DE102021108758A1 - Wasserfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Ein elektrischer Antrieb für ein Wasserfahrzeug umfasst mindestens einen Motor 4 mit mindestens einer Vortriebseinrichtung 3 und einem Kraftwerk 1, wobei das Kraftwerk 1 mindestens eine Festoxid-Brennstoffzelle 2 zur Oxidation von Kraftstoff aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb für ein Wasserfahrzeug, mit mindestens einem elektrischen Motor, einer Vortriebseinrichtung und einem Kraftwerk.
  • Die mehr als 140.000 Schiffe, die auf den Weltmeeren fahren, verfügen zumeist über einen Dieselmotor, welcher die Drehkraft entweder direkt oder über ein Getriebe auf die Propellerwelle überträgt, die dann einen Propeller antreibt. Da auf einem Schiff auch Strom benötigt wird, sind zusätzlich sogenannte Hilfsdiesel in Gebrauch, welche diesel-elektrisch Strom erzeugen. Die Motoren laufen permanent, je nach Strombedarf mit mehr Leistung. Die Verbrennungsmotoren bisher bekannter Wasserfahrzeuge formen fossile Brennstoffe in Rotationsenergie um und produzieren dabei eine erhebliche Menge an Abgasen. Als Kraftstoff wird in der modernen Schifffahrt vor allem Schweröl oder Marine Dieselöl eingesetzt, das von den Dieselmotoren verbrannt wird. Im Ergebnis entweicht aus den Schiffsschornsteinen eine erhebliche Menge an CO2, aber auch NOx, SOx, Partikel, Asche etc. Die globale Handelsschifffahrt ist für den Transport von ca. 90 % des weltweiten Handels verantwortlich und produziert ungefähr 2,9 % der globalen CO2-Emissionen. Um die europäischen und internationalen Klimaziele einhalten zu können, muss dieser hohe Anteil erheblich reduziert werden. Der Druck auf die Schifffahrt ist enorm, die Zielvorgabe der Emissionsfreiheit möglichst bald umzusetzen. Es gibt weitere Nachteile rund um den Einsatz von Verbrennungsmotoren auf Schiffen. Zu nennen sind etwa die von Schiffen und auf See stationierten maritimen Objekten verursachten Geräuschemissionen mit der nachteiligen Wirkung auf die Umwelt. Dies betrifft zum einen die dort lebenden und arbeitenden Menschen, zum anderen auch die Meeresumwelt. Insbesondere können Tiere, die auf ihren akustischen Sinn zur Orientierung, Nahrungssuche, Kommunikation oder Räubervermeidung angewiesen sind, dauerhaft beeinträchtigt werden. Der durch Schiffe verursachte Lärm ist ebenfalls Gegenstand verpflichtender Resolutionen der International Maritime Organisation. Sie beinhaltet Lärmobergrenzen für die verschiedenen Räumlichkeiten innerhalb eines Schiffs. Lärmquellen sind neben den Dieselmotoren hauptsächlich die Propellerwellendynamik, vom Propeller ausgehende Druck- und Lagerkräfte, Klimaanlagen, Manövriereinrichtungen, insbesondere Querstrahlruder, Winden, Wirbelablösungen, Luftein- und -auslässe oder Wellenstöße.
  • Gegenwärtig gibt es diverse Initiativen, die Emissionen in der Schifffahrt mit Hilfe von regenerativen bzw. synthetischen Energieträgern zu senken. Nach wie vor wird dabei jedoch auf den Dieselmotor als Hauptantrieb und Stromerzeuger gesetzt. Es gibt bereits Projekte in der Schifffahrt, konkret den CO2-Ausstoß zu reduzieren. Bisher erdachte Lösungen sind allerdings nicht wirklich praktikabel, weil beispielsweise Kraftstofftanks zu komplex und zu groß werden.
  • Damit stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, einen zumindest weitestgehend emissionsfreien Antrieb für Wasserfahrzeuge zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Kraftwerk an Bord mindestens eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle zur Oxidation eines fossilen oder synthetischen Kraftstoffs umfasst.
  • Erfindungsgemäß können auf einem einschlägigen Wasserfahrzeug Verbrennungskraftmotoren zukünftig eingespart werden. Stattdessen ersetzt ein Kraftwerk aus mindestens einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle an Bord zur Oxidation eines fossilen oder synthetischen Kraftstoffs diese Technik. Zielvorgabe ist es, einschlägige Wasserfahrzeuge vollständig komplett emissionsfrei zu gestalten. Dazu wird der Diesel- bzw. Verbrennungsmotor komplett ersetzt. Stattdessen wird die Hochtemperatur-Brennstoffzelle als Kraftwerk verwendet und das beste Kraftwerk auf dem Schiff mit dem geeignetsten Kraftstoff in dem Schiff zusammengebracht. Das Kraftwerk oxidiert den Kraftstoff in der Brennstoffzelle. Dank der Kombination dieser neuen, auf der Basis von Hochtemperatur-Brennzellen funktionierenden Nutzung dafür besonders geeigneter Kraftstoffe kann ein emissionsfreies oder jedenfalls extrem emissionsarmes Schiff realisiert werden.
  • Als besonders geeignet erweisen sich als Festoxid-Brennstoffzelle (SFOC oder SOFC) ausgebildete Hochtemperatur-Brennstoffzellen, welche als Kraftwerk Einsatz finden und nicht nur die Rotationsenergie für den oder die Propeller erzeugen, sondern auch den elektrischen Strom für das Schiff liefern. Statt eines Dieselmotors treibt also ein elektrischer Motor die Vortriebseinrichtung, z.B. eine Propellerwelle an, der seine Energie aus der SFOC-Brennstoffzelle anstatt aus einem Dieselgenerator bezieht, wie es bisher üblich war.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht dabei vor, dass das Kraftwerk eine elektrische und/oder thermische Leistung erzeugt. Das SFOC-Kraftwerk nutzt also den Energiegehalt eines fossilen oder synthetischen Kraftstoffs, um eine elektrische und eine thermische Leistung zu erzeugen. Als Abgas entsteht lediglich Wasserdampf und Kohlendioxid. Gleichzeitig ist das Kraftwerk geräuscharm und eliminiert den Dieselmotor weitgehend als Lärmquelle.
  • Besondere Bedeutung kommt im vorliegenden Fall dem Kraftstoff zu, der aus der Gruppe der Alkane stammen sollte und mit dem der erfindungsgemäße elektrische Antrieb bewerkstelligt wird und das Schweröl bzw. Dieselöl ersetzt. Es ist zweckmäßig, wenn als Kraftstoff Methanol oder Ammoniak Verwendung findet. Vorgabe ist dabei nicht eine beliebige Brennstoffzelle, die mit Wasserstoff betrieben wird, sondern eine Brennstoffzelle, die mit Methanol oder anderen Alkanen betrieben werden kann und die mit der SFOC-Brennstoffzelle gefunden wurde.
  • Dass dem Antrieb eine zur Aufnahme des in dem Kraftwerk generierten Abgases dienende Speichereinrichtung zugeordnet ist, ist ebenfalls in mehrerlei Hinsicht vorteilhaft. Dies ist etwa der Fall bei einer CO2 Capture- und Speichereinrichtung, welche den im SFOC-Kraftwerk generierten CO2 - Abgas einfängt und an Bord speichert.
  • Immanent ist den Brennstoffzellen, dass sie sich gegenüber schnellen und heftigen Lastwechseln als problematisch erweisen können. Gerade bei der Schifffahrt treten solche durch Wind und Seegang bedingten Lastwechsel aber naturgemäß regelmäßig auf. Von daher ist es zweckmäßig, wenn dem Antrieb eine zur Aufnahme der in dem Kraftwerk generierten Energie dienende Speichereinrichtung zum Ausgleich der Leitungsschwankungen des Wasserfahrzeugs vorgesehen ist. Dazu ist eine Batterie als Energiespeicher in das Bordnetz integriert.
  • Der Batteriespeicher kann ein Mehrfaches der gespeicherten Energie in Bruchteilen einer Sekunde abgeben bzw. aufnehmen und speichert damit die Energie der Lastschwankungen. Konkret gestaltet sich dies so, dass als Speichereinrichtung eine in das Bordnetz integrierte Batterie dient, wie im Prinzip bereits angesprochen wurde.
  • Dies führt dazu, dass die SFOC-Brennstoffzelle die Grundlast liefert und die Batterie Leistungsspitzen übernimmt. Bei negativen Spitzen können die Batterien entsprechend aufgeladen werden. Zur Steuerung dient ein spezielles Power Management System, welches automatisch die Leistungsverteilung reguliert und dafür sorgt, dass die SFOC-Brennstoffzelle optimal betrieben wird.
  • Darüber hinaus dient der Batterie-Energiespeicher als Notstromversorgung, sollte beispielsweise aus technischen Grüßen das SFOC-Kraftwerk vorübergehend oder dauerhaft keine Energie liefern können.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der elektrische Motor seine Antriebsenergie aus dem SFOC-Kraftwerk und/oder der Speichereinrichtung gewinnt, wobei durch den Batterie-Energiespeicher mögliche Lastschwankungen im Netz ausgeglichen werden.
  • Das erfindungsgemäße Wasserfahrzeug eröffnet auch völlig neue Möglichkeiten dahingehend, dass das durch die Gasvalorisierung im SFOC-Kraftwerk entstehende CO2 in einer geeigneten Einfangvorrichtung separiert wird, bevor es in die Atmosphärenumgebung gelangt. Das CO2 kann nach einer Variante über einen längeren Zeitraum an Bord gespeichert werden, um es in geeigneten Häfen an Land abzugeben bzw. zu veräußern. Insofern ist es geboten, dass an Bord des Wasserfahrzeugs mindestens ein Tank zur Vorhaltung des durch die Gas-Valorisierung gewonnenen CO2 vorgesehen ist. D.h. es sind ein oder mehrere Tanks in das Schiff integriert, in denen das CO2 gespeichert werden kann. Vorgesehen ist weiterhin, dass an Bord des Wasserfahrzeugs mindestens ein Tank zur Vorhaltung des für das Kraftwerk benötigten Kraftstoffs und mindestens ein Behälter zur Vorhaltung des durch die Gas-Valorisierung gewonnenen CO2 vorgesehen ist.
  • Dabei ist der Aggregatzustand des CO2 zu berücksichtigen. Es ist vorgesehen, dass zur Zwischenlagerung des CO2 ein MOF-Speicher, ein gekühlter Behälter und/oder ein Drucktankbehälter dienen. Dabei empfiehlt sich bei der Lagerung des CO2 in gasförmigen Zustand der MOF-Speicher, im festen Zustand Trockeneis und in flüssigem Zustand ein Drucktankbehälter unter einem Druck zwischen 5 bar und 70 bar. Die Speichereinheit dient dabei zum Speichern von drucklosem, unter Druck stehendem und/oder gekühltem CO2 bzw. die Speichereinheit dient zum Speichern von drucklosem, unter Druck stehendem und/oder gekühlten CO2.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die elektrische Energie in einer zentralen Hauptschalttafel auf die elektrischen Nutzer verteilt und dass der elektrische Motor von der zentralen Hauptschalttafel mit Energie versorgt wird.
  • Im Zusammenhang mit der Vortriebseinrichtung wird weiterhin vorgeschlagen, dass zum Vortrieb des Schiffs ein Propeller, Azipod, Jet etc. dient. Dem elektrischen Motor kommt dabei die Funktion zu, die Vortriebstechnik mit Energie zu versorgen. Zweckmäßig ist dabei der Einsatz eines elektrischen Motors, der in Drehrichtung umgesteuert werden kann. Wesentlicher Bestandteil ist dabei das Bordnetz, d.h. das Wasserfahrzeug verfügt über ein Bordnetz zur Verteilung der elektrischen Energie, wobei das Bordnetz sowohl in Wechselstrom (AC), Gleichstrom (DC) oder einer Kombination aus beidem ausgeführt ist.
  • Ein weiteres zentrales Aggregat des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebs ist das Power Management. Das Wasserfahrzeug verfügt über ein Power Management, welches die in der Hauptschalttafel verfügbare Leistung steuert.
  • Dabei kommt dem Power Management ferner die Funktion zu, die Leistungsaufnahme aus dem Kraftwerk und Energiespeicher zu automatisieren bzw. die Leistungsaufnahme aus dem Kraftwerk und Energiespeicher zu optimieren.
  • Dass das Power Management System das Laden/Entladen des Energiespeichers steuert, trägt zur hohen Effizienz dieses Systems maßgeblich bei, wobei das Power Management System zusätzlich eine Vielzahl von Sicherheitsfunktionen beinhaltet und die Energieeffizienz strategisch steuert.
  • Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein elektrischer Antrieb für ein Wasserfahrzeug mit mindestens einem Motor mit mindestens einer Antriebseinheit wie einem oder mehreren Propellern, Azipod, Wasserjet und einem Kraftwerk geschaffen ist, bei dem der bisher übliche und in vielerlei Hinsicht problematische Kraftstoff Schweröl/Diesel und ein damit angetriebener Motor eingespart und durch einen elektrischen Antrieb ersetzt werden. Dazu dient ein Kraftwerk mit mindesten einer Festoxid-Brennstoffzelle zur Oxidation des Kraftstoffs, bei dem es sich zweckmäßigerweise um Methanol handelt. Auch der Einsatz anderer Kraftstoffe ist denkbar. Das Kraftwerk oxidiert den Kraftstoff in der Brennstoffzelle zugleich auf besonders umweltverträgliche Weise. Gegenstand der Erfindung ist somit ein emissionsfreies Schiff, welches einen flüssigen Kraftstoff an Bord in einem Kraftwerk in (elektrische) Energie umsetzt und im Ergebnis keine Klimagase, Lärm oder andere Emissionen erzeugt. Das erfindungsgemäße Wasserfahrzeug umfasst einen elektrischen Antrieb, wobei dieser aus einem drehbaren Propeller, einem gondelartigen Propulsionsmodul (Azimut), einem Wasserstrahlantrieb oder einem anderen beliebigen elektrischen Antrieb besteht. Das erfindungsgemäße Wasserfahrzeug umfasst darüber hinaus einen elektrischen Motor (Propulsionsmotor), dessen Drehrichtung gewechselt werden kann und vor allem ein SFOC-Kraftwerk (Hochtemperatur Solid Oxide Fuel Cell), das fossilen oder synthetischen Kraftstoff wie z.B. Methanol, Ammoniak, Alkohole etc. in einer Brennstoffzelle oxidiert, zu Synthesegas reformiert und die benötigte elektrische Energie erzeugt. Für die Lagerung des Kraftstoffs umfasst das erfindungsgemäße Schiff einen geeigneten Kraftstofftank, respektive eine CO2-Capture- und Speicheranlage, welche die im SFOC-Kraftwerk generierten CO2-Abgase einfängt und an Bord speichert. Das eingesammelte CO2 ist dabei sowohl drucklos, gekühlt oder unter Druck speicherbar, mit der Möglichkeit, das eingesammelte CO2 an geeigneten Stellen an Land abzugeben und zu veräußern. Ergänzend ist ein Batterie-Energiespeichersystem vorgesehen, wobei dieses sowohl Leistungsschwankungen des Schiffs abdeckt, als auch den elektrischen Energieverbrauch optimiert und zusätzlich als Notstromaggregat dient. Verwirklicht ist ferner ein Bordnetz für Wechselstrom (AC), Gleichstrom (DC) oder Kombination Bordnetz, inklusive geeigneter Hauptschaltanlage und mit einem intelligenten und mit einem intelligenten und geeigneten Power Management System, welches die komplexen Leistungsanforderungen für den Antrieb steuert und den elektrischen Bordverbrauch optimiert, um letztlich das maritime Wasserfahrzeug emissionsfrei und energieeffizient betreiben zu können.
  • Um die Leistungsschwankungen abzufangen, wird der Batterie-Energiespeicher in das Bordnetz eingebunden. Der Batteriespeicher kann ein Mehrfaches der gespeicherten Energie in Bruchteilen einer Sekunde abgeben bzw. aufnehmen und liefert als auch speichert somit die Energie der Lastschwankungen. Des Weiteren dient der Batterie-Energiespeicher als Notstromversorgung, sollte beispielsweise aus technischen Gründen das SFOC-Kraftwerk keine Energie liefern können. Um die Energieproduktion des SFOC-Kraftwerks sowie die Energieentnahme für den Antrieb zu optimieren, wird das maritime Objekt mit einer speziellen, intelligenten Power Management Systemautomatisierung versehen, die gewährleistet, dass das SFOC-Kraftwerk immer im optimalen Betriebsfenster betrieben wird, für das maritime Objekt aber auch immer sicher die benötigten Antriebs- und elektrische Energie zur Verfügung steht.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist, konkret ein Schema zur Funktion des elektrischen Antriebs.
  • In dieser Darstellung ist der Antrieb des als Schiff 2 ausgebildeten Wasserfahrzeugs pauschal mit 3 bezeichnet und umfasst einen elektrischen Motor 4, welcher so in das Stromnetz 5 integriert ist, dass er wahlweise seine Energie aus dem SFOC-Kraftwerk 1 oder dem Batterie-Energiespeicher 6 bezieht. Dieser Speicher gleicht mögliche Lastschwankungen im Netz 5 aus. Alle elektrischen Nutzer sind in dem Stromnetz 5 verbunden und werden in einer geeigneten Hauptschalttafel 7 angesteuert. Ein intelligentes Power Management System steuert und optimiert dabei die Energieversorgung der elektrischen Nutzer. Mit 9 ist der Tank zur Vorhaltung des Methanols oder anderen Kraftstoffs und mit 10 der Speicher zur Zwischenlagerung des CO2 bezeichnet.

Claims (20)

  1. Elektrischer Antrieb für ein Wasserfahrzeug, mit mindestens einem elektrischen Motor (4), einer Vortriebseinrichtung (3) und einem Kraftwerk (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk (1) mindestens eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) zur Oxidation eines fossilen oder synthetischen Kraftstoffs umfasst.
  2. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) eine Festoxid-Brennstoffzelle dient.
  3. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk (1) eine elektrische und/oder thermische Leistung erzeugt.
  4. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff aus der Gruppe der Alkane stammt.
  5. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Antrieb eine zur Aufnahme der in dem Kraftwerk (1) generierten Energie dienende Speichereinrichtung (6) zugeordnet ist.
  6. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung (6) zum Ausgleich der Leistungsschwankungen des Wasserfahrzeugs vorgesehen ist.
  7. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Speichereinrichtung (6) eine in das Bordnetz (5) integrierte Batterie dient.
  8. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung (6) als Notstromversorgung ausgebildet ist.
  9. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (4) seine Energie aus dem SFOC-Kraftwerk (1) und/oder der Speichereinrichtung (6) gewinnt.
  10. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an Bord des Wasserfahrzeugs (2) mindestens ein Tank (9) zur Vorhaltung des für das Kraftwerk (1) benötigten Kraftstoffs vorgesehen ist.
  11. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an Bord des Wasserfahrzeugs (2) mindestens ein Behälter (10) zur Vorhaltung des durch die Gas-Valorisierung gewonnenen CO2 vorgesehen ist.
  12. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zwischenlagerung des CO2 ein MOF-Speicher, ein gekühlter Behälter und/oder ein Drucktankbehälter dienen.
  13. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (10) zum Speichern von drucklosem, unter Druck stehendem und/oder gekühltem CO2 dient.
  14. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie in einer zentralen Hauptschalttafel (7) auf die elektrischen Nutzer verteilt wird.
  15. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Hauptschalttafel (7) zur Versorgung des elektrischen Motors (4) mit Energie dient.
  16. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vortrieb (3) des Schiffs (2) ein Propeller, Azipod, Jet etc. dient.
  17. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserfahrzeug über ein Bordnetz (5) zur Verteilung der elektrischen Energie verfügt.
  18. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserfahrzeug über ein Power Management System (8) verfügt, welches die in der Hauptschalttafel (7) verfügbare Leistung steuert.
  19. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Power Management System (8) die Leistungsaufnahme aus dem Kraftwerk (1) und dem Energiespeicher (6) automatisiert.
  20. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Power Management System (8) das Laden/Entladen des Energiespeichers (6) steuert.
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