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Die Erfindung betrifft das gezielte An- und Abschalten von Verbrauchern und/oder Generatoren, um eine optimale Energieeffizienz auf einem Wasserfahrzeug und damit eine maximale Reichweite und/oder Einsatzdauer zu ermöglichen.
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Aus der
WO 2010/031399 A1 ist ein System zur dynamischen Optimierung des Betriebs eines Schiffes bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, alle Verbraucher und Erzeuger so zu regeln, dass durch Steigerung der Effizienz Reichweite und/oder Ausdauer im Einsatz des Wasserfahrzeugs gesteigert wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Optimierung der Energieumwandlung auf einem Wasserfahrzeug. Primär und bevorzugt handelt es sich um die Optimierung des elektrischen Systems eines Wasserfahrzeugs. Das Wasserfahrzeug weist eine Mehrzahl an Verbrauchern auf. Im bevorzugten Fall der Optimierung des elektrischen Systems umfassen Verbraucher alle elektrischen Verbraucher eines Wasserfahrzeugs, beispielsweise einen Fahrmotor, EDV-Anlagen, Klimaanlage, Kühlraum, Radar, Sonar und vieles mehr. Das Wasserfahrzeug weist weiter wenigstens einen ersten Erzeuger auf. Im bevorzugten Fall der Optimierung des elektrischen Systems umfassen Erzeuger beispielsweise Dieselgenerator, Gasturbine, Brennstoffzelle oder auch Kernreaktor. Die leistungsabhängige Effizienz des ersten Erzeugers wird vorgegeben. Beispielsweise ist der Wirkungsgrad eines Dieselgenerators üblicherweise von der Drehzahl abhängig. Dieses bedeutet, dass ein Dieselgenerator in einem bestimmten Bereich eine optimale Effizienz aufweist. Diese ist also dann gegeben, wenn der Dieselgenerator im optimalen Drehzahlbereich arbeitet und damit verbunden eine entsprechende Menge an elektrischer Energie erzeugt. Zur Optimierung werden wenigstens drei Gruppen an Verbrauchern vorgegeben. Die erste Gruppe von Verbrauchern sind notwendig und zeitlich nicht verschiebbar. Beispielsweise sind Systeme zur Schiffsführung, Navigation und dergleichen unverzichtbar und werden in diese erste Gruppe einklassifiziert. Die zweite Gruppe von Verbrauchern sind bedingt zeitlich verschiebbar. Beispielsweise kann ein Kühlaggregat für einen Kühlraum zeitlich in gewissen Rahmenbedingungen wählbar angeschaltet und abgeschaltet werden. Die wichtigste Rahmenbedingung ist natürlich, dass die Kühlung nicht unterbrochen ist und somit die Verzehrbarkeit von gelagerten Lebensmitteln gewährleistet ist. Hierfür steht jedoch ein Regelbereich zur Verfügung, da ein Kühlraum früher beispielsweise auf eine tiefere Temperatur oder etwas später, aber noch vor Überschreiten einer kritischen Temperatur gekühlt werden kann. Ein weiteres Beispiel kann beispielsweise die Regeneration eines CO2-Absorbers sein. Auch hier ist die Verschiebbarkeit des energieaufwändigen Regenerationszyklus in einem bestimmten Rahmen, also bedingt, möglich. Weiter wird eine dritte Gruppe von Verbrauchern definiert, die frei zeitlich verschiebbar beziehungsweise abschaltbar sind. Beispielsweise kann hier das Entertainment-System für die Besatzung einklassifiziert werden. Ebenso könnten allgemeine Reinigungsvorgänge hier einklassifiziert werden, die nicht zeitlich bedingt durchgeführt werden müssen, aber dennoch regelmäßig erfolgen sollten. Die Verbraucher werden in die wenigstens drei Gruppen von Verbrauchern einklassifiziert. Die Einklassifizierung der Verbraucher ist hierbei üblicherweise keine feste, sondern kann situationsbedingt unterschiedlich ausfallen, wobei es Verbraucher geben wird, die in allen oder wenigstens den meisten Situationen in der gleichen Gruppe einklassifiziert werden dürften. Zur Planung des zeitlichen Verlaufs des Energieflusses werden zunächst die Verbraucher der ersten Gruppe berücksichtigt, da diese keine oder nur die geringste Flexibilität aufweisen. Anschließend werden die Verbraucher der zweiten Gruppe unter Berücksichtigung der zeitlichen Bedingung der Verschiebbarkeit berücksichtigt. Hierbei erfolgt insbesondere die zeitliche Planung so, dass eine möglichst effiziente Auslastung des Erzeugers erreicht wird. Anschließend werden die Verbraucher der dritten Gruppe zeitlich geplant, wobei im zeitlichen Mittel der wenigstens erste Erzeuger im optimalen Leistungsbereich betrieben werden soll. Hierbei können natürlich auch Verbraucher aus der zweiten Gruppe zeitlich neu geplant werden, um insgesamt eine höhere Effizienz zu erreichen, sofern dieses im Rahmen der gegebenen Bedingungen der Verbraucher der zweiten Gruppe möglich ist.
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Der optimale Leistungspunkt ist der Betriebszustand mit dem höchsten Wirkungsgrad. Beispielsweise Verbrennungsmotoren weisen üblicherweise eine Drehzahl oder ein Drehmoment auf, bei der der Wirkungsgrad am höchsten ist. Um diesen optimalen Leistungspunkt ist der Wirkungsgrad üblicherweise zunächst vergleichbar und fällt dann, im Beispiel des Verbrennungsmotors zu höheren beziehungsweise niedrigeren Drehzahlen oder Drehmomenten zunächst langsam, dann schneller ab. Es ist daher nicht notwendig, einen Erzeuger nur am optimalen Leistungspunkt zu betreiben, da kleinere Abweichungen hiervon nur einen geringen Einfluss auf den Wirkungsgrad haben. Daher wird ein optimaler Leistungsbereich um den optimalen Leistungspunkt angestrebt. Der optimale Leistungsbereich im Sinne der Erfindung ist der Bereich, in dem die Leistungsabgabe des Erzeugers einen Wirkungsgrad aufweist, der wenigstens 75% des Wirkungsgrades am optimalen Leistungspunkt, bevorzugt wenigstens 85% des Wirkungsgrades am optimalen Leistungspunkt, bevorzugt wenigstens 90% des Wirkungsgrades am optimalen Leistungspunkt, entspricht. Anhand eines Beispiels sei dieses verdeutlich. Beträgt der Wirkungsgrad am optimalen Leistungspunkt 50 % und wird als Grenze des optimalen Leistungsbereichs ein Wert von 75 % angesetzt, so ist der optimale Leistungsbereich der Bereich um den optimalen Leistungspunkt, in dem der Erzeuger einen Wirkungsgrad von 37,5 % oder mehr aufweist. Als weiteres Beispiel betrage der Wirkungsgrad am optimalen Leistungspunkt 90 % und wird als Grenze des optimalen Leistungsbereichs ein Wert von 90 % angesetzt, so ist der optimale Leistungsbereich der Bereich um den optimalen Leistungspunkt, in dem der Erzeuger einen Wirkungsgrad von 81 % oder mehr aufweist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Wasserfahrzeug wenigstens einen zweiten Erzeuger auf. Der erste Erzeuger und der zweite Erzeuger können unabhängig voneinander geregelt werden. Zur Planung des zeitlichen Verlaufs wird das zeitliche Zu- und/oder Abschalten des ersten Erzeugers und/oder zweite Erzeugers berücksichtigt. Viele Wasserfahrzeuge weisen schon aufgrund der Redundanzanforderungen mehr als einen Energieerzeuger auf, beispielsweise zwei oder vier Dieselgeneratoren. Andere Wasserfahrzeuge weisen beispielsweise einen oder zwei Dieselgeneratoren und ein oder zwei Gasturbinen auf. Ebenso kann ein Wasserfahrzeug beispielsweise einen Dieselgenerator und eine Brennstoffzelle aufweisen. Hierdurch können verschiedene Niveaus an Energieerzeugung bereitgestellt werden. Es kann somit auch Sinn machen, in einem Zeitraum mehr Verbraucher gleichzeitig zu betreiben, um zwei Erzeuger im optimalen Bereich zu betreiben und in einem anderen Zeitraum deutlich weniger, um mit einem einzelnen Erzeuger im optimalen Bereich zu arbeiten. Alternativ kann bei verschiedenen Arten von Erzeugern in einem Zeitraum mehr Verbraucher gleichzeitig zu betreiben, um den leistungsstärkeren Erzeuger im optimalen Bereich zu betreiben und in einem anderen Zeitraum deutlich weniger Verbraucher, um mit einem leistungsschwächeren Erzeuger im optimalen Bereich zu arbeiten.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Ansteuerung des Antriebs als einem der leistungsstarken Verbraucher zeitlich angepasst. Hierdurch wird auch die Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs angepasst. Ist beispielsweise ein bestimmter Kurs vorgegeben, um einen gewissen Ort zu einer gewissen Zeit zu erreichen, so kann es sinnvoll sein, einen Teil der Strecke mit erhöhter Geschwindigkeit und einen weiteren Teil der Strecke mit verringerter Geschwindigkeit zurück zu legen, insbesondere um im ersten Teil zwei Erzeuger im optimalen Bereich zu betreiben und im zweiten Teil nur einen Erzeuger im optimalen Bereich zu betreiben. Auch bei einer konstanten Anzahl an aktiven Erzeugern kann dieses sinnvoll sein, beispielsweise, wenn zum Wechselpunkt ein weiterer wichtiger Verbraucher, beispielsweise das Radar, aktiviert werden soll.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Priorisierung der Verbraucher innerhalb der Gruppen. Beispielsweise und insbesondere werden die Verbraucher der ersten Gruppe in eine erste Untergruppe 1.1 und eine zweite Untergruppe 1.2 einklassifiziert. Hierbei dürfen die Verbraucher der ersten Untergruppe 1.1 nicht leistungsverändert werden, die Verbraucher der zweiten Untergruppe 1.2 dürfen hingegen zur Optimierung leistungsverändert werden. Ein Beispiel für einen Verbraucher, welcher in die erste Untergruppe 1.1 einklassifiziert werden könnte, könnte das EDV-System sein, welches zur Schiffssteuerung notwendig ist. Ein Beispiel für einen Verbraucher, welcher in die zweite Untergruppe 1.2 einklassifiziert werden könnte, könnte der Antrieb sein.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Wasserfahrzeug ein militärisches Wasserfahrzeug und die Einklassifikation erfolgt missionsabhängig. Dieses bedeutet, dass verschiedene Verbraucher zu verschiedenen Zeiten in verschiedenen Gruppen einklassifiziert werden können. Während einer Mission können verschiedene Einsatzprofile auftreten. Typische Einsatzprofile sind beispielsweise und insbesondere Transferfahrt, Schleichfahrt, Aufnahme, Auftauchen (nur bei Unterwasserfahrzeugen), Abtauchen (nur bei Unterwasserfahrzeugen), Angriff, Überwachung, Flucht, Langzeittauchfahrt (nur bei Unterwasserfahrzeugen) und Ausweichen. Während beispielsweise während der Durchführung einer Überwachung in einem Raum beispielsweise das Radarsystem unverzichtbar sein kann und somit in die erste Gruppe einklassifiziert werden könnte, so kann das Radar und/oder Waffensysteme gegebenfalls bei einer Transferfahrt auch in die dritte Gruppe einklassifiziert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein zeitabhängiges oder ortsabhängiges Missionsprofil vorgegeben, wobei bei der Optimierung das zeitabhängige Missionsprofil berücksichtigt wird. Beispielsweise beginnt die Mission mit einer Transferfahrt in das Einsatzgebiet. Im Einsatzgebiet wird dann das Einsatzprofil beispielsweise auf Schleichfahrt geändert um nach Beendigung dann wieder zurück in Transferfahrt geändert zu werden. Diese zeitlichen Änderungen werden vorzugsweise berücksichtigt, da im Rahmen verschiedener Einsatzprofile verschiedene Verbraucher verschieden benötigt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden historische Daten für die Vorhersage des zukünftigen Energiebedarfs verwendet. Die Verwendung von historischen Daten ist besonders vorteilhaft. Zwar gibt es einige Verbraucher, die sich, insbesondere missionsbedingt, gut planen lassen. Für viele andere Vorgänge und damit Benutzung von Verbrauchern lässt sich eine einfache Vorhersage nur schwer treffen. Aus historischen Daten hingegen lassen sich Aussagen dann treffen. Dieses kann beispielsweise auch das Verhalten der Besatzung betreffen, beispielsweise wann für die Befriedigung der sanitären Bedürfnisse der Besatzung Pumpen entsprechend Wasser zur Verfügung stellen müssen. Es kann jedoch auch andere, nicht unmittelbar erkennbare Korrelationen zwischen Verbrauchern geben, sodass die Verwendung historischer Daten für die Vorhersage oftmals hilfreich ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden für die Verbraucher der zweiten Gruppen Daten weiterer Sensoren für die Vorhersage des zukünftigen Energiebedarfs verwendet. Beispielsweise handelt es sich bei dem Verbraucher um einen Kühlraum. In diesem Fall wäre ein weiterer Sensor ein Temperatursensor, der die Innentemperatur des Kühlraumes erfasst. Dadurch ist vorhersagbar, wann in Zukunft der Schwellwert wieder erreicht wird und somit bis wann eine erneute Kühlung des Kühlraumes durchgeführt werden muss. Ist der Verbraucher beispielsweise ein Kompressor, so kann der weitere Sensor ein Drucksensor in einem mit dem Kompressor verbundenem Druckgasspeicher sein.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Wasserfahrzeug wenigstens einen Energiespeicher auf. Beispielsweise und insbesondere handelt es sich bei dem Energiespeicher um einen Akkumulator. Durch die Verwendung eines Energiespeichers ist eine Optimierung besonders gut möglich, da das Laden und Entladen den Energiespeicher zu einem Erzeuger oder Verbraucher macht. Hierdurch ist es besonders gut möglich, reiner Erzeuger in deren optimalen Bereich zu betreiben.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird bei der Optimierung zusätzlich die Signatur des Wasserfahrzeugs berücksichtigt. Insbesondere wird missionsabhängig, besonders bevorzugt nach dem missionsbedingten Einsatzprofil die Signatur berücksichtigt. Bei einer Transferfahrt beispielsweise ist die akustische Signatur oder thermische Signatur wenig relevant. Während einer Schleichfahrt hingegen sind beide relevant. Daher kann es sinnvoll sein, beispielsweise einen Kühlraum unmittelbar vor dem Wechsel des Einsatzprofils von Transferfahrt auf Schleichfahrt herunter zu kühlen und nicht erst zu warten, bis dieser Kühlvorgang zwingend notwendig, dann aber durch Verschlechterung der Signatur ungünstig ist. Weiter kann auch zeit- oder umgebungsabhängig die Signatur berücksichtigt werden. Beispielsweise kann Wärme zu einer warmen Tageszeit leichter abgegeben werden, ohne die thermische Signatur zu verschlechtern, wie dieses beispielsweise zu einer kalten Tageszeit, beispielsweis unmittelbar vor Sonnenaufgang der Fall wäre. Ebenso können schallerzeugende Verbraucher besser zu einer Zeit aktiviert werden, wenn sich das Wasserfahrzeug in einer eher lauten Umgebung, beispielsweise einer sehr stark befahrenen Schifffahrtsstraße befindet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um die Optimierung eines nicht-elektrischen Systems eines Wasserfahrzeugs, beispielsweise eines hydraulischen Systems. Ein Erzeuger wäre in diesem Fall ein Kompressor, ein Energiespeicher ein Druckluftspeicher und ein Verbraucher beispielsweise eine Waffenausstoßvorrichtung.
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Ebenso kann das Gesamtsystem des Schiffes optimiert werden, welches beispielsweise ein elektrisches und ein hydraulisches System umfasst.
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Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren auf einem militärischen Wasserfahrzeug angewendet. Im Gegensatz zu Frachtschiffen oder auch zu Kreuzfahrtschiffen ist die Anzahl der unterschiedlichen Komponenten vergleichsweise hoch und durch die veränderten Bedingungen, welche sich missionsbedingt ergeben, weniger einfach langfristig vorhersehbar. Außerdem sind hier auch die Möglichkeiten der Modifikation am höchsten, da das Wasserfahrzeug insgesamt dem Zweck der Mission unterliegt unter den sich alle weiteren Belange unterordnen.
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Nach der Durchführung dieser Optimierung wird des Wasserfahrzeug entsprechend dieser Planung betrieben, die Verbraucher und gegebenenfalls Erzeuger werden entsprechend der zeitlichen Planung angeschaltet, ausgeschaltet oder in der Leistung geregelt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren genutzt, um mit einem Wasserfahrzeug, welches sich noch in Konstruktion befindet, verschiedene Szenarien zu planen und gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu optimieren. Im Gegensatz zu einem existierenden Wasserfahrzeug ist es hier vorteilhaft, die verschiedenen Szenarien mit verschiedenen Konfigurationen zu durchlaufen, beispielsweise mit zwei kleinen Erzeugern anstelle eines größeren oder umgekehrt, durch Hinzufügen oder in der Größe Verändern eines Energiespeichers, beispielsweise eines Akkumulators. Hierdurch kann die Konfiguration ermittelt werden, die die vorgegebenen Szenarien optimal durchläuft und dabei beispielsweise auf Gewicht (entsprechend Verdrängung), Anschaffungskosten oder Betriebskosten optimiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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