Vergleich verschiedener Windzusatzantriebe für Frachtschiffe im frühesten Entwurfsstadium auf Basis statistischer Betrachtungen
Robin Kloske, M.Sc., TECHNOLOG services GmbH
Gemäß der Zielsetzung der IMO soll die Schifffahrt bis 2050 emissionsneutral werden. Auch die EU setzt mit den neuen Regeln und Abgaben Maßstäbe zur Reduzierung des Ausstoßes von Treibhausgasen durch Schiffe. Da Winde eine nicht erschöpfliche, auf See nahezu ständig verfügbare Energiequelle ohne direkte Einkaufskosten darstellt, gewinnen Segelantriebe in den letzten Jahren an Bedeutung. Im Gegensatz zur Historie betrachtet man heutzutage zumeist hocheffiziente Auftriebsorgane, die insbesondere für die Betrachtung von Frachtschiffen, als Windzusatzantriebe eingesetzt werden. Der Markt bietet eine Vielzahl an verschiedenen Systemen mit unterschiedlichsten Eigenschaften. Die Marktreife reicht dabei von ersten Konzeptstudien bis hin zu einer Vielzahl installierter Einheiten. Um mögliche Anwendungsfälle für die Neubau- oder Bestandsflotte einer Reederei zu bestimmen, wird zunächst mit der Reederei gemeinsam ermittelt, welche Anforderungen, Erwartungen und Einschränkungen für das betrachtete Schiff bestehen. Dies kann beispielsweise insbesondere bei Containerschiffen Anforderungen an Störungen des Ladungsumschlags bedeuten oder auch die Erwartung, dass eine bestimmte Größenordnung Kraftstoffersparnis erreicht werden soll. Um den Reedereien sowohl im Neubaugeschäft als auch für Überlegungen zu Retrofits eine Entscheidungshilfe in dem facettenreichen Marktangebot zu bieten, wird ein Berechnungstool zur Abschätzung von möglichen Segelkräften verschiedener Windzusatzantriebe entwickelt. Die Berechnungsprozedur orientiert sich an den Richtlinien zur Berechnung des Einsparfaktors für den EEDI gemäß der Dokumente MEPC.1/Circ.896 und MEPC.1/Circ.815. Dabei wird eine normierte Matrix der Auftretenswahrscheinlichkeiten von Kombinationen aus wahrer Windgeschwindigkeit und wahrem Windwinkel zur Schiffslängsachse auf einer festgelegten Schiffsroute herangezogen. Während sich die EEDI Berechnung auf ein Netz der globalen Schifffahrtsrouten bezieht, wird im neu entwickelten Tool jede beliebige vom Kunden gewünschte Route untersucht. Anhand einer frei wählbaren, aber für die Berechnung konstant gehaltenen Schiffsgeschwindigkeit, wird der wahre Wind mit seinen Auftretenswahrscheinlichkeiten in scheinbaren Wind umgerechnet. Die von den Segelherstellern zur Verfügung gestellten Kraftkoeffizienten in Schiffslängs- und -querrichtung abhängig vom scheinbaren Wind werden genutzt, um eine Matrix der vom wahren Wind abhängigen erzeugten Segelkräfte zu berechnen. Unter Berücksichtigung der Wahrscheinlichkeitsmatrix wird anschließend eine durchschnittliche Segelkraft bestimmt. In der Nachbereitung wird die Anzahl der installierten Segel gewählt und mit Hilfe von empirischen, durch Informationen der Segelhersteller gestützten Interaktionsfaktoren eine Gesamt-Rigg-Effizienz ermittelt. Für eine gewählte Hauptmaschine und ein Propulsionssystem wird anschließend je ein Arbeitspunkt ohne und mit Windzusatzantrieb bestimmt. Für die gewählte Route werden somit durchschnittliche Kraftstoff- Einsparungen ermittelt. Die Berechnung ist auf schnelle Variation aller Eingabedaten wie beispielsweise Route, Segelsystem, Segelanzahl und Schiffsgeschwindigkeit ausgelegt. So wird eine für den frühesten Schiffsentwurf maßgebliche hohe Anzahl an Varianten berechnet. Im Vergleich der Ergebnisse werden weitergehend Faktoren wie Integration an Bord, Einfluss auf das Design eines Neuentwurfs, mögliche Klapp-, Verfahr- oder Reffsysteme, Marktreife der Hersteller und Investitionskosten herangezogen. Die Aussagekraft der berechneten Segelkräfte wird in Anbetracht der gewählten Methode und der genutzten Vereinfachungen diskutiert. Als Ergebnis liefert eine Darstellung mit Hilfe eines symbolischen Pendels in die Richtung des einen oder anderen Segelsystems dem Kunden eine Entscheidungshilfe, welche Segelsysteme etwa in tiefer gehenden CFD- und Integrations-Studien weiter untersucht werden könnten. Das beschriebene Vorgehen und beispielhafte Ergebnisse und Erkenntnisse werden anhand eines Schiffsentwurfes eines 6000 TEU Containerschiffes für die Reederei Hapag-Lloyd präsentiert.
Comparison of different wind assisted propulsion systems for cargo vessels at early design stages based on statistical calculations
