WO2015011223A2 - Antrieb und verfahren zur bereitstellung hoher antriebsdynamik bei hohen antriebsleistungen bei der gas- und/oder ölgewinnung sowie verwendung eines solchen antriebs - Google Patents

Abstract

Ein Antrieb zur Bereitstellung hoher Antriebsdynannik bei hohen Antriebsleistungen bei der Gas- und/oder Ölgewinnung, insbesondere zur instationären Anwendung bei hydraulischer Frakturierung oder Bohrantrieben, umfassend mindestens einen Verbrennnungsmotor (1) zur Bereitstellung von Antriebsleistung an Verbraucher (2), ist im Hinblick auf einen kostengünstigen, effizienten und hinsichtlich Emissionen verbesserten Betrieb bei gleichbleibender maximaler Antriebsleistung derart ausgestaltet und weitergebildet, dass der Verbrennungsmotor (1) als stationärer Gasmotor mit geringem Lastschaltvermögen (1) ausgebildet ist, dass ein mit dem Gasmotor (1 ) zum Bereitstellen der Antriebsleistung zusammenwirkender Elektro-motor (3) seriell zum Gasmotor (1) angeordnet ist, dass dem Elektromotor (3) ein Energiespeicher (4) zur Bereitstellung elektrischer Energie zugeordnet ist und dass ein weiterer, als Generator arbeitender Elektromotor (5) mit dem Gasmotor (1) gekoppelt ist, wobei der weitere Elektromotor (5) mit dem Gasmotor (1) mechanisch gekoppelt ist und mit dem Elektromotor (3) elektrisch gekoppelt ist, so dass ein Einsatz eines stationären Gasmotors bei instationären Anwendungen ermöglicht ist. Des Weiteren sind ein Verfahren zur Bereitstellung hoher Antriebsdynamik bei hohen Antriebsleistungen bei der Gas- und/oder Ölgewinnung unter Anwendung eines erfindungsgemäßen Antriebs sowie eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Antriebs zur Bereitstellung hoher Antriebsdynamik bei hohen Antriebsleistungen bei der Gas und/oder Ölgewinnung angegeben.

Description

Antrieb und Verfahren zur Bereitstellung hoher Antriebsdynamik bei hohen Antriebsleistungen bei der Gas- und/oder Ölgewinnung sowie Verwendung eines solchen Antriebs

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antrieb zur Bereitstellung hoher Antriebsdynamik bei hohen Antriebsleistungen bei der Gas- und/oder Ölgewinnung, insbesondere zur instationären Anwendung bei hydraulischer Frakturierung oder Bohrantrieben, umfassend mindestens einen Verbrennungsmotor zur Bereitstellung von Antriebsleistung an Verbraucher. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung hoher Antriebsdynamik bei hohen Antriebsleistungen bei der Gas- und/oder Ölgewinnung unter Anwendung eines erfindungsgemäßen Antriebs. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Antriebs zur Bereitstellung hoher Antriebsdynamik bei hohen Antriebsleistungen bei der Gas- und/oder Ölgewinnung.

Aus dem Stand der Technik sind Antriebe und Verfahren zu Bereitstellung hoher Antriebsleistungen bei der Gas- und Ölgewinnung bekannt. Die dabei eingesetzten und zur Rohstoffgewinnung erforderlichen Vortriebs- und Arbeitsmittel weisen einen hohen Energiebedarf auf und benötigen einen dynamischen, leistungsstarken Antrieb. Da an den Einsatzgebieten üblicherweise kein Netzanschluss zur Verfügung steht und Gasmotoren auf Grund des schlechten Leistungsgewichtes und der unzureichenden Dynamik bzw. des geringen Lastschaltvermögens nur für stationäre Anwendungen zur Verfügung stehen, werden Verbrennungsmotoren mit Dieseltechnologie als Antrieb eingesetzt, wobei Diesel als flüssiger Kraftstoff dient. Ein derartiger Antrieb ist in Fig. 1 dargestellt. Der Verbrennungsmotor ist als großvolumiger Dieselmotor 10 ausgebildet und mechanisch mit einem Schaltgetriebe 11 gekoppelt. Der Dieselmotor 10 stellt mechanische Antriebsleistung in Form von Rotation am Schaltgetriebe 11 zur Verfügung. Über das Schaltgetriebe 11 kann eine Übersetzung der Drehbewegung des Dieselmotors 10 erfolgen, um verschiedene Verbraucher 12 entsprechend deren Anforderungen antreiben zu können.

Allerdings ist bei den bekannten Antrieben problematisch, dass diese zur Einhaltung bestehender und künftiger Emissionsgrenzwerte komplexer Abgasnachbehandlungssysteme, bspw. Partikelfilter oder SCR, und Verbrennungstechnologien bedürfen, bspw. Abgasrückführung oder hohe Ladedrücke, bedürfen. Hierbei ist insbesondere von Nachteil, dass die großvolumigen Dieselmotoren bis zum Erreichen der - zur Bereitstellung der Leistung nötigen - Betriebstemperatur eine Warmlaufzeit von etwa einer halben Stunde erfordern. Die instationären Anwendungen weisen im praktischen Einsatz ein intermittierendes Verhalten auf, d.h. zwischen Last- oder Arbeitsphasen befinden sich Ruhe- oder Leerlaufphasen, die hinsichtlich ihrer Dauer nicht abschätzbar sind. Um ein zeitaufwändiges Warmlaufen zu vermeiden und die Verfügbarkeit der Antriebsleistung zu gewährleisten, laufen die Dieselmotoren daher permanent, was neben den entstehenden Emissionen zugleich zu einer schlechten Effizienz führt. Ferner ist von Nachteil, dass die Motoren - um eventuelle Spitzenlasten der Verbraucher bewerkstelligen zu können - deutlich leistungsstärker ausgelegt sein müssen als für den üblichen Arbeitseinsatz erforderlich. So können insbesondere bei der hydraulischen Frakturierung, die auch als "Fracking" bezeichnet wird, beim Einpumpen von einem Gemisch bspw. aus Fluid und Sand in Tiefbohrungen kurzzeitige hohe Widerstände auftreten, die durch eine entsprechend hohe Antriebsleistung des Dieselmotors "abgefangen" werden müssen. Während der restlichen Arbeitsdauer, in der keine Spitzenlasten auftreten, laufen die Motoren deutlich unterhalb ihrer Höchstleistung und damit auch weitab ihres optimalen Betriebspunktes. Ferner ist auf Grund der geforderten hohen Dynamik und/oder Spitzenleistung des Antriebes die Lebensdauer der Dieselmotoren im Vergleich zu stationär laufenden Motoren gering, da die Spitzenlasten plötzlich auftreten und bewerkstelligt werden müssen. Dem hohen Verschleiß soll mit einem hohen Wartungsaufwand entgegengewirkt werden. Von Nachteil ist zudem, dass Brennstoff in Form von Dieselkraftstoff an den Einsatzort transportiert werden muss. Neben einem hohen finanziellen Aufwand ist insoweit auch der Wartungsaufwand solcher Motoren beträchtlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb sowie ein Verfahren zur Bereitstellung hoher Antriebsdynamik bei hohen Antriebsleistungen bei der Gas- und/oder Ölgewinnung der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass bei gleichbleibender maximaler Antriebsleistung ein kostengünstiger, effizienter und hinsichtlich Emissionen verbesserter Betrieb ermöglicht ist.

Die voranstehende Aufgabe wird durch einen Antrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zudem wird die voranstehende Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und einer Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Danach ist der erfindungsgemäße Antrieb derart ausgestaltet und weitergebildet, dass der Verbrennungsmotor als Gasmotor ausgebildet ist, dass ein mit dem Gasmotor zum Bereitstellen der Antriebsleistung zusammenwirkender Elektromotor seriell oder parallel zum Gasmotor angeordnet ist und dass dem Elektromotor ein Energiespeicher zur Bereitstellung elektrischer Energie zugeordnet ist.

In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass bei Verwendung eines Gasmotors an Stelle eines herkömmlichen Dieselmotors deutlich verbesserte Umwelteigenschaften, nämlich deutlich geringere Feinstaub-, Partikel- und C02-Emissionen erreicht werden können. Weiter erfindungsgemäß wird dem lediglich über eine geringe spezifische Antriebsdynamik verfügenden und bislang für instationäre Anwendungen im Wesentlichen als ungeeignet gehaltenen Gasmotor ein Elektromotor zugeordnet, der mit dem Gasmotor zum Bereitstellen hoher Antriebsdynamik bei hoher Antriebsleistung zusammenwirkt. Mit anderen Worten bilden der Gasmotor und der Elektromotor einen Hybridantrieb. Während Hybridantriebe in Fahrzeugen zur Reduzierung von Emission und Verbrauch eines Verbrennungsmotors dienen, zielt der erfindungsgemäße Antrieb darauf ab, einen Einsatz des stationären und an sich über ein unzureichendes Lastschaltvermögen und nur eine geringe Antriebsdynamik verfügenden Gasmotor bei hochdynamischen Anwendungen zu ermöglichen. Durch die Kombination von Gasmotor und Elektromotor entsteht ein hochdynamischer und leistungsstarker Antrieb für instationäre Anwendungen.

Der Begriff "stationär" bezieht sich auf das geringe Lastschaltvermögen des Gasmotors, nämlich auf die geringe Leistungsänderung pro Zeiteinheit P/t, nicht jedoch auf seinen möglicherweise festen Betriebsort.

Im Konkreten ist der Elektromotor seriell oder parallel zum Gasmotor angeordnet, d.h. seriell oder parallel zum Gasmotor geschaltet. Mit anderen Worten bilden Gasmotor und Elektromotor einen seriellen oder einen parallelen Hybridantrieb . Weiter erfindungsgemäß ist dem Elektromotor ein Energiespeicher zur Bereitstellung elektrischer Energie zugeordnet. Hierbei kann die während des Betriebes des erfindungsgemäßen Antriebs überschüssige Antriebsleistung im Wege der Rekuperation dem Energiespeicher zugeführt, dort gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt erneut abgerufen werden. Neben einer hohen Effizienz und (günstigen Emissionseigenschaften ist ferner von Vorteil, dass der Brennstoff für den Gasmotor in Form von Gas oder Erdgas im Einsatzgebiet unmittelbar zur Verfügung steht. Das üblicherweise bei der ÖI- und/oder Gasgewinnung freiwerdende, ungenutzt "abgefackelte" Erdölbegleitgas kann bei der Verwendung eines Gasmotors, dessen Einsatz bei instationären Anwendungen durch die Kopplung mit einem Elektromotor und einem Energiespeicher ermöglicht wird, unmittelbar als Kraftstoff zum Antrieb des Gasmotors genutzt werden. Ein Transportieren von Brennstoff zum Einsatzort ist damit verhindert, zumindest jedoch weitestgehend reduziert. Im Ergebnis ist somit auch ein besonders kostengünstiger Einsatz des erfindungsgemäßen Antriebs mit einer auffallend günstigen Energiebilanz möglich.

Unter "Rekuperation" der Antriebsleistung ist zu verstehen, dass die durch den Antrieb erzeugte überschüssige Energie im Energiespeicher gespeichert wird.

Mit der vorliegenden Erfindung sind somit ein Antrieb sowie ein Verfahren zur Bereitstellung hoher Antriebsdynamik bei hohen Antriebsleistungen bei der Gas- und/oder Ölgewinnung der eingangs genannten Art derart ausgestaltet und weitergebildet, dass bei gleichbleibender maximaler Antriebsleistung ein kostengünstiger, effizienter und hinsichtlich Emissionen verbesserter Betrieb gewährleistet ist.

Hinsichtlich des Energiespeichers ist denkbar, dass es sich um einen Akkumulator zur Speicherung von elektrischer Energie handelt. Der Akkumulator kann in Form von Brennstoffzellen, Lead-acid Batterien, Sodium-Beta Hochtemperatur Batterien, ZEBRA-Zellen, Lithium-Ion-Batterien oder Vanadium-Redox-Flow-Batterien ausgebildet sein.

Gas- und/oder Ölgewinnung sind hier im weitesten Sinne zu verstehen, so kann es sich dabei auch um jegliche Art der Gewinnung von Bodenschätzen handeln. Bei den Verbrauchern kann es sich ganz allgemein um Pumpen, Lüfter, Kompressoren, Bohrtürme oder Bohrantriebe handeln. Diese benötigen ein hohes Maß an mechanischer, elektrischer oder pneumatischer Antriebsleistung. Im Falle von hydraulischer Frakturierung, also einem "Fracking", kann es sich bei der Pumpe um eine hydraulische Arbeitsmaschine handeln, die ein Gemisch aus Fluid und Sand in ein Tiefbohrloch hineinpumpt.

In Bezug auf den Gasmotor ist denkbar, dass es sich um einen auf Dieseltechnologie basierenden Gasmotor handelt. Hiermit können auch Gasmotoren mit hohen Leistungsdaten bereitgestellt werden. Ferner ist von Vorteil, dass auf in der Praxis im stationären Einsatz bewährte Gasmotoren zurückgegriffen werden kann.

In Bezug auf eine konkrete Ausgestaltung ist denkbar, dass im Falle einer seriellen Anordnung ein weiterer, als Generator arbeitender Elektromotor mit dem Gasmotor gekoppelt ist. Der zum Antrieb der Verbraucher dienende Elektromotor kann auch als "erster Elektromotor" und der weitere, als Generator arbeitende Elektromotor als "zweiter Elektromotor" bezeichnet werden. Dabei kann der weitere Elektromotor mit dem Gasmotor mechanisch gekoppelt sein und mit dem - ersten - Elektromotor elektrisch gekoppelt sein. Hierdurch ist eine Entkopplung des dynamischen Verhaltens zwischen dem weiteren Elektromotor, dem Gasmotor und dem ersten Elektromotor möglich, indem zwischen dem weiteren Elektromotor und dem ersten Elektromotor ein Energiespeicher, bspw. ein Akkumulator zwischengeschaltet ist.

Im Konkreten können der weitere Elektromotor und der - erste - Elektromotor jeweils einen Frequenzumrichter oder "Inverter" umfassen, wobei der Energiespeicher mit dem Zwischenkreis der beiden Frequenzumrichter verbunden ist. Durch den am Zwischenkreis angebrachten Energiespeicher wird eine Entkopplung des dynamischen Verhaltens zwischen Gasmotor und Verbraucherantrieb realisiert, was den Einsatz stationärer Verbrennungsmotoren oder Gasmotoren bei instationären Anwendungen erst ermöglicht.

Hinsichtlich der Auslegung der Elektromotoren ist von Vorteil, wenn der - erste - Elektromotor gegenüber dem weiteren Elektromotor ein höheres Drehmoment aufweist, es sich also um einen Hochdrehmomentelektromotor handelt. Dies hat den Vorteil, dass neben der durch den weiteren Elektromotor als Generator in elektrische Energie umgewandelte Energie auch die im Energiespeicher enthaltene Energie dem - ersten - Elektromotor gemeinsam zugeführt werden können. Hiermit kann eine hohe Antriebsleistung für Verbraucher bereitgestellt werden, die sich aus der Summe der am weiteren Elektromotor erzeugten elektrischen Energie und der im Energiespeicher gespeicherten elektrischen Energie ergibt.

Ebenfalls ist denkbar, dass im Falle einer parallelen Anordnung der - erste - Elektromotor sowohl als antreibender Motor als auch als rekuperierender Generator dient. Dabei können der Elektromotor und der Gasmotor zur Bereitstellung der Antriebsleistung mechanisch miteinander gekoppelt sein. Mit anderen Worten handelt es sich um einen pa­rallelen Hybridantrieb. Wird eine hohe Antriebsdynamik bei hohen Antriebsleistungen benötigt, so können der Gasmotor und der Elektromotor gemeinsam eine hohe Antriebsleistung zur Verfügung stellen, wobei durch die Kopplung von Gasmotor und Elektromotor eine hohe Antriebsdynamik realisiert ist, so dass die erforderliche Antriebsleistung in kürzester Zeit bereitgestellt werden kann. Wird nur eine durchschnittliche Leistung benötigt oder befindet sich der Antrieb im Leerlauf, so kann die vom Gasmotor er­zeugte Bewegungsenergie weitestgehend oder gar vollständig am Elektromotor - am ersten Elektromotor - in elektrische Energie umgewandelt werden, die im Energiespeicher gespeichert werden kann. Im Falle einer parallelen Anordnung von Elektromotor und Gasmotor ist zudem von Vorteil, wenn der Elektromotor und dem Gasmotor ein Schaltgetriebe nachgeschaltet ist. Dabei kann es sich zur Bereitstellung möglichst vielseitiger Übersetzungsmöglichkeiten um ein Siebengangschaltgetriebe handeln. Hierdurch lassen sich je nach Art der Verbraucher die gewünschten Drehzahlen bzw. Drehmomente als Antriebsleistung bereitstellen.

In Bezug auf die konkrete Ausgestaltung von Gasmotor und Elektromotor ist von Vorteil, wenn der Gasmotor und der - erste - Elektromotor derart abgestimmt sind, dass die bei gemeinsamen Betrieb von Gasmotor und Elektromotor bereitgestellte Antriebsleistung gleichgroß oder größer ist als die bei Verbraucher anfallende Spitzenlast. Hierdurch·können bspw. bei der hydraulischen Frakturierung entstehende Spitzenlasten von Gasmotor und Elektromotor immer noch eine genügend hohe Antriebsleistung bereitgestellt werden. Gegenüber einem herkömmlichen Dieselmotor, der eine gleichgroße Antriebsleistung zur Verfügung stellen muss, kann der Gasmotor hinsichtlich seiner spezifischen Leistung (kW/I Hubraum) geringer ausgelegt werden, so dass ein Einsatz des Gasmotors möglichst nahe am optimalen Betriebspunkt ermöglicht ist. Dies reduziert den Kraftstoffbedarf während des Betriebs. Durch den Elektromotor kann ein hohes und unterbrechungsfreies Drehmoment bereitgestellt werden, so dass eine Abkehr von der bei Dieselmotoren üblichen drehzahlabhängigen Drehmomentbereitstellung ermöglicht ist. Mit anderen Worten ist durch die Kombination von Elektromotor und Gasmotor ein Betrieb mit relativ konstanter Drehzahl des Gasmotors möglich, so dass dieser im Bereich seiner optimalen Emissionen wie vorgesehen weitestgehend stationär betrieben werden kann. Im Konkreten kann die durch alleinigen Betrieb des Gasmotors bereitgestellte An­triebsleistung geringer sein als die beim Verbraucher anfallende Spitzenlast. Wie voranstehend bereits angedeutet, ermöglicht dies eine Verwendung von Gasmotoren mit geringem Hubraum oder geringer Leistung, wobei die Leistung des Gasmotors derart gewählt werden kann, dass der Gasmotor wie beim herkömmlichen Einsatz, bspw. beim herkömmlichen Pumpvorgang bei hydraulischer Frakturierung nötige Antriebsleistung, alleinig bereitstellen kann. Insoweit ist denkbar, dass die beim normalen Betrieb überschüssige Antriebsleistung im Energiespeicher des Elektromotors durch Rekuperation gespeichert werden kann und der Elektromotor bei Spitzenlasten kurzzeitig ein hohes Drehmoment zur Verfügung stellt, so dass auch hohe Widerstände bewältigt werden können.

Im Konkreten ist denkbar, dass die von Elektromotor und Gasmotor gemeinsam abgegebene Antriebsleistung mehr als 750 kW, insbesondere mehr als 1500 kW beträgt. Hierdurch ist eine ausreichende Bereitstellung von Antriebsleistung gewährleistet.

Von ganz besonderem Vorteil ist, dass der Gasmotor mit an einer ÖI- und/oder Gasquelle gewonnenem Gas, insbesondere Erdgas, antreibbar ist. Somit muss der Brennstoff nicht erst an den Einsatzort transportiert werden, sondern kann das am Einsatzort ohnehin zur Verfügung stehende Gas oder Erdgas direkt als Brennstoff für den Gasmotor eingesetzt werden. Auch eine Verwendung von komprimiertem Erdgas, also CNG, oder verflüssigtem Erdgas, welches als LNG bezeichnet wird, ist denkbar.

Für einen flexiblen Einsatz an verschiedenen Einsatzorten ist der Antrieb mobil ausgebildet, insbesondere auf einem fahrbaren oder transportablen Rahmen, Anhänger oder Trailer angeordnet. Der Begriff Rahmen, Anhänger oder Trailer ist hier im weitesten Sinne zu verstehen, so kann es sich hier um jegliche Art eines Anhängers oder Aufliegers handeln. Der Antrieb bestehend aus Gasmotor und Elektromotor dient hierbei nicht zum Radantrieb oder Fahrantrieb des Anhängers oder Trailers, sondern lediglich zur Bereitstellung von mechanischer Antriebsleistung in Form von Rotationsenergie. Insofern wirkt der Antrieb als eine Arbeitsmaschine.

Für das Verfahren ist von besonderer Bedeutung, dass ein erfindungsgemäßer Antrieb verwendet wird.

Im Hinblick auf eine besonders vorteilhafte Gas- und/oder Ölgewinnung ist von besonderer Bedeutung, dass ein erfindungsgemäßer Antrieb zur Bereitstellung hoher Antriebsdynamik bei hohen Antriebsleistungen bei der Gas- und/oder Ölgewinnung, insbe­sondere zur instationären Anwendung bei der hydraulischen Frakturierung, oder Bohrantrieben verwendet wird.

Sowohl hinsichtlich des Verfahrens als auch hinsichtlich der Verwendung sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf die voranstehenden vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Antriebs verwiesen, die sich auch in verfahrensmäßiger bzw. verwendungsmäßiger Hinsicht lesen lassen.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Antrieb mit einem Dieselmotor gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen Antrieb zur Bereitstellung hoher Antriebsdynamik bei hohen Antriebsleistungen bei der Gas- und/oder Ölgewinnung nach einer ersten Ausführungsform ,

Fig. 3 einen Antrieb zur Bereitstellung hoher Antriebsdynamik bei hohen Antriebsleistungen bei der Gas- und/oder Ölgewinnung nach einer zwei­ten Ausführungsform und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Diagrammes zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Verwendung.

Fig. 2 zeigt einen Antrieb zur Bereitstellung hoher Antriebsdynamik bei hohen Antriebsleistungen bei der Gas- und/oder Ölgewinnung gemäß einer ersten Ausführungsform. Bei dem vorliegenden Antrieb ist ein Gasmotor 1 parallel zu einem Elektromotor 3 angeordnet. Mit anderen Worten ist hier ein paralleler Hybridantrieb realisiert.

Ein Gasmotor 1 ist mechanisch mit einem Elektromotor 3 verbunden. Dem Elektromotor 3 ist ein Energiespeicher 4 in Form eines Akkumulators zur Bereitstellung elektrischer Energie für den Elektromotor 3 zugeordnet. Bei dem Elektromotor 3 handelt es sich um einen Elektromotor mit hohem Drehmoment oder in anderen Worten um einen Hochdrehmomentelektromotor. Der Elektromotor 3 ist mit einem Frequenzumrichter ausge­stattet. Der Elektromotor 3 kann sowohl als antreibender Motor, indem die im Energiespeicher 4 gespeicherte elektrische Energie zum Antrieb des Elektromotors 3 verwendet wird (siehe helle Pfeile), als auch als rekuperierender Generator dienen, wobei die vom Gasmotor 1 in Form von Rotationsenergie gelieferte überschüssige Antriebsleistung in elektrischer Energie umgewandelt und im Energiespeicher oder Akkumulator 4 gespei­chert wird (siehe dunkler Pfeil).

Werden Gasmotor 1 und Elektromotor 3 gemeinsam betrieben, kann eine hohe Antriebsleistung bereitgestellt werden, die gleichgroß oder größer ist als die bei Verbrauchern 2 anfallende Spitzenlast. Bei den Verbrauchern 2 kann es sich um hydraulische, pneumatische oder elektrische Arbeitsmaschinen wie bspw. Pumpen, Lüfter, Kompressoren oder Bohrtürme handeln. Zur Drehzahl- und/oder Drehmomentwandlung kann dem Gasmotor 1 und dem Elektromotor 3 ein Schaltgetriebe 6 nachgeschaltet sein. Der Gasmotor 1 und der Elektromotor 3 sind derart miteinander gekoppelt, dass Antriebsleistung in Form von Rotationsenergie einer Eingangswelle des Schaltgetriebes 6 zugeführt werden kann. Das Schaltgetriebe 6 umfasst eine Ausgangswelle, deren Rotationsenergie an die voranstehend erwähnten Verbraucher 2 abgegeben werden kann.

Generell kann der erfindungsgemäße Antrieb in drei Zuständen betrieben werden, wobei der Gasmotor stets möglichst nahe am optimalen Betriebspunkt oder gar im optimalen Betriebspunkt angetrieben wird.

Bei einem ersten Zustand stehen die Verbraucher still oder die Verbraucher befinden sich im Leerlauf. Der Gasmotor 1 treibt den Elektromotor 3 an, der als Generator arbeitet (siehe dunkler Pfeil). Die vom Elektromotor 3 ausgehend von Rotationsenergie umgewandelte elektrische Energie wird dem Energiespeicher 4, d.h. dem Akkumulator 4, zugeführt und dort gespeichert. An die Verbraucher wird keine oder nur eine geringe Leerlaufleistung abgegeben.

Ein zweiter Zustand ist ein Teillastbereich, in dem die angeforderte Leistung der Verbraucher 2 kleiner ist als die maximale Leistung des Gasmotors 1. Die von den Verbrauchern 2 nicht benötigte Leistung des Gasmotors 1 wird mit Hilfe des Elektromotors 3 in elektrische Energie umgewandelt (siehe dunkler Pfeil), die im Energiespeicher 4, d.h. im Akkumulator 4 gespeichert wird. Die von den Verbrauchern benötigte Leistung wird vom Gasmotor 1 an das Schaltgetriebe 6 abgegeben und von dort an die Verbraucher 2.

Ein dritter Zustand ist ein Betrieb in Volllast. Hierbei muss die von den Verbrauchern 2 angeforderte Leistung von dem Gasmotor 1 und dem Elektromotor 3 gemeinsam bereitgestellt werden. Der Energiespeicher 4 bzw. Akkumulator 4, der elektrische Energie am Elektromotor bereitstellt, wird dabei entladen. Die von den Verbrauchern 2 benötigte Leistung wird vom Gasmotor 1 und vom Elektromotor 3 gemeinsam am Schaltgetriebe 6 bereitgestellt. Die Ausgangswelle des Schaltgetriebes 6 treibt die Verbraucher 2 mit einer entsprechenden Übersetzung an.

Fig. 3 zeigt einen Antrieb zur Bereitstellung hoher Antriebsdynamik bei hohen Antriebsleistungen bei der Gas- und/oder Ölgewinnung gemäß einer zweiten Ausführungsform. Hierbei sind der Gasmotor 1 und der Elektromotor 3 seriell angeordnet. Mit anderen Worten handelt es sich um einen seriellen Hybridantrieb.

Hierbei ist der Gasmotor 1 mechanisch mit einem weiteren, als Generator arbeitenden Elektromotor 5 gekoppelt. Der weitere Elektromotor 5 ist elektrisch mit dem - ersten - Elektromotor 3 gekoppelt. Der Elektromotor 3 und der weitere Elektromotor 5 weisen jeweils einen Frequenzumrichter auf. Zwischen Elektromotor 3 und dem weiteren Elektromotor 5 ist ein Energiespeicher 4 in Form eines Akkumulators 4 zwischengeschaltet, der vom weiteren Elektromotor 5 kommende Energie im Wege der Rekuperation speichern kann (siehe dunkler Pfeil). Ferner kann der Energiespeicher 4 in Form eines Akkumulators 4 gespeicherte Energie an den Elektromotor 3 abgeben (siehe heller Pfeil).

Hinsichtlich der Abstimmung der beiden Elektromotoren kann der Elektromotor 3 ein höheres Drehmoment oder eine höhere Antriebsleistung als der weitere Elektromotor 5 aufweisen. Muss eine maximale Antriebsleistung für die Verbraucher 2 bereitgestellt werden, wird der Elektromotor 3 von der am weiteren Elektromotor 5 umgewandelten elektrischen Energie und der dem Elektromotor 3 vom Energiespeicher 4, d.h. dem Akkumulator 4 bereitgestellten Energie gespeist.

Am Ausgang des Elektromotors 3 steht Rotationsenergie zur Verfügung, mit der die Verbraucher 2 angetrieben werden. Bei den Verbrauchern 2 kann es sich, wie zuvor bereits erwähnt, um Pumpen, Lüfter, Kompressoren oder Bohrtürme handeln. Dadurch, dass der als Generator arbeitende weitere Elektromotor 5 und der Elektromotor 3 und der Energiespeicher 4 elektrisch miteinander verbunden sind, wird eine Entkopplung der dynamischen Anforderungen instationärer Anwendungen von dem weiteren Elektromotor 5 und dem Gasmotor 1 realisiert. Dies ermöglicht den Einsatz von stationären Ver­brennungsmotoren, insbesondere Gasmotoren.

Der erfindungsgemäße Antrieb kann ebenfalls in drei Zuständen betrieben werden, wobei der Verbrennungsmotor 1, d.h. der Gasmotor 1, stets möglichst nahe oder sogar im optimalen Betriebspunkt angetrieben wird.

In einem ersten Zustand stehen die Verbraucher still, d.h. die Verbraucher befinden sich im Leerlauf. Die vom Gasmotor 1 zur Verfügung gestellte Antriebsleistung wird zum weiteren, als Generator arbeitenden Elektromotor 5 von Rotationsenergie in elektrische Energie umgewandelt und im Energiespeicher 4, bei dem es sich um einen Akkumulator 4 handelt, zugeführt und dort gespeichert.

Bei einem zweiten Zustand handelt es sich um einen Teillastbereich, in dem die von den Verbrauchern 2 angeforderte Leistung kleiner ist als die maximale Antriebsleistung des Gasmotors 1. Hierbei wird die von den Verbrauchern 2 nicht benötigte Leistung nicht vom weiteren Elektromotor 5 an den antreibenden Elektromotor 3 weitergegeben, son­dern im Energiespeicher 4, d.h. im Akkumulator 4, gespeichert (siehe dunkler Pfeil). Mit anderen Worten wird ein Teil der am weiteren Elektromotor 5 umgewandelten elektrischen Energie dem antreibenden Elektromotor 3 zugeführt und der restliche Teil dem Energiespeicher 4, d.h. dem Akkumulator 4, zugeführt.

Ein dritter Zustand ist ein Volllastzustand, in dem die maximale Antriebsleistung an die Verbraucher 2 abgegeben wird. Dabei wird die vom weiteren Elektromotor 5 erzeugte elektrische Energie in voller Höhe an den Elektromotor 3, d.h. ein Hochdrehmomentelektromotor 3 abgegeben. Zusätzlich wird die im Energiespeicher 4 gespeicherte Energie dem Elektromotor 3 zugeführt, so dass an der Ausgangswelle des Elektromotors 3 eine maximale Antriebsleistung an die Verbraucher 2 abgegeben werden kann.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagrammes zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Verwendung. Dabei sind aus Gründen der Veranschaulichung einerseits die Leistungsabgabe eines Dieselmotors nach dem Stand der Technik (durchgezogene Linie) und andererseits die Leistungsabgabe eines Gasmotors des erfindungsgemäßen Antriebs (gestrichelte Linie) dargestellt.

Im Diagramm ist in der Abszisse die Zeit t in Stunden und auf der Ordinate die Leis­tung P in Prozent aufgetragen. Wie voranstehend bereits erläutert, werden Antriebe bei der ÖI- und/oder Gasgewinnung aus Gründen des zum Erreichen der Betriebstemperatur erforderlichen Warmlaufens zwar permanent betrieben, deren Antriebsleistung jedoch nur intermittierend benötigt. Mit anderen Worten weist die aus Arbeitsvorgang und Vorbereitung bestehende Periode die Dauer t_periode auf und der Arbeitsvorgang die Dauer t_arbeit. T_periode ist regelmäßig größer oder gleich groß als t_arbeit.

Im Konkreten kommt es zwischen einzelnen Arbeitsvorgängen, bei denen es sich bspw. um ein Einpumpen von Fluid und Sand in ein Tiefbohrloch beim Fracking oder um ein Betreiben eines Bohrturmes handeln kann, zu Stillstands- oder Leerlaufzuständen, in denen vorbereitende Arbeiten vorgenommen werden müssen. Die Dauer dieser Arbeiten ist - wenngleich mit ein bis zwei Stunden im Diagramm eingezeichnet - nicht vorhersehbar, so dass ein Abschalten und darauf folgendes Einschalten des Dieselmotors unter Berücksichtigung der Warmlaufzeit nicht möglich ist.

Die bei den Arbeitsvorgängen auftretenden Spitzenlasten oder schnelle Laständerungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Jedoch kommt es während den Arbeitsvorgängen zu einem blitzartigen Anstieg der erforderlichen Antriebsleistung, die der Antrieb aufbringen können muss. Nach dieser maximalen Antriebsleistung bestimmt sich im Stand der Technik die Leistung des Dieselmotors, der beim Arbeitsvorgang, wenn keine Spitzenlasten auftreten, lediglich bei etwa 50-60 Prozent seiner Leistung betrieben wird. Die je nach Situation erforderliche Antriebsleistung stellt der Dieselmotor durch Anpassen des Motordrehmomentes bereit. Zwischen den Arbeitsvorgängen läuft der Dieselmotor im Leerlauf.

Ebenfalls im Diagramm eingezeichnet ist der Leistungsverlauf des Gasmotors (gestrichelte Linie). Im geforderten Leistungsbereich sind nur Gasmotoren für stationäre Anwendungen erhältlich, die nur bei konstanter Drehzahl betrieben werden können und nur geringe Lastauf- oder -abschaltungen zulassen. Eine geregelte Drehmomentbereitstellung wie bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Dieselmotor ist nicht möglich, weswegen der Gasmotor bislang nur für den stationären Einsatz tauglich gehalten wurde.

Mit der erfindungsgemäßen Kombination aus Gasmotor und Elektromotor wird nun auch ein Einsatz eines Gasmotors im instationären Betrieb, insbesondere bei der ÖI- und/oder Gasgewinnung ermöglicht. Dabei läuft der Gasmotor sowohl während eines Arbeitsvorgangs als auch bei dazwischen liegenden Vorbereitungen permanent, wobei eine konstante Antriebsleistung zur Verfügung gestellt wird. Während eines Arbeitsvorganges kann es sein, dass die erforderliche Leistung alleine des Gasmotors - wie im Schaubild dargestellt - nicht ausreicht, so dass Gasmotor und Elektromotor zusammen­wirken, um die erforderliche Antriebsleistung bereitzustellen. Durch den hochdynamischen Charakter eines Elektromotors ist hierbei eine schnelle Reaktion zum Überwinden von Spitzenlasten möglich. Der Elektromotor bezieht in diesem Zustand seine Energie aus dem dem Elektromotor zugeordneten Energiespeicher, bspw. einem Akkumulator.

Zwischen den Arbeitsvorgängen stellt der Gasmotor ebenfalls eine konstante Antriebsleistung zur Verfügung. Die von den Verbrauchern nicht benötigte Energie wird im Wege der Rekuperation von einem Elektromotor, der zumindest in diesem Zustand als Generator arbeitet, in elektrische Energie umgewandelt und in einem dem Elektromotor zuge­ordneten Energiespeicher, bspw. einem Akkumulator, gespeichert.

Die elektrische Leistung P_Elektro ergibt sich aus dem Produkt der Leistung des Gasmotors P_Gas multipliziert mit dem Faktor t_periode/t_arbeit. Bei der elektrischen Leistung P_Elektro handelt es sich um die während der Vorbereitungsphase gewonnene elektrische Leistung, d.h. grafisch dargestellt um die Fläche zwischen der Leistungskurve des Gasmotors (gestri­chelte Linie) und der Abszisse in der Vorbereitungsphase.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.

Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims (8)

1. Antrieb zur Bereitstellung hoher Antriebsdynamik bei hohen Antriebsleistungen bei der Gas- und/oder Ölgewinnung, insbesondere zur instationären Anwendung bei hydraulischer Frakturierung oder Bohrantrieben, umfassend mindestens einen Verbrennungsmotor (1) zur Bereitstellung von Antriebsleistung an Verbraucher (2), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Verbrennungsmotor (1) als stationärer Gasmotor (1) mit geringem Lastschaltvermögen ausgebildet ist, dass ein mit dem Gasmotor (1) zum Bereitstellen der Antriebsleistung zusammenwirkender Elektromotor (3) seriell zum Gasmotor (1) angeordnet ist, dass dem Elektromotor (3) ein Energiespeicher (4) zur Bereitstellung elektrischer Energie zugeordnet ist und dass ein weiterer, als Generator arbeitender Elektromotor (5) mit dem Gasmotor (1) gekoppelt ist, wobei der weitere Elektromotor (5) mit dem Gasmotor (1) mechanisch gekoppelt ist und mit dem Elektromotor (3) elektrisch gekoppelt ist, so dass ein Einsatz eines stationären Gasmotors bei instationären Anwendungen ermöglicht ist.
2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Elektromotor (3) und dem Gasmotor (1) ein Schaltgetriebe (6) nachgeschaltet ist.
3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmotor (1) und der Elektromotor (3) derart abgestimmt sind, dass die bei gemeinsamen Betrieb von Gasmotor (1) und Elektromotor (3) bereitgestellte Antriebsleistung gleich groß oder größer ist als die bei Verbrauchern (2) anfallende Spitzenlast, insbesondere wobei die durch alleinigen Betrieb des Gasmotors (1) bereitgestellte Antriebsleistung geringer ist als die bei Verbrauchern (2) anfallende Spitzenlast.
4. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsleistung mehr als 750 Kilowatt, insbesondere mehr als 1500 Kilowatt beträgt.
5. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmotor (1) mit an einer ÖI- oder Gasquelle gewonnenem Gas, insbesondere Erdgas, oder mit CNG oder LNG, antreibbar ist.
6. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb mobil ausgebildet ist, insbesondere auf einem fahrbaren oder transportablen Rahmen, Anhänger oder Trailer angeordnet ist.
7. Verfahren zur Bereitstellung hoher Antriebsdynamik bei hohen Antriebsleistungen bei der Gas- und/oder Ölgewinnung, insbesondere zur Anwendung bei hydraulischer Frakturierung oder bei Bohrantrieben, unter Anwendung eines Antriebs nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Verwendung eines Antriebs zur Bereitstellung hoher Antriebsdynamik bei hohen Antriebsleistungen bei der Gas- und/oder Ölgewinnung, insbesondere zur Anwendung bei hydraulischer Frakturierung oder Bohrantrieben, nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

Images