DE102019107180A1

DE102019107180A1 - System zur Energieversorgung elektrisch betriebener Bergbaumaschinen

Info

Publication number: DE102019107180A1
Application number: DE102019107180.1A
Authority: DE
Inventors: Tariq Kareemulla; Volker Gliniorz; Burkhard Richthammer
Original assignee: Liebherr Mining Equipment Colmar SAS
Current assignee: Liebherr Mining Equipment Colmar SAS
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2020-09-24
Also published as: CL2021002413A1; AU2020242854A1; WO2020187904A1; US20220173612A1; CA3133119A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Energieversorgung von elektrisch betriebenen Bergbaumaschinen, das eine Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung zum Ausgeben von Strom für die Bergbaumaschinen, ein Kabelführungssystem zum Führen von mindestens einem Stromkabel von der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung an die Bergbaumaschinen, und mindestens eine Energiequelle zum energetischen Versorgen der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung umfasst, wobei die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung einen elektrochemischen Energiespeicher, eine Brennstoffzelle und einen Verbrennungsmotor-Generator aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Energieversorgung elektrisch betriebener Bergbaumaschinen. Die Bergbaumaschinen werden typischerweise in einem Tagebau bzw. einer Mine eingesetzt.
Elektrisch angetriebene Bergbaumaschinen benötigen genau wie ihre dieselbetriebenen Pendants große und konstante Energiemengen zum Ausüben ihrer Tätigkeit. Die Größe des Energiebedarfs für einen mittelgroßen elektrisch angetriebenen Hydraulikbagger liegt bei mehreren 10 Megawattstunden pro Tag.
Daher ist ersichtlich, dass die Nutzung fossiler Energieträger zur Stromerzeugung zu einem hohen Kraftstoffverbrauch führt und eine negative CO₂-Bilanz hinterlässt. Obwohl mehrere Versuche unternommen wurden, sind bisher keine gravierenden Maßnahmen ergriffen worden, um die Emissionen in den Minen, die Flotten von elektrisch angetriebenen Mining-Maschinen betreiben, deutlich zu reduzieren.
Typischerweise sind solche Mining-Maschinen bzw. Bergbaumaschinen an nicht erneuerbare Energiequellen angeschlossen, so dass deren ökologische Auswirkungen aufgrund des Verbrauchs einer großen Menge an fossilen Brennstoffen negativ sind.
Mit Hilfe der Erfindung soll der Verbrauch von fossilen Brennstoffen beim Betrieb der Bergbaumaschinen verringert und so insgesamt eine geringere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen erreicht werden, so dass im Ergebnis bessere wirtschaftliche und ökologische Auswirkungen vorliegen. Ein Teil dieser Erfindung ist ein Hybrid-Stromerzeuger, der eine Schlüsselrolle bei der Reduktion des Emissionsproblems von elektrisch angetriebenen Bergbaumaschinen darstellt.
Es ist demnach das Ziel der Erfindung zu einer Reduzierung der CO-, UHC-(unverbrannte Kohlenwasserstoffe), NO_x-, CO₂-Emissionen und PM (particulate matter) von elektrisch angetriebenen Mining-Maschinen durch den Einsatz sauberer elektrischer Energie und die Minimierung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu gelangen, wobei dies durch eine Reduzierung der „Well-to-Wheel“-Emissionen erreicht werden soll.
Die vorliegend beschriebenen Ziele werden durch ein System erreicht, das sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Das erfindungsgemäße System zur Energieversorgung von elektrisch betriebenen Bergbaumaschinen umfasst eine Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung zum Ausgeben von Strom für die Bergbaumaschinen, ein Kabelführungssystem zum Führen von mindestens einem Stromkabel von der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung an die Bergbaumaschinen, und mindestens eine Energiequelle zum energetischen Versorgen der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung, wobei die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung einen elektrochemischen Energiespeicher, eine Brennstoffzelle und einen Verbrennungsmotor-Generator aufweist.
Die Erfindung schlägt damit ein innovatives System vor, um elektrisch angetriebene Bergbaumaschinen mit einer gemischten Energiequelle durch einen Hybrid-Stromerzeuger - entweder als Backup oder als Primärstromquelle - anzutreiben. Damit gelingt ein ökologisch nachhaltiger Antrieb von elektrisch angetriebenen Mining-Maschinen, die über ein Kabelführungssystem mit der Stromversorgung verbunden sind.
Durch das Vorsehen der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung mit den verschiedenen Möglichkeiten Strom an die Bergbaumaschinen zu liefern, kann der Anteil an Strom, welcher mit Hilfe von fossilen Brennstoffen erzeugt wird, verringert werden. So kann vorzugsweise die Energie aus dem Energiespeicher oder der Brennstoffzelle für den Betrieb der Bergbaumaschinen genutzt werden und nur dann auf den Verbrennungsmotor-Generator zurückgegriffen werden, wenn die Leistung der anderen Energiequellen die Leistungsnachfrage der Bergbaumaschinen nicht decken kann.
Die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung ist dabei typischerweise in der Nähe oder unmittelbar auf der Mine angeordnet, in der die Bergbaumaschinen ihre Arbeit verrichten. Die Anordnung ist von den Bergbaumaschinen beabstandet, wobei der für den Betrieb der Bergbaumaschinen erforderliche Strom über Leitungen an diese weitergeleitet wird. Die mit den Maschinen in Verbindung stehenden Leitungen sind dabei in einem Kabelführungssystem zusammengefasst, so dass der Betrieb der Maschinen in der Mine ohne besondere Rücksichtnahme auf die stromführenden Leitungen erfolgen kann. Der Mix aus den drei unterschiedlichen Stromerzeugungseinheiten erlaubt einen Bezug von Strom, der bei entsprechender Dimensionierung der Stromerzeugereinheiten zu einem großen Teil auf das Betreiben des Verbrennungsmotor-Generators verzichten kann.
Die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung kann dabei mobil oder auch stationär ausgeführt sein, wobei die mobile Ausführung den Vorteil mit sich bringt, dass das von ihr abgehende Kabelführungssystem hin zu den Bergbaumaschinen weniger groß dimensioniert sein muss, da die Bergbaumaschinen in der Regel in einem bestimmten Arbeitsbereich der Mine arbeiten. Eine mobile Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung ist also dahingehend vorteilhaft, da sie nicht die gesamte Fläche der Mine mit dem Kabelführungssystem abdecken können muss.
Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung umfasst die Energiequelle ein Elektrizitätswerk und/oder einen Anschluss an ein Stromversorgungsnetz, wobei das Elektrizitätswerk und/oder der Anschluss an das Stromversorgungsnetz mit dem elektrochemischen Energiespeicher verbunden ist/sind, eine Wasserstoff-Erzeugungseinheit zum Herstellen und Speichern von Wasserstoff, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist, und ein Kraftstoffreservoir für einen fossilen oder auf Wasserstoff basierenden Kraftstoff, das mit dem Verbrennungsmotor-Generator verbunden ist, wobei vorzugsweise ein Tank zur Aufnahme von Wasserstoff und/oder Sauerstoff vorgesehen ist, der mit der Wasserstoff-Erzeugungseinheit verbunden ist.
Das Elektrizitätswerk kann dabei eine Stromerzeugung mittels Photovoltaikanlagen, Windkraft und/oder Atomkraft vorsehen, so dass hierbei kein fossiler Brennstoff verfeuert wird. Auch kann das zusätzlich oder alternativ dazu vorgesehene Stromnetz auf dieselbe Art erzeugten Strom liefern. Es ist aber auch denkbar, dass das Stromnetz einen Mix der genannten Stromarten zusammen mit Strom aus fossilen Brennstoffen verwendet. Um die Ziele der Erfindung leichter zu erreichen ist es aber von Vorteil, wenn der Strom mit einem eigenen Kraftwerk erzeugt wird und dabei lediglich auf regenerative Energien wie Wind und Sonne gesetzt wird.
Da die Produktion von Strom mit Hilfe von Wind und Sonne von äußeren Faktoren wie der Windstärke und auch der Sonneneinstrahlung abhängt, kann erzeugte überschüssige Energie, die nicht an die Bergbaumaschinen abgegeben werden kann, in dem Energiespeicher der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung gespeichert werden und zu einem späteren Zeitpunkt den Maschinen zugeführt werden. Zudem ist es möglich, die überschüssige Energie der Wasserstoff-Erzeugungseinheit zuzuführen, die unter Nutzung des zugeführten Stroms bspw. durch Elektrolyse aus Wasser (H₂O) molekularen Wasserstoff (H₂) und reinen Sauerstoff (O₂) erzeugt. Der Wasserstoff kann dann in einer Brennstoffzelle bei Bedarf dazu genutzt werden, Strom zu erzeugen. Auch ist es möglich, dass die Wasserstoff-Erzeugungseinheit nicht auf Grundlage einer Elektrolyse Wasserstoff erzeugt, sondern H₂ aus Erdgas bzw. dem darin enthaltenen Methan (CH₄) durch eine Reformierung gewinnt. Dazu wird aus dem Methan (CH₄) unter Beigabe von Wasser (H₂O) und einer anschließenden Kohlenmonixid-Konvertierung molekularer Wasserstoff (H₂) zusammen mit Kohlendioxid (CO₂) gewonnen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Stromabgabe des Elektrizitätswerks und/oder des Stromversorgungsnetzes durch die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung durchgeleitet wird, so dass Strom für die Bergbaumaschinen auch direkt vom Elektrizitätswerk und/oder vom Anschluss an das Stromversorgungsnetz beziehbar ist.
Somit wird sichergestellt, dass die Bergbaumaschinen direkt mit Strom aus dem E-Werk und/oder dem Anschluss an das Stromversorgungsnetz betreibbar sind. Die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung wird dann in Anspruch genommen, wenn die angeforderte Leistung der Bergbaumaschinen durch das E-Werk und/oder den Netzanschluss nicht bedient werden kann, oder es aufgrund der regenerativen Energieerzeugung zu Schwankungen in der Leistungsabgabe kommt, bspw. bei einer Windflaute oder einer Abschattung der Photovoltaikanlagen. Selbstverständlich kann aber auch eine plötzlich angeforderte Spitzenlast dazu führen, dass die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung Strom erzeugt und diesen den Bergbaumaschinen bereitstellt.
Nach einer Fortbildung der Erfindung sind der elektrochemische Energiespeicher, die Brennstoffzelle und der Verbrennungsmotor-Generator jeweils mit einem Wandler versehen, um deren jeweilige Stromausgabe auf ein gemeinsames Gleichstromniveau zu wandeln, wobei vorzugsweise jeder der mehreren Wandler entweder ein Leistungswandler, ein DC-DC-Wandler und/oder ein AC-DC-Wandler ist.
Damit die unterschiedlichen Arten zum Erzeugen von Strom auch über eine gemeinsame Leitung geleitet werden können, ist es von Vorteil, wenn diese dasselbe Spannungsniveau aufweisen. Dazu ist vorgesehen, dass die unterschiedlichen Spannungsniveaus des Energiespeichers und der Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle mit Gleichstromwandlern angepasst werden. Der durch den Verbrennungsmotor-Generator erzeugte Wechselstrom bedarf einer Gleichrichtung, so dass nach Angleichen der Spannungsniveaus eine Potentialdifferenz mit Hilfe von zwei Leitungen übertragen werden kann.
Da die Bergbaumaschinen jedoch typischerweise mit Wechselstrom laufen, kann vor einem Einspeisen des Stroms auf das Kabelführungssystem der Gleichstrom in einen Wechselstrom gewandelt werden. Diese Wandlung kann aber auch erst auf der jeweiligen Bergbaumaschine selbst erfolgen, so ist das Leiten eines Gleichstroms in der Regel mit weniger Verlusten behaftet als das Leiten eines Wechselstroms.
Dabei kann vorteilhafterweise auch vorgesehen sein, dass die jeweiligen Wandler über eine Gleichstromleitung miteinander verbunden sind, die mit dem Kabelführungssystem für die Bergbaumaschinen verbunden ist. Es kann dabei auch die Gleichstromleitung über einen DC-AC-Wandler mit dem zu den Bergbaumaschinen führenden Kabelführungssystem verbunden sein.
Nach der Erfindung ist möglich, dass das Elektrizitätswerk und/oder der Anschluss an das Stromversorgungsnetz mit der Wasserstoff-Erzeugungseinheit und dem elektrochemischen Energiespeicher, wie einer Batterie, einem Kondensator oder einem Ultra-Kondensator, verbunden ist/sind.
Die elektrisch betriebenen Bergbaumaschinen können nach der Erfindung jedwede Art von Mining-Maschinen sein, insbesondere Hydraulikbagger, Radlader, Planierraupen und/oder Off-Highway-LKWs. All diese Mining-Maschinen werden nach der Erfindung mit Strom über ein Kabelführungssystem versorgt und müssen daher zum Ausführen ihrer angedachten Funktionen nicht auf einen eventuell vorhandenen auf fossilen Brennstoffen basierenden Antrieb zurückgreifen.
Nach einer vorteilhaften Modifikation der Erfindung ist die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung dazu ausgelegt, als Backup für ein Stromnetz oder zur Bereitstellung eines Spitzenleistungsbedarfs für die elektrisch betriebenen Bergbaumaschinen zu dienen.
Zudem kann vorgesehen sein, dass das System ferner eine Steuereinheit umfasst, die dazu ausgelegt ist, einen angeforderten Energiebedarf der Bergbaumaschinen mit Strom aus dem elektrochemischen Energiespeicher, der Brennstoffzelle und dem Elektrizitätswerk/Stromnetz bei Minimierung eines Kraftstoffverbrauchs durch den Verbrennungsmotor-Generator zu decken.
Hierzu wird beispielsweise der angeforderte Energiebedarf mit den zur Verfügung stehenden Energiemengen aus dem elektrochemischen Energiespeicher, der Brennstoffzelle und dem Elektrizitätswerk/Stromnetz verglichen und nur wenn es erforderlich sein sollte, der Verbrennungsmotor-Generator dazugeschaltet, um den Energiebedarf zu decken.
Vorzugsweise ist das System dazu ausgelegt, überschüssige von der Brennstoffzelle erzeugte Energie in dem elektrochemischen Energiespeicher zu speichern. Wird Energie von der Brennstoffzelle erzeugt und nicht von den Bergbaumaschinen benötigt, kann diese in dem Energiespeicher zwischengespeichert werden. Für eine nachfolgende Lastspitze steht dann ausreichend Energie zur Verfügung. Zudem kann auf diese Art und Weise der Energiespeicher nicht lediglich durch das E-Werk bzw. den Netzanschluss geladen werden sondern zusätzlich dazu auch durch die Brennstoffzelle.
Nach einer Fortbildung kann vorgesehen sein, dass die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung mobil oder stationär ist und/oder eine Ausgangsspannung im Bereich von 6 - 12 kV ausgibt. Eine Ausgangsspannung in diesem Bereich ist für die Tätigkeiten der Bergbaumaschinen erforderlich.
Ferner kann, wenn der Verbrennungsmotor-Generator ein Gasmotor ist, das mit dem Verbrennungsmotor-Generator verbundene Kraftstoffreservoir auch die Wasserstoff-Erzeugungseinheit mit dem darin gespeicherten Kraftstoff zur Erzeugung von Wasserstoff versorgen. Wie bereits oben erläutert, kann Wasserstoff auch aus Erdgas erzeugt werden, da darin eine hohe Menge an Methan enthalten ist. So ist es von Vorteil, den Tank für einen gasbetriebenen Verbrennungsmotor-Generator gleichzeitig als Tank für die Wasserstoff-Erzeugungseinheit zu nutzen um Platz und Ressourcen zu sparen. Dem Fachmann ist klar, dass die Wasserstoff-Erzeugungseinheit dann Wasserstoff auf Grundlage einer Reformierung erzeugt.
Alternativ dazu kann dann, wenn der Verbrennungsmotor-Generator einen wasserstoffgestützten Dual-Treibstoff-Dieselmotor umfasst, ein Abgasrückführungssystem und ein Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen sein, um die abgegebenen Emissionen zu verringern.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn der von der Wasserstoff-Erzeugungseinheit erzeugte und gespeicherte Wasserstoff also nicht nur zur Brennstoffzelle geleitet wird, sondern auch von dem wasserstoffgestützten Dual-Treibstoff-Dieselmotor abgegriffen werden kann.
Gemäß einer Fortbildung der Erfindung ist dann, wenn der Verbrennungsmotor-Generator H₂ oder O₂ benötigt, dieses direkt durch ein Reservoir der Wasserstoff-Erzeugungseinheit zuführbar, wobei die Wasserstoff-Erzeugungseinheit dann eine Elektrolyseeinheit zum Spalten von H₂O aufweist, bei der sowohl H₂ als auch O₂ anfallen.
Nach einer weiteren Fortbildung kann vorgesehen sein, dass dann, wenn der Verbrennungsmotor-Generator mit Wasserstoff betrieben wird, dieser direkt aus der Wasserstoff-Erzeugungseinheit zuführbar ist.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung hervor. Dabei zeigen:

1: ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Gesamtsystems,
2: eine detailliertere Darstellung der 1,
3: eine schematische Darstellung der verschiedenen Energiequellen,
4: eine schematische Darstellung der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung,
5: ein Ablaufdiagramm zum Betrieb des erfindungsgemäßen Systems, und
6: ein Ablaufdiagramm zum Betrieb der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung.

1 zeigt die wesentlichen Grundkomponenten, die für die Energieversorgung der elektrisch angetriebenen Bergbaumaschinen 11 nach der Erfindung vorgesehen sind.
Ausgehend von der mindestens einen Energiequelle 12, wird die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung 5 versorgt. Der hierin erzeugte Strom bzw. weitergereichte Strom wird dann über das Kabelführungssystem 10 an die elektrisch angetriebenen Bergbaumaschinen 11 weitergegeben, wo der Strom in mechanische Arbeit gewandelt wird. Wie später im Detail dargelegt, kann die mindestens eine Energiequelle 12 sowohl die elektrisch angetriebenen Bergbaumaschinen 11 direkt als auch über die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung mit Strom versorgen.
2 zeigt die mindestens eine Energiequelle 12 und die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung 5 in einer detailreicheren Darstellung.
Die mindestens eine Energiequelle 12 umfasst dabei ein Elektrizitätswerk und/oder einen Anschluss an ein Stromversorgungsnetz 1, eine Wasserstoff-Erzeugungseinheit 4 zum Herstellen und Speichern von Wasserstoff und ein Kraftstoffreservoir 3 für einen fossilen oder auf Wasserstoff basierenden Kraftstoff.
Die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung 5 umfasst neben einem elektrochemischen Energiespeicher 6, einer Brennstoffzelle 7 und einem Verbrennungsmotor-Generator 8 eine elektrische Steuerung mit einem Leistungswandler 9.
Der Energiespeicher 6 wird dabei mit einem Strom aus dem Elektrizitätswerk und/oder dem Anschluss an ein Stromversorgungsnetz 1 geladen, wie dies durch den durchgehenden Pfeil symbolisiert ist. Weiter kann auch vorgesehen sein, dass der Energiespeicher 6 durch die Brennstoffzelle 7 geladen wird, wobei der Strom dann über den Leistungswandler 9 dem Energiespeicher 9 zugeführt wird. Die Energiespeichervorrichtung 6 kann bspw. eine Hochleistungsbatterie, typischerweise auf Lithiumbasis, oder ein Kondensator sein, wobei entweder ein Lithiumkondensator oder ein elektrostatischer Doppelschichtkondensator (EDLC) in Frage kommt. Von der Erfindung ist aber auch umfasst, dass eine andere Art von Energiespeichervorrichtung mit ähnlichen elektrochemischen Eigenschaften herangezogen wird. Je nach Anwendungsfall kann auch vorgesehen sein, dass der Energiespeicher 6 ein Energiemanagementsystem (EMS), genauer gesagt einem Batteriemanagementsystem (BMS) oder einem Ultracapacitor-Managementsystem (UCMS) umfasst, das die Stromzufuhr zum Energiespeicher steuert.
Die Brennstoffzelle 7 steht mit der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 4 in Verbindung, so dass die für das Betreiben der Brennstoffzelle 7 notwendigen Komponenten über eine Fluidleitung (gestrichelt dargestellt) erhalten wird. Das Brennstoffzellensystem 7 kann bspw. aus Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) oder Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) oder anderen Arten von Brennstoffzellenstapeln mit vergleichbaren Eigenschaften bestehen.
Der Verbrennungsmotor-Generator 8 weist ebenfalls eine Fluidleitung (gestrichelt dargestellt) auf, über die ein fossiler Brennstoff, typischerweise Diesel oder Erdgas dem Verbrennungsmotor zugeführt wird.
Der Verbrennungsmotor-Generator 8 verwendet Brennstoff aus einem Kraftstoffreservoir 3 für fossile Brennstoffe oder aber ist mit der die Wasserstoff-Erzeugungseinheit 4 verbunden.
Wenn in dem Reservoir 3 Erdgas gespeichert ist, dann ist der Verbrennungsmotor-Generator 8 ein Gasmotor-Generator. Wenn hingegen der Verbrennungsmotor-Generator 8 wasserstoffbetrieben ist, ist das Reservoir 3 nicht erforderlich, da Wasserstoff direkt durch die Wasserstoff-Erzeugungseinheit 4 geliefert werden kann. Typischerweise ist das Reservoir 3 mit Diesel oder Benzin gefüllt, so dass der Verbrennungsmotor-Generator 8 ein Dieselmotor- oder Benzinmotor-Generator ist.
Alternativ könnte eine Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff aus der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 4 in einen Dieselmotor des Verbrennungsmotor-Generators 8 für eine zweistufige/unterstützte Verbrennung gepumpt werden. In Kombination mit einem Abgasrückführungssystem (AGR) und einem Abgasnachbehandlungssystem reduzirt dies den Kraftstoffverbrauch und reduziert die Gesamtemissionen (CO, CO₂, NO_x, HC) und die Feinstaubemission in einem solchen Dieselmotor-Generator 8.
Weiter kann vorgesehen sein, dass ein Ausgangsstoff für die Wasserstoff-Erzeugungseinheit 4 in einem Tank 2 vorgehalten wird. Dieser Tank 2 ist mit einer fluidischen Leitung (gestrichelter Pfeil) dargestellt und führt der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 4 Wasser oder Erdgas zu.
Sollte der Tank 2 mit Erdgas gefüllt sein, so kann das Kraftstoffreservoir 3 entfallen, da dann der Verbrennungsmotor-Generator 8 vorteilhafterweise auch mit Erdgas betrieben werden kann. Selbstverständlich muss dann eine fluidische Verbindung von dem Tank 2 zur Zufuhr von Erdgas an den Verbrennungsmotor-Generator 8 vorhanden sein.
Man erkennt zudem, dass das Kabelführungssystem 10 einen Strom auch direkt von dem Elektrizitätswerk und/oder dem Anschluss an ein Stromversorgungsnetz 1 an die Bergbaumaschinen weiterleitet. So kann die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung 5 nur bei Spitzenlast oder als Rückfallsystem zu einer herkömmlichen Stromversorgung betrieben werden. Insbesondere kann es vorkommen, dass das Stromnetz die geforderten Leistungen der Bergbaumaschinen nicht bereitstellen kann, so dass das Vorhalten der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung 5 von Vorteil ist und einen kontinuierlichen Betrieb der Bergbaumaschinen ermöglicht.
Wie man der 2 weiter entnehmen kann, beziehen die Bergbaumaschinen 11 den Strom über das Kabelführungssystem 10, das die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung 5 mit den Mining-Maschinen 11 verbindet.
Das mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnete hybride Stromerzeugungssystem 5, das typischerweise eine Ausgangsspannung von etwa 6-12KV aufweist, umfasst neben der elektrochemischen Speichervorrichtung 6, der Brennstoffzelle 7 und dem Verbrennungsmotor-Generator 8, der mit Wasserstoff oder mit herkömmlichen fossilen Brennstoff betrieben werden kann, eine Energieumwandlung bzw. Elektronikanordnung 9 zum Leistungsmanagement und elektrischen Umwandeln des durch die unterschiedlichen Einheiten bereitgestellten Stroms.
3 zeigt eine vergrößerte Darstellung der mehreren Energiequellen 12 und deren Verbindungspunkte. Man erkennt, dass das Elektrizitätswerk bzw. der Netzanschluss 1 direkt mit dem Kabelführungssystem 10 und dem Energiespeicher in Verbindung steht. Weiter bezieht auch die Wasserstoff-Erzeugungseinheit 4 den zur Reformierung bzw. Elektrolyse erforderlichen Strom von dem Elektrizitätswerk bzw. der Netzanschluss 1.
Die Auslegung und die Eigenschaften der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung 5 hängen von mehreren Parametern der Mine ab, unter anderem von physikalischen, chemischen und thermischen Einschränkungen, die den Betrieb seiner Komponenten regeln. So kann beispielsweise das Betriebsverhalten der Brennstoffzelle 7 und des Energiespeichers 6 auf Grundlage des Temperaturprofils der Mine oder des Bergwerks variieren.
Dabei kann entweder der Energiespeicher 6 und/oder die Brennstoffzelle 7 als Rückfallvorrichtung in der Anordnung 5 dienen. Unter bestimmten Bedingungen mit größerem Leistungsbedarf kann der fossile Brennstoff- oder wasserstoffbasierte Verbrennungsmotor-Generator 8 als Hauptstromvorrichtung der Anordnung 5 verwendet werden.
Obwohl es immer erstrebenswert ist, einen geringen CO₂-Ausstoß zu hinterlassen, ist es in bestimmten Situationen unvermeidlich, den Verbrennungsmotor-Generator 8 zu verwenden, bspw. dann, wenn der Energiebedarf einfach nicht durch die erneuerbaren Energien, d.h. den Energiespeicher 6 und das Brennstoffzellensystem 7 gedeckt werden kann.
4 zeigt dabei eine vergrößerte Darstellung der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung 5, der man entnehmen kann, dass der Energiespeicher 6 und die Brennstoffzelle 7 mit je einem Gleichstromwandler versehen sind, der das Spannungsniveau aneinander angleicht, so dass der erzeugte Strom auf einem gemeinsamen Gleichstrombus 10 geführt werden kann. Der Generator 8 weist einen Gleichrichter auf, der den vom Generator ausgegebenen Wechselstrom gleichrichtet und ihn an das auf dem Gleichstrombus 10 herrschenden Spannungsniveau transformiert.
5 zeigt einen Algorithmus für die Auslegung der Hybrid-Stromerzeuger-Anordnung 5, der auf Parametern des Minenstandortes basiert. Nach dieser Auslegung ist eines Regelalgorithmus in der Anordnung 5 integriert. In Verbindung mit der in 6 gezeigten Steuerlogik wird der Einsatz von Energie so vorgesehen, dass der Verbrauch fossiler Brennstoffe gesenkt und dabei dennoch gleichzeitig der Energiebedarf in jeder Betriebsphase von elektrisch angetriebenen Mining-Maschinen 11 gedeckt wird.
Elektrisch angetriebene Mining-Maschinen 11 weisen ein sehr dynamisches Lastprofil auf. Der Strom aus dem E-Werk/Netz 1 wird direkt für den Betrieb solcher Maschinen 11 verwendet. Wenn der durch das E-Werk erzeugt bzw. durch das Netz bereitgestellte Strom hauptsächlich erneuerbar ist, wie z.B. durch Erzeugung mit Sonne oder Wind, unterliegt die Bereitstellung von Strom gewissen Schwankungen. Zum Beispiel schwankt die Stromerzeugung an einem bewölkten Tag oder in der Nacht, wenn sich das Sonnenlicht verringert oder nicht vorhanden ist, so dass es zu Einbußen in der Stromerzeugung kommt. Ähnlich verhält es sich bei geringeren Windgeschwindigkeiten.
Wie vorstehend erwähnt, kann der Energiespeicher 6 verwendet werden, um die überschüssige Energie zu speichern, die von dem E-Werk/Netz 1 geliefert wird. Die gespeicherte Energie kann dann für einen Backup-Betrieb verwendet werden. Der zusätzliche Energiebedarf von elektrisch angetriebenen Tagebaugeräten 11 kann auch durch die anderen Komponenten der Anordnung 5, nämlich die Brennstoffzelle 7 und den Verbrennungsmotor-Generator 8 gedeckt werden. In Situationen, in denen ein Spitzenleistungsbedarf der elektrisch angetriebenen Tagebaugeräte 11 vorliegt und dieser nicht allein durch das E-Werk/Netz 1 gedeckt werden kann, wird die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung 5 zur Deckung des zusätzlichen Leistungsbedarfs herangezogen. Die Steuerungslogik berücksichtigt den Zeitablauf, die Betriebsdauer, die unterschiedliche Belastung der mehreren Energiequellen 12 und der Anordnung 5 durch das Lastprofil der elektrisch angetriebenen Bergbaumaschinen 11.
5 zeigt dabei einen beispielhaften Betriebsablauf der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung in Abhängigkeit einiger minenseitiger Parameter. Nach der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die in 5 beschriebene Abläufe mittels einer Steuereinheit des erfindungsgemäßen Systems umsetzbar sind.
Dabei steht am Anfang die von den Bergbaumaschinen erforderte Last, die zum Ausüben der Maschinentätigkeiten erforderlich ist.
In Abhängigkeit der vorherrschenden Minenparameter, wie bspw. die übliche am Tag zu erwartenden Sonneneinstrahlung bzw. Windstärke und/oder die über das Netz beziehbare Quote an Strom, der auf erneuerbaren Energien basiert, wird eine gewünschte Aufteilung der unterschiedlichen Möglichkeiten zum Bereitstellen von Strom festgelegt. So kann es in einem Fall wünschenswert sein, den Beitrag des Verbrennungsmotor-Generators bei der angeforderten Last auf Null zu setzen und lediglich die Brennstoffzelle zusammen mit der Leistung aus dem E-Werk/ Netz zum Decken des Leistungsbedarfs heranzuziehen. Selbstverständlich wäre es aber auch denkbar, eine beliebige andere Aufteilung zwischen den verschiedenen Elementen vorzunehmen, um den Energiebedarf der angeforderten Last zu decken.
In einem nächsten Schritt wird dann geprüft, ob die gewünschte Verteilung umsetzbar ist oder nicht. Falls eine Umsetzbarkeit nicht möglich sein sollte, wird die Verteilung erneut berechnet, wobei bei der erneuten Berechnung die gescheiterte Umsetzung der vorhergehenden Wunschverteilung berücksichtigt wird.
Ist die gewünschte Verteilung der Bereitstellung des angeforderten Stroms mit Hilfe des erfindungsgemäßen Systems umsetzbar, wird bei Vorhandensein eines E-Werks neben einem Netzanschluss die Aufteilung des Strombezugs der beiden Quellen (E-Werk und Netzanschluss) festgelegt, wobei die unterschiedlichen Emissionsbelastungen der beiden Quellen berücksichtigt werden. Dem Fachmann ist klar, dass dies maßgeblich von der zugrundeliegenden Art der Stromerzeugung beeinflusst wird. Bspw. kann angenommen werden, dass das im Nahbereich der Mine gebaute E-Werk auf regenerative Energieerzeugung setzt, wohingegen der Netzanschluss Strom zu einem großen Teil aus fossilen Brennstoffen erzeugt.
Im Anschluss daran wird bei einer festgelegten Aufteilung der Stromquote von E-Werk und Netz der Verbrauch der fossilen Brennstoffe und der dabei anfallenden CO₂-Emissionen berechnet. Diese Berechnung kann also die negativen Umweltauswirkungen der gewählten Aufteilung des Strombezugs zwischen dem E-Werk, dem Netz, dem elektrochemischen Energiespeicher, der Brennstoffzelle und dem Verbrennungsmotor-Generator verringern.
Ergibt sich hierbei, dass die Emissionen und/oder der Verbrauch an fossilen Brennstoffen nicht geringer ist als zuvor, wird eine alternative Leistungsaufteilung zwischen den verschiedenen Einheiten vorgeschlagen, die zu einem geringeren Anteil auf fossilen Energiequellen basiert. Dazu kann nun vorgesehen sein, dass der Bezug des angeforderten Stroms nun nicht mehr allein oder zu einem großen Teil durch das Netz bzw. das E-Werk abgedeckt werden soll, sondern vermehrt auch die weiteren alternativen Energiequellen der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung, nämlich der elektrochemische Energiespeicher, die Brennstoffzelle und der Verbrennungsmotor-Generator, Berücksichtigung finden.
Sind hingegen die Emissionen und/oder der Verbrauch an fossilen Brennstoffen geringer als zuvor, wird die angedachte Aufteilung zur Bereitstellung des angeforderten Strombedarfs validiert und umgesetzt.
Das ultimative Ziel des vorstehend beschriebenen Ablaufs oder Algorithmus ist es, den gesamten Ausstoß an Emissionen zu reduzieren, indem die Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Energiequellen und fossilen Brennstoff minimiert wird.
6 zeigt eine auf Minenparametern basierende Steuerlogik der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung. Die Hybrid-Stromerzeugung wird benötigt, wenn das Netz bzw. das E-Werk die Lastanforderung nicht allein und/oder nur bei nicht zufriedenstellenden Emissionswerten bedienen kann.
Ausgehend von einem Start der Logik, die auch in einer Steuereinheit des erfindungsgemäßen Systems verkörpert sein kann, wird unter Beachtung der strukturellen Auslegung der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung, der Leistungsanforderung (Last) und den minenbasierten Parametern die dynamische Lastverteilung der in der Anordnung vorhandenen Komponenten zur Stromerzeugung festgelegt. Dabei wird der Ladezustand des Energiespeichers, das Füllstandsniveau an Wasserstoff und das Füllstandsniveau des fossilen Brennstoffs berücksichtigt.
Auf Grundlage der vorstehend beschriebenen Informationen wird dann die Lastverteilung unter den verschiedenen Einheiten der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung festgelegt.
Ist die Lastanforderung niedrig, wird lediglich auf den Energiespeicher oder die Brennstoffzelle zurückgegriffen.
Bei einem mittleren Bereich der Lastanforderung werden hingegen der Energiespeicher und die Brennstoffzelle betrieben.
Die vorstehenden Bereiche der Lastanforderung sind zumindest bei der H₂-Erzeugung mittels Elektrolyse durch Solarstrom und einer hieraus erfolgten Stromspeicherung in dem Energiespeicher mit keinen oder nur sehr geringen Schädigungen der Umwelt verknüpft.
Bei einer hohen Lastanforderung kann die Erzeugung des angeforderten Stroms unter allen drei Komponenten der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung aufgeteilt werden, so dass auch ein Teil der Stromerzeugung von dem Verbrennungsmotor-Generator übernommen wird, der mit fossilen Brennstoffen arbeitet.
Dabei wird der Anteil der Stromerzeugung durch den Generator im Regelfall minimiert und nur dann, wenn eine Leistungsspitze vorliegt, der angeforderte Strombedarf also ungewöhnlich groß ist, die Stromerzeugung durch den Generator auf Volllast betrieben.
Dadurch wird der als nachteilhaft angesehene Betrieb des Generators soweit wie möglich vermieden.
Es ist dabei das Hauptziel, den Kraftstoffverbrauch im Verbrennungsmotor-Generator auf Basis fossiler Brennstoffe oder Wasserstoff zu minimieren. Die Steuerungslogik soll einen optimierten Betrieb gewährleisten, um CO, UHC (unverbrannte Kohlenwasserstoffe), NO_x, CO₂-Emissionen und PM (Partikel) zu senken.

Claims

System zur Energieversorgung von elektrisch betriebenen Bergbaumaschinen, umfassend: eine Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung zum Ausgeben von Strom für die Bergbaumaschinen, ein Kabelführungssystem zum Führen von mindestens einem Stromkabel von der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung an die Bergbaumaschinen, und mindestens eine Energiequelle zum energetischen Versorgen der Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung, wobei die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung einen elektrochemischen Energiespeicher, eine Brennstoffzelle und einen Verbrennungsmotor-Generator aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei die Energiequelle umfasst: ein Elektrizitätswerk und/oder einen Anschluss an ein Stromversorgungsnetz, wobei das Elektrizitätswerk und/oder der Anschluss an das Stromversorgungsnetz mit dem elektrochemischen Energiespeicher verbunden ist/sind, eine Wasserstoff-Erzeugungseinheit zum Herstellen und Speichern von Wasserstoff, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist, und ein Kraftstoffreservoir für einen fossilen oder auf Wasserstoff basierenden Kraftstoff, das mit dem Verbrennungsmotor-Generator verbunden ist, wobei vorzugsweise ein Tank zur Aufnahme von Wasserstoff und/oder Sauerstoff vorgesehen ist, der mit der Wasserstoff-Erzeugungseinheit verbunden ist.
System nach Anspruch 2, wobei das Elektrizitätswerk und/oder der Anschluss an das Stromversorgungsnetz durch die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung durchgeführt wird, so dass Strom für die Bergbaumaschinen auch direkt vom Elektrizitätswerk und/oder vom Anschluss an das Stromversorgungsnetz beziehbar ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrochemische Energiespeicher, die Brennstoffzelle und der Verbrennungsmotor-Generator jeweils mit einem Wandler versehen sind, um deren jeweilige Stromausgabe auf ein gemeinsames Gleichstromniveau zu wandeln, wobei vorzugsweise jeder der mehreren Wandler entweder ein Leistungswandler, ein DC-DC-Wandler und/oder ein AC-DC-Wandler ist.
System nach Anspruch 4, wobei die jeweiligen Wandler über eine Gleichstromleitung miteinander verbunden sind, die mit dem Kabelführungssystem für die Bergbaumaschinen verbunden ist, wobei vorzugsweise die Gleichstromleitung über einen DC-AC-Wandler mit dem zu den Bergbaumaschinen führenden Kabelführungssystem verbunden ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-5, wobei das Elektrizitätswerk und/oder der Anschluss an das Stromversorgungsnetz mit der Wasserstoff-Erzeugungseinheit und dem elektrochemischen Energiespeicher, wie einer Batterie, einem Kondensator oder einem Ultra-Kondensator, verbunden ist/sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch betriebenen Bergbaumaschinen Hydraulikbagger, Radlader, Planierraupen und/oder Off-Highway-LKWs sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung dazu ausgelegt ist, als Backup für ein Stromnetz oder zur Bereitstellung eines Spitzenleistungsbedarfs für die elektrisch betriebenen Bergbaumaschinen zu dienen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, einen angeforderten Energiebedarf der Bergbaumaschinen mit Strom aus dem elektrochemischen Energiespeicher, der Brennstoffzelle und dem Elektrizitätswerk/Stromnetz bei Minimierung eines Kraftstoffverbrauchs durch den Verbrennungsmotor-Generator zu decken.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System dazu ausgelegt ist, überschüssige von der Brennstoffzelle erzeugte Energie in dem elektrochemischen Energiespeicher zu speichern.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hybrid-Stromerzeugungs-Anordnung mobil oder stationär ist und eine Ausgangsleistungim Bereich von 100 kW - 25 MW ausgibt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-11, wobei, wenn der Verbrennungsmotor-Generator ein Gasmotor ist, das mit dem Verbrennungsmotor-Generator verbundene Kraftstoffreservoir auch die Wasserstoff-Erzeugungseinheit mit dem darin gespeicherten Kraftstoff zur Erzeugung von Wasserstoff versorgt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-12, wobei, wenn der Verbrennungsmotor-Generator einen wasserstoffgestützten Dual-Treibstoff-Dieselmotor umfasst, ein Abgasrückführungssystem (EGR) und ein Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen sind, um die abgegebenen Emissionen zu verringern.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-13, wobei, wenn der Verbrennungsmotor-Generator H₂ benötigt, dieses direkt durch das Kraftstoffreservoir für einen auf Wasserstoff basierenden Kraftstoff, nämlich Wasser, zugeführt wird, wobei die Wasserstoff-Erzeugungseinheit dann eine Elektrolyseeinheit zum Spalten von H₂O aufweist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-14, wobei, wenn der Verbrennungsmotor-Generator mit Wasserstoff betrieben wird, dieser direkt aus der Wasserstoff-Erzeugungseinheit zugeführt wird, wobei die Wasserstoff-Erzeugungseinheit vorzugsweise einen Dampfreformer aufweist, welcher Methan oder Erdgas in Wasserstoff und Kohlenstoffoxide wandelt..