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 ent- sprechenden elektrischen Energieversorgungssystems für ein Schiff anzugeben, die den besonderen betrieblichen Anforde- rungen eines Marineschiffs mit speziellen Schnellfahrtantrie- ben besonders gut entspricht und eine optimale Nutzung aller auf dem Schiff vorhandenen Energieerzeugungseinrichtungen er- laubt. Dabei soll die Offenbarung in der deutschen Patentan- meldung 101 02 741.9 in die Offenbarung dieser Patentanmel- dung 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 elekt- rische 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 wer- den.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ab- gase der motorischen Antriebe der Generatoren in einen Unter- druckraum am Schiffsboden eingeführt werden, wobei der Unter- druck 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 Ag- gregate 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 Ver- mischung der Abgase mit dem den Schiffsboden umströmenden Wasser erreicht, so dass sich, da die Abgasblasen, die gebil- det 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 er- gibt. 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 vorteil- haft 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 Energieversor- gung von elektrischen Motoren für Propellerantriebe als Schnellfahrtantriebe werden die Abgase vorteilhaft in ein Un- terwasserdüsensystem eingeführt, z. B. in ein Venturirohrsys- tem oder eine ringförmgie Gas-Ausströmdüse. So wird, wenn

auch mit einer gewissen Widerstandserhöhung, eine funktionell ähnliche Einführung und Verteilung der Abgase in das Wasser wie bei einem Waterjet mit koaxialem Abgasdüsensegment er- reicht. Auch bei Einsatz von Dieselmotoren, die Propeller- antriebe mit Energie versorgen, ist also eine Ausführung mög- lich, 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 Leis- tung 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 Tempe- raturbereich oberhalb der der PEM-Zellen (ca. 80 °C) arbei- ten. 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 op- timierte 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 vorgese- hen, 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 je- dem 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 verwen- det werden kann. Die Startvorgänge der Schnellfahrtaggregate werden vorteilhaft von den PEM-Zellen vorgenommen, während die Basisbordstromversorgung von den Brennstoffzellen mit hö- herer Betriebstemperatur übernommen werden. Die Startvorgänge der Schnellfahrtaggregate 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 Kon- troll-und Leitsystem aufweisen, ebenso die Energieerzeu- gungseinheiten für die Schnellfahrtantriebe eine AC-Schalt- anlage mit einem Kontroll-und Leitsystem. So ist ein be- darfsgerechtes Energiemanagement für die beiden Netze mög- lich. Beide Netze können völlig unabhängig voneinander ge- steuert, geregelt und kontrolliert werden. Auch bei Ausfall eines Netzes bleibt das andere Netz unverändert voll funk- tionsfähig.

In Ausgestaltung der Erfindung ist fernerhin vorgesehen, dass das AC-Kontroll-und Leitsystem mit Drucksensoren in Verbin- dung 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 Automatisie- rung der Start-und Hochfahrvorgänge der einzelnen Energie- erzeuger zur Verfügung, mit deren Hilfe ein Kontroll-und Leitsystem mit einer Abgasführungsschaltlogik (Automatisie- rungssystem) betrieben werden kann, das die üblichen elektro- nischen Automatisierungskomponenten, wie Stellgeschwindig- keitsrampen, Verriegelungen etc., aufweist und besonders vor- teilhaft 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 vor- teilhaft die gesamte Automatisierung übernehmen. In Normal- oder in hochverfügbarer Ausbildung tragen sie in besonderer Weise zur Sicherheit der Automatisierungsvorgänge bei. Unge- wollte, 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 wer- den.

Es ist im Rahmen der Erfindung ggf. vorgesehen, dass das Ab- gasführungssystem 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 Sicher- heit des Anfahrvorgangs der zum Erreichen hoher Geschwindig- keiten notwendigen Antriebe ist so erheblich verbesserbar.

Falls die Schnellfahrtantriebe durch druckluftgestartete Die- selgeneratorsätze angetrieben werden, kann deren Druckluft- reservoir 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 überlebensnotwen- dige 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 kon- zentriert.

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 die- sem 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 beschrie- ben werden : Zur Minimierung der IR-Signatur von Überwasser-Marine (Navy) - Schiffen sollen die Abgase von Dieselmotoren und/oder Gastur- binen über koaxiale Abgasdüsensegmente o. ä. 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 Ab- gasdüsensegmenten o. ä. ein entsprechendes Unterdruckgebiet entsteht. Dann erst werden die Dieselmotoren und/oder Gastur- binen gestartet, wobei die Abgasführung so geschaltet ist, dass die Abgase sofort zum koaxialen Abgasdüsensegment gelei- tet 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 ge- staltet : Eine bis n Brennstoffzellenanlagen (BZA), in Figur 1 bei- spielhaft 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 Ruderpropelleran- triebe, die Waffensysteme und das Bordnetz mit elektrischer Energie. Ein oder mehrere Wechselstromgeneratoren, welche von Dieselmotoren und/oder Gasturbinen angetrieben werden, ver- sorgen die elektrischen Antriebsmotoren der zusätzlichen An- triebe, in den Figuren Waterjets des Schiffes, mit Energie.

Zwischen zumindest einer der DC-Verteilungsschiene und zumin- dest 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-Verteilungs- schiene 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-signaturmini- miertem Betrieb umgekehrt verfahren. Die Leistung der Water- jets wird soweit zurückgenommen, dass im koaxialen Abgasdü- sensegment noch genügend Unterdruck zum Absaugen/Abführen der Abgase der Dieselmotoren und/oder Gasturbinen vorhanden ist.

Die DC/AC-Umformer werden aktiviert und die elektrische Ener- gielieferung an die bzw. den Waterjet wird von den BZA über- nommen. Die Leistung der Wechselstromgeneratoren wird auf Null heruntergefahren und von der AC-Verteilerschiene ge- trennt. 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 erfinde- rische 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 ei- ner 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 Elektromo- tor 15 und dem Waterjet 17 ist eine Antriebswelle 16 angeord- net. Der Wassereintritt in den Waterjet 17 erfolgt wie durch die Pfeile 19 angedeutet und das Wasser verlässt im Wasserab- gaskegel 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 überwin- dende 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 Strom- richtern 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 natür- lich auch normale Propellerantriebe verwendet werden.

Die Wechselstromschiene 30 wird durch die Generatoren 34,36, diese angetrieben durch Gasturbinen 35,38, mit Energie ver- sorgt. Aus der Wechselstromschiene 30 werden die Waterjetpaa- re 34,35 mit Energie versorgt. Zwischen den einzelnen Strom- schienen, wie sie in FIGUR 2 beispielhaft gezeigt, und ihren Teilen befinden sich die üblichen und nur angedeutet darge- stellten 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.