AT507229B1 - METHOD FOR PRODUCING HYDROGEN AND OXYGEN FROM SEAWEED ENERGY ON A SAILING SHIP - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Meereswindenergie umfassend ein Katamaran- bzw. Doppelrumpfschiff mit einem Segelsystem zum Vortrieb des Doppelrumpfschiff es und mit mindestens einem am Doppelrumpfschiff außerbordig montierten Turbinengeneratorsatz zur Umwandlung der Vortriebsenergie des Doppelrumpfschiffes in elektrische Energie, sowie mit einer Wasserelektrolyse-Vorrichtung, wobei das Doppelrumpfschiff mit wenigstens vier Segelmasten je Schiffsrumpf bestückt ist, und es, neben den herkömmlichen Segeln je Segelschiffsrumpf, zum Segeln Großsegel aufweist, die zwischen den entsprechenden Segelmasten der zwei Rümpfe des Segelschiffes angebracht sind.A device for the production of hydrogen and oxygen from marine wind energy comprising a catamaran or double hull ship with a sail system for propulsion of the double hull ship and at least one on the double hull ship outboard turbine generator set for converting the propulsion energy of the double hull ship into electrical energy, and with a water electrolysis device, wherein the double hull ship is equipped with at least four masts per hull, and, in addition to the conventional sails per sailboat hull, for sailing mainsail, which are mounted between the corresponding masts of the two hulls of the sailing ship.

Description

österreichisches Patentamt AT 507 229 B1 2011-05-15Austrian Patent Office AT 507 229 B1 2011-05-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Meereswindenergie umfassend ein Katamaran- bzw. Doppelrumpfschiff mit einem Segelsystem zum Vortrieb des Doppelrumpfschiffes und mit mindestens einem am Doppelrumpfschiff außerbordig montierten Turbinengeneratorsatz zur Umwandlung der Vortriebsenergie des Doppelrumpfschiffes in elektrische Energie, sowie mit einer Wasserelektrolysevorrichtung.The invention relates to a device for the production of hydrogen and oxygen from marine energy comprising a catamaran or double hull ship with a sail system for propulsion of the double hull ship and at least one on the double hull ship outboard turbine generator set for converting the propulsion energy of the double hull ship into electrical energy, as well as with a water electrolysis device.

[0002] Windenergie ist eine nachhaltige Form der Sonnenenergie in Form einer bewegten, meist temperaturgeschichteten Atmosphäre, die im allgemeinen auf größerem Raum eine nicht immer gleichmäßige, zeitlich beschränkte, gerichtete Luftströmung darstellt.Wind energy is a sustainable form of solar energy in the form of a moving, usually temperature-layered atmosphere, which generally represents a not always uniform, temporally limited, directed air flow in a larger space.

[0003] Aus der DE 10 2007 057 267 A1 ist ein Schiff bekannt, das als Einrichtung zum Umwandeln von Windenergie über dem offenen Wasser in elektrische Energie funktioniert. Das Schiff weist fünf Rümpfe auf, die parallel zueinander angeordnet sind. Zwischen den Rümpfen sind Wasserturbinen gehängt, die die Strömungsenergie des einlaufenden Wassers in elektrische Energie umwandeln. Vortrieb erhält das Schiff durch Flettner-Rohre sowie durch Drachenhöhensegel.From DE 10 2007 057 267 A1 a ship is known, which works as a device for converting wind energy over the open water into electrical energy. The ship has five hulls, which are arranged parallel to each other. Between the hulls are hung water turbines, which convert the flow energy of the incoming water into electrical energy. Propulsion receives the ship through Flettner tubes as well as through Drachenhöhensegel.

[0004] Diese Lehre zeigt eine Wirkungsgradsteigerung dadurch, dass zu einem ersten Vortriebsmittel (Flettner-Rohre) ein zweites Vortriebsmittel (Drachenhöhensegel) hinzugefügt wird. Nachteilig dabei würde man bei der Suche nach weiteren Verbesserungsmöglichkeiten kaum ein drittes Vortriebsmittel oder ein vollkommen neues Mittel wählen, das die beiden ersten ersetzen soll. Ausgehend von der Kombination aus Flettner-Rohren und Drachenhöhensegeln würde man allenfalls die Höhe und den Durchmesser sowie gegebenenfalls die Rotationsgeschwindigkeit der Flettner-Rohre steigern. Eine Kombination aus Flettner-Rohren und herkömmlichen Segeln ist unüblich, weil die Masten-und die Segelgeometrie die Rohr-Geometrie stören würden.This teaching shows an increase in efficiency in that a second propulsion means (kite altitude sail) is added to a first propulsion means (Flettner tubes). The disadvantage here would be in the search for further possibilities for improvement hardly choose a third propulsion agent or a completely new means to replace the first two. Based on the combination of Flettner pipes and kite heights, the height and diameter as well as the rotation speed of the Flettner pipes would possibly be increased. A combination of Flettner tubes and conventional sails is uncommon because the mast and sail geometry would disrupt the tube's geometry.

[0005] Die DE 4 024 126 A1 lehrt ein dreirumpfiges Schiff, auf welchem drei bis fünf Windenergiekonverter aufgestellt sind. Diese Konverter liefern elektrische Energie, die teils für den Vortrieb des Schiffes, teils für die Speicherung von elektrolytisch gewonnenem Wasserstoff verwendet wird.DE 4 024 126 A1 teaches a dreirumpfiges ship on which three to five wind energy converters are placed. These converters supply electrical energy, which is used partly for the propulsion of the ship, partly for the storage of electrolytically produced hydrogen.

[0006] Die DE 10 219 083 A1 offenbart ein Produktionsschiff. Das Schiff wandelt, sobald es an einen geeigneten Ort auf See gefahren ist, mittels Windkrafträdern und Sonnenkollektoren die entsprechenden zur Verfügung stehenden Energien in elektrische Energie um. Diese wird nochmals durch Elektrolyse in Form von an Bord gespeichertem Wasserstoff umgewandelt.DE 10 219 083 A1 discloses a production ship. The ship, once it has moved to a suitable location at sea, using wind turbines and solar panels converts the corresponding available energy into electrical energy. This is again converted by electrolysis in the form of hydrogen stored on board.

[0007] Die US 2007/0138021 A1 zeigt ein Katamaran-Schiff, auf dem eine Windkraftanlage zur Erzeugung von flüssigem Wasserstoff durch Umwandlung der Windenergie in elektrische Energie und anschließender Elektrolyse montiert ist.The US 2007/0138021 A1 shows a catamaran ship on which a wind turbine for the production of liquid hydrogen by converting the wind energy into electrical energy and subsequent electrolysis is mounted.

[0008] Nachteil der drei letztgenannten Lehren ist, dass die Schiffe zunächst einen geeigneten Ort auf See anfahren und nach einer Betriebszeit wieder einen Hafen anlaufen müssen. Diese Phasen sind zeitaufwendig und verbrauchen bereits einen Teil der gewonnenen Energie.Disadvantage of the three last-mentioned teachings is that the ships must first approach a suitable location at sea and after an operating time again have to call at a port. These phases are time consuming and already consume some of the energy gained.

[0009] Die Erfindung zielt darauf ab, diese Windenergie durch mehrmalige Energieumformung in Wasserstoff und Sauerstoff umzuwandeln. Dabei soll die Windenergie mit auf einem mehr-rumpfigen Schiff installierbaren Mitteln gesteigert ausgenutzt werden.The invention aims to convert this wind energy by repeated energy conversion into hydrogen and oxygen. The wind energy should be exploited increased with installable on a multi-hulled ship funds.

[0010] Dies wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der einleitend angegebenen Art dadurch erreicht, dass das Doppelrumpfschiff mit wenigstens vier Segelmasten je Schiffsrumpf bestückt ist, und dass es, neben den herkömmlichen Segeln je Segelschiffsrumpf, zum Segeln Großsegel aufweist, die zwischen den entsprechenden Segelmasten der zwei Rümpfe des Segelschiffes angebracht sind.This is achieved according to the invention in a device of the type specified by the fact that the double hull ship is equipped with at least four masts per hull, and that, in addition to the conventional sails per sailboat hull, for sailing mainsail, which between the corresponding masts the two hulls of the sailing ship are attached.

[0011] Eine Weiterbildung der Vorrichtung besteht darin, dass das Doppelrumpfschiff Solargeneratoren und Mittel zum Speichern der aus den Solargeneratoren gewonnenen Energie aufweist. 1/4 österreichisches Patentamt AT 507 229 B1 2011-05-15 [0012] Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Funktionsweise zumindest eines Turbinengenerators im Sinne eines ein- oder beidseitigen oder teilweisen Außenbordantriebes umkehrbar, um die Manövrierfähigkeit des Doppelrumpfsegelschiffes bei Verlust des Windantriebes zu gewährleisten.A further development of the device is that the double hull ship has solar generators and means for storing the energy obtained from the solar generators. In a further embodiment of the invention, the operation of at least one turbine generator in the sense of a one- or two-sided or partial outboard drive is reversible to the maneuverability of the double-hull sailing ship in case of loss of wind power to ensure.

[0013] Vorzugsweise ist der mindestens eine Turbinengenerator in Funktion eines Außenbordantriebes mit Energie, die in an Bord erzeugtem Wasserstoff und Sauerstoff enthalten ist, versorgbar.Preferably, the at least one turbine generator in the function of an outboard drive with energy contained in generated on board hydrogen and oxygen, can be supplied.

[0014] Eine weitere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass Elektromotoren zur Unterstützung des Außenbordantriebes vorgesehen sind, deren Energie von einer Batterieanlage kommt, die wiederum von der Gesamtheit der elektrischen Energiequellen an Bord des Doppelrumpfsegelschiffes aufladbar ist.A further development of the invention is that electric motors are provided to support the outboard drive, whose energy comes from a battery system, which in turn is chargeable by the totality of electrical energy sources on board the double-hull sailing ship.

[0015] Bei einerweiteren Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Turbinengeneratorsätze außenbordig, hintereinander und auf alle vier Schiffswände des Doppelrumpfsegelschiffes verteilt so angebracht, dass jeder Turbinengeneratorsatz auf einer anderen, gegenüber der Wasseroberfläche als auch zu der Schiffswandfläche gleich distanzierten, parallelen Arbeitsebene positioniert ist.In a further embodiment of the invention, a plurality of turbine generator sets are outboard, successively and distributed to all four ship walls of the double hull sailing ship mounted so that each turbine generator set is positioned on another, opposite the water surface as well as the ship's wall surface equally distant, parallel working plane.

[0016] Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment.

1. UMFORMUNG VON WINDENERGIE IN SCHIFFSVORTRIEBSENERGIE1. FORMATION OF WIND ENERGY IN SHIPBUILDING ENERGY

[0017] Erfindungsgemäß wird ein Doppelrumpfsegelschiff, ein Katamaran, mit größtmöglicher Segelfläche eingesetzt, der die Meereswindenenergie für den Vortrieb des Schiffes nutzt. Auf diese Weise können erstens viele Segel eingesetzt werden, und zweitens sowohl seitwärts an beiden Schiffsrümpfen als auch zwischen diesen Wasserturbinen in ausreichend großer Anzahl montiert werden. Die Takelage erfolgt vorzugsweise durch Glasfibermasten sowie weitgehend automatisierte Segelsetzung. Das Doppelrumpfsegelschiff weist vier bis sieben Masten je Rumpf auf. Um allfälligen Windflauten zu begegnen, hat das Schiff einen zuschaltbaren Schraubenantrieb und eine ständige Geosatellitenverbindung. Außerdem wird die direkte Sonneneinstrahlung auf dem Schiff genutzt, indem die Segel photovoltaisch zusätzlichen Gleichstrom liefern; die Warmwasserbereitung auf dem Schifferfolgt über Solarzellen.According to the invention, a double-hulled sailing ship, a catamaran, is used with the largest possible sail area, which uses the sea-wind energy for the propulsion of the ship. In this way, firstly many sails can be used, and secondly mounted both sideways on both hulls and between these water turbines in a sufficiently large number. The rigging is preferably done by glass fiber mats and largely automated sail setting. The double hull sailing ship has four to seven masts per hull. In order to counter any wind lulls, the ship has a switchable screw drive and a permanent geosatellite link. In addition, the direct solar radiation is used on the ship by providing the sails photovoltaic additional direct current; the water heating on the boat is done by solar cells.

2. UMWANDLUNG DER VORTRIEBSENERGIE DES SCHIFFES IN DREHENERGIE2. CONVERSION OF THE POWER OF THE SHIP IN TURNING ENERGY

[0018] Das Doppelrumpfsegelschiff erfährt seinen Vortrieb im Meer durch das vom Wind beaufschlagte Segelsystem. Wasserturbinen sind sowohl zwischen den Schiffsrümpfen als auch an den Außenseiten der Rümpfe starr bzw. zur Reparatur ausschwenkbar befestigt. Mehrere Turbinen werden so hinter- und übereinander angeordnet, dass jeweils eine ausreichende Wasserströmung vorhanden ist bzw. die Wasserströmung nicht abreißt. Angestrebt wird eine möglichst gleichmäßige Wasserströmung bzw. ein möglichst gleichmäßiger Wasserdurchsatz durch die Wasserturbinen.The double-hull sailing ship experiences its propulsion in the sea by the wind system acted upon by the wind. Hydro turbines are fixed both between the hulls and on the outsides of the hulls rigid or swung out for repair. Several turbines are arranged behind and above one another in such a way that sufficient water flow is present or the water flow does not break off. The aim is to achieve a flow of water that is as even as possible, or a water flow rate that is as even as possible through the water turbines.

[0019] Die Wasserturbinen sind als Turbinen-Generatorsätze ausgebildet, wobei in Fahrtrichtung des Schiffes gesehen jeder Turbinen-Generatorsatz in einer anderen Höhenlage und Distanz zum jeweils nächsten Turbinen-Generatorsatz montiert ist, so dass das Wasser, das auf die jeweils folgende Turbine strömt, nicht verwirbelt wird. Somit erhält jeder Turbinen-Generatorsatz in bezug auf das Meeresniveau ein eigenes Betriebsniveau.The water turbines are designed as turbine generator sets, as seen in the direction of travel of the ship each turbine generator set is mounted in a different altitude and distance to the next turbine generator set, so that the water flowing to the next turbine, not be swirled. Thus, each turbine generator set gets its own operating level with respect to the sea level.

[0020] Die Befestigungsstränge zwischen jedem Turbinen-Generatorsatz und dem Schiffskörper sind im Querschnitt strömungsgünstig ausgebildet. Das gleiche gilt für die Versorgungsleitungen. Die Befestigungsstränge sollen es gestatten, einen Turbinen-Generatorsatz jederzeit ohne Betriebsunterbrechung der anderen Turbinen-Generatorsätze aus dem Wasser zu hieven, um ihn zu reparieren oder zu ersetzen. Entsprechende Arbeitskräne sind als Schiffsausstattung vorgesehen. 2/4 österreichisches Patentamt AT 507 229 B1 2011-05-15The fastening strands between each turbine generator set and the hull are aerodynamically designed in cross-section. The same applies to the supply lines. The attachment strands should allow a turbine generator set to be hoisted out of the water at any time without interrupting the operation of the other turbine generator sets in order to repair or replace it. Corresponding work cranes are intended as ship equipment. 2/4 Austrian Patent Office AT 507 229 B1 2011-05-15

3. UMFORMUNG DER MECHANISCHEN DREHENERGIE IN ELEKTRISCHE ENERGIE3. FORMATION OF MECHANICAL ROTATING ENERGY IN ELECTRICAL ENERGY

[0021] Für den Vortrieb sind schnell laufende Propeller vorgesehen, die aber für die Turbinen-Generatorsätze zur Energieerzeugung wenig wirkungsvoll sind. Für diese Sätze haben sich langsam laufende Turbinenräder mit Leiträdern vom Typ der Kaplanturbine etabliert. Die Turbi-nen-Generatorsätze am Doppelrumpfsegelschiff ähneln somit denen von Flußlaufkraftwerken, haben ähnlich schnelles Turbineneinlaufwasser und ähnlich große Durchsatzmengen.For propulsion fast-running propeller are provided, which are less effective for the turbine generator sets for power generation. For these rates, slow-running turbine wheels with guide wheels of the Kaplan turbine type have become established. The turbine generator sets on the double hull sailing ship thus resemble those of river power plants, have similarly fast turbine inlet water and similarly large flow rates.

[0022] Allerdings können die Roll- und Schlingerbewegungen des Doppelrumpfsegelschiffes infolge der Trägheitskräfte der drehenden Massen der Turbinen-Generatorsätze ein Problem für die Lager der Turbinen-Generatorsätze darstellen; auch für deren Aufhängungen und Befestigungen am Schiffskörper ergeben sich Probleme. Diese Probleme werden durch Dimensionierung und konstruktive Maßnahmen (Kardangelenke, Stoßdämpferfederungen usw.) beherrscht.However, due to the inertial forces of the rotating masses of the turbine generator sets, the roll and roll motions of the double hull sailing ship may pose a problem for the turbine generator set bearings; also for their suspensions and attachments on the hull problems arise. These problems are dominated by dimensioning and design measures (cardan joints, shock absorber suspensions, etc.).

[0023] Die mit den Wasserturbinen gekoppelten Elektrogeneratoren sollen den relativ langsam laufenden Wasserturbinen-Generatorsätzen von Flußlaufkraftwerken entsprechen, deren Wirkungsgrad bekannt ist. Die Verbindung der schwingungsgedämpften Turbine zum ebenfalls schwingungsgedämpften Generator besteht neben einer Kupplung auch aus einem Kardangelenk, um der Schiffsdynamik infolge des Seeganges zu entsprechen. In jedem Fall ist die schlingende Dynamik infolge des Seeganges bei allen Ausrüstungsteilen zu beachten.The coupled with the water turbines electric generators should correspond to the relatively slow-running water turbine generator sets of river power plants, whose efficiency is known. The connection of the vibration-damped turbine to the likewise vibration-damped generator consists not only of a clutch but also of a universal joint in order to correspond to the ship's dynamics as a result of the sea state. In any case, the looping dynamics due to the swell of all equipment must be considered.

4. UMFORMUNG DER ELEKTRISCHEN ENERGIE IN CHEMISCHE ENERGIE4. FORMATION OF ELECTRICAL ENERGY IN CHEMICAL ENERGY

[0024] Der durch die Gleichstromgeneratoren erzeugte Strom (elektrische Energie) wird in mehreren Gruppen von Elektrolysevorrichtungen in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt. Anders als am Festland ist für die Elektrolyse die Schlingerbewegung des Schiffes in Betracht zu ziehen, um z.B. durch Federung und Schwingungsdämpfung für eine Stabilisierung der Elektrolyseanlage zu sorgen. Die bei der Elektrolyse erzeugten Gase Wasserstoff und Sauerstoff werden sofort auf dem Doppelrumpfsegelschiff hoch verdichtet oder verflüssigt und in Gasbehältern gespeichert.The electricity generated by the DC generators (electrical energy) is converted into hydrogen and oxygen in several groups of electrolyzers. Unlike on the mainland, electrolysis must take into account the ship's rolling motion, e.g. to provide stabilization of the electrolysis system by means of suspension and vibration damping. The hydrogen and oxygen gases generated during the electrolysis are immediately high-compressed or liquefied on the double-hulled sailing ship and stored in gas tanks.

[0025] Die containerähnlichen Gasbehälter für Wasserstoff und Sauerstoff sind so beschaffen, dass sie sowohl im Schiff befüllt als auch gelagert werden können. Die Gase Wasserstoff und Sauerstoff werden auf diese Weise getrennt gelagert, wobei sie in jeweils einem Rumpf des Schiffes untergebracht werden. Die Sicherheit dieser Gasbehälter wird bis zur Entleerung am Energieeinsatzort, z.B. einem Gaskraftwerk, einem Großraumflugzeug, Gastanklagern, einer Gaspipeline, gewährleistet. Ein Umtanken der Gase wird durch Verwendung eines Großbehälters ab Schiff bis hin zum Verteiler oder Großverbraucher vermieden.The container-like gas containers for hydrogen and oxygen are such that they can be both filled in the ship and stored. The gases hydrogen and oxygen are stored separately in this way, where they are housed in a respective hull of the ship. The safety of these gas containers is maintained until emptying at the place of use of energy, e.g. a gas-fired power station, a wide-body aircraft, gas storage, a gas pipeline guaranteed. Refilling the gases is avoided by using a large container from the ship to the distributor or bulk consumer.

[0026] Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die zur Energieerzeugung vorgesehenen Gase (für Gaskraftwerke, Flugzeuge, Autos, Wohnungen) keine Luft zur Bindung von Wasserstoff verwenden, sondern nur den bei der Elektrolyse miterzeugten Sauerstoff. Auf diese Weise wird eine hundertprozentige umweit- und klimaschonende Energieerzeugung aus Gasen (z.B. in Brennstoffzellen) gewährleistet. 3/4The advantage of the method is that the energy used for generating gases (gas power plants, aircraft, cars, homes) do not use air to bind hydrogen, but only the co-produced in the electrolysis of oxygen. In this way, one hundred percent environmental and environmentally sound energy production from gases (for example in fuel cells) is guaranteed. 3.4

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