Die steigenden Kraftstoffpreise und der fortwährende Druck, die Umweltauswirkungen zu minimieren, machen die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs zu einer der größten Herausforderungen im maritimen Sektor. Simcenter Amesim-Modelle können sowohl im Konstruktionsprozess zur Bewertung von Antriebsalternativen als auch während des Betriebs zur Analyse verschiedener Seerouten unter Berücksichtigung der Wetterbedingungen eingesetzt werden.

Abbildung 1: Schiffsroute vom Hafen Hamburg nach New Jersey

Amesim in der Schifffahrt

Dieser Artikel zeigt ein Beispiel, wie Simcenter Amesim während des Betriebs unterstützen kann. Ein Frachtschiff steht kurz vor der Abfahrt aus dem Hafen Hamburg mit dem Ziel New Jersey. Für die Reiseplanung sind folgende Fragen zu klären:

• Wie lautet die geschätzte Ankunftszeit (ETA)?
• Wie hoch ist der erwartete Kraftstoffverbrauch?
• Wie werden diese durch die Wetterbedingungen beeinflusst?

Figure 2: Simcenter Amesim simulation model. The engine model and control on the left, the propeller, ship, and sea conditions on the right.

Das Amesim-Modell

Im Simcenter Amesim wird ein Modell des Schiffs erstellt (Abbildung 2). Die Hauptkomponenten sind:

• Zweitakt-Dieselmotor
  Die Motorleistung basiert auf benutzerdefinierten Kennfeldern.
• Für den maritimen Einsatz konzipierter Propeller
  Schub- und Drehmoment werden mithilfe von 2D-Tabellen berechnet, basierend auf dem Verhältnis von Steigung zu Durchmesser und dem Vorschubwinkel über 360°. Weitere Optionen beinhalten Tabellen für das erste und vierte Quadrant oder nur den ersten Quadrant sowie das theoretische Wageningen B-Series Propellermodell.
  Der Einfluss des Rumpfes auf die Nachlaufströmung wird in dieser Analyse ausgelassen, kann aber einbezogen und z. B. mit Taylor, Holtrop, Harvald oder benutzerdefinierten Methoden berechnet werden.
• Schiffsmodell mit Masse und Navigationswiderstand
  Das Modell berechnet die translatorische Bewegung entlang der Längsachse und berücksichtigt dabei Masse und Navigationswiderstand durch Wasserreibung. Der Widerstand basiert auf experimentellen Testdaten eines Schiffsmodells. Die ITTC-78-Methodik dient zur Skalierung auf reale Schiffsdimensionen. Alternativ können auch Barrass, Holtrop & Mennen, Savitsky oder benutzerdefinierte Formeln verwendet werden.

Entlang der Seewegstrecke werden unterschiedliche Seebedingungen berücksichtigt, indem zwei repräsentative Wetterbedingungen (gut und schlecht) angewendet werden. Diese Stufen wurden auf Grundlage des durchschnittlichen Wetters, das während der Reise auftreten kann, festgelegt und in zwei Extremniveaus unterteilt. Abbildung 3 und 4 zeigen die unterschiedlichen Bedingungen.

Abbildung 3: Seewassereigenschaften bei gutem und schlechtem Wetter

Abbildung 4: Wind- und Welleneigenschaften bei gutem und schlechtem Wetter

Bedingungen

Drei verschiedene Sollgeschwindigkeitsprofile werden vorgegeben. Basierend auf den zwei erwarteten Wetterbedingungen und drei unterschiedlichen Reisegeschwindigkeiten werden insgesamt sechs Simulationen durchgeführt, um die Reisezeiten, den Kraftstoffverbrauch und die CO₂-Emissionen zu bestimmen. Abbildung 5 zeigt die tatsächliche Schiffsgeschwindigkeit im Vergleich zur Sollgeschwindigkeit. Bei guten Wetterbedingungen folgt die tatsächliche Geschwindigkeit den Sollgeschwindigkeiten von 8 und 11 Knoten. Bei der maximalen Sollgeschwindigkeit jedoch wird die tatsächliche Geschwindigkeit nicht erreicht, da die maximale Belastung des Schiffsantriebs erreicht wird. Bei schlechten Wetterbedingungen fällt die tatsächliche Höchstgeschwindigkeit sogar unter 11 bzw. 8 Knoten entlang der Route.

Abbildung 5: Vorgegebene Geschwindigkeitsprofile und tatsächliche Schiffsgeschwindigkeiten

Abbildung 6: Seewiderstände aus verschiedenen Quellen bei gutem (oben) und schlechtem Wetter (unten)

Die Beschleunigung des Schiffs ergibt sich aus der resultierenden Kraft geteilt durch die Masse. Diese ergibt sich aus der Differenz von Widerstand und Propellerschub. Die wirkenden Kräfte sind in Abbildung 6 dargestellt.

Die Reisezeit, der gesamte Kraftstoffverbrauch und die CO₂-Emission werden für die sechs Simulationen bestimmt. Abbildung 7 zeigt, wie sich diese Werte entlang der Schiffsposition entwickeln. Die variierenden Geschwindigkeiten bei schlechten Wetterbedingungen sind deutlich im Diagramm zur Reisezeit erkennbar, da die Steigungen nicht konstant sind.

Ergebnisse

Die Zunahme der Reisezeit und des durchschnittlichen Kraftstoffverbrauchs sind in der Tabelle dargestellt.
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