DE202009017419U1

DE202009017419U1 - Schwimmfähiges System zur Stromversorgung von Wasserfahrzeugen

Info

Publication number: DE202009017419U1
Application number: DE202009017419U
Authority: DE
Original assignee: Proton Motor Fuel Cell GmbH
Current assignee: Proton Motor Fuel Cell GmbH
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: DE202009017419U8

Abstract

Schwimmfähiges Energieversorgungssystem (1) zur Versorgung eines Verbrauchers (10) mit elektrischer Energie, aufweisend:
– eine Brennstoffzelleneinrichtung (2) zur Erzeugung elektrischer Energie,
– eine Einrichtung zur Speicherung (4) und/oder zur Erzeugung (5, 6) von Brennstoffzellen-Brennstoff,
– eine Einrichtung (7) zur Bereitstellung von Brennstoffzellen-Oxidationsmittel,
– eine Einrichtung (8, 8') zur Anpassung der erzeugten elektrischen Energie an die Erfordernisse des Verbrauchers (10), und
– eine Anschlusseinrichtung (9) zum Anschluss des Energieversorgungssystems (1) an das Stromnetz des Verbrauchers (10).

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein schwimmfähiges Energieversorgungssystem zur Versorgung eines Verbrauchers wie eines Wasserfahrzeugs mit elektrischer Energie.
In Häfen oder an sonstigen Anlegestellen oder Ankerplätzen wird die bordeigene Stromversorgung von Schiffen und anderen Wasserfahrzeugen gegenwärtig noch auf die gleiche Weise gewährleistet wie während der Fahrt, d. h. durch Dieselgeneratoren. Da typischerweise zahlreiche Schiffe oder Boote gleichzeitig auf engem Raum anlegen bzw. vor Anker liegen, tritt eine nicht unerhebliche Belastung durch Dieselabgase (Ruß, Geruch, Kohlendioxid) auf. Es wäre wünschenswert, diese Belastung insbesondere in Landnähe zu reduzieren, wobei natürlich die Stromversorgung der Schiffe weiterhin gewährleistet bleiben muss.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein schwimmfähiges Energieversorgungssystem, das „saubere” elektrische Energie mit Hilfe von Brennstoffzellen erzeugt, und das mit eigener Kraft oder mit Hilfe eines Schleppers zu einem Wasserfahrzeug oder einer Gruppe von Wasserfahrzeugen manövriert werden kann, und dessen (deren) Versorgung mit elektrischer Energie anstelle der bordeigenen Dieselgeneratoren übernimmt. Bei sehr hohem Bedarf an elektrischer Energie kann das Energieversorgungssystem die bordeigenen Dieselgeneratoren zumindest teilweise ersetzen, oder es können mehrere Energieversorgungssysteme gleichzeitig zum Einsatz kommen.
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem weist mindestens folgende Einrichtungen auf: Eine Brennstoffzelleneinrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie, eine Einrichtung zur Speicherung und/oder Erzeugung von Brennstoffzellen-Brennstoff, eine Einrichtung zur Bereitstellung von Brennstoffzellen-Oxidationsmittel, eine Einrichtung zur Anpassung der erzeugten elektrischen Energie an die Erfordernisse des jeweiligen Verbrauchers, und eine Anschluss einrichtung zum Anschluss des Energieversorgungssystems an das Stromnetz des jeweiligen Verbrauchers.
Der Begriff „ein” ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung stets als „mindestens ein” zu verstehen.
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem ist ein Schiff, ein Boot, ein Ponton oder ein sonstiges schwimmfähiges Gebilde, das zur Aufnahme der erforderlichen Einrichtungen in der Lage ist.
Kernstück des Energieversorgungssystems ist die Brennstoffzelleneinrichtung. Die Brennstoffzelleneinrichtung besteht in der Regel aus mehreren Brennstoffzellen-Stapeln, die jeweils aus einer Mehrzahl von Einzel-Brennstoffzellen aufgebaut sind, und den üblichen Peripheriekomponenten. Hinsichtlich der Art der verwendeten Brennstoffzellen gibt es keine speziellen Einschränkungen, und es sind grundsätzlich alle gängigen Typen geeignet. Bevorzugt sind Brennstoffzellen mit Kationenaustauschermembran (Polymerelektrolytmembran), insbesondere wegen der Einfachheit der Handhabung und der relativ niedrigen Betriebstemperaturen von etwa 80 bis 100°C. Durch Reihenschaltung bzw. Parallelschaltung geeigneter Anzahlen von Brennstoffzellen werden die gewünschten Spannungsstärken bzw. Stromstärken erzeugt.
Als Brennstoff wird bevorzugt Wasserstoff verwendet, und als Oxidationsmittel wird bevorzugt Sauerstoff verwendet, wobei es insbesondere bevorzugt ist, unmittelbar Luft zu verwenden und den darin enthaltenen Sauerstoff als Oxidationsmittel zu nutzen. Die bevorzugten Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen werden mit Wasserstoff und Sauerstoff betrieben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Brennstoffzellen, die Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel benötigen, beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass auch Brennstoffzellen, die andere Betriebsmittel benötigen, zum Einsatz kommen können. Die im Folgenden beschriebenen Komponenten sind dann entsprechend zu modifizieren.
Der benötigte Brennstoffzellen-Brennstoff (Wasserstoff) wird beispielsweise in Gasform in Drucktanks oder in flüssiger Form in Flüssiggasbehältern bereitgestellt. Die Bevorratung in flüssiger Form hat allerdings den Nachteil, dass für eine dauernde ausreichende Kühlung gesorgt werden muss. Gasförmiger Wasserstoff kann problemlos in Gasflaschen an Bord genommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann der benötigte Wasserstoff auch an Bord selbst erzeugt und dann entweder unmittelbar verwendet oder in geeigneten Einrichtungen (Druckbehälter, Flüssiggasbehälter) gespeichert werden.
Als Einrichtungen zur Erzeugung von Wasserstoff an Bord des Energieversorgungssystems sind insbesondere Reformer und Elektrolyseure zu nennen. Reformer wandeln Ausgangsbrennstoffe wie beispielsweise Benzin, Dieselkraftstoff, Methan, Erdgas, Propan, Methanol, Ethanol, etc., in einen wasserstoffreichen Brennstoffstrom um, und Elektrolyseure erzeugen Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser. Der gewonnene Wasserstoff kann unmittelbar in die Brennstoffzelleneinrichtung eingespeist werden, oder kann durch Kompressoren komprimiert oder durch Kühlaggregate gekühlt und dann in Druckbehältern bzw. Flüssiggasbehältern zwischengespeichert werden.
Zur Erzeugung von Wasserstoff an Bord des Energieversorgungssystems, sowie auch zum Betreiben anderer Einrichtungen des Energieversorgungssystems, wie Kompressoren, Pumpen, katalytische Brenner und andere Peripheriekomponenten, ist Energie erforderlich, die zweckmäßigerweise ebenfalls auf „saubere” Art erzeugt werden sollte. Auch sollte dafür nach Möglichkeit nicht von den Brennstoffzellen erzeugte Energie verwendet werden müssen. Es ist daher bevorzugt, neben der Brennstoffzelleneinrichtung eine weitere Einrichtung, oder mehrere weitere Einrichtungen, zur Erzeugung von elektrischer Energie an Bord des Energieversorgungssystems vorzusehen. In Frage kommen hierfür insbesondere Solargeneratoren, Windgeneratoren und Wellengeneratoren.
Solargeneratoren arbeiten mit Solarzellen, die Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandeln. Wegen der in maritimer Umgebung stark korrosiv wirkenden Atmosphäre ist auf eine gute Kapselung der Module zu achten. Besonders vorteilhaft sind Solarmodule mit Fluoreszenz-Kollektor, bei denen die Sonnenstrahlung von einem Fluoreszenzfarbstoff absorbiert wird, der daraufhin eine bestimmte Wellenlänge emittiert, an die die Solarzellen speziell angepasst sind. Auf diese Weise kann ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielt werden.
Unter den Windgeneratoren sind Typen mit vertikaler Rotordrehachse vorteilhaft, da sie auch bei den in Bodennähe oft starken Verwirbelungen ohne Wirkungs gradverlust arbeiten, aber es können selbstverständlich auch andere Typen verwendet werden. Diese müssen dem Wind geeignet nachgeführt werden, wie durch eine Windfahne.
Wellengeneratoren sind spezielle Formen von Wasserkraftwerken, die beispielsweise unter Ausnutzung von Bodenwellen oder mit Hilfe von Auftriebskörpern oder pneumatischen Kammern elektrische Energie erzeugen. Die Energieabgabe ist allerdings inhomogen, und der Platzbedarf erheblich. Bei Energieversorgungssystemen, die insbesondere für den Einsatz in Flüssen gedacht sind, kann die Strömung des Wassers genutzt werden.
Es ist bevorzugt, mehrere der zusätzlichen Einrichtungen zur Erzeugung von elektrischer Energie miteinander zu kombinieren, beispielsweise Solargeneratoren und Windgeneratoren, oder Solargeneratoren, Windgeneratoren und einen Wellengenerator. Bevorzugt werden außerdem Stromspeichereinrichtungen, wie Akkumulatoren, vorgesehen, da die Zeiten, in denen elektrische Energie erzeugt wird, und die Zeiten, in denen ein Maximum an elektrischer Energie benötigt wird, oft nicht übereinstimmen.
Die neben der Brennstoffzelleneinrichtung vorgesehene Energieerzeugungseinrichtung kann wahlweise ausschließlich zur Bereitstellung von elektrischer Energie verwendet werden, die intern benötigt wird, also von Einrichtungen des Energieversorgungssystems selbst verbraucht wird, oder zur Bereitstellung von elektrischer Energie verwendet werden, die extern benötigt wird, d. h. die zusätzlichen Energieerzeugungseinrichtungen können der Brennstoffzelleneinrichtung zugeschaltet werden. Die externen Verbraucher werden dann in erster Linie von der Brennstoffzelleneinrichtung und unterstützend von einer zusätzlichen Einrichtung, beispielsweise einem Solargenerator, bedient. Bei Spitzenbedarf kann auch elektrische Energie aus Speichereinheiten des Energieversorgungssystems für den oder die externen Verbraucher bereitgestellt werden.
Das Brennstoffzellen-Oxidationsmittel, bevorzugt Luft bzw. Sauerstoff, kann wie der Brennstoffzellen-Brennstoff in Druckbehältern bevorratet und bereitgestellt werden, beispielsweise in Gasflaschen mit Luft oder Sauerstoff. Alternativ (und bevorzugt) wird atmosphärische Luft verwendet, die der Brennstoffzelleneinrichtung beispielsweise mit Hilfe eines Gebläses oder eines Lüfters zugeführt wird.
Es versteht sich, dass je nach Typ und Auslegung der Brennstoffzelleneinrichtung die zu ihrem Betrieb erforderlichen, dem Fachmann bekannten, Peripheriekomponenten vorzusehen sind. Erforderlich sind typischerweise insbesondere Dosiersysteme, Kühlsysteme, Einrichtungen zur Luftaufbereitung wie Partikelfilter oder Adsorber, Luftbefeuchter, Einrichtungen zur Deionisierung von Wasser, katalytische Brenner zur Abgasreinigung, Wärmetauscher, Kondensatorabscheider, Akkumulatoren und eine geeignete Mess-, Steuer- und Regeltechnik.
Brennstoffzellen erzeugen Gleichstrom. Die elektrischen Verbraucher hingegen, die mit dem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem mit elektrischer Energie versorgt werden sollen, werden in der Regel keinen Gleichstrom verwenden. Vielmehr können sich die Verbraucher, typischerweise Schiffe, hinsichtlich ihrer Stromvarianten erheblich unterscheiden. Daher weist das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem Einrichtungen zur Anpassung der erzeugten elektrischen Energie auf, die es ermöglichen, den erzeugten Strom an die Erfordernisse des jeweiligen Verbrauchers anzupassen. Derartige Einrichtungen sind dem Fachmann bekannt. Benötigt werden typischerweise Wechselrichter zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom, Umrichter zur Veränderung der Spannung bei Gleichstrom bzw. zur Veränderung der Frequenz und/oder der Phase bei Wechselstrom, und Transformatoren zum Transformieren der erzeugten Spannung auf die jeweils benötigte Spannung. Ferner müssen geeignete Anschlüsse an Stromnetze für Gleichstrom, Wechselstrom bzw. Drehstrom vorgesehen werden.
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem ist bevorzugt ein Wasserfahrzeug wie ein Schiff, ein Boot oder ein Ponton. Es kann einen eigenen Antrieb besitzen, bevorzugt einen Elektromotor, damit es sich aus eigener Kraft zu seinen Einsatzorten bewegen und aus eigener Kraft manövriert werden kann. Wenn kein eigener Antrieb vorgesehen ist, muss das Energieversorgungssystem mit Fremdhilfe bewegt und manövriert werden, beispielsweise mit Hilfe von Schleppern. Um zu gewährleisten, dass das Energieversorgungssystem während seines Einsatzes ortsfest bleibt, und nicht etwa durch Strömungen abgetrieben wird, weist das System bevorzugt eine Fixierungseinrichtung auf, beispielsweise einen Anker.
Vorstehend wurde das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem als kompaktes System beschrieben, bei dem sich sämtliche Einrichtungen des Systems auf einer einzigen Einheit befinden. Das Energieversorgungssystem kann jedoch auch als Kombinationssystem mit mindestens zwei Teilsystemen, die jeweils einen Teil der Einrichtungen des Gesamtsystems aufweisen, ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Wasserstofferzeugung mit Hilfe eines Elektrolyseurs an einer für einen Windgenerator günstigen Stelle und/oder an einer für einen Solargenerator günstigen Stelle erfolgen, der erzeugte Wasserstoff nach Kompression zwischengespeichert und dann zu dem schwimmfähigen Teil des Energieversorgungssystems gebracht werden. Der Teil des Energieversorgungssystems, der die Einrichtungen zur Wasserstofferzeugung aufweist, braucht nicht notwendigerweise selbst schwimmfähig zu sein.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems näher beschrieben. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die in der Figur dargestellte Ausführungsform beschränkt ist.
1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein schwimmfähiges Energieversorgungssystem 1 in Form eines Pontons. Das Energieversorgungssystem 1 ist mittels eines Ankers 15 ortsfest fixiert und versorgt ein Schiff 10, das gerade vor Anker liegt (Anker 16), mit elektrischem Strom. Der Strom wird erzeugt von einer Brennstoffzelleneinrichtung 2, die die drei Brennstoffzellenstapel 3 sowie die benötigten Peripheriekomponenten (nicht gezeigt) aufweist. Die Brennstoffzellen werden mit Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff (Luft) als Oxidationsmittel betrieben. Der Wasserstoff wird in Gasflaschen 4 bevorratet und von dort über Zuführleitungen, Verteilerleitungen und Druckminderungssysteme den Brennstoffzellen zugeführt. Das gezeigte Energieversorgungssystem ist nicht auf externe Wasserstofflieferungen angewiesen, sondern erzeugt den benötigten Wasserstoff selbst mit Hilfe eines Elektrolyseurs 5 und eines Reformers 6. Der Elektrolyseur 5 elektrolysiert Wasser, wobei die zur Elektrolyse benötigte Energie von einer Kombination von Hilfssystemen erzeugt wird. Die Hilfssysteme sind ein Solargenerator 12, ein Windgenerator 13 und ein Wellengenerator 14, die in ihrer Kombination ausreichend Strom für die Elektrolyse sowie zum Betreiben der übrigen systeminternen Stromverbraucher (Brenner, Kompressor, etc.) liefern. Nicht benötigter Strom wird in einem nicht gezeigten Akkumulator gespeichert und bei Spitzenbedarf zusätzlich eingespeist.
Der Reformer 6 wird mit Flüssiggas (Propangas) gespeist, das in einem Druckbehälter 11 bevorratet wird und von dem Reformer 6 in ein wasserstoffreiches Brennstoffgas umgewandelt wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird das von dem Reformer 6 erzeugte Gas nicht unmittelbar in die Brennstoffzellen eingespeist, sondern der Wasserstoff daraus abgetrennt, komprimiert und in den Gasflaschen 4 zwischengespeichert.
Als Oxidationsmittel dient Sauerstoff. Der Sauerstoff wird in Form von Luft aus der unmittelbaren Umgebung mit Hilfe eines Gebläses 7 zugeführt. Als Reaktionsprodukt entsteht somit beim Betrieb des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems lediglich Wasser.
Der von der Brennstoffzelleneinrichtung 2 erzeugte Gleichstrom wird von einem Wechselrichter 8 in Wechselstrom umgewandelt. Ein Gleichstrom-Umrichter 8' bringt die Spannung des von der Brennstoffzelleneinrichtung 2 erzeugten Stroms auf den gewünschten Wert. Der Strom wird über geeignete Anschlüsse in das Stromnetz des Schiffes 10 eingespeist, wobei die Anschlüsse in der Figur schematisch als ein Kabel 9 dargestellt sind. Das Kabel 9 weist voneinander isolierte Einzelleitungen auf.
Während das Schiff 10 vor Anker liegt, kann seine Stromversorgung ausschließlich durch das Energieversorgungssystem 1 gewährleistet werden, und die bordeigenen Dieselgeneratoren des Schiffs 10 können abgeschaltet werden. Bei entsprechender Auslegung kann das Energieversorgungssystem 1 nicht nur das Schiff 10, sondern auch noch weitere, hier nicht gezeigte, Wasserfahrzeuge mit Strom versorgen. Auf diese Weise kann die Umweltbelastung durch Dieselabgase in Hafenanlagen und im Bereich von Anlegestellen erheblich verringert werden.

Claims

Schwimmfähiges Energieversorgungssystem (1) zur Versorgung eines Verbrauchers (10) mit elektrischer Energie, aufweisend: – eine Brennstoffzelleneinrichtung (2) zur Erzeugung elektrischer Energie, – eine Einrichtung zur Speicherung (4) und/oder zur Erzeugung (5, 6) von Brennstoffzellen-Brennstoff, – eine Einrichtung (7) zur Bereitstellung von Brennstoffzellen-Oxidationsmittel, – eine Einrichtung (8, 8') zur Anpassung der erzeugten elektrischen Energie an die Erfordernisse des Verbrauchers (10), und – eine Anschlusseinrichtung (9) zum Anschluss des Energieversorgungssystems (1) an das Stromnetz des Verbrauchers (10).
Energieversorgungssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinrichtung (2) zum Betrieb mit Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel ausgelegt ist.
Energieversorgungssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (4) zur Speicherung von Brennstoffzellen-Brennstoff ein Druckbehälter und/oder ein Flüssiggasbehälter ist.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung von Brennstoffzellen-Brennstoff ein Elektrolyseur (5) oder ein Reformer (6) ist.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es eine weitere Einrichtung (12, 13, 14) zur Erzeugung von elektrischer Energie aufweist.
Energieversorgungssystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Einrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie ein So largenerator (12) und/oder ein Windgenerator (13) und/oder ein Wellengenerator (14) ist.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (7) zur Bereitstellung von Brennstoffzellen-Oxidationsmittel ein Druckbehälter und/oder ein Verdichter ist.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (8, 8') zur Anpassung der erzeugten elektrischen Energie an die Erfordernisse des Verbrauchers (10) einen Wechselrichter und/oder einen Transformator und/oder einen Umrichter aufweist.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusseinrichtung (9) einen Anschluss an ein Stromnetz für Gleichstrom und/oder an ein Stromnetz für Wechselstrom und/oder für Drehstrom aufweist.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinrichtung (2) eine oder mehrere Peripheriekomponenten aufweist, wie eine Einrichtung zur Deionisierung von Wasser, zur Luftaufbereitung, zur Luftbefeuchtung, Dosiersysteme, Pumpen, Wärmetauscher, Kondensatorabscheider, elektrische Speichereinrichtungen und Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Wasserfahrzeug ist, das mit einem Antrieb zur Fortbewegung und zum Manövrieren aus eigener Kraft ausgestattet ist.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Wasserfahrzeug ist, das mit Hilfe eines Schleppers bewegt werden kann.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Einrichtung (15) zur Fixierung an einer gewünschten Stelle ausgestattet ist.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Wasserfahrzeug ist, das zur Versorgung eines anderen Wasserfahrzeugs wie eines Schiffes, eines Bootes oder eines schwimmenden Arbeitsgeräts mit elektrischer Energie geeignet ist.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es als Kombinationssystem mit mindestens zwei Teilsystemen, die jeweils einen Teil der Einrichtungen des Gesamtsystems aufweisen, ausgebildet ist.