Innovative Systemintegration eines Aktivruders als emissionsfreies Propulsionsorgan für Schiffe der fahrenden Flotte
B.Eng. Svenja Holthus, Dr.-Ing. Andreas Junglewitz, Siemens Energy Global GmbH & Co KG; Jonathan Achstetter M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Moustafa Abdel-Maksoud, Technische Universität Hamburg
Weltweite Bestrebungen, das Klima und die Umwelt zu schützen, werden in den internationalen Bemühungen zur CO2-Reduktion besonders deutlich. Die IMO (International Maritime Organization) hat hierfür der Schifffahrt, die für ca. 2,5% aller weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich ist, klare Ziele gesetzt. Die Einhaltung dieser Ziele stellt besonders für die fahrende Flotte eine große Herausforderung dar. Für die maritime Industrie ergibt sich damit die Notwendigkeit, innovative Lösungen für die zu erwartenden Um- und Nachrüstungen der fahrenden Flotte zu entwickeln.
Eine ebensolche Herausforderung stellen die immer größer werdenden Schiffe dar, die mit geringen Geschwindigkeiten enge Fahrwasser passieren und in Häfen manövrieren müssen. Durch das Aktivruder wird die Manövrierfähigkeit von der Schiffsgeschwindigkeit entkoppelt, sodass auch bei geringen Schiffsgeschwindigkeiten eine hohe Manövrierfähigkeit gewährleistet wird.
Um beide Herausforderungen zu meistern, arbeitet Siemens Energy zusammen mit der Technischen Universität Hamburg (TUHH), der Otto Piening GmbH und der TUI Cruises GmbH an der Wiederbelebung des Aktivruders, das von F.W. Pleuger und F.F. Busmann (1) entwickelt wurde. Dieses Forschungsprojekt wird durch die IFB Hamburg im Rahmen des Programms PROFI Umwelt unterstützt.
Der Antriebsmotor des Aktivruders, welcher über ein separates DC-Netz versorgt wird, bezieht die notwendige Antriebsleistung aus Brennstoffzellen, die als Energiewandler genutzt werden.
Diese können sowohl den Motor im Aktivruder als auch das Bordnetz speisen, sodass Schiffe bei geringen Geschwindigkeiten, auf Reede oder im Hafen ebenfalls CO2-Reduktionen verzeichnen können. Das Gesamtpaket soll als nachrüstbarer Hilfsantrieb dienen und wird als ZAP (Zero Emission Auxiliary Propulsor) bezeichnet.
Die moderne DC-Technologie ermöglicht eine einfache Einbindung von Batterien, Brennstoffzellen oder Solarpaneelen. Hierbei kommen bewährte und neue Lösungen aus der BlueDrive-Familie von Siemens Energy zum Einsatz. Die Technologie des Aktivruders bietet die Möglichkeit, vom Hauptantrieb unabhängig umweltfreundliche Energie in Propulsionsschub zu wandeln, welcher auch zum Manövrieren genutzt werden kann. Die hydrodynamische Auslegung stellt eine besondere Herausforderung dar.
Die umfangreichen hydrodynamischen Untersuchungen werden an der TUHH durchgeführt.
Im Rahmen des Forschungsprojekts werden die üblichen Berechnungsmethoden wie potentialtheoretische Randelementverfahren und viskose RANSE-Löser genutzt, um eine effektive Entwurfsumgebung für die Entwicklung von kombinierten Propulsions- und Manövrierorganen zu schaffen.
Mit Hinblick auf den ZAP-Antrieb werden die aus dem Einsatzzweck abgeleiteten Anforderungen vorgestellt und sich daraus ergebende Herausforderungen für die numerische Modellierung aufgezeigt. Basierend auf den Stärken der verschiedenen Simulationsverfahren wird ein Prozess erarbeitet, der dem Entwerfer in kurzer Zeit die Möglichkeit gibt, mit den relevanten Kennwerten die Güte der betrachteten Geometrie hinsichtlich ihrer Propulsionseigenschaften zu bewerten.
Die Kombination aus Düse, Propeller und Ruderfläche erfordert die Erweiterung klassischer Paneelmethoden, um die Interaktionseffekte zwischen den Komponenten zu berücksichtigen.
Es werden erste Ergebnisse vorgestellt, anhand derer die Leistungsfähigkeit des entwickelten Auslegungsverfahrens verdeutlicht werden kann und erste Prognosen für die zu erwartenden hydrodynamischen Eigenschaften des ZAP getroffen werden können. Es folgt ein Ausblick auf weitere Untersuchungen zu Manövriersimulationen und schalltechnischen Berechnungen.
Innovative system integration of an active rudder as emission free propulsor for the fleet in service
The worldwide interest to protect the climate and environment are visible in the international efforts to reduce CO2 emissions. The IMO (International Maritime Organization) sets distinct targets for the maritime sector which is responsible for 2,5% of the worldwide CO2 emissions. Compliance with these targets will be a special challenge for the fleet in service. For the maritime industry this results in the necessity to develop innovative solutions for expected conversions and retrofits.
Another challenge are increasingly larger ships, when they want to pass small nautical passages and maneuvering in the harbor. With an active rudder the maneuvering forces are decoupled from the ships speed which results in high maneuverability even at slow speeds.
To master both challenges Siemens Energy works together with the Hamburg University of Technology (TUHH), Otto Piening GmbH and TUI Cruises GmbH for a revival of an active rudder. This research project is funded by IFB Hamburg in the program “PROFI Umwelt”. In the past F.W. Pleuger und F.F. Busmann (Pleuger, F.W., F.F. Busmann: “Device for Propelling a Ship”, United States Patent Office 2,714,866 Aug. 9, 1955, Application February 19,1951) developed one type of an active rudder.
The engine of the active rudder, which is supplied by a separate DC-Grid, receives the necessary power by fuel cells as energy converter. Those can feed the engine and the bord system. The result is that ships can reduce the CO2 emission at lower speed, at roadsteads (on anchor) or in the harbor. The overall package should be useful as a retrofit auxiliary engine-its name is ZAP (Zero Emission Auxillary Propulsor).
The modern DC technology allows to includ batteries, fuel cells and solar panels. Proven and new solutions of the BlueDrive family from Siemens Energy are used here. The active rudder technology hast the advantage to use environmental-friendly energy independent from the main propulsor for the propulsion thrust, which is also useful for the maneuvering.
The hydrodynamic part of this project however is a special challenge, therefore extensive hydrodynamic research is being conducted at the Hamburg University of Technology (TUHH). The project combines conventional numerical simulation methods such as a potential-theory based boundary element code as well as a viscous RANSE solver to establish an effective simulation environment for the development and optimization of combined propulsion and maneuvering devices.
Specific requirements from the intended application are imposed on the ZAP, which are presented along with the resulting challenges. Based on the strengths of the chosen simulation methods, a procedure is developed. This allows the designer to quickly assess the quality of the design regarding the propulsive efficiency based on a few key values.
The combination of duct, propeller and rudder requires some adjustments to the usual panel codes to account for the interactions between the components. Preliminary results are presented to demonstrate the capability of the presented design procedure. Based on this, a prediction for the expected hydrodynamic properties of the ZAP can be provided. Furthermore, an outlook on continuative research activities such as maneuvering simulations and estimations of the radiated underwater noise is given.
