Beschreibung

Verfahren zum Betrieb eines Schiffes sowie Schiff mit einem Antriebssystem mit Abwärmerückgewinnung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Schiffes mit einem Antriebssystem mit Abwärmerückgewinnung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Schiff mit einem Antriebssystem mit Abwärmerückgewinnung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 5; ein derartiges Verfahren und ein derarti ^¬ ges Schiff sind z.B. aus der Veröffentlichung „Less emissions through waste heat recovery", Wärtsilä Corporation, April 2004, präsentiert auf der Green Ship Conference, London, 28/29 April 2004, bekannt.

Das Antriebssystem großer Cargoschiffe, beispielsweise Con ^¬ tainerschiffe, umfasst üblicherweise als Hauptmaschine eine Verbrennungskraftmaschine in Form eines langsam laufenden Zweitakt-Dieselmotors zur Erzeugung von mechanischer Energie zum Antrieb einer Wellenanlage, z.B. einer Propellerwelle, die mit einem Schiffpropeller gekoppelt ist. Die Antriebs ^¬ leistung derartiger Motoren beginnt bei ca. 10 MW und endet zur Zeit bei über 70 MW.

Elektrische Verbraucher an Bord des Schiffes werden üblicher ^¬ weise aus einem elektrischen Schiffsnetz mit elektrischer Energie versorgt, die wiederum von Stromgeneratoren erzeugt wird, die von schneller als die Hauptmaschine laufenden Hilfsmaschinen, üblicherweise schnell laufenden Viertakt- Dieselmotoren, angetrieben werden.

Steigende Brennstoffpreise, der Wunsch nach geringeren Emis ^¬ sionen und nach geringeren Betriebskosten haben in den letzten Jahren das Interesse an der Nutzung der Abwärme der Hauptmaschine zu Energierückgewinnung verstärkt. Nutzbare Ab ^¬ wärme findet sich insbesondere in Abgasen und Kühlmitteln der Hauptmaschine .

Bei einem aus der vorgenannten Veröffentlichung bekannten Schiff wird mittels eines Wärmetauschers Abwärme der Hauptma ^¬ schine an Wasser eines Wasser-Dampfkreislaufes übertragen, wodurch das Wasser verdampft wird. Das verdampfte Wasser wird anschließend in einer Dampfturbine entspannt und seine Ener ^¬ gie in mechanische Energie umgewandelt, die mittels eines Ge ^¬ nerators wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird, mit der über ein Schiffsnetz elektrische Verbraucher des Schiffes betrieben werden. Zu den elektrischen Verbrauchern zählt auch ein über einen Umrichter mit dem elektrischen

Schiffsnetz verbundener Wellenmotor, der mit der Wellenanlage gekoppelt ist und elektrische Energie aus dem Schiffsnetz in mechanische Energie zum Antrieb der Wellenanlage umwandelt.

Wenn das Abwärmerückgewinnungssystem Energie in das Schiffsnetz einspeist, können die Hilfsmaschinen zum Antrieb der Stromgeneratoren entlastet und im besten Fall sogar abgeschaltet werden. Durch diese Maßnahme können die Brennstoff- und Betriebskosten sowie Emissionen der Hilfsmaschinen deut- lieh verringert werden.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines vorstehend erläuterten Schiffes und ein, insbesondere für die Durchführung des Verfahrens ge- eignetes, Schiff anzugeben, die eine optimale Nutzung der Ab ^¬ wärme der Hauptmaschine ermöglichen.

Die Lösung der auf das Verfahren gerichteten Aufgabe gelingt durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1; vorteilhafte Aus- gestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprü ^¬ che 2 bis 4. Die Lösung der auf das Schiff gerichteten Aufgabe gelingt durch ein Schiff gemäß Patentanspruch 5; vorteilhafte Ausgestaltungen des Schiffes sind Gegenstand der Unter ^¬ ansprüche 6 bis 8.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der elektrische Gesamtenergieverbrauch der elektrischen Verbraucher, d.h. die Summe der Energieverbrauche der einzelnen Verbraucher, derart

geregelt, dass der Druck des verdampften Arbeitsmittels, bei ^¬ spielsweise eines Dampfkreislaufes des Abwärmerückgewinnungs ^¬ systems, innerhalb vorgegebener Grenzen bleibt. Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass sich der Druck des verdampften Arbeitsmittels vor der Turbine in Abhängigkeit von der von dem Generator abgegebenen elektrischen Energie einstellt. Je mehr elektrische Energie von dem Generator an die elektrischen Verbraucher abgebbar ist, umso geringer ist der Druck und umgekehrt. Durch Regelung des Gesamtenergie- Verbrauches kann somit die durch den Generator erzeugbare e- lektrische Energie, damit die nutzbare Energie des Arbeits ^¬ mitteldampfes und letztendlich die nutzbare Energie aus der Abwärme der Hauptmaschine geregelt werden.

Durch geeignete Wahl einer unteren Grenze kann beispielsweise sichergestellt werden, dass nicht zuviel Dampf von der Dampf ^¬ turbine abgenommen wird, so dass der Druck hinter der Turbine zusammenbricht, was mit Energieverlusten verbunden ist. Durch geeignete Wahl einer oberen Grenze kann beispielsweise eine Schutzreaktion des Abwärmerückgewinnungssystems zum Schutz der Dampfturbine vor überdruck, z.B. eine öffnung eines By- pass-Ventiles, vermieden werden, was ebenfalls mit Energie ^¬ verlusten verbunden wäre. Wenn der Druck innerhalb der vorgegebenen Grenzen bleibt, kann die zur Verfügung stehende Ab- Wärmeenergie somit besonders effizient genutzt und damit der Wirkungsgrad des Gesamtsystems optimiert werden.

Da üblicherweise die meisten Verbraucher an Bord des Schiffes hinsichtlich ihres Energieverbrauches gar nicht oder nur ein- geschränkt regelbar sind, erfolgt die Regelung des elektri ^¬ schen Gesamtenergieverbrauchs innerhalb der vorgegebenen Grenzen bevorzugt über zumindest einen hinsichtlich seines elektrischen Energieverbrauches variablen Verbraucher. über einen derartigen variablen Verbraucher kann besonders einfach und gezielt der Gesamtenergieverbrauch und somit der Druck des verdampften Arbeitsmittels beeinflusst werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der variable Verbraucher ein mechanisch mit der Wellenanlage gekoppelter elektrischer Motor, in der Fachliteratur auch als „Wellenmotor" bezeichnet. über einen derartigen Motor kann vorhandene elektrische überschussleistung wieder in Form mechanischer Energie auf die Wellenanlage des Schiffshauptantriebes zurückgeführt und dadurch die Hauptma ^¬ schine entlastet werden. Es sind Wellenmotoren mit Leistungen im Bereich von bis zu 5 - 10 % der Leistung der Hauptmaschine verfügbar, die somit innerhalb eines großen Bereiches hin ^¬ sichtlich ihres Energieverbrauches regelbar sind und damit in den meisten Betriebsphasen des Schiffes die Einhaltung der vorgegeben Grenzen für den Druck des verdampften Arbeitsmittels und somit einen effiziente Nutzung der Abwärme der Hauptmaschine ermöglichen.

Für den Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems auch bei nur geringer Abwärme der Hauptmaschine kann Wärme einer weiteren Wärmequelle, z.B. eines Zusatzbrenners, an das Arbeitsmittel übertragen werden. Hierdurch kann die Dampfturbine vorgeheizt bzw. zusätzlicher Dampf für die Dampfturbine erzeugt werden.

Ein erfindungsgemäßes Schiff weist eine Regelungseinrichtung auf zur Regelung des elektrischen Gesamtenergieverbrauches der elektrischen Verbraucher, derart, dass der Druck des verdampften Arbeitsmittels innerhalb vorgegebener Grenzen bleibt.

Gemäß eine besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfin- dungsgemäßen Schiffes ist zumindest einer der elektrischen Verbraucher ein hinsichtlich seines elektrischen Energieverbrauches variabler Verbraucher. über einen derartigen variablen Verbraucher kann besonders einfach und gezielt der Gesamtenergieverbrauch geändert und somit der Druck des ver- dampften Arbeitsmittels beeinflusst werden. Bevorzugt ist der hinsichtlich seines Energieverbrauches regelbare Verbraucher ein mechanisch mit der Wellenanlage gekoppelter elektrischer

Motor, in der Fachliteratur auch als „Wellenmotor" bezeichnet .

Die Erfindung sowie weitere vorteilhaftes Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert. Es zeigt:

FIG 1 ein Prinzipschaltbild eines Schiffes mit einem An triebssystems mit Abwärmerückgewinnung und

FIG 2 beispielhaft über der Zeit den Verlauf des Druckes eines verdampften Arbeitsmittels eines Dampfkreis ^¬ laufes eines Abwärmrückgewinnungssystems bei einem geregelten und bei einem ungeregelten Energie- verbrauch.

Ein in FIG 1 stark schematisiert gezeigtes Schiff 1, z.B. ein großes Containerschiff, weist ein Antriebssystem mit einer Hauptmaschine 2 in Form einer Verbrennungskraftmaschine, vor- zugsweise einen langsam laufenden Zweitakt-Dieselmotor, auf, die eine Wellenanlage 3 antreibt, die mit einem Schiffpropel ^¬ ler 4 gekoppelt ist.

Die Abwärme der Hauptmaschine 2 wird an ein Arbeitsmittel, vorzugsweise Wasser, übertragen, wodurch das Arbeitsmittel verdampft wird. Hierzu ist ein Wärmetauscher 5 vorgesehen, der primärseitig von den heißen Abgasen AG der Hauptmaschine 2 durchströmt und sekundärseitig von Wasser eines Nieder ^¬ druck-Wasserdampfkreislaufes 6 und Wasser eines Hochdruck- Wasserdampfkreislaufes 7 durchströmt wird. Durch die übertra ^¬ gung von Wärme der Abgase AG an das Wasser wird das Wasser in den Kreisläufen 6, 7 verdampft. Der Wasserdampf wird der Niederdruck- bzw. Hochdruckseite einer Dampfturbine 8 zugeführt, darin entspannt und seine Energie in mechanische Energie um- gewandelt wird. Die mechanische Energie wird anschließend mittels eines Generators 11 in elektrische Energie umgewan ^¬ delt.

Das in der Dampfturbine 8 entspannte Arbeitsmittel wird an ^¬ schließend in einem Kondensator 9 kondensiert und in nicht näher dargestellte Weise wieder dem Wärmetauscher 5 zugeführt .

Ein Teil der Abgase AG kann zusätzlich direkt einer Leistungsturbine (Power Turbine) 10 zugeführt werden, die eben ^¬ falls mechanisch mit dem Generator 11 gekoppelt ist.

Ein elektrisches Schiffsnetz 12 dient zur Energieversorgung elektrischer Verbraucher 13 des Schiffes. Aus Gründen der ü- bersichtlichkeit sind in FIG 1 nur drei elektrische Verbrau ^¬ cher dargestellt, in der Praxis wird jedoch eine größere An ^¬ zahl derartiger Verbraucher 13 aus dem Schiffsnetz 12 mit Strom versorgt.

Zur Energieerzeugung für das Schiffsnetz 12 sind mehrere Generatoren 16 vorgesehen, die jeweils von einer schneller als die Hauptmaschine laufenden Hilfsmaschine 17 angetrieben wer- den. Bei den Hilfsmaschinen 17 handelt es sich üblicherweise um schnell laufende Viertakt-Dieselmotoren mit einer Leistung von beispielsweise bis zu 5 MW. üblicherweise sind jeweils ein Generator 16 und ein Dieselmotor 17 zu einem Dieselgeneratoraggregat 18 zusammengefasst .

Ein Wellenmotor 15 ist mechanisch mit der Propellerwelle 3 gekoppelt und elektrisch über einen Umrichter 14 und gegebenenfalls einen nicht näher dargestellten Transformator mit dem Schiffsnetz 12 verbunden. Der Umrichter 14 ist beispiels- weise als Gleichstrom-Zwischenkreis-Umrichter ausgebildet und besteht aus einem motorseitigen Stromrichter und einem netz- seitigen Stromrichter.

Der Wellenmotor 15 ist als langsam laufende Synchronmaschine ausgebildet und wirkt vorzugsweise direkt ohne zwischenge ^¬ schaltetes Getriebe auf die Propellerwelle 3. Der Wellenmotor 15 kann aber auch über ein Getriebe an der Propellerwelle 3 angekuppelt oder mit der Kurbelwelle der Hauptmaschine 2 ge-

kuppelt sein, und zwar an dem Ende, das von der Propellerwel ^¬ le 3 abliegt.

Sobald Abwärme der Hauptmaschine vorhanden ist und über das Abwärmerückgewinnungssystem elektrische Energie in das

Schiffsnetz 12 eingespeist wird, können die Hilfsmaschinen zum Antrieb der Stromgeneratoren entlastet und im besten Fall sogar abgeschaltet werden. Durch diese Maßnahme können die Brennstoff- und Betriebskosten sowie Emissionen der Hilfsma- schinen deutlich verringert werden.

Der Wellenmotor 15 stellt einen variabler Verbraucher dar, der die von den Schiffsverbrauchern 13 nicht benötigte elektrische überschussleistung in Form von mechanischer Energie auf die Propellerwelle 3 zurückführt, wodurch die Hauptma ^¬ schine entlastet und somit Brennstoffverbrauch und Emissionen der Hauptmaschine reduziert werden können.

Durch den Umrichter 14 kann die Größe des Energieflusses von dem Schiffsnetz 12 in den Wellenmotor 15 geregelt werden.

Mit Hilfe des Umrichters 14 und des Wellenmotors 15 kann so ^¬ mit auf besonders einfach Weise der Gesamtenergieverbrauch der elektrischen Verbraucher an Bord des Schiffes geregelt werden .

Eine Regelungseinrichtung 20 dient zur Regelung des elektrischen Gesamtenergieverbrauches, d.h. der Summe des Energie ^¬ verbrauches der elektrischen Verbraucher 13 und des Energie ^¬ verbrauches des Wellenmotors 15, in Abhängigkeit von dem Druck des verdampften Arbeitsmittels in dem Hochdruck- Wasserdampfkreislauf 7. Der Gesamtenergieverbrauch wird hierbei vor allem über den Energieverbrauch des Wellenmotors 15 geregelt. Die Regelungseinrichtung 20 regelt den Energiefluss über den Umrichter 14 in den Wellenmotor 15 und somit den Verbrauch an elektrische Energie in dem Wellenmotor 15 derart, dass der Druck des verdampften Arbeitsmittels in dem Hochdruck-Wasserdampfkreislauf 7 innerhalb vorgegebener Gren ^¬ zen bleibt.

Die Regelungseinrichtung 20 ist hierzu über eine Leitung 22 mit einem vor die Turbine 8 in den Hochdruck-Wasserdampfkreislauf 7 geschalteten Drucksensor 21 verbunden und erfasst hierüber den Druck des Wasserdampfes vor der Turbine 8.

Weiterhin ist die Regelungseinrichtung 20 über eine Leitung 23 mit dem Umrichter 14 verbunden und regelt hierüber die Größe des Energieflusses über den Stromrichter 14 in den WeI- lenmotor 15 und somit den Energieverbrauch des Wellenmotors 15.

FIG 2 zeigt hierzu beispielhaft den Druck P _H p des verdampften Arbeitsmittels in dem Hochdruck-Wasserdampfkreislauf 7 vor dem Eintritt in die Turbine 8 in Abhängigkeit von der Zeit t zum einen für den Fall eines ungeregelten Energieverbrauchs (Kurve A) und im Fall eines geregelten Energieverbrauchs (Kurve B) . Hierbei stellt der obere Grenzdruck OG den Druck dar, ab dem ein Bypassventil 19 öffnet und das verdampfte Ar- beitsmittel unter Umgehung der Dampfturbine 8 dem Kondensator 9 zuführt. Hierdurch wird zwar die Dampfturbine 8 vor unzu ^¬ lässig hohen Drücken geschützt, andererseits geht aber auch Energie verloren. Der untere Grenzdruck UG stellt den Druck dar, ab dem hinter der Dampfturbine 4 der Druck zusammen- bricht, was ebenfalls mit Energieverlusten verbunden ist.

Im Fall eines ungeregelten Energieverbrauchs kann nun ein derart hoher Energieverbrauch auftreten, dass sich ein Druck P _H p des verdampften Arbeitsmittels einstellt, der kleiner als der untere Grenzdruck UG ist. Dies ist mit Energieverlusten und somit mit Wirkungsgradverlusten verbunden. Umgekehrt kann aber auch ein derart niedriger Energieverbrauch auftreten, dass sich ein Druck P _H p einstellen würde, der ohne öffnen des Bypassventils 19 sogar den oberen Grenzdruck OG überschreiten würde. Aufgrund des öffnens des Bypassventils 19 bei Errei ^¬ chen des oberen Grenzdruckes OG kommt es dann zwar zu einer Begrenzung des Druckes P _H p auf den Grenzwert OG, was jedoch

ebenfalls mit Energieverlusten und somit mit Wirkungsgradverlusten verbunden ist.

Bei einer erfindungsgemäße Regelung des Energieverbrauchs kann - wie mit der Kurve B veranschaulicht - sichergestellt werden, dass der Druck P _H p des verdampften Arbeitsmittels stets unterhalb des oberen Grenzdrucks OG und oberhalb des unteren Grenzdrucks UG bleibt und somit derartige Energiever ^¬ luste vermieden werden.

Der elektrische Energieverbrauch wird hierbei über den Wel ^¬ lenmotor 15 als variablen Verbraucher geregelt. Dessen Energieverbrauch wird (bei ansonsten unverändertem Energieverbrauch der weiteren Verbraucher 13 an Bord des Schiffes) derart geregelt, dass der Druck P _H p des verdampften Arbeits ^¬ mittels stets unterhalb des oberen Grenzdrucks OG und ober ^¬ halb des unteren Grenzdrucks UG bleibt. Durch geeignete Wahl der Werte für die Grenzdrücke OG und UG kann dann eine beson ^¬ ders effiziente Nutzung der Dampfenergie ermöglicht werden. Im Fall einer Auslegung einer Turbine auf einen Druck von 10 bar wird beispielsweise ein oberer Grenzdruck OG von 9,5 bar und ein unterer Grenzdruck UG von 6,0 bar gewählt.

Im Betrieb wird der Niederdruck-Wasserdampfkreislauf auf die Dampfturbine 8 zugeschaltet, wenn der Hochdruck-Wasserdampfkreislauf 7 einen bestimmten Druck erreicht hat. Wenn der Niederdruck-Wasserdampfkreislauf 6 wiederum einen bestimmten Druck erreicht hat, wird die Leistungsturbine 10 zugeschal ^¬ tet. Hierdurch wird jeweils die durch das Abwärmerückgewin- nungssystem erzeugbare elektrische Energie erhöht. Auf der

Verbraucherseite kann dann durch den variablen Verbraucher in Form des Wellenmotors 15 in entsprechendem Maße der elektrische Energieverbrauch erhöht werden, so dass die gesamte zur Verfügung stehende Abwärmeenergie genutzt werden kann.

Für den Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems auch bei nur geringer Abwärme der Hauptmaschine kann Wärme einer weiteren Wärmequelle 24, z.B. eines Zusatzbrenners, an das Arbeitsmit-

tel des Kreislaufes 7 übertragen werden. Hierdurch kann die Dampfturbine 8 vorgeheizt bzw. zusätzlicher Dampf für die Dampfturbine 8 erzeugt werden. Die Wärmequelle 24 ist hierzu parallel zu dem Wärmetauscher 5 in den Kreislauf 7 geschal- tet .