinigungs- bzw. Scrubberanlagen auch in Betrieb sein, wenn die Energieversorgungssysteme der Schiffe im Hafenbetrieb laufen, um hierbei die vorgegebenen Abgasgrenzwerte einzuhalten.
Derartige Abgasreinigungs- bzw. Scrubberanlagen haben einen enormen Bedarf an elektrischer Energie, der bei großen Schiffen 2 MW oder mehr betragen kann. Dies geht insbesondere auf den Betrieb der Pumpen, bei denen es sich z.B. um Kühlwasser- und Wäscherpumpen handeln kann, zurück. Das vorhandene Bordnetz derartiger Schiffe und Wasserfahrzeuge ist auf derartige Zusatzbelastungen, die aufgrund der erhöhten Anforderungen an die Abgasreinigung entstehen, nicht ausgelegt.
Aus dem Stand der Technik sind zur Lösung dieses Problems komplexe Systeme bekannt, zu denen eine vergleichsweise große Anzahl dezentraler Umrichter, eine neue Verkabelung und eine neue Steuerung gehören, wobei hierdurch nicht nur ein erheblicher wirtschaftlicher Aufwand entsteht, sondern darüber hinaus auch hohe Unsicherheitsfaktoren beim späteren Betrieb, da bei dem Um- bzw. Einbau der zusätzlich erforderlichen Bauteile Fehler auftreten können.
Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Energieversorgungs- und -verteilungseinheit für eine Scrubberanlage eines mit einer mit Schweröl betriebenen Antriebsvorrichtung ausgerüsteten Schiffs oder Wasserfahrzeugs zur Verfügung zu stellen, die mit einem vergleichsweise geringen technisch-konstruktiven Aufwand installierbar ist und die darüber hinaus einen zuverlässigen und sicheren Betrieb der Scrubberanlage auch bei erheblich erhöhten Anforderungen an den Umweltschutz und die Qualität des Rauch- bzw. Abgases möglich macht. Darüber hinaus soll eine möglichst hohe Unabhängigkeit der Energieversorgungs- und -verteilungseinheit vom Bordnetz des Schiffes erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Energieversorgungs- und -verteilungseinheit gelöst, die einen geregelten Gleichspannungszwischenkreis aufweist, der eingangsseitig mittels zumindest einen Umrichters an eine der elektrischen Versorgung eines Bordnetzes und weiterer Schiffs- bzw. Wasserfahrzeugverbraucher dienenden Wechselspannungsversorgungsschiene des Schiffs oder Wasserfahrzeugs anschließbar ist und der ausgangsseitig mittels jeweils eines vorzugsweise bidirektionalen Wechselrichters an jeweils einen Pumpenmotor und an die weiteren Verbraucher der Scrubberanlage anschließbar ist.
Die erfindungsgemäße Energieversorgungs- und -verteilungseinheit ist unmittelbar an die Wechselspannungsversorgungsschiene des Schiffs bzw. Wasserfahrzeugs anschließbar, in die die Generatoren des Schiffs bzw. Wasserfahrzeugs elektrische Energie einspeisen. Im Gegensatz zum Bordnetz des Schiffs bzw. Wasserfahrzeugs ist dessen Wechselspannungsversorgungsschiene mit Reserveleistung ausgestattet. Entsprechend ist der Umrüstbedarf bei Einsatz der erfindungsgemäßen Energieversorgungs- und -verteilungseinheit erheblich reduziert. Die erfindungsgemäße Energieversorgungs- und -verteilungseinheit ist mit geringem technisch-konstruktiven Aufwand so auslegbar, dass ggf. später auch Zusatzanlagen, wie z.B. eine zu ergänzende Ballastwasserreinigungsanlage, daran angeschlossen werden können, ohne nochmals große Veränderungen im Bordnetz vornehmen zu müssen.
Um die mit der erfindungsgemäßen Energieversorgungs- und -verteilungseinheit ausgerüstete Scrubberanlage mit einem möglichst geringen Aufwand an unterschiedliche Anforderungsprofile und Schwerölqualitäten anpassen zu können, ist es vorteilhaft, wenn jedem Pumpenmotor eine Drehzahlregelung zugeordnet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Energieversorgungs- und -verteilungseinheit hat diese eine der Drehzahlregelung zugeordnete Steuervorrichtung, mittels der die Pumpenmotoren derart steuerbar sind, dass die Brennkraftmaschinen der mit Schweröl betriebenen Antriebsvorrichtung Abgaswerte aufweisen, deren Parameter vorgebbare Grenzwerte einhalten.
Zweckmäßigerweise wird im Betrieb der der Drehzahlregelung zugeordneten Steuervorrichtung eine Fahrgeschwindigkeit des mit der Energieversorgungs- und -verteilungseinheit ausgerüsteten Schiffes und/oder die Anzahl der in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschinen der mit Schweröl betriebenen Antriebsvorrichtung berücksichtigt.
Mittels des zumindest einen eingangsseitigen Umrichters der erfindungsgemäßen Energieversorgungs- und -verteilungseinheit kann Blindstromkompensation in der Wechselspannungsversorgungsschiene realisiert werden, wenn dieser zumindest eine eingangsseitige Umrichter als AFE (Active Front End)-Umrichter ausgebildet ist. Wird dieser Umrichter mit einem Leistungsfaktor (cos phi 1) betrieben, kann der Gesamtwirkungsgrad des Bordnetzes erheblich verbessert werden.
Vorteilhaft wird im Gleichspannungszwischenkreis der erfindungsgemäßen Energieversorgungs- und -verteilungseinheit ein Spannungsniveau von ca. 1 kV eingehalten.
Zweckmäßigerweise stellt der den weiteren Verbrauchern der Scrubberanlage zugeordnete Wechselrichter ausgangsseitig ein Wechselspannungsniveau von ca. 440 oder 690 V zur Verfügung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Energieversorgungs- und -verteilungseinheit sind deren einzelne Bauteile als standadisierte Modulbauteile ausgebildet. Hierdurch ergeben sich für die erfindungsgemäße Energieversorgungs- und -verteilungseinheit erhebliche Vorteile bei deren Anpassung an unterschiedlichste Anforderungsprofile und Einbausituationen.
Vorteilhaft ist die Energieversorgungs- und -verteilungseinheit des Weiteren mit einer Diagnoseeinheit versehen, in der die Betriebsdaten der Energieversorgungs- und -verteilungseinheit abspeicherbar sind und die fernzugriffsfähig ist. Hierbei ergeben sich hinsichtlich der Wartung, Überwachung etc. der Energieversorgungs- und -verteilungseinheit erhebliche Vorteile.
Die erfindungsgemäße Energieversorgungs- und -verteilungseinheit hat einen vergleichsweise geringen Platzbedarf und besteht aus einer vergleichsweise geringen Anzahl von Komponenten bzw. Bauteilen. Entsprechend ist der Verkabelungsaufwand vergleichsweise gering, wobei sich darüber hinaus auch ein vergleichsweise geringes Gesamtgewicht der Energieversorgungs- und -verteilungseinheit ergibt.
Dadurch, dass quasi keine Einbaufehler auftreten können und dass der Verkabelungsaufwand erheblich reduziert ist, ergibt sich ein vergleichsweise geringes Risiko beim Betrieb der Energieversorgungs- und -verteilungseinheit. Die Montagezeiten sind im Vergleich zum Stand der Technik erheblich reduziert. Aufgrund des unmittelbaren Anschlusses der Energieversorgungs- und -verteilungseinheit an die Wechselspannungsversorgungsschiene des Schiffs bzw. Wasserfahrzeugs ist der Betrieb der Scrubberanlage unabhängig vom Bordnetz des Schiffs oder Wasserfahrzeugs. Mittels der erfindungsgemäßen Energieversorgungs- und -verteilungseinheit wird ausreichend Kapazität zur Verfügung gestellt, um ein zunächst offenes System später in ein geschlossenes System umzuwandeln, wobei die dann erforderlichen Pumpen zur Umpumpung des Waschwassers in Ballastwassertanks unmittelbar implementiert werden können.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieversorgungs- und -verteilungseinheit für eine Scrubberanlage eines mit einer mit Schweröl betriebenen Antriebsvorrichtung ausgerüsteten Schiffes oder Wasserfahrzeugs zeigt.
Ein in der einzigen Figur gezeigtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieversorgungs- und -verteilungseinheit 1 hat einen Gleichspannungszwischenkreis 2, einen eingangsseitig des Gleichspannungszwischenkreises 2 angeordneten Umrichter 3 und ausgangsseitig des Gleichspannungszwischenkreises 2 angeordnete Wechselrichter 4, 5, von denen die Wechselrichter 4, von denen mehrere vorgesehen sind, jeweils einem Pumpenmotor 6 der im Einzelnen nicht dargestellten Scrubberanlage und der Wechselrichter 5 weiteren Verbrauchern 7 der Scrubberanlage zugeordnet sind.
Mittels des eingangsseitig des Gleichspannungszwischenkreises 2 angeordneten Umrichters 3 ist die Energieversorgungs- und -verteilungseinheit 1 bzw. deren Gleichspannungszwischenkreis 2 an eine Wechselspannungsversorgungsschiene 8 des Schiffes oder Wasserfahrzeugs angeschlossen. Diese Wechselspannungsversorgungsschiene 8 des Schiffes oder Wasserfahrzeugs versorgt des Weiteren eine Antriebsvorrichtung 9, ein Bordnetz 10 und weitere Schiffs- bzw. Wasserfahrzeugverbraucher 11, 12 mit elektrischer Energie. Die Wechselspannungsversorgungsschiene kann auf einem Mittelspannungsniveau von 6,6 kV betrieben werden und wird von Generatoren 12 mit elektrischer Energie gespeist, die ihrerseits von Brennkraftmaschinen 13 angetrieben werden.
Der Umrichter 3 der Energieversorgungs- und -verteilungseinheit 1 ist über einen Transformator 14 an die Wechselspannungsversorgungsschiene 8 angeschlossen, mittels dem das Mittelspannungsniveau von 6,6 kV im dargestellten Ausführungsbeispiel auf ein Spannungsniveau von 690 V erniedrigt wird. Im Gleichspannungszwischenkreis 2 der Energieversorgungs- und -verteilungseinheit 1 liegt ein Gleichspannungsniveau von 1 kV vor.
Im Gegensatz zum Bordnetz 10 des Schiffs bzw. Wasserfahrzeugs ist die Wechselspannungsversorgungsschiene 8 üblicherweise mit einer Reserveleistung ausgestattet. Entsprechend ist der technologische Aufwand für die Umrüstung, wenn die Energieversorgungs- und -verteilungseinheit 1 für eine Scrubberanlage zum Einsatz kommen soll, vergleichsweise gering.
Der Umrichter 3 der Energieversorgungs- und -verteilungseinheit 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als AFE (Active Front End)-Umrichter 3 ausgestaltet. Mittels dieses AFE-Umrichters 3 kann in der Wechselspannungsversorgungsschiene 8 des Schiffes oder Wasserfahrzeugs Blindstromkompensation realisiert werden.
Die Pumpenmotoren 6 sind mittels der Wechselrichter 4 an den Gleichspannungszwischenkreis 2 angeschlossen, wobei jeweils ein Wechselrichter 4 einem Pumpenmotor 6 zugeordnet ist. Wie in der einzigen Figur angedeutet, ist die Anzahl der Pumpenmotoren 6 und entsprechend der den Pumpenmotoren zugeordneten Wechselrichter 4 variabel.
Mittels des Wechselrichters 5 sind die weiteren Schiffs- bzw. Wasserfahrzeugverbraucher 11 an den Gleichspannungszwischenkreis 2 angeschlossen. Der Wechselrichter 5 stellt im dargestellten Ausführungsbeispiel verbraucherseitig ein Wechselspannungsniveau von ca. 440 V zur Verfügung.
Eine in der Figur nicht dargestellte Steuerung der Energieversorgungs- und -verteilungseinheit 1 der Scrubberanlage ist im dargestellten Ausführungsbeispiel so ausgestaltet, dass die Pumpenmotoren 6 drehzahlgeregelt betreibbar sind.

Claims

Energieversorgungs- und -verteilungseinheit für eine Scrubberanlage eines mit einer mit Schweröl betriebenen Antriebsvorrichtung (9) ausgerüsteten Schiffes oder Wasserfahrzeugs, mittels der alle Pumpenmotoren (6) und weitere Verbraucher (7) der Scrubberanlage mit elektrischer Energie versorgbar sind, gekennzeichnet durch einen geregelten Gleichspannungszwischenkreis (2), der eingangsseitig mittels zumindest einen Umrichters (3) an eine der elektrischen Versorgung eines Bordnetzes (10) und weiterer Schiffs- bzw. Wasserfahrzeugverbraucher (11) dienenden Wechselspannungsversorgungsschiene (8) des Schiffs oder Wasserfahrzeugs anschließbar und der ausgangsseitig mittels jeweils eines vorzugsweise bidirektionalen Wechselrichters (4, 5) an jeweils einen Pumpenmotor (6) und an die weiteren Verbraucher (7) der Scrubberanlage anschließbar ist.
Energieversorgungs- und -verteilungseinheit nach Anspruch 1, bei der jedem Pumpenmotor (6) eine Drehzahlregelung zugeordnet ist.
Energieversorgungs- und -verteilungseinheit nach Anspruch 2, mit einer der Drehzahlregelung zugeordneten Steuervorrichtung, mittels der die Pumpenmotoren (6) derart steuerbar sind, dass Brennkraftmaschinen der mit Schweröl betriebenen Antriebsvorrichtung (9) Abgaswerte aufweisen, deren Parameter vorgebbare Grenzwerte einhalten.
Energieversorgungs- und -verteilungseinheit nach Anspruch 3, bei der im Betrieb ihrer Steuervorrichtung eine Fahrgeschwindigkeit des mit der Energieversorgungs- und -verteilungseinheit (1) ausgerüsteten Schiffes und/oder die Anzahl der in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschinen der mit Schweröl betriebenen Antriebsvorrichtung (9) berücksichtigbar ist bzw. sind.
Energieversorgungs- und -verteilungseinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 4, bei der der eingangsseitige Umrichter (3) als AFE (Active Front End)-Umrichter (3) ausgebildet ist, mittels dem Blindstromkompensation in der Wechselspannungsversorgungsschiene (8) des Schiffs oder Wasserfahrzeugs realisierbar ist.
Energieversorgungs- und -verteilungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, deren Gleichspannungszwischenkreis (2) ein Spannungsniveau von ca. 1 kV aufweist.
Energieversorgungs- und -verteilungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, deren den weiteren Verbrauchern (7) der Scrubberanlage zugeordneter Wechselrichter (5) ausgangsseitig ein Wechselspannungsniveau von ca. 440 oder 690 V zur Verfügung stellt.
Energieversorgungs- und -verteilungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, deren einzelne Bauteile (2, 3, 4, 5) als standardisierte Modulbauteile ausgebildet sind.
Energieversorgungs- und -verteilungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Diagnoseeinheit, in der die Betriebsdaten der Energieversorgungs- und -verteilungseinheit (1) abspeicherbar sind und die fernzugriffsfähig ist.