WO2004007278A2 - Elektrisches energieversorgungssystem für ein schiff, insbesondere für ein mit niedriger ir-signatur betreibbares marine (navy)-schiff - Google Patents

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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an electrical power supply system for a ship, in particular for a Navy (Navy) ship which can be operated with a low IR signature and which is designed as an "All Electric Ship” (AES), with a direct current network (DC) fed from fuel cells as the on-board network and as a network for normal travel drives and an alternating current network (AC) with generators, in particular for generating energy for high-speed drives, the generators being driven by a motor, for example by at least one gas turbine or a, preferably charged, diesel engine.
  • AES All Electric Ship
  • DC direct current network
  • AC alternating current network
  • German patent application 101 02 741.9 filing date: January 22, 2001, an electrical power supply system for watercraft is known which corresponds to the power supply system described above. It is the object of the invention to provide a configuration of a corresponding electrical energy supply system for a ship which particularly well meets the special operational requirements of a naval ship with special high-speed drives and which allows optimal use of all energy generation devices present on the ship.
  • the disclosure in German patent application 101 02 741.9 is to be included in the disclosure of this patent application.
  • AES energy supply system The special requirements of an AES energy supply system are taken into account in particular by the fact that the AC and DC networks are connected to one another in such a way that electrical energy can be exchanged between them and that electrical energy is taken from the DC network and in particular to start the motor drives to the AC grid is handed over.
  • a starting process with a low IR signature of the high-speed drives can thus advantageously be achieved.
  • the exhaust gases of the motor drives of the generators are introduced into a vacuum space on the ship's floor, the vacuum in the vacuum space being generated by the water accelerated directly or indirectly by the high-speed drive when the high-speed drive is operating. It is thus advantageously possible to dispense with aggregates producing an exhaust gas compressor and / or a vacuum in connection with the introduction of the exhaust gases into the water, although here there is a pressure of up to one bar above atmospheric pressure.
  • a particularly good mixing of the exhaust gases with the water flowing around the ship's bottom is advantageously achieved in this case, so that since the exhaust gas bubbles that are formed only rise behind the stern of the ship and sink here in the stern vertebrae, one actually does with respect to the exhaust gases result in undetectable driving of the ship.
  • the exhaust gases are introduced as high-speed drives into a coaxial exhaust nozzle segment of the waterjets, the
  • Water jets are designed to operate up to ten meters below the waterline of the ship. In this way, use is advantageously made of the ejector effect of the water jets and, at the same time, the swirl of the water jet jet is used. Overall, there is a very good discharge behavior of the exhaust gases under the ship's floor.
  • the exhaust gases are advantageously introduced into an underwater nozzle system, for example into a venturi tube system or an annular gas outlet nozzle. So when also achieved with a certain increase in resistance, a functionally similar introduction and distribution of the exhaust gases into the water as with a Waterj et with a coaxial exhaust nozzle segment. Even when using diesel engines that supply the propeller drives with energy, a version is possible that excludes infrared detection as far as the exhaust gases are concerned.
  • a bypass to an outlet above the water line is provided for the exhaust gases of the motor drives, which bypass can be used to start the motor drives.
  • the motor drives can advantageously also be started in the event that vacuum generation is initially not possible.
  • the fuel cells for the DC network both have fuel cells which can be quickly increased in performance, PEM cells, as well as slower performance fuel cells, e.g. DMFC or SOFC cells or other cells that work in the temperature range above that of the PEM cells (approx. 80 ° C).
  • DMFC or SOFC cells e.g. DMFC or SOFC cells or other cells that work in the temperature range above that of the PEM cells (approx. 80 ° C).
  • the different fuel cells work in the media (gas / water) and heat network and jointly feed e-energy into the DC network. If necessary, they can also work in conjunction with one or more reformers. In any case, there is a very advantageous high effectiveness degree with low heat generation, the residual heat can also be used, for example, for cooling purposes in an absorber cooling system.
  • the starting processes of the high-speed units are advantageously carried out by the PEM cells, while the basic on-board power supply is taken over by the fuel cells with a higher operating temperature.
  • the starting processes of the high-speed driving units require a lot of energy, since the units have to be started up with external energy up to the minimum operating speed, so the PEM cells must be able to deliver a corresponding amount of energy and be designed accordingly.
  • the fuel cells have a DC switchgear assembly with a control and control system, and likewise the energy generation units for the high-speed drives have an AC switchgear assembly with a control and control system.
  • This enables energy management to be tailored to the needs of the two networks. Both networks can be controlled, regulated and controlled completely independently of one another. Even if one network fails, the other network remains fully functional.
  • the AC control and control system is connected to pressure sensors, in particular to vacuum sensors in exhaust gas outlet vacuum rooms and pressure sensors in exhaust pipes, and that it is connected to valve and flap adjustment devices and if necessary is connected to position sensors for valves and flaps.
  • pressure sensors in particular to vacuum sensors in exhaust gas outlet vacuum rooms and pressure sensors in exhaust pipes
  • valve and flap adjustment devices if necessary is connected to position sensors for valves and flaps.
  • Such devices are also available as highly available, redundant PLC devices and can advantageously take over the entire automation. In normal or highly available training, they contribute in a special way to the security of the automation processes. Unwanted switching conditions that damage the drive system can thus be avoided with certainty; Oil pressure in the bearings, fuel pressure and temperature, starting and ignition process etc., i.e. the starting conditions can be safely met.
  • the exhaust gas routing system has a compressed air feed subsystem, in particular for blowing out the vacuum spaces and / or for accelerating the flow of the exhaust gases during the starting process.
  • a tool for improving and accelerating the starting processes is thus advantageously available.
  • the safety of the starting process of the drives required to achieve high speeds can thus be improved considerably.
  • the energy supply system is a control system superordinate to the AC and DC switchgear and control and control systems shows that the energy production and the energy consumption of all energy producers and consumers match each other, especially with regard to the different dynamics of energy producers and consumers. In this way it can be avoided that, for example in battle, less energy is available than is required for components of the Navy (Navy) ship that are necessary for survival. In this case, for example, unimportant consumers such as the kitchen, air conditioning, etc. are removed from the on-board electrical system and the entire available energy is concentrated on the units that are necessary for survival.
  • the AC and DC switchgear are set up in such a way that when there is high energy demand in the DC network, e.g. when using
  • the DC network has highly dynamic energy stores, e.g. Battery banks or flywheel storage. What these facilities have in common is that when they are used, abrupt requirements for the energy to be made available in the electrical system can be met.
  • the AC and DC grids are set up so that electrical energy from both grids can be used as required.
  • An electrical circuit arrangement enables the water jets, which are driven by electric drive motors, to be started before the diesel engines and / or gas turbines, which E-generators for the generation of electrical energy for the waterjets to be powered up.
  • the performance of the water jets is increased to such an extent that a corresponding negative pressure area is created in coaxial exhaust nozzle segments or the like.
  • the electrical circuit arrangement is designed as follows:
  • BZA fuel line systems
  • the BZA supply their electrical energy in the form of DC voltage.
  • the BZA supply the cruise drive, in the drawings one or more electric rudder propeller drives, the weapon systems and the electrical system with electrical energy.
  • One or more alternating current generators which are driven by diesel engines and / or gas turbines, supply the electric drive motors of the additional drives, in the figures waterjets of the ship, with energy.
  • One or more static DC / AC converters are or are arranged between at least one of the DC distribution rails and at least one AC distribution rail.
  • the electrical energy can flow from the DC distribution rail to the AC distribution rail and vice versa via these converters. So the waterjets can be used to minimize IR with the electric BZA energy can be started.
  • the AC generators which are driven by diesel engines and / or gas turbines, can supply the DC network with electrical energy; in this case, however, if necessary without IR signature minimization.
  • the procedure is reversed in IR signature-minimized operation.
  • the performance of the waterjets is reduced to such an extent that there is still sufficient negative pressure in the coaxial exhaust nozzle segment to extract / discharge the exhaust gases from the diesel engines and / or gas turbines.
  • the DC / AC converters are activated and the BZA takes over the electrical energy supply to the waterjet.
  • the AC generator power is reduced to zero and disconnected from the AC distribution rail.
  • the diesel engines and / or gas turbines are then shut down and switched off. Now the waterjets can also be brought to zero in their output and switched off.
  • the IR signature of above-water navy (Navy) ships is also minimized in the connection and disconnection phases of high-speed drives.
  • the ship equipped in the manner according to the invention cannot be located from a greater distance by IR sensors, both when cruising with a fuel cell drive and in the transition phases to cruising or from cruising back down to cruising and cruising.
  • FIGURE 1 shows a drive system with a low IR signature for a marine (Navy) surface ship in principle with partial system sections and
  • FIGURE 2 shows the principle of the energy supply system.
  • FIGURE 1 1, 2, 3 and 4 each denote a fuel cell unit, which can optionally consist of a PEM cell block or a combination of a PEM cell block with another fuel cell with a higher operating temperature. In a combination, a functional combination of the two different fuel cells is produced.
  • the electrical energy generated by the fuel cell systems 1, 2, 3 and 4 reaches electrical DC switchgear 5, 6, which can also be combined if necessary, whereby depending on the safety and redundancy requirements, more than two DC switchgear (electrical power plants ) are arranged, and from here via DC / AC converters 7, 8 to the electrical switchgear 9, an AC switchgear. Both the generator 10 and the electric motor 15 of the waterjet 17 are switched by the electrical switchgear 9.
  • the generator 10 is connected to the gas turbine 11, the exhaust gases of which are selectively - can be switched via the switchover device 12, through the exhaust line 13 - in special cases - into the atmosphere or normally via the exhaust line 14 to the coaxial exhaust nozzle segment 18 of the waterjet 17.
  • a drive shaft 16 is arranged between the electric motor 15 and the water jet 17.
  • the water enters the waterjet 17 as indicated by the arrows 19 and, as indicated, the water leaves the waterjet 17 in the water exhaust cone 20.
  • the lower edge of the ship is designated by 21.
  • the waterjet is located considerably below the waterline, usually between 5 and 12 m. The water pressure to be overcome is corresponding.
  • 22 and 23 each denote a DC rail that extends between the fuel cell assemblies 26, 27, 28 and 29.
  • the energy from the DC rails 22, 23 are transferred to the AC rail 30 via connecting lines 24, 25 with converters 40, 41.
  • a rudder propeller 33 which is shown by way of example, and is supplied with energy via an inverter 32, and which is also supplied by the inverter 32, which is another rudder propeller 36, which is shown by way of example, can of course also be used instead of the rudder propellers. Normal propeller drives can also be used.
  • the AC rail 30 is supplied with energy by the generators 34, 36, which are driven by gas turbines 35, 38.
  • the waterjet pairs 34, 35 are supplied with energy from the AC rail 30.
  • a bow thruster 42 is also connected to the DC rail 22 and can be fed from the DC network because of its low power and its rare use.
  • the DC busbars 22, 23 are connected to one another by a transfer line 37, so that overall there is a complete on-board electrical system, FIGURE 2 only showing the essential components.

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Abstract

Elektrisches Energieversorgungssystem für ein Schiff, insbe­sondere für ein mit niedriger IR-Signatur betreibbares, Marine(Navy)-Schiff, das als "All Electric Ship" (AES) ausgebildet ist, mit einem aus Brennstoffzellen gespeisten Gleich­stromnetz (DC) als Bordnetz und als Netz für Normalfahrtan­triebe und einem Wechselstromnetz (AC) mit Generatoren, ins­besondere zur Energieerzeugung für Schnellfahrtantriebe, wo­bei die Generatoren motorisch angetrieben werden, z.B. durch zumindest eine Gasturbine oder einen, vorzgusweise aufgelade­nen, Dieselmotor und wobei das AC- und DC-Netz derart mitein­ander verbunden sind, dass zwischen ihnen Elektroenergie aus­getauscht werden kann, und dass insbesondere zum Starten der motorischen Antriebe elektrische Energie aus dem DC-Netz ent- nommen und an das AC-Netz übergeben wird.

Description

Beschreibung
Elektrisches Energieversorgungssystem für ein Schiff, insbesondere für ein mit niedriger IR-Signatur betreibbares Marine (Navy) -Schiff
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energieversorgungssystem für ein Schiff, insbesondere für ein mit niedriger IR- Signatur betreibbares Marine (Navy) -Schiff, das als „All Electric Ship" (AES) ausgebildet ist, mit einem aus Brennstoffzellen gespeisten Gleichstromnetz (DC) als Bordnetz und als Netz für Normalfahrtantriebe und einem Wechselstromnetz (AC) mit Generatoren, insbesondere zur Energieerzeugung für Schnellfahrtantriebe, wobei die Generatoren motorisch ange- trieben werden, z.B. durch zumindest eine Gasturbine oder einen, vorzugsweise aufgeladenen, Dieselmotor.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 101 02 741.9, Anmeldetag: 22.01.2001, ist ein elektrisches Energieversorgungssystem für Wasserfahrzeuge bekannt, das dem vorstehend geschilderten Energieversorgungssystem entspricht. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Ausgestaltung eines entsprechenden elektrischen Energieversorgungssystems für ein Schiff anzugeben, die den besonderen betrieblichen Anforde- rungen eines Marineschiffs mit speziellen Schnellfahrtantrieben besonders gut entspricht und eine optimale Nutzung aller auf dem Schiff vorhandenen Energieerzeugungseinrichtungen erlaubt. Dabei soll die Offenbarung in der deutschen Patentanmeldung 101 02 741.9 in die Offenbarung dieser Patentanmel- düng mit einbezogen werden.
Den besonderen Anforderungen eines Energieversorgungssystems eines AES wird insbesondere dadurch Rechnung getragen, dass das AC- und DC-Netz derart miteinander verbunden sind, dass zwischen ihnen Elektroenergie ausgetauscht werden kann und dass insbesondere zum Starten der motorischen Antriebe elektrische Energie aus dem DC-Netz entnommen und an das AC-Netz übergeben wird. So kann vorteilhaft ein Startvorgang mit niedriger IR-Signatur der Schnellfahrtantriebe erreicht werden.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgase der motorischen Antriebe der Generatoren in einen Unterdruckraum am Schiffsboden eingeführt werden, wobei der Unterdruck in dem Unterdruckraum bei Betrieb des Schnellfahrtan- triebes durch das von dem Schnellfahrtantrieb direkt oder in- direkt beschleunigte Wasser erzeugt wird. So kann vorteilhaft auf einen Abgasverdichter und/oder Unterdruck erzeugende Aggregate im Zusammenhang mit dem Einführen der Abgase in das Wasser verzichtet werden, obwohl hier ein Druck von bis zu einem bar, über dem atmosphärischen Druck herrscht. Durch die Einführung der Abgase in einen Unterdruckraum am Boden des
Schiffes wird dabei vorteilhaft auch eine besonders gute Vermischung der Abgase mit dem den Schiffsboden umströmenden Wasser erreicht, so dass sich, da die Abgasblasen, die gebildet werden, erst hinter dem Heck des Schiffes aufsteigen und hier in den Heckwirbeln untergehen, tatsächlich ein in Bezug auf die Abgase nicht detektierbares Fahren des Schiffes ergibt. Die Abgase werden bei Verwendung einer Gasturbine oder eines Dieselmotors für die Energieversorgung von elektrischen Motoren für Waterjets als Schnellfahrtantriebe in ein koaxia- les Abgasdüsensegment der Waterjets eingeführt, wobei die
Waterjets für einen Betrieb von bis zu zehn Metern unter der Wasserlinie des Schiffes ausgebildet sind. So wird vorteilhaft von der Ejektor-Wirkung der Waterjets Gebrauch gemacht und gleichzeitig der Drall des Waterjetstrahls ausgenutzt. Insgesamt ergibt sich ein sehr gutes Austragsverhalten der Abgase unter dem Schiffsboden.
Bei der Verwendung von Dieselmotoren für die Energieversorgung von elektrischen Motoren für Propellerantriebe als Schnellfahrtantriebe werden die Abgase vorteilhaft in ein Unterwasserdüsensystem eingeführt, z.B. in ein Venturirohrsys- tem oder eine ringförmgie Gas-Ausströmdüse. So wird, wenn auch mit einer gewissen Widerstandserhöhung, eine funktioneil ähnliche Einführung und Verteilung der Abgase in das Wasser wie bei einem Waterj et mit koaxialem Abgasdüsensegment erreicht. Auch bei Einsatz von Dieselmotoren, die Propeller- antriebe mit Energie versorgen, ist also eine Ausführung möglich, die eine Infrarotortung, soweit es die Abgase angeht, ausschließt .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass für die Abgase der motorischen Antriebe ein Bypass zu einem Austritt oberhalb der Wasserlinie vorgesehen ist, der für den Start der motorischen Antriebe benutzt werden kann. So kann der Start der motorischen Antriebe vorteilhaft auch für den Fall erfolgen, dass eine Unterdruckerzeugung zunächst nicht möglich ist.
Im Rahmen der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass die Brennstoffzellen für das DC-Netz sowohl schnell in der Leistung steigerbare Brennstoffzellen, z.B. PEM-Zellen, als auch langsamer in der Leistung steigerbare Brennstoffzellen sind, z.B. DMFC- oder SOFC-Zellen oder andere Zellen, die im Temperaturbereich oberhalb der der PEM-Zellen (ca. 80 °C) arbeiten. So lässt sich vorteilhaft eine Grundlastversorgung und eine Spitzenlastversorgung auch für das DC-Netz erreichen, wobei die Kombination unterschiedlicher Brennstoffzellen und Typen eine besonders kostengünstige und wirkungsgradmäßig optimierte Brennstoffzellen-Energieversorgung ermöglicht. Eine derartige Energieversorgung kann sowohl den dynamischen als auch den statischen Anforderungen an die Energieversorgung eines Marine (Navy) -Schiffs vorteilhaft sehr gut nachkommen.
In Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorteilhaft vorgesehen, dass die unterschiedlichen Brennstoffzellen im Medien- (Gas/Wasser) und Wärmeverbund arbeiten und gemeinsam E-Ener- gie in das DC-Netz einspeisen. Gegebenenfalls können sie auch im Verbund mit einem oder mehreren Reformern arbeiten. In jedem Fall ergibt sich ein sehr vorteilhafter hoher Wirkungs- grad mit geringer Wärmeerzeugung, wobei die Restwärme z.B. auch noch zu Kühlzwecken in einem Absorber-Kühlsystem verwendet werden kann. Die Startvorgänge der Schnellfahrtaggregate werden vorteilhaft von den PEM-Zellen vorgenommen, während die Basisbordstromversorgung von den Brennstoffzellen mit höherer Betriebstemperatur übernommen werden. Die Startvorgänge der Schnellf hrtaggregate erfordern viel Energie, da die Aggregate mit Fremdenergie bis zur Mindest-Betriebs-Drehzahl hochgefahren werden müssen, die PEM-Zellen müssen also ent- sprechend viel Energie liefern können und dementsprechend ausgelegt sein.
Für Marine (Navy) -Schiffe ist es von besonderem Vorteil, wenn die Brennstoffzellen unterschiedlicher Dynamik in technisch zusammenwirkenden Einheiten zusammengefasst werden, die auf unterschiedliche Schiffsbereiche verteilt sind. So ergibt sich eine hohe Unempfindlichkeit gegen Treffer, da auch bei schweren Beschädigungen in einzelnen Schiffsbereichen die Energieerzeugung in den anderen Schiffsbereichen optimiert weitergehen kann.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Brennstoffzellen eine DC-Schaltanlage mit einem Kontroll- und Leitsystem aufweisen, ebenso die Energieerzeu- gungseinheiten für die Schnellfahrtantriebe eine AC-Schalt- anlage mit einem Kontroll- und Leitsystem. So ist ein bedarfsgerechtes Energiemanagement für die beiden Netze möglich. Beide Netze können völlig unabhängig voneinander gesteuert, geregelt und kontrolliert werden. Auch bei Ausfall eines Netzes bleibt das andere Netz unverändert voll funktionsfähig.
In Ausgestaltung der Erfindung ist fernerhin vorgesehen, dass das AC-Kontroll- und Leitsystem mit Drucksensoren in Verbin- düng steht, insbesondere mit Unterdrucksensoren in Abgasaus- tritts-Unterdruckräumen und Drucksensoren in Abgasleitungen sowie, dass es mit Ventil- und Klappenverstelleinrichtungen und ggf. mit Stellungssensoren für Ventile und Klappen in Verbindung steht. So steht eine Basis für eine Automatisierung der Start- und Hochfahrvorgänge der einzelnen Energieerzeuger zur Verfügung, mit deren Hilfe ein Kontroll- und Leitsystem mit einer Abgasführungsschaltlogik (Automatisierungssystem) betrieben werden kann, das die üblichen elektronischen Automatisierungskomponenten, wie Stellgeschwindig- keitsrampen, Verriegelungen etc., aufweist und besonders vorteilhaft auf der Basis von Siemens-SIMATIC S7-Geräten betrie- ben wird.
Derartige Geräte stehen auch als hoch verfügbare, in sich redundant arbeitende SPS-Geräte zur Verfügung und können vorteilhaft die gesamte Automatisierung übernehmen. In Normal- oder in hochverfügbarer Ausbildung tragen sie in besonderer Weise zur Sicherheit der Automatisierungsvorgänge bei. Ungewollte, das Antriebssystem schädigende, Schaltungszustände können so mit Sicherheit vermieden werden; Öldruck der Lager, Brennstoffdruck und Temperatur, Start- und Zündvorgang etc., d.h. die Startbedingungen, können so sicher eingehalten werden.
Es ist im Rahmen der Erfindung ggf. vorgesehen, dass das Abgasführungssystem ein Drucklufteinspeisesubsystem aufweist, insbesondere zum Ausblasen der Unterdruckräume und/oder zur Strömungsbeschleunigung der Abgase beim Startvorgang. So steht vorteilhafterweise ein Hilfsmittel zur Verbesserung und Beschleunigung der Anfahrvorgänge zur Verfügung. Die Sicherheit des Anfahrvorgangs der zum Erreichen hoher Geschwindig- keiten notwendigen Antriebe ist so erheblich verbesserbar.
Falls die Schnellfahrtantriebe durch druckluftgestartete Dieselgeneratorsätze angetrieben werden, kann deren Druckluftreservoir mit verwendet werden.
Es ist weiterhin im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass das Energieversorgungssystem ein den AC- und DC-Schaltanlagen mit ihren Kontroll- und Leitsystemen übergeordnetes Leitsystem aufweist, das die Energieerzeugung und den Energieverbrauch aller Energieerzeuger und -Verbraucher aufeinander abstimmt, insbesondere im Hinblick auf die unterschiedliche Dynamik der Energieerzeuger und Verbraucher. So kann vermieden werden, dass, z.B. im Gefecht, weniger Energie für überlebensnotwendige Komponenten des Marine (Navy) -Schiffs zur Verfügung steht, als benötigt wird. In diesem Fall werden z.B. in der betreffenden Situation unwichtige Verbraucher, wie Küche, Klimaanlage etc., vom Bordnetz genommen und die gesamte ver- fügbare Energie auf die überlebensnotwendigen Aggregate konzentriert .
In Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die AC- und DC-Schaltanlagen derart eingerichtet sind, dass bei hoher Energieanforderung im DC-Netz, z.B. bei Einsatz von
Hochenergiewaffen, eine maximale Einspeisung von Energie aus dem AC-Netz in das DC-Netz möglich ist. Weiterhin ist in diesem Rahmen auch vorgesehen, dass das DC-Netz hochdynamische Energiespeicher, z.B. Akkubänke oder Schwungradspeicher, auf- weist. Diesen Einrichtungen ist gemeinsam, dass bei ihrem Einsatz sprunghaften Anforderungen an die im Bordnetz zur Verfügung zu stellende Energie nachgekommen werden kann. Das AC- und das DC-Netz sind also so eingerichtet, dass E-Energie aus beiden Netzen anforderungsgerecht eingesetzt werden kann.
Die Erfindung kann generell wie folgt beispielhaft beschrieben werden :
Zur Minimierung der IR-Signatur von Überwasser-Marine (Navy) - Schiffen sollen die Abgase von Dieselmotoren und/oder Gasturbinen über koaxiale Abgasdüsensegmente o.a. in Verbindung mit einem oder mehreren Waterjets bei Ausnutzung des Druckabfall- gebiets (Unterdruck = Sog) unterhalb der Wasserlinie als Was- ser-Abgasgemisch abgeführt werden. Eine elektrische Schal- tungsanordnung ermöglicht es, dass die Waterjets, die von elektrischen Antriebsmotoren angetrieben werden, gestartet werden, bevor die Dieselmotoren und/oder Gasturbinen, die die E-Generatoren für die Erzeugung der elektrischen Energie für die Waterjets antreiben, hochgefahren werden. Die Leistung der Waterjets wird soweit gesteigert, dass in koaxialen Abgasdüsensegmenten o.a. ein entsprechendes Unterdruckgebiet entsteht. Dann erst werden die Dieselmotoren und/oder Gasturbinen gestartet, wobei die Abgasführung so geschaltet ist, dass die Abgase sofort zum koaxialen Abgasdüsensegment geleitet werden. Nach dem Hochfahren der Dieselmotoren und/oder Gasturbinen übernehmen die Generatoren die Lieferung der elektrischen Leistung für die Waterjetmotoren. Die Waterjets können nun bis zu ihrer maximal möglichen Leistung gesteigert werden. Das gleiche gilt für Hochgeschwindigkeitspropelleran- triebe, die anstelle der Waterjets eingesetzt werden können, wobei die koaxialen Abgasdüsensegmente durch axiale Abgasdü- sensegmente ersetzt werden.
Die elektrische Schaltungsanordnung ist folgendermaßen gestaltet :
Eine bis n BrennstoffZeilenanlagen (BZA) , in Figur 1 beispielhaft vier BZA, versorgen emissionslos das Fahr- und Bordnetz mit elektrischer Energie. Die BZA liefern ihre elektrische Energie in Form von Gleichspannung. Im Regelfall versorgen die BZA den Marschfahrtantrieb, in den Zeichnungen beispielhaft eine oder mehrere elektrische Ruderpropellerantriebe, die Waffensysteme und das Bordnetz mit elektrischer Energie. Ein oder mehrere Wechselstromgeneratoren, welche von Dieselmotoren und/oder Gasturbinen angetrieben werden, versorgen die elektrischen Antriebsmotoren der zusätzlichen An- triebe, in den Figuren Waterjets des Schiffes, mit Energie.
Zwischen zumindest einer der DC-Verteilungsschiene und zumindest einer AC-Verteilungsschiene wird bzw. werden ein oder mehrere statische DC/AC-Umformer angeordnet. Über diese Um- former kann die elektrische Energie von der DC-Verteilungsschiene zur AC-Verteilungsschiene und umgekehrt fließen. So können die Waterjets zur IR-Minimierung mit der elektrischen Energie der BZA gestartet werden. Weiterhin kann im Notfall, etwa bei Ausfall der BZA, von den AC-Generatoren, die von Dieselmotoren und/oder Gasturbinen angetrieben werden, das DC-Netz mit elektrischer Energie versorgt werden; in diesem Fall allerdings ggf. ohne IR-Signaturminimierung.
Bei Änderung des Betriebszustandes des Schiffes von Waterjet- antrieben auf Marschfahrtantriebe wird im IR- signaturminimiertem Betrieb umgekehrt verfahren. Die Leistung der Water- jets wird soweit zurückgenommen, dass im koaxialen Abgasdüsensegment noch genügend Unterdruck zum Absaugen/Abführen der Abgase der Dieselmotoren und/oder Gasturbinen vorhanden ist . Die DC/AC-Umformer werden aktiviert und die elektrische Energielieferung an die bzw. den Waterjet wird von den BZA über- nommen. Die Leistung der Wechselstromgeneratoren wird auf Null heruntergefahren und von der AC-Verteilerschiene getrennt. Danach werden die Dieselmotoren und/oder Gasturbinen heruntergefahren und abgeschaltet. Nun können die Waterjets ebenfalls in ihrer Leistung auf Null gefahren und abgeschal- tet werden.
So wird die IR-Signatur von Überwasser-Marine (Navy) -Schiffen auch in den Zu- und Abschaltphasen von Schnellfahrtantrieben minimiert. Somit ist das in erfindungsgemäßer Weise ausgerüs- tete Schiff sowohl bei Marschfahrt mit Brennstoffzellenan- trieb als auch in den Übergangsphasen zur Höchstfahrt bzw. von der Höchstfahrt wieder herunter auf Marschfahrt und bei Höchstfahrt, durch IR-Sensoren aus größerer Entfernung nicht ortbar.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen, ebenso wie aus den Unteransprüchen, auch erfinderische Einzelheiten entnehmbar sind.
Im einzelnen zeigen: FIGUR 1 ein Antriebssystem mit geringer IR-Signatur für ein Marine (Navy) -Überwasserschiff im Prinzip mit System-Teilausschnitten und FIGUR 2 das Prinzip des Energieversorgungssystems.
In FIGUR 1 bezeichnen 1, 2, 3 und 4 je eine Brennstoffzellen- einheit, die wahlweise aus einem PEM-Zellenblock oder aus einer Kombination eines PEM-Zellenblocks mit einer anderen Brennstoffzelle mit höherer Betriebstemperatur bestehen kann. Bei einer Kombination wird ein Funktionsverbund der beiden unterschiedlichen Brennstoffzellen hergestellt. Die von den Brennstoffzellenanlagen 1, 2, 3 und 4 erzeugte elektrische Energie gelangt in elektrische DC-Schaltanlagen 5, 6, die ggf. auch zusammengefasst werden können, wobei je nach Sicherheits- und Redundanzanforderungen auch mehr als zwei DC-Schaltanlagen (E-Werke) angeordnet werden, und von hier aus über DC/AC-Umformer 7, 8 zu der elektrischen Schaltanlage 9, einer AC-Schaltanlage . Von der elektrischen Schaltanlage 9 wird sowohl der Generator 10 als auch der Elektromotor 15 des Waterjets 17 geschaltet. Der Generator 10 steht mit der Gasturbine 11 in Verbindung, deren Abgase wahlweise - über die Umschalteinrichtung 12 schaltbar, durch die Abgasleitung 13 - in Sonderfällen - in die Atmosphäre geleitet wird oder im Normalfall über die Abgasleitung 14 zu dem koaxialen Ab- gasdüsensegment 18 des Waterjets 17. Zwischen dem Elektromotor 15 und dem Waterjet 17 ist eine Antriebswelle 16 angeordnet. Der Wassereintritt in den Waterjet 17 erfolgt wie durch die Pfeile 19 angedeutet und das Wasser verlässt im Wasserabgaskegel 20, wie angedeutet, den Waterjet 17. Die Schiffsun- terkante ist mit 21 bezeichnet. Wie ersichtlich, befindet sich der Waterjet erheblich unterhalb der Wasserlinie, in der Regel zwischen 5 und 12 m. Entsprechend ist der zu überwindende Wasserdruck.
In FIGUR 2 bezeichnen 22 und 23 je eine Gleichstromschiene, die sich zwischen den BrennstoffZellenaggregaten 26, 27, 28 und 29 erstrecken. Die Energie aus den Gleichstromschienen 22, 23 werden über Verbindungsleitungen 24, 25 mit Stromrichtern 40, 41 an die Wechselstromschiene 30 übergeben. An der Gleichstromschiene 23 hängt, über einen Wechselrichter 31 mit Energie versorgt ein beispielhaft eingezeichneter Ruder- propeller 33, sowie ebenfalls über den Wechselrichter 32 mit Energie versorgt, ein anderer beispielhaft eingezeichneter Ruderpropeller 36. Anstelle der Ruderpropeller können natürlich auch normale Propellerantriebe verwendet werden.
Die Wechselstromschiene 30 wird durch die Generatoren 34, 36, diese angetrieben durch Gasturbinen 35, 38, mit Energie versorgt. Aus der Wechselstromschiene 30 werden die Waterjetpaa- re 34, 35 mit Energie versorgt. Zwischen den einzelnen Stromschienen, wie sie in FIGUR 2 beispielhaft gezeigt, und ihren Teilen befinden sich die üblichen und nur angedeutet dargestellten Schalteinrichtungen. An der Gleichstromschiene 22 ist noch ein Bow Thruster 42 angeschlossen, der wegen seiner geringen Leistung und seines seltenen Einsatzes aus dem Gleichstromnetz gespeist werden kann. Die Gleichstromschienen 22, 23 sind durch eine Überleitung 37 miteinander verbunden, so dass sich insgesamt ein komplettes Bordnetz ergibt, wobei die FIGUR 2 nur die wesentlichen Komponenten zeigt.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Energieversorgungssystem für ein Schiff, insbesondere für ein mit niedriger IR-Signatur betreibbares Marine (Navy) -Schiff, das als „All Electric Ship" (AES) ausgebildet ist, mit einem aus Brennstoffzellen gespeisten Gleichstromnetz (DC) als Bordnetz und als Netz für Normalfahrantriebe und einem Wechselstromnetz (AC) mit Generatoren, insbesondere zur Energieerzeugung für Schnellfahrtantriebe, wo- bei die Generatoren motorisch angetrieben werden, z.B. durch zumindest eine Gasturbine oder einen, vorzugsweise aufgeladenen, Dieselmotor, dadurch gekennzei chnet , dass das AC- und DC-Netz derart miteinander verbunden sind, dass zwischen ihnen Elektroenergie ausgetauscht werden kann, und dass insbesondere zum Starten der motorischen Antriebe elektrische Energie aus dem DC-Netz entnommen und an das AC- Netz übergeben wird.
2. Elektrisches Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Abgase der motorischen Antriebe der Generatoren in einen Unterdruckraum am Schiffsboden eingeführt werden, wobei der Unterdruck in dem Unterdruckraum bei Betrieb des Schnellfahrtantriebs durch das von dem Schnellfahrtantrieb direkt oder indirekt beschleunigte Wasser erzeugt wird.
3. Elektrisches Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Abgase bei Verwendung einer Gasturbine oder eines Dieselmotors für die Energieversorgung von elektrischen Motoren für Waterjets als Schnellfahrtantriebe in koaxiale Abgasdüsensegmente der Waterjets eingeführt werden, wobei die Waterjets für einen Betrieb von bis zu zehn Metern unter der Wasserlinie des Schiffes ausgebildet sind.
4. Elektrisches Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennze i chnet , dass die Abgase bei Verwendung von Dieselmotoren für die Energieversorgung von elektrischen Motoren für Propellerantriebe als Schnellfahrtantriebe in ein Unterwasserdüsensystem eingeführt werden, z.B. in ein Venturirohrsystem oder eine ringförmige Gas-Ausstromdüse .
5. Elektrisches Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennze i chne t , dass für die Abgase der motorischen Antriebe ein Bypass zu einem Austritt oberhalb der Wasserlinie vorgesehen ist, der für den Start der motorischen Antriebe benutzt werden kann.
6. Elektrisches Energieversorgungssystem mit einem AC- und einem DC-Netz für ein AES, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennz e i chnet , dass die Brennstoffzellen für das DC- Netz sowohl schnell in der Leistung steuerbare Brennstoffzel- len, z.B. PEM-Zellen, als auch langsamer in der Leistung steigerbare Brennstoffzellen sind, z.B. DMFC- oder SOFC-Zel- len oder andere Zellen, die im Temperaturbereich oberhalb der PEM-Zellen (ca. 80 Grad C) arbeiten.
7. Elektrisches Energieversorgungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennz e ichnet , dass die unterschiedlichen Brennstoffzellen im Medien- (Gas/Wasser) und Wärmeverbund arbeiten und gemeinsam E-Energie in das DC-Netz einspeisen.
8. Elektrisches Energieversorgungssystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennze i chnet , dass die Kapazität der schnell in der Leistung steigerbaren Brennstoffzellen derart bemessen ist, dass zumindest die Startvor- gänge der Schnellfahrtantriebe vorgenommen werden können.
9. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet , dass Brennstoffzellen unterschiedlicher Dynamik in technisch zusammenwirkenden Einheiten zusammenge- fasst und auf unterschiedliche Schiffsbereiche verteilt sind.
10. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Brennstoffzellen eine DC-Schaltanlage mit einem Kontroll- und Leitsystem aufweisen.
11. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Energieerzeugungseinhei- ten für die Schnellfahrtantriebe eine AC-Schaltanlage mit einem Kontroll- und Leitsystem aufweisen.
12. Elektrisches Energieversorgungssystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , dass es mit einem Abgasführungssystem in Verbindung steht, mit dem eine Umschaltung der Abgasführung möglich ist.
13. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das AC-Kontroll- und Leit- system mit Drucksensoren in Verbindung steht, insbesondere mit Unterdrucksensoren in Abgasaustritts-Unterdruckräumen und Drucksensoren in Abgasleitungen.
14. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das AC-Kontroll- und Leit- system mit Ventil- und Klappenverstelleinrichtungen und ggf. mit Stellungssensoren in Verbindung steht.
15. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn ze i chne t , dass das AC-Kontroll- und Leitsystem eine Abgasführungs-Schaltlogik (Automatisierungssystem) aufweist, insbesondere mit Stellgeschwindigkeitsrampen und Verriegelungen, insbesondere auf der Basis von Siemens- SIMATIC S7-Geräten, und dass ein auf der gleichen Technik aufbauendes Automatisierungssystem für die Antriebe vorgesehen ist .
16. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze i chne t , dass das Abgasführungssystem ein Drucklufteinspeisesubsystem, insbesondere zum Ausblasen der Unterdruckräume und/oder zur Strömungsbeschleunigung der Abgase beim Startvorgang aufweist.
17. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze i chnet , dass es ein den AC- und DC- Schaltanlagen mit ihrem jeweiligen Kontroll- und Leitsystem übergeordnetes Leitsystem aufweist, das die Energieerzeugung und den Energieverbrauch aller Energieerzeuger und Verbraucher aufeinander abstimmt, insbesondere im Hinblick auf die unterschiedliche Dynamik der Energieerzeuger und Verbraucher.
18. Elektrisches Energieversorgungssystem nach Anspruch 17, dadurch gekennze i chnet , dass die AC- und DC- Schaltanlagen derart eingerichtet sind, dass bei hoher Energieanforderung im DC-Netz, z.B. bei Einsatz von Hochenergiewaffen, eine maximale Einspeisung von Energie aus dem AC-Netz in das DC-Netz möglich ist.
19. Elektrisches Energieversorgungssystem nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennze i chnet , dass die AC- und DC-Komponenten, insbesondere die Schaltanlagen, derart eingerichtet sind, dass das DC-Netz dauerhaft aus dem AC-Netz mit Energie versorgt werden kann, wenn die Brenn- Stoffzellen gänzlich oder teilweise zur Energieerzeugung ausfallen.
20. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das DC-Netz hochdynamische Energiespeicher, z.B. Akkubänke oder Schwungradspeicher, aufweist .
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